地下洞室开挖面表面应力解除装置制造方法及图纸

一种地下洞室开挖面表面应力解除装置，包括：外壳体、应力解除切割机构、多路应变测量装置、测量控制单元和设置于工作壁面上的三分量直角应变花，其中：应力解除切割机构设置于外壳体内且分别与多路应变测量装置和测量控制单元相连，多路应变测量装置由连接导线与三分量直角应变花相连记录应力解除切割机构对岩壁实施应力解除过程中工作面上应变变化，由通信电缆与主控箱相连，测量控制单元由动力电缆与计算机相连。本发明专利技术设计合理，外壳体采用手提式箱型结构，体积小、重量轻，安装和拆卸操作简单易行，具有野外携带方便，适应性好等特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种岩石工程领域岩体表面应力测量的装置，具体是一种地下洞室开挖面表面应力解除装置。
技术介绍
在水利水电、矿业开采等涉及地下洞室开挖施工的岩土工程领域，往往需要了解和确定洞室表面围岩的应力状态，以评估开挖围岩本身的稳定性，或者判别和预报顶板压力，以便及时采取必要的工程措施预防事故发生。特别是在深埋地下洞室工程施工时，由于地应力水平较高，施工期间洞室开挖面由于高地应力环境引起的岩爆等事故时有发生，给工程施工带来困难，严重时甚至造成重大的人身安全和生命财产损失。这种情况下，如能采用简单、快速的地下洞室开挖面表面应力测量技术，准确地测定开挖面上表层岩体多个局部壁面的平面应力状态，及时把握洞室施工期间开挖面表层岩面的局部应力状态，从而为研究洞室表层岩体的稳定状况、支护结构设计和计算提供基础性数据资料就显得特别重要。目前在洞室表面开展平面应力测量的技术还局限于通过在平整岩面向岩体凿环形槽来实施对岩体表面的应力解除来进行，这类方法在实施起来需要大型的施工机械，设备笨重，操作起来占地面积也大，对工程施工也会带来诸多不便，甚至由于现场试验占用工时而影响工程进度。另一类测量岩体表面应力方法是表面应力恢复测量法，它是先在岩面凿槽，并记录凿槽过程中其法向的局部变形值，然后再在槽中埋设压力枕加压，当压力达到恢复凿槽时所记录的局部变形值时，就认为施加在压力枕上的压力就是所测岩壁表层的一个主应力。由于主应力的方向一般事先是无法知道的，这样采用这类方法来测点岩体表层的表面应力的话，至少需要进行三次测量，效率较低。经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN101240697，公开日2008813，记载了一种用于在垂直深孔中钻切高质量岩芯的微型井下侧壁环形槽切割工具，所提出的微型井下侧壁环形槽切割工具主要由提升机构、密封电缆接头、电子设备仓、冷却泵仓、上封隔器、环形槽切割主工作部、推送机构、内缸套、下封隔器、下设备仓、外缸套、后工作窗、前工作窗，其中提升机构与外缸套的上端部相连接，密封电缆接头与电子设备仓相连，作为电子设备仓的输出端口，电子设备仓位于提升机构下方，电子设备仓下方设有冷却泵仓，冷却泵仓下方设有上封隔器，上封隔器通过封隔器上支架固定于外缸套内，下封隔器通过封隔器下支架与外缸套下端部固定连接，环形槽切割主工作部与内缸套、推送机构装配成一体，并置于上封隔器和下封隔器之间，在位于上封隔器、下封隔器之间的外缸套上设有前工作窗和后工作窗，下设备仓位于外缸套的尾部。该装置主要是用于在垂直深孔孔壁上钻切相对完整的岩样，同时也可以完成对孔壁局部壁面的应力解除，但无法获得孔壁上被解除局部壁面的实时变形数据；该装置结构复杂，无法适用于快速测定地下洞室开挖面平面应力的实际需要。另外，在岩石表面应力测量技术中多采用传统的多通道应变仪来测量岩石应变，往往就需要有专门配置应变测量仪器，这对于相对复杂的地下洞室施工现场而言不可避免地会给测试工作带来不利影响。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提出一种地下洞室开挖面表面应力解除装置，能够快速获得岩体表面的局部变形数据，进而计算确定岩体表面的局部平面应力状态。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术包括外壳体、应力解除切割机构、多路应变仪测量装置、测量控制单元和设置于工作壁面上的三分量直角应变花，其中应力解除切割机构设置于外壳体内且分别与多路应变测量装置和测量控制单元相连，多路应变仪由连接导线与三分量直角应变花相连记录应力解除切割机构对岩壁实施应力解除过程中工作面上应变变化，由通信电缆与主控箱相连，测量控制单元由动力电缆与计算机相连。所述的测量控制单元包括测量控制电源输入和总线输入接线端子、与计算机相连的控制处理器、驱动机构输出模块、外部信号输入模块，其中外部信号输入模块和驱动机构输出模块分别与应力解除切割机构中的进给步进电机相连，控制处理器接收计算机指令由驱动机构输出模块向应力解除切割机构中的进给步进电机发出进给或回退指令后，使进给步进电机动作，外部信号输入模块接收应力解除切割机构中的检测元件反馈的进给步进电机位置信号，并将该信号送回控制处理器。测量控制单元是一个基于485总线的集成电路板，电源输入电压为直流24V。测量控制电源输入和总线输入接线端子位于集成电路板的右侧，通过连接导线与外部电缆相连接作为集成电路板的电源和信号接口，控制处理器位于集成电路板的中部，驱动机构输出模块和外部信号输入模块位于集成电路板的中上部。所述的多路应变仪包括应变电源输入和总线输入接线端子、应变处理器、失调补偿单元、外部应变接入单元，其中应变电源输入和总线输入接线端子位于集成电路板的左侦牝通过连接导线与外部电缆相连接作为集成电路板的电源和信号接口，应变处理器位于集成电路板的中部，失调补偿单元位于集成电路板的右侧，外部应变接入单元位于集成电路板的中下侧。外部应变接入单元是三个全桥电路，分别与粘贴在岩石壁面上的三分量直角应变花相连接；失调补偿单元是三个可调电位器，分别用于调节外部应变接入单元中三个全桥电路的电路平衡。当应力解除机构开始工作后，三分量直角应变花记录的岩壁表面应变通过外部应变接入单元传送至应变处理器处理和数据存储，并经信号处理后传送至外部计算机实时显示岩壁表面上被解除正应变的变化情况，多路应变仪被设计成微型集成电路模块，直接内嵌至表面应力解除装置的内部，其本身具有数据存储功能，可避免信号传输损失，从而保证数据可靠性。所述的应力解除切割机构包括旋转驱动电机、上基座、联轴器、主轴箱、伞形齿轮副、薄壁金刚石取芯钻头、带键齿钻具套、与测量控制单元的驱动机构输出模块相连的进给步进电机、进给机构轴箱、进给推送丝杆、反力支撑机构、钻具座、进给机构支座、下基座和检测元件，其中旋转驱动电机竖直固定于上基座上且由联轴器与主轴箱的主动轴相连，主轴箱的主动轴通过伞形齿轮副与轴线处于水平位置的带键齿钻具套相连，带键齿钻具套与薄壁金刚石取芯钻头通过螺纹相连接且支撑于钻具座上，钻具座的楔形底部设置于进给机构支座楔形槽内，进给机构支座与进给机构轴箱固定连接，进给步进电机的轴线与薄壁金刚石取芯钻头轴线相平行，进给步进电机的主轴与进给机构轴箱输入端相连，进给机构轴箱的输出端与进给推送丝杆相连，进给推送丝杆与进给机构轴箱可沿丝杆轴向作相对运动，反力支撑机构位于带键齿钻具套后端部的下方且与进给推送丝杆相连，进给机构轴箱和进给步进电机固定连接于下基座上，检测元件设置在带键齿钻具套与薄壁金刚石取芯钻头的后端部且与测量控制单元的外部信号输入模块相连。所述的检测元件用于实时检测应力解除切割机构在钻进作业过程中进给步进电机和薄壁金刚石取芯钻头的工作状态，并将钻进深度、钻压、钻速等参数通过测量控制单元和通信电缆传输到设置于地下洞室开挖面附近底板的计算机，以便对钻进过程进行实时控制。所述的外壳体由水管与冷却水泵相连。所述的上基座和下基座之间设置有圆柱形支杆，上基座和下基座分别与外壳体固定连接。本专利技术设计合理，外壳体采用手提式箱型结构，体积小、重量轻，安装和拆卸操作简单易行，具有野外携带方便，适应性好等特点。应用于地下洞室开挖面表面应力测量时，能够适应于矿山法施工开挖过程中充分利用掌子面清理渣土的短暂时间内进行开挖面表面应力测定工作本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种地下洞室开挖面表面应力解除装置，其特征在于，包括：外壳体、应力解除切割机构、多路应变测量装置、测量控制单元和设置于工作壁面上的三分量直角应变花，其中：应力解除切割机构设置于外壳体内且分别与多路应变测量装置和测量控制单元相连，多路应变测量装置由连接导线与三分量直角应变花相连记录应力解除切割机构对岩壁实施应力解除过程中工作面上应变变化，由通信电缆与主控箱相连，测量控制单元由动力电缆与计算机相连；所述的测量控制单元包括：与计算机相连的控制处理器、驱动机构输出模块、外部信号输入模块，其中：外部信号输入模块和驱动机构输出模块分别与接收应力解除切割机构中的进给步进电机相连，控制处理器接收计算机指令由驱动机构输出模块向应力解除切割机构中的进给步进电机发出进给或回退指令后使进给步进电机动作，外部信号输入模块接收应力解除切割机构中的检测元件反馈的进给步进电机位置信号并将该信号送回控制处理器,外部信号输入模块和驱动机构输出模块分别与接收应力解除切割机构相连，控制处理器接收计算机指令由驱动机构输出模块接收，外部信号输入模块接收机构反馈的信号，并将该信号送回控制处理器。

【技术特征摘要】
1.一种地下洞室开挖面表面应力解除装置，其特征在于，包括:外壳体、应力解除切割机构、多路应变测量装置、测量控制单元和设置于工作壁面上的三分量直角应变花，其中:应力解除切割机构设置于外壳体内且分别与多路应变测量装置和测量控制单元相连，多路应变测量装置由连接导线与三分量直角应变花相连记录应力解除切割机构对岩壁实施应力解除过程中工作面上应变变化，由通信电缆与主控箱相连，测量控制单元由动力电缆与计算机相连； 所述的测量控制单元包括:与计算机相连的控制处理器、驱动机构输出模块、外部信号输入模块，其中:外部信号输入模块和驱动机构输出模块分别与接收应力解除切割机构中的进给步进电机相连，控制处理器接收计算机指令由驱动机构输出模块向应力解除切割机构中的进给步进电机发出进给或回退指令后使进给步进电机动作，外部信号输入模块接收应力解除切割机构中的检测元件反馈的进给步进电机位置信号并将该信号送回控制处理器，外部信号输入模块和驱动机构输出模块分别与接收应力解除切割机构相连，控制处理器接收计算机指令由驱动机构输出模块接收，外部信号输入模块接收机构反馈的信号，并将该信号送回控制处理器。2.根据权利要求1所述的地下洞室开挖面表面应力解除装置，其特征是，所述的多路应变仪包括:应变处理器、失调补偿单元、外部应变接入单元，其中:外部应变接入单元是三个全桥电路，分别与粘贴在岩石壁面上的三分量直角应变花相连接；失调补偿单元是三个可调电位器，用于调节外部应变接入单元中三个全桥电路的电路平衡，当应力解除机构开始工作后，三分量直角应变花记录的岩壁表面应...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯明勋，葛修润，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：