CN110501145B - 一种tbm掘进辅助破岩的实验系统及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种TBM掘进辅助破岩的实验系统，包括可滑动支撑平台、支撑平台预留孔、可锁定滚动轮、支撑平台导轨、热加载平台、平台预留孔、电磁波系统、红外线测温仪、刀盘装置、和刀盘反力架。还公开了一种TBM掘进辅助破岩的实验方法，可用于研究微波照射高温加热+液氮冷却作用对岩石物理力学性质的影响。
Description
技术领域
本发明属于TBM(全断面隧道掘进机)掘进技术领域，具体涉及一种TBM 掘进辅助破岩的实验系统，还涉及一种TBM掘进辅助破岩的实验方法。
背景技术
传统的隧道工程采用钻爆法或者TBM掘进工法，然而均存在一定的不足，如钻爆法存在精度低、工作条件差等问题，而TBM掘进法对于极硬岩开凿困难。
主要的原因是：
1.钻爆法对围岩扰动大，容易造成周边岩石破坏，存在施工精度低、围岩支护困难等一系列缺点。
2.TBM掘进法在破碎抗压强度较高的硬岩时，刀具切削破碎极为困难，刀具磨损消耗量大以及破岩效率低。
因此，对于开凿抗压强度较高的硬岩，主要思路是先通过一系列的辅助破岩方法降低掌子面岩体的强度，然后采用TBM机械破岩的方法。当前常规的思路是将掌子面岩体进行加热，降低其强度。然而，一方面，传统的热源加热不仅存在热量利用率低、安全性低的问题，另一方面，由于岩石的导热系数低导致传热速度慢，导致工作效率低。
由于岩石作为介质材料不同程度地吸收微波能，岩石介质材料与微波电磁场相互耦合，形成各种功率耗散从而使微波能在岩石内部转化成热能。微波加热岩石是通过岩石内部偶极分子的高频往复运动产生“内摩擦热”而使岩石温度升高，不须任何热传导过程就能使岩石内外部同时加热和升温。岩石的抗拉强度很低，当极高温度的岩体急剧降温时，其内部会产生巨大的拉应力和剪应力，此时岩体更易破坏。基于以上分析，从岩石的物理性质以及实际实验可操作性出发，本发明利用“微波照射高温加热+液氮急速冷却”循环加载的方法进行辅助高效破岩。
发明内容
本发明的目的是在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种辅助TBM掘进的实验系统，还提供一种辅助TBM掘进的实验方法。
为了实现上述的目的，本发明采用如下技术方案：
一种TBM掘进辅助破岩的实验系统，包括平台支架，还包括设置在平台支架上的热加载平台，热加载平台上设置有支撑平台导轨和刀盘反力架，刀盘反力架上设置有刀盘装置，可滑动支撑平台底部通过可锁定滚动轮设置在支撑平台导轨上，可滑动支撑平台为开口朝上的盒体，支撑平台导轨位于刀盘装置下方，可滑动支撑平台底部设置有支撑平台预留孔，支撑平台预留孔通过支撑平台输氮管线与液氮罐连接，支撑平台输氮管线上设置有支撑平台输氮控制阀门，热加载平台上还设置有电磁波系统和红外线测温仪，电磁波系统与导波器连接。
如上所述的刀盘装置包括油缸、用于监测油缸油压的油压表、设置在油缸的活塞端的刀盘、以及设置在油缸上用于测量油缸的活塞端的贯入度的刻度表，油缸上设置有进油管和回油管，进油管和回油管分别与刀盘油缸泵连接。
如上所述的热加载平台设置在平台支撑座上，热加载平台上还设置有岩芯夹持器放置槽，热加载平台上还设置有预留管槽，预留管槽一端与岩芯夹持器放置槽连通，预留管槽另一端与平台支撑座的侧部的平台预留孔连通，岩芯夹持器放置槽内放置有岩芯夹持器，岩芯夹持器的侧部设置有岩芯夹持器预留孔，岩芯输氮管线一端依次贯穿平台预留孔、预留管槽后与岩芯夹持器预留孔连通，岩芯输氮管线另一端与液氮罐连接，岩芯输氮管线上设置有岩芯输氮控制阀门。
如上所述的预留管槽与岩芯输氮管线之间填充有环氧密封结构胶。
一种TBM掘进辅助破岩的实验方法，包括以下步骤：
步骤1、将岩石放置在可滑动支撑平台上；
步骤2、将支撑平台输氮管线一端与液氮瓶连接，另一端与支撑平台预留孔连接；
步骤3、调整导波器的角度，使电磁波系统出射的电磁波照射岩石的设定目标位置，调整红外线测温仪的角度，使红外线测温仪照射并测量岩石的设定目标位置的温度；
步骤4、调整电磁波系统的电磁波功率，开启电磁波系统及红外线测温仪，待岩石的设定目标位置的温度加温到设定温度值后关闭电磁波系统及红外线测温仪，打开支撑平台输氮控制阀门，液氮通过支撑平台输氮管线进入可滑动支撑平台内与岩石直接接触，设定时间后关闭支撑平台输氮控制阀门；
步骤5、滑动可滑动支撑平台，将岩石推入到刀盘装置下方；
步骤6、打开刀盘油缸泵，通过刻度表测量贯入度，通过油压表读取加载力，得到贯入度与加载力之间的关系，
步骤7、改变电磁波系统的电磁波功率将岩石的设定目标位置的温度加温到新的设定温度值，重复步骤2～6，得到新的贯入度与加载力之间关系，
步骤8、将岩芯夹持器放入岩芯夹持器放置槽中；
步骤9、将岩芯放入到岩芯夹持器之中；将岩芯输氮管线一端与液氮瓶连接，另一端依次贯穿平台预留孔、预留管槽后与岩芯夹持器预留孔连通；
步骤10、调节红外线测温仪的角度，使红外线测温仪发射的红外线照射到岩芯指定的部位，调整导波器的角度，使电磁波系统发出的电磁波束能覆盖整个岩芯；
步骤11、调整电磁波系统的电磁波功率，打开电磁波系统和红外线测温仪，待岩芯温度达到目标温度后，关闭电磁波系统，停止微波照射，并打开岩芯输氮控制阀门，并保证岩芯始终充分浸泡在液氮之中，
步骤12、设定时间后关闭岩芯输氮控制阀门，
步骤13、观察岩芯的表面裂纹状态，待岩芯自然恢复至常温后取出岩芯，
步骤14、将取出的岩芯进行物理力学性质实验。
本发明相对现有技术，具有以下有益效果：
1.本发明具有操作简便、安全性高等特点，既可以以大体积长方体岩石(长200mm、宽200mm、高100mm)为对象，研究“微波照射高温加热+液氮急速冷却”作用参数，如照射功率、时间等与TBM刀盘贯入的难易程度之间的关系。又可以以小体积岩芯(直径50mm、高100mm)为对象，研究“微波照射高温加热+液氮冷却”作用对岩石物理力学性质的影响。
2.本发明可为高低温循环加载辅助TBM掘进提供一套数据库。TBM掘进过程中，贯入度与推力两个指标可以反映掘进的难易程度。本实验可以控制的因素众多，如微波功率、照射时间、冷却时间、冷却速率(将液氮换成冰水、水)等。在其他参数不变下，改变其中某一参数，得到该参数变化时对应的贯入度与推力的变化，从而为TBM掘进提供一整套数据库。
3.本发明可以为高低温加载对岩石物理力学性质提供一套数据库。高低温加载将改变岩石的物理力学性质。通过“微波照射高温加热+液氮冷却”作用小尺寸岩芯(直径50mm、高100mm)，然后将岩芯取出，做一系列物理力学性质实验，得到高低温加载参数与岩石物理力学性质对应的关系，从而得到一整套数据库。
4.本发明既可以用于研究不同类型、尺寸的岩芯在单独高温作用下力学性质的演变过程，又可以研究高低温循环过程中岩石的劈裂过程，对于极硬岩还可以研究高低温多次循环作用下岩体的破裂过程。
5.本发明为未来采用“微波照射高温加热+液氮急速冷却”法辅助TBM掘进破岩提供基础的实验数据及结论。
6.本发明可以实时监测岩芯的温度，得到不同岩石在不同温度下的力学响应，还可以获取裂纹的破裂过程，方便快捷的获取基础数据。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的热加载平台的结构示意图；
图3为刀盘装置的结构示意图；
图4为岩芯夹持器的结构示意图；
图中：1-可滑动支撑平台，2-支撑平台预留孔，3-可锁定滚动轮，4-支撑平台导轨，5-温度待测点，6-热加载平台，7-平台预留孔，8-电磁波系统，9-红外线测温仪，10-刀盘装置，11-刀盘反力架，12-岩芯(可选用直径50mm、高100mm)， 13-岩芯温度待测点，14-岩芯夹持器，15-岩芯夹持器预留孔，16-导波器，17-液氮罐，18-液氮罐压力表，19-阀门，20-输氮管线，21-预留管槽，22-油缸，23- 油压表，24-进油管，25-回油管，26-刻度表，27-刀盘。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种TBM掘进辅助破岩的实验系统，包括可滑动支撑平台1、支撑平台预留孔2、可锁定滚动轮3、支撑平台导轨4、热加载平台6、平台预留孔7、电磁波系统8、红外线测温仪9、刀盘装置10、和刀盘反力架11。
总工作平台包括平台支撑座以及设置在平台支架上的热加载平台6，总工作平台为耐高低温铁铬铝电热合金。高温上限为1400℃，低温下限为-200℃。
热加载平台6上设置有支撑平台导轨4，可滑动支撑平台1底部设置有与支撑平台导轨4适配的可锁定滚动轮3，可滑动支撑平台1可通过可锁定滚动轮3 沿支撑平台导轨4滑动。
热加载平台6上还设置有刀盘反力架11，刀盘反力架11上设置有刀盘装置 10。
热加载平台6上还设置有岩芯夹持器放置槽。热加载平台6上还设置有预留管槽21，预留管槽21一端与岩芯夹持器放置槽连通，另一端与平台支撑座的侧部的平台预留孔7连通，岩芯夹持器放置槽内放置有岩芯夹持器14，岩芯夹持器14的侧部设置有岩芯夹持器预留孔15。岩芯输氮管线一端依次贯穿平台预留孔7、预留管槽21后与岩芯夹持器预留孔15连通，使得液氮罐17通过岩芯输氮管线与岩芯夹持器14内部连通，岩芯输氮管线另一端与液氮罐17连通，岩芯输氮管线上设置有岩芯输氮控制阀门。
预留管槽21与岩芯输氮管线之间的缝隙采用耐超低温的密封胶为环氧密封结构胶GY-8199进行填充，保证在注入到岩芯夹持器14内的液氮不至于沿管槽 21流出。
岩芯夹持器14为半圆筒状，岩芯夹持器放置槽与岩芯夹持器14的外形适配。本实施例中，岩芯夹持器放置槽为半径60mm、长150mm半圆柱体凹槽。岩芯夹持器14为耐高低温铁铬铝电热合金。
长方体岩石(本实施例中尺寸为长200mm、宽200mm、高100mm)放置在可滑动支撑平台1上，可滑动支撑平台1可以沿着支撑平台导轨4移动并带动岩石移动到刀盘装置10下方。
圆柱体岩芯放置在岩芯夹持器14内，岩芯夹持器14放置工作平台上预先挖出的半圆柱凹槽内。
热加载平台6上还设置有电磁波系统8和红外线测温仪9，分别用于加热岩石和测试岩石的温度。电磁波系统8与导波器16连接。
如图1、图2所示，可滑动支撑平台1为开口朝上的盒体，可滑动支撑平台 1底部设置有支撑平台预留孔2，将支撑平台输氮管线一端与液氮瓶17连接，另一端与支撑平台预留孔2连接，支撑平台输氮管线上设置有支撑平台输氮控制阀门；根据所需测定部位的温度，调整红外线测温仪9，使红外线测温仪的红外线照射到长方体岩石所需测定的部位。调整导波器16的方位，使电磁波系统8发出的电磁波束能照射到长方体岩石的指定位置；微波照射的功率调整为3.5KW，打开电磁波系统8和红外线测温仪9，电磁波系统8照射15min后停止照射，红外线测温仪9可测得岩芯温度为1000℃。迅速打开液氮罐17的支撑平台输氮控制阀门，并保证长方体岩石的照射部位在液氮下充分冷却。在设定时间后关闭支撑平台输氮控制阀门，将岩石沿着支撑平台导轨4推向刀盘装置10的下方模拟 TBM掘进刀盘贯入。
刀盘装置10包括油缸22、用于监测油缸22油压的油压表23、设置在油缸 22的活塞端的刀盘27、以及设置在油缸22上用于测量油缸22的活塞端的贯入度的刻度表26，油缸22上设置有进油管24和回油管25，进油管24和回油管 25分别与刀盘油缸泵连接。
在实务操作当中，可滑动支撑平台1和岩芯夹持器14内不同时输氮时，岩芯输氮管线和支撑平台输氮管线可共用一根输氮管线20，岩芯输氮控制阀门和支撑平台输氮控制阀门可共用一个阀门19。
模拟TBM掘进过程如下：
如图3所示，启动刀盘油缸泵(由于技术已经成熟，此处没有画出，仅做说明)将高纯度硅油通过进油管24打入到油缸22中，产生推力。活塞端的行程，即刀盘的贯入度可以由刻度表26读取，压力可由油压表23读取。整个刀盘装置 10可以简易模拟TBM刀盘贯入。记录推力与贯入度的关系。改变微波照射时间和功率，可以得到一系列推力与贯入度的关系图。
一种TBM掘进辅助破岩的实验方法，包括以下步骤：
步骤1、将岩石(本实施例中尺寸为：长200mm、宽200mm、高100mm) 放置在可滑动支撑平台1上；
步骤2、将支撑平台输氮管线一端与液氮瓶17连接，另一端与支撑平台预留孔2连接，支撑平台输氮管线上设置有支撑平台输氮控制阀门；
步骤3、调整导波器16的角度，使电磁波系统8出射的电磁波照射岩石的设定目标位置，调整红外线测温仪9的角度，使其能照射并测量岩石的设定目标位置的温度；
步骤4、调整电磁波系统8的电磁波功率(本实施例为2KW)，开启电磁波系统8及红外线测温仪9，待岩石的设定目标位置的温度加温到设定温度值(本实施例为800℃)后关闭电磁波系统8及红外线测温仪9。并迅速打开支撑平台输氮控制阀门，液氮通过支撑平台输氮管线进入可滑动支撑平台1内与岩石直接接触，设定时间(本实施例为5min)后关闭支撑平台输氮控制阀门；
步骤5、滑动可滑动支撑平台1，将岩石推入到刀盘装置10下方，准备模拟 TBM刀盘贯入；
步骤6、打开与进油管24和回油管25连通的刀盘油缸泵，选择位移加载模式，通过刻度表26测量贯入度，通过油压表23读取加载力。得到贯入度与加载力之间的关系。
步骤7、改变电磁波系统8的电磁波功率将岩石的设定目标位置的温度加温到新的设定温度值，重复步骤2～6，得到新的贯入度与加载力之间关系，这样“微波高温照射+液氮冷却”作用参数对TBM掘进难易程度就可以对应起来。
步骤8、将岩芯夹持器14放入岩芯夹持器放置槽中；
步骤9、将直径50mm、高100mm的岩芯放入到岩芯夹持器14之中；将岩芯输氮管线一端与液氮瓶17连接，另一端依次贯穿平台预留孔7、预留管槽21 后与岩芯夹持器预留孔15连通；
步骤10、调节红外线测温仪9的角度，使红外线测温仪9发射的红外线照射到岩芯指定的部位。调整导波器16的角度，使电磁波系统8发出的电磁波束能覆盖整个岩芯；
步骤11、调整电磁波系统8的电磁波功率(本实施例为2KW)，打开电磁波系统8和红外线测温仪9，待岩芯温度达到目标温度(本实施例为800℃)后，关闭电磁波系统8，停止微波照射，并迅速打开岩芯输氮控制阀门，并保证岩芯始终充分浸泡在液氮之中。
步骤12、设定时间(本实施例为5min)后关闭岩芯输氮控制阀门，
步骤13、观察岩芯的表面裂纹状态，待岩芯自然恢复至常温后取出岩芯。
步骤14、将取出的岩芯进行物理力学性质实验，物理力学性质实验包括：声波测试、渗透率测试、抗拉压剪强度测试，实验结束。
对于极硬岩，循环重复步骤11-12，然后取出测试其物理力学性质。
通过“微波高温照射+液氮急速冷却”加载对岩石物理力学性质的影响来解释其辅助破岩机理。
本发明进一步的技术方案是，研究高低温循环次数对岩体物理力学性质的影响，由于岩芯夹持器14采用的是铁铬铝电热合金，可以耐1400℃左右的高温，管线20采用不锈钢低温波纹管，因此，本实验系统可以反复进行高低温循环实验。因此，在每一个实验周期结束后，重新进行微波照射加液氮急速冷却，达到高效破岩的目的。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (3)
1.一种TBM掘进辅助破岩的实验系统，包括平台支架，其特征在于，还包括设置在平台支架上的热加载平台(6)，热加载平台(6)上设置有支撑平台导轨(4)和刀盘反力架(11)，刀盘反力架(11)上设置有刀盘装置(10)，可滑动支撑平台(1)底部通过可锁定滚动轮(3)设置在支撑平台导轨(4)上，可滑动支撑平台(1)为开口朝上的盒体，支撑平台导轨(4)位于刀盘装置(10)下方，可滑动支撑平台(1)底部设置有支撑平台预留孔(2)，支撑平台预留孔(2)通过支撑平台输氮管线与液氮罐(17)连接，支撑平台输氮管线上设置有支撑平台输氮控制阀门，热加载平台(6)上还设置有电磁波系统(8)和红外线测温仪(9)，电磁波系统(8)与导波器(16)连接，
刀盘装置(10)包括油缸(22)、用于监测油缸(22)油压的油压表(23)、设置在油缸(22)的活塞端的刀盘(27)、以及设置在油缸(22)上用于测量油缸(22)的活塞端的贯入度的刻度表(26)，油缸(22)上设置有进油管(24)和回油管(25)，进油管(24)和回油管(25)分别与刀盘油缸泵连接，
热加载平台(6)设置在平台支撑座上，热加载平台(6)上还设置有岩芯夹持器放置槽，热加载平台(6)上还设置有预留管槽(21)，预留管槽(21)一端与岩芯夹持器放置槽连通，预留管槽(21)另一端与平台支撑座的侧部的平台预留孔(7)连通，岩芯夹持器放置槽内放置有岩芯夹持器(14)，岩芯夹持器(14)的侧部设置有岩芯夹持器预留孔(15)，岩芯输氮管线一端依次贯穿平台预留孔(7)、预留管槽(21)后与岩芯夹持器预留孔(15)连通，岩芯输氮管线另一端与液氮罐(17)连接，岩芯输氮管线上设置有岩芯输氮控制阀门。
2.根据权利要求1所述的一种TBM掘进辅助破岩的实验系统，其特征在于，所述的预留管槽(21)与岩芯输氮管线之间填充有环氧密封结构胶。
3.利用权利要求1所述的TBM掘进辅助破岩的实验系统进行TBM掘进辅助破岩的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将岩石放置在可滑动支撑平台(1)上；
步骤2、将支撑平台输氮管线一端与液氮罐(17)连接，另一端与支撑平台预留孔(2)连接；
步骤3、调整导波器(16)的角度，使电磁波系统(8)出射的电磁波照射岩石的设定目标位置，调整红外线测温仪(9)的角度，使红外线测温仪(9)照射并测量岩石的设定目标位置的温度；
步骤4、调整电磁波系统(8)的电磁波功率，开启电磁波系统(8)及红外线测温仪(9)，待岩石的设定目标位置的温度加温到设定温度值后关闭电磁波系统(8)及红外线测温仪(9)，打开支撑平台输氮控制阀门，液氮通过支撑平台输氮管线进入可滑动支撑平台(1)内与岩石直接接触，到达设定时间后关闭支撑平台输氮控制阀门；
步骤5、滑动可滑动支撑平台(1)，将岩石推入到刀盘装置(10)下方；
步骤6、打开刀盘油缸泵，通过刻度表(26)测量贯入度，通过油压表(23)读取加载力，得到贯入度与加载力之间的关系，
步骤7、改变电磁波系统(8)的电磁波功率将岩石的设定目标位置的温度加温到新的设定温度值，重复步骤2～6，得到新的贯入度与加载力之间关系，
步骤8、将岩芯夹持器(14)放入岩芯夹持器放置槽中；
步骤9、将岩芯放入到岩芯夹持器(14)之中；将岩芯输氮管线一端与液氮罐(17)连接，另一端依次贯穿平台预留孔(7)、预留管槽(21)后与岩芯夹持器预留孔(15)连通；
步骤10、调节红外线测温仪(9)的角度，使红外线测温仪(9)发射的红外线照射到岩芯指定的部位，调整导波器(16)的角度，使电磁波系统(8)发出的电磁波束能覆盖整个岩芯；
步骤11、调整电磁波系统(8)的电磁波功率，打开电磁波系统(8)和红外线测温仪(9)，待岩芯温度达到目标温度后，关闭电磁波系统(8)，停止微波照射，并打开岩芯输氮控制阀门，并保证岩芯始终充分浸泡在液氮之中，
步骤12、到达设定时间后关闭岩芯输氮控制阀门，
步骤13、观察岩芯的表面裂纹状态，待岩芯自然恢复至常温后取出岩芯，
步骤14、将取出的岩芯进行物理力学性质实验。
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