CN111220493B - Tbm搭载式围岩耐磨性测试系统与方法 - Google Patents

Tbm搭载式围岩耐磨性测试系统与方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供了TBM搭载式围岩耐磨性测试系统及方法，包括固定模块，其设置在所述TBM上，所述固定模块具有用以伸向隧道岩壁的移动端部；围岩打磨模块，其设置在所述移动端部上，所述围岩打磨模块包括用以打磨围岩测试区域的打磨机构；围岩耐磨性测试模块，且设置在所述移动端部上，可跟随移动端部移动至所述围岩测试区域，包括用以对打磨后的所述围岩测试区域进行耐磨性测试的测试机构和其驱动机构；中央控制模块，用以控制所述固定模块、所述围岩打磨模块和所述围岩耐磨性测试模块的运动状态和执行动作；根据所述耐磨性测试结果判断围岩耐磨性。本公开能够在TBM掘进过程中对隧道围岩进行打磨并进行耐磨性测试。

Description

TBM搭载式围岩耐磨性测试系统与方法
技术领域
本公开属于TBM掘进隧道围岩耐磨性测试领域，具体涉及TBM搭载式围岩耐磨性测试系统与方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
隧道掘进机(Tunnel boring machine，简称TBM)用于隧道掘进，具有施工速度快、安全性高、对围岩扰动小、降低劳动强度等优点，因此被广泛用于隧道掘进施工。但是，利用TBM亦存在一些问题，如刀具磨损过快、不同状态下隧道掘进速度、难易程度不同，这都与岩石耐磨性密切相关，岩石摩擦性与岩石结构、硬矿物含量、矿物颗粒大小、孔隙率、应力状态等因素有关。对围岩进行耐磨性检测有利于预估刀具磨损、估计工期、合理安排人力物力、工程定价、工程索赔。因此，耐磨性检测对于TBM施工具有重要作用。
据发明人了解，目前对岩石耐磨性进行检测的方法主要为室内试验，在岩壁上钻孔取样，之后对样品表面进行打磨加工并制成标准试样，整个过程耗时长，花费大；而且隧道埋深从几十米到上千米不等，隧道围岩水平应力较大，在局部位置构造应力可达几MPa，水平应力对岩石耐磨性有较大影响，钻孔取样会损伤围岩并破坏岩块的应力状态，室内围岩耐磨性测试无法完美再现TBM掘进时，围岩应力状态进而影响测试结果；对于某些超长型隧洞，进出一次隧道耗时较长，所以室内实验无法满足TBM隧洞工程快速掘进、快速检测、精确检测的需求。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了TBM搭载式围岩耐磨性测试系统与方法，本公开能够在TBM施工过程中对隧道围岩进行打磨并进行耐磨性测试，满足工程快速掘进、快速检测、精确检测的需求。
根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
第一方面，本公开提供了一种TBM搭载式围岩耐磨性测试系统，包括：
固定模块，其设置在所述TBM上，所述固定模块具有用以伸向隧道岩壁的移动端部；
围岩打磨模块，其设置在所述移动端部上，所述围岩打磨模块包括用以打磨围岩测试区域的打磨机构；
围岩耐磨性测试模块，且设置在所述移动端部上，可跟随移动端部移动至所述围岩测试区域，包括用以对打磨后的所述围岩测试区域进行耐磨性测试的测试机构和其驱动机构；
中央控制模块，用以控制所述固定模块、所述围岩打磨模块和所述围岩耐磨性测试模块的运动状态和执行动作；根据所述耐磨性测试结果判断围岩耐磨性。
作为可选择的实施方式，所述围岩打磨模块和/或围岩耐磨性测试模块与所述移动端部之间为可拆卸连接。
作为可选择的实施方式，所述围岩打磨模块和围岩耐磨性测试模块通过连接机构整体设置于所述移动端部上。
作为可选择的实施方式，所述固定模块包括移动端部传动机构和移动端部驱动机构，所述移动端部传动机构的一端与所述TBM固定连接，所述移动端部传动机构的另一端与所述移动端部连接，通过所述移动端部驱动机构的驱动控制所述移动端部传动机构的动作及所述移动端部的位置。
作为可选择的实施方式，所述移动端部传动机构包括第一机械臂和第二机械臂，所述第一机械臂的一端与所述TBM铰接，所述第一机械臂的另一端与所述第二机械臂的一端铰接，所述第二机械臂的另一端与所述移动端部连接；
所述移动端部驱动机构包括第一驱动连杆、第二驱动连杆、第三驱动连杆和第四驱动连杆；
所述第一驱动连杆的两端分别与所述第一机械臂和所述第二机械臂铰接；
所述第二驱动连杆的两端分别与所述第二机械臂和所述移动端部连接；
所述第三驱动连杆的两端分别与所述第二机械臂和所述移动端部铰接；
所述第四驱动连杆的两端分别与所述第一机械臂和所述TBM铰接。
作为可选择的实施方式，所述移动端部包括连接块，所述连接块设有用以容纳球体结构的球形腔，所述球体结构与所述第二机械臂固定连接；
所述移动端部设有用以保护所述围岩打磨模块和所述围岩耐磨性测试模块的防护箱，所述防护箱的底板与所述连接块固定连接，所述防护箱在朝向围岩的一侧设有开口，所述开口侧设有用以接触围岩的支撑脚。
作为可选择的实施方式，所述围岩打磨模块包括设在所述移动端部的、可沿轴向伸缩的第四液压驱动机构，以及电机和方向朝外设置的磨片；
所述第四液压驱动机构的自由端与所述电机固定连接，所述电机的输出轴与所述磨片同轴固定连接。
作为可选择的实施方式，所述围岩打磨模块还包括以可沿竖向移动的方式设置在所述移动端部的第二支撑横梁，所述第四液压驱动机构设在所述第二支撑横梁上，所述电机和所述第二支撑横梁之间设有滚珠。
作为可选择的实施方式，所述围岩耐磨性测试模块包括设在所述移动端部的可沿轴向伸缩的第一液压驱动机构，所述第一液压驱动机构的自由端可拆卸的设有钢针，所述钢针与所述第一液压驱动机构的轴线平行。
作为可选择的实施方式，所述围岩耐磨性测试模块还包括以可沿竖向移动的方式设置在所述移动端部的第一支撑横梁，所述第一液压驱动机构设在所述第一支撑横梁上，所述第一支撑横梁上还设有至少一个可沿竖向伸缩的第二液压驱动机构，所述第二液压驱动机构的自由端设有用以固定所述钢针的固定套，所述钢针以可沿垂直平面运动的方式设在所述第一液压驱动机构的自由端，所述垂直平面与所述钢针的轴向垂直。
第二方面，本申请还提供一种TBM搭载式围岩耐磨性测试方法，包括以下步骤：
确定隧道岩壁的围岩测试区域；
调整设在所述TBM上的围岩打磨模块的位置，使所述围岩打磨模块的打磨机构对准所述围岩测试区域进行打磨；
调整设在所述TBM上的围岩耐磨性测试模块的位置，使所述围岩耐磨性测试模块的测试机构对准打磨后的所述围岩测试区域进行耐磨性测试；
根据所述耐磨性测试的测试结果，确定围岩的耐磨性。
作为可选择的实施方式，所述测试机构对准打磨后的所述围岩测试区域进行耐磨性测试包括：驱动围岩耐磨性测试模块使所述测试机构以设定压力紧贴岩石，在维持所述设定压力下使所述测试机构沿所述围岩测试区域按照设定速度移动设定距离。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
1、本公开通过直接在TBM上设置围岩打磨模块和围岩耐磨性测试模块，将复杂的试样获取、打磨、制备过程转化成相对容易的岩石性质原位试验，节省了工作量；
2、本公开将试验地点放在了施工现场，节省了试样加工、转移浪费的时间，使现场施工人员能迅速了解围岩情况，对施工有指导作用；
3、本公开在原位进行试验，没有对围岩造成二次损伤，对围岩的应力状态破坏最小，测量结果因而也更精确；
4、本公开集岩石打磨与岩石耐磨性测量于一体，使隧道围岩耐磨性测量实时进行成为现实，为隧道快速掘进施工提供了技术保障；
5、本公开试验时钢针可水平放置，可与水平有一定角度，亦可与隧道掘进机掘进方向一致，使试验结果与工程实际契合度更高，对工程实际的指导作用更大；
6、本公开的围岩打磨模块或围岩耐磨性测试模块与移动端部之间通过插接、螺纹连接或其他可拆卸连接方式进行连接，可以先安装围岩打磨模块进行打磨，再安装围岩耐磨性测试模块进行测试，以减少整体系统的体积大小，方便实际应用。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是第一种实施例的逻辑框图；
图2是第一种实施例的固定模块结构示意图；
图3是第一种实施例的测试箱结构示意图；
图4是第一种实施例定位器的放大图，即图3A-A截面图；
图5是第一种实施例读数仪结构示意图；
图6(a)和图6(b)磨损计算示意图；
图7是第二种实施例的结构示意图；
图8是第二种实施例的结构示意图。
其中，1.基座，2.第一机械臂，3.第一驱动连杆，4.第二机械臂，5.第二驱动连杆，6.测试箱，7.支撑脚，8.第三驱动连杆，9.第四驱动连杆，10.钢球，11.连接块，12.第一固定管，13.支撑柱，14.立柱，15.第二固定管，16.第一液压驱动机构，17.滚珠，18.固定套，19.钢针，20.第一支撑横梁，21.第二液压驱动机构，22.第三液压驱动机构，23.磨片，24.第二支撑横梁，25.电机，26.第四液压驱动机构，27.第一连接杆，28.第二连接杆，29.第五液压驱动机构，30.第三固定管，31.定位块，32.弹簧，33.支撑框，34.目镜，35.物镜，36.半圆形定位管，37.支撑臂，38.支撑座。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。
本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
实施例一：
如图1所示，TBM搭载式围岩耐磨性测试系统，包括：中央控制模块、固定模块、围岩打磨模块、围岩耐磨性测试模块以及读数模块；
所述中央控制模块与固定块模块、围岩打磨模块和围岩耐磨性测试模块相连，并对固定块模块、围岩打磨模块和围岩耐磨性测试模块的行为进行控制；所述固定模块用于将测试箱6固定在TBM和围岩上，方便进行试验；所述围岩打磨模块用于对围岩进行精细打磨，在围岩上打磨出符合耐磨性测试要求的测试平面；所述围岩耐磨性测试模块用于在打磨好的测试平面上进行耐磨性测试；所述读数模块用于对磨损后的钢针19进行测试，给出最后的岩石耐磨性测试结果。
如图2所示，测试箱6和机械臂通过两个驱动连杆和钢球10连接保证测试箱6能在360°内自由旋转；
如图3所示，围岩打磨模块、围岩耐磨性测试模块位于测试箱6内，以免受围岩掉块砸损；测试箱6承载于机械臂上并跟随机械臂一起移动，机械臂搭载于TBM上。
具体的，固定模块包括基座1、第一机械臂2、第一驱动连杆3、第二机械臂4、第二驱动连杆5、测试箱6、支撑脚7、第三驱动连杆8、第四驱动连杆9、第一固定管12、第二固定管15、第三固定管30、支撑柱13、立柱14、第五液压驱动机构29；所述基座1用于将机械臂固定在TBM上；所述机械臂和连杆共同工作带动测试箱6在隧道空间内进行移动，所述四个驱动连杆和中央控制模块相连并接受控制；所述支撑脚7用于测试时和围岩接触，并传递支撑反力，保证测试顺利进行；所述支撑脚7有三个；所述支撑柱13通过第一固定管12、第二固定管15、第三固定管30被绑定在立柱14侧面，并在第五液压驱动机构29推动下沿立柱14轴向移动；第五液压驱动机构29与中央控制模块相连并接受控制。
围岩打磨模块包括磨片23、电机25、第四液压驱动机构26、第二支撑横梁24、第二连接杆、钢珠17；所述磨片23在电机25驱动下可对围岩进行精细化打磨；所述第四液压驱动机构26可对电机25和磨片23提供推力，确保磨片23和围岩紧密接触；所述钢珠位于电机25下方，保证电机25能自由滑动；所述第二支撑横梁24为电机25、第四液压驱动机构26提供工作平台；所述电机25、第四液压驱动机构26和中央控制模块相连并接受控制。
围岩耐磨性测试模块包括定位器、钢针19、固定套18、滚珠17、第一支撑横梁20、第一液压驱动机构16、第二液压驱动机构21、第三液压驱动机构22；所述钢针19用于和岩石表面垂直接触测试围岩摩擦性；所述固定套18用于将钢针19和第二液压驱动机构21、第三液压驱动机构22固定；所述第二液压驱动机构21和第三液压驱动机构22用于推动钢针19上下移动；所述第二液压驱动机构21、第三液压驱动机构22和中央控制中枢相连并接受控制。
如图4所示，定位器用于保证钢针19轴线和第一液压驱动机构16轴向方向平行；所述定位器能在垂直于第一液压驱动机构16轴线的平面内自由移动，并由弹簧限制位移；所述定位器和第一液压驱动机构16间有许多钢珠，确保钢针19和第一液压驱动机构16间只有沿驱动轴线方向的荷载传递；所述第一液压驱动机构16用于对钢针19施加沿液压驱动机构轴线方向的荷载；所述第一液压驱动机构16与中央控制模块相连并接受控制；所述第一支撑横梁20为第一液压驱动机构16、第二液压驱动机构21、第三液压驱动机构22提供工作平台。
在上述几个模块中，第一支撑横梁20、第一连杆27、第二支撑横梁24、第二连杆28固定在支撑柱13上并将第一液压驱动机构16、滚珠17、固定套18、钢针19、第一支撑横梁20、第二液压驱动机构21、第三液压驱动机构22、磨片23、第二支撑横梁24、电机25、第四液压驱动机构26、第一连接杆27、第二连接杆28的荷载及第一液压驱动机构16、第二液压驱动机构21、第三液压驱动机构22、第四液压驱动机构26的驱动反力传递给支撑柱13。
在测试后，通过读数模块读取钢针19的磨损情况。如图5所示，读数模块包括目镜34、物镜35、半圆形定位管36、支撑臂37和支撑座38；目镜34和物镜35配合工作放大钢针19针尖的磨损细节；所述支撑臂37用于对目镜34和物镜35提供支撑力；半圆形定位管36用于约束钢针19位移不发生滚动，为读数提供便利；支撑座38为目镜34、物镜35、半圆形定位管36、支撑臂37提供支撑力。
TBM搭载式围岩耐磨性测试系统的工作方法，包括以下步骤：
A、在隧道岩壁上预选一块没有较大起伏的测试区域，机械臂在驱动连杆作用下将测试箱6靠在围岩上；
B、第四液压驱动机构26推动电机25靠近围岩并保持一定的推力；
C、电机25工作带动磨片23在围岩上旋转打磨平面，直至符合摩擦测试要求；
D、第五液压驱动机构29工作带动支撑柱13沿立柱14轴向移动，使钢针19位于测试区域；
E、第一液压驱动机构16工作，使钢针19贴紧岩石，并保持对钢针19的推力不变；
F、第二液压驱动机构21和第三液压驱动机构22工作，推动钢针19沿围岩测试表面按照一定速度移动一定距离；
G、第一液压驱动机构16工作收回对钢针19的推力，并取下钢针19；
H、将钢针19放入读数模块的半圆形定位管36内，并观察读取钢针19针尖磨损情况(如图6(a)所示，A、B为钢针19未磨损时的情况，A’、B’为钢针19磨损时的数据)；转动钢针19120°，再次读数(如图6(b)所示)，继续转动钢针120°并读数；三次读数的平均值即为围岩的耐磨性测量结果；
I、机械臂在驱动连杆作用下移动，测试箱6和机械臂回到停靠位置。
当然，在其他实施例中，部分模块的结构可以进行变更，如固定模块选用其他三维运动机构带动测试箱6运动，测试件不选用测试钢针19，而选用测试刀具等等，这些均属于简单替换，理应属于本公开的保护范围。
同样的，在磨损程度的探测上，可以选用不同的角度对钢针19或其他测试机构的磨损情况进行测试。且测试机构的设置角度也不一定是120°。
例如实施例二：
与实施例一的区别在于：
本实施例的第二机械臂的端部与围岩打磨模块或围岩耐磨性测试模块之间是可拆卸连接的。如图7和图8所示，围岩打磨模块或围岩耐磨性测试模块与第二机械臂之间通过插接、螺纹连接或其他可拆卸连接方式进行连接，可以先安装围岩打磨模块进行打磨，再安装围岩耐磨性测试模块进行测试，以减少整体系统的体积大小。方便实际应用。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种TBM搭载式围岩耐磨性测试系统，其特征是：包括：
固定模块，其设置在所述TBM上，所述固定模块具有用以伸向隧道岩壁的移动端部；
围岩打磨模块，其设置在所述移动端部上，所述围岩打磨模块包括用以打磨围岩测试区域的打磨机构；
围岩耐磨性测试模块，其设置在所述移动端部上，可跟随移动端部移动至所述围岩测试区域，包括用以对打磨后的所述围岩测试区域进行耐磨性测试的测试机构和其驱动机构；
中央控制模块，用以控制所述固定模块、所述围岩打磨模块和所述围岩耐磨性测试模块的运动状态和执行动作；根据所述耐磨性测试结果判断围岩耐磨性。
2.如权利要求1所述的一种TBM搭载式围岩耐磨性测试系统，其特征是：所述围岩打磨模块和/或围岩耐磨性测试模块与所述移动端部之间为可拆卸连接；
或，所述围岩打磨模块和围岩耐磨性测试模块通过连接机构整体设置于所述移动端部上。
3.如权利要求1所述的一种TBM搭载式围岩耐磨性测试系统，其特征是：所述固定模块包括移动端部传动机构和移动端部驱动机构，所述移动端部传动机构的一端与所述TBM固定连接，所述移动端部传动机构的另一端与所述移动端部连接，通过所述移动端部驱动机构的驱动控制所述移动端部传动机构的动作及所述移动端部的位置。
4.如权利要求3所述的一种TBM搭载式围岩耐磨性测试系统，其特征是：所述移动端部传动机构包括第一机械臂和第二机械臂，所述第一机械臂的一端与所述TBM铰接，所述第一机械臂的另一端与所述第二机械臂的一端铰接，所述第二机械臂的另一端与所述移动端部连接；
所述移动端部驱动机构包括第一驱动连杆、第二驱动连杆、第三驱动连杆和第四驱动连杆；
所述第一驱动连杆的两端分别与所述第一机械臂和所述第二机械臂铰接；
所述第二驱动连杆的两端分别与所述第二机械臂和所述移动端部连接；
所述第三驱动连杆的两端分别与所述第二机械臂和所述移动端部铰接；
所述第四驱动连杆的两端分别与所述第一机械臂和所述TBM铰接。
5.如权利要求4所述的一种TBM搭载式围岩耐磨性测试系统，其特征是：所述移动端部包括连接块，所述连接块设有用以容纳球体结构的球形腔，所述球体结构与所述第二机械臂固定连接；
所述移动端部设有用以保护所述围岩打磨模块和所述围岩耐磨性测试模块的防护箱，所述防护箱的底板与所述连接块固定连接，所述防护箱在朝向围岩的一侧设有开口，所述开口侧设有用以接触围岩的支撑脚。
6.如权利要求1所述的一种TBM搭载式围岩耐磨性测试系统，其特征是：所述围岩打磨模块包括设在所述移动端部的、可沿轴向伸缩的第四液压驱动机构，以及电机和方向朝外设置的磨片；
所述第四液压驱动机构的自由端与所述电机固定连接，所述电机的输出轴与所述磨片同轴固定连接。
7.如权利要求6所述的一种TBM搭载式围岩耐磨性测试系统，其特征是：所述围岩打磨模块还包括以可沿竖向移动的方式设置在所述移动端部的第二支撑横梁，所述第四液压驱动机构设在所述第二支撑横梁上，所述电机和所述第二支撑横梁之间设有滚珠。
8.如权利要求1所述的一种TBM搭载式围岩耐磨性测试系统，其特征是：所述围岩耐磨性测试模块包括设在所述移动端部的可沿轴向伸缩的第一液压驱动机构，所述第一液压驱动机构的自由端可拆卸的设有钢针，所述钢针与所述第一液压驱动机构的轴线平行。
9.如权利要求8所述的一种TBM搭载式围岩耐磨性测试系统，其特征是：所述围岩耐磨性测试模块还包括以可沿竖向移动的方式设置在所述移动端部的第一支撑横梁，所述第一液压驱动机构设在所述第一支撑横梁上，所述第一支撑横梁上还设有至少一个可沿竖向伸缩的第二液压驱动机构，所述第二液压驱动机构的自由端设有用以固定所述钢针的固定套，所述钢针以可沿垂直平面运动的方式设在所述第一液压驱动机构的自由端，所述垂直平面与所述钢针的轴向垂直。
10.一种基于权利要求1-9中任一项所述的系统的测试方法，其特征是：包括以下步骤：
确定隧道岩壁的围岩测试区域；
调整设在所述TBM上的围岩打磨模块的位置，使所述围岩打磨模块的打磨机构对准所述围岩测试区域进行打磨；
调整设在所述TBM上的围岩耐磨性测试模块的位置，使所述围岩耐磨性测试模块的测试机构对准打磨后的所述围岩测试区域进行耐磨性测试；根据所述耐磨性测试的测试结果，确定围岩的耐磨性。
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