CN111238949B - 一种临空面破岩工况下岩石试样块围压施加装置 - Google Patents

Abstract

一种临空面破岩工况下岩石试样块围压施加装置，包括石仓、加载板、螺纹连接杆件、导热块、固定支撑板、电阻加热棒，其特征在于：所述石仓具有挡板和置物平台；所述置物平台的下部开设有隔仓；所述置物平台上放置有岩石试样块；所述岩石试样块的相邻两侧与所述挡板相接触；所述螺纹连接杆件依次穿过所述加载板和所述固定支撑板，利用所述螺母将所述加载板分别紧固于所述岩石试样块的剩余相邻两侧；所述螺纹连接杆件上放置所述导热块；所述电阻加热棒插入所述导热块内；本发明结构简单、经济实用、操作方便，尤其适用于不改变TBM标准线切割试验台主体结构的条件下，设计所述石仓，并与所述TBM标准线切割试验台配合使用，以模拟临空面破岩工况。

Description

一种临空面破岩工况下岩石试样块围压施加装置

技术领域

本发明属于岩土工程、隧道工程和岩石力学的交叉领域，涉及一种岩石试样块围压施加装置，尤其是涉及一种与TBM(硬岩掘进机)滚刀(盘形滚刀)标准线切割试验台(以下简称TBM标准线切割试验台)配套使用的用于模拟滚刀临空面破岩工况下岩石试样块围压状态的岩石试样块围压施加装置。

背景技术

赋存于地层中的岩体，尤其是深部岩层中的天然岩体，由于受到重力、板块运动及地壳收缩等因素的影响，具备一定围压(或称地应力)。围压影响了岩石自身物理力学性质、岩石破碎/破坏机制，进而影响了岩土开挖装置(如隧道掘进机、凿岩机、钻机、倔锚机等)的破岩载荷特性、破岩效率和刀具寿命等。实验室环境下制备的普通岩石试样块，因其外周均为自由面，故处于无围压状态，其被切削时反映出的物理力学特性与实际岩层下，尤其是深部岩层下的表现截然不同。天然岩体表现出的特性是大型地下洞室稳定性分析与工程设计的必要信息之一，对于深部地下工程的安全评价与灾害防治尤为重要。因此，在研究岩石力学与岩土工程学问题时，尤其是涉及诸如大埋深隧道环境下TBM刀具破岩机理、深部煤炭巷道下掘锚机截割头煤岩开挖机理、深地隐蔽工程中采用钻爆法施工后的边坡稳定性问题等复杂研究课题时，需要在试验中模拟出原岩围压效应。

以在TBM标准线切割试验台上开展TBM刀盘刀具破岩实验研究为例，由于掘进掌子面上的天然岩体在隧道开挖前受到围压作用，为了模拟出原岩围压效应并兼顾切削破岩试验需求，需要在TBM标准线切割试验台的石仓内牢固装夹岩石试样块，还应对靠近岩石试样块待切削表面的侧面加载一定的正压力。目前，真三轴扰动试验台、三轴岩石物理力学性能测试试验机等均采用油浴加压的方式模拟三轴围压，但该项技术方案因未留出可供刀具切削的待切削表面，故不满足切削破岩试验需求。参考当前现有的两轴岩石物理力学性能测试试验机的围压模拟原理，理论上可采用一对液压缸对顶的方式为岩石试样块施加侧向围压，同时将岩石试样块的上表面留作刀具切削表面。然而，由于TBM刀具破岩试验，尤其是全尺寸的TBM滚刀(盘形滚刀)破岩试验所需岩石试样块的尺寸均较大(如为了避免岩石试样块尺寸过小引起的边界效应，文献《Disc cutting tests in Colorado Red Granite:Implications for TBM performance prediction》中采用了17英寸全尺寸滚刀进行试验，相应地采用了1.1×0.8×0.6m的花岗岩试样块)，导致给定围压下所需液压缸工作压力极高，所需的液压泵站及液压系统复杂且成本极高(需要配置伺服阀、高压泵等)，且对加载装置的刚度、液压系统的密封性能和可靠性提出了极高要求。现有设计经验表明，当TBM标准线切割试验台上采用17英寸(直径为432mm)TBM滚刀进行破岩切削试验时，若相邻刀间距最大设计为75mm，岩石试样一次装夹后最大切槽数量为8条，在尽量降低岩石试样块尺寸边界效应的前提下，采用液压缸对顶的方式可获得的理论最高经济性围压仅为1～2MPa左右(按液压缸额定载荷为250～300kN计算，装置造价成本按30万人民币计算)，这显然不能满足深部岩层下高围压水平的模拟要求。

尽管天然岩体的围压水平对于研究真实地质条件下，尤其是深部岩层下TBM刀盘刀具切削机理和掘进效率至关重要，但由于实验技术的局限性，导致现有的全尺寸TBM刀具破岩试验台都不具备提供模拟侧向围压的能力，具体参考专利201310032227.X、ZL200810143551.8、ZL200810143552.2、CN102445336A、ZL200410089260.7、CN 102788693A等。美国科罗拉多矿业学院、韩国Korea Institute of Construction Technology、土耳其Istanbul Technical University等国外科研机构也对滚刀破岩特性进行了实验研究，但均未能在破岩试验过程中有效模拟出围压效应，相关试验装置包括：文献《Disc cuttingtests in Colorado Red Granite:Implications for TBM performance prediction》提到的美国科罗拉多矿业学院研制的线性切割试验台(Linear Cutting Machine)，文献《Optimum spacing of TBM disc cutters:A numerical simulation using the three-dimensional dynamic fracturing method》提到的韩国Korea Institute ofConstruction Technology研制的滚刀破岩试验台，文献《Correlation of rock cuttingtests with field performance of a TBM in a highly fractured rock formation:Acase study in Kozyatagi-Kadikoy metro tunnel,Turkey》提到的土耳其IstanbulTechnical University研制的滚刀破岩试验台。

可见，现有TBM刀具切削实验台均不具备围压模拟试验的能力。更为确切地讲，是目前现有TBM刀具切削实验台所用石仓不具备岩石围压模拟加载功能，难以满足工程应用研究中模拟TBM滚刀切削工况的要求。

仍以TBM刀盘刀具掘进破岩过程为例，假定初始状态下如图12所示掌子面22上岩石平整，掌子面22上任意一处待切削岩石(图12中阴影部分)的周围侧面均存在围压效应(仅掌子面22为自由面，也即处于如图13所示的平面围压状态，部分二维破岩仿真研究中进一步将其简化为单侧对向围压状态)；当TBM处于如图12至13所示传统破岩工况下，单把滚刀回转滚压岩石后会形成环状切槽24，环状切槽24的侧壁为自由面；与前一滚刀相邻的后一滚刀随后滚压至与环状切槽24相邻近区域时，可利用环状切槽24的自由面之间的尺寸边界效应，促进岩石裂纹与所述自由面交汇，并在前一滚刀与后一滚刀之间形成较大的岩石破碎块；针对传统破岩工况，在进行滚刀模拟破岩试验时，岩石试样块8应施加平面围压。

然而，当TBM处于如图14所示的临空面破岩工况这一特殊情况下工作时，掌子面22上的待切削岩石(图14中阴影部分)还存于如图15所示的三向围压状态，即待切削岩石的b、c、d三个方向的三个侧面均受到围压作用，而余下与滚刀7中间平面相邻的a方向的侧面为临空面29。

中国专利《一种新型破岩方法及破岩滚刀》(公开号为：CN201410206457)将临空面破岩工况称之为滚刀片削破岩法，以图12至图15为例，介绍其主要步骤归纳如下：

步骤1：初始状态下，在如图12所示的掌子面22中心处(利用滚刀滚压、激光切割、水射流、火焰喷射、钻头钻削等方法)先行开挖出较深的中心破碎区(图14中圆形空白区域)，其中心破碎区的外周边界面为临空面29；

步骤2：利用与临空面29相邻的滚刀7回转滚压切削掌子面22剩余区域的完整岩石(图14中阴影部分)；此时，滚刀7产生的切削应力仅传递至该临空面29上(因掌子面22上的岩体不再连续，故无法把该应力继续传递下去)，并在该临空面29周围集中；滚刀7与临空面29一侧的岩石试样块8最终会因滚刀7刃底衍生的侧向裂纹与临空面29交汇而形成较大的岩石破碎块；当滚刀7绕刀盘轴线回转滚压一周后，由于较大的岩石破碎块的持续产生，导致中心破碎区的外径进一步扩大，并形成新的临空面29；

步骤3：重复执行步骤2，也即利用与新临空面29相邻的滚刀7回转滚压切削掌子面22剩余区域的完整岩石试样块，持续进行刀盘回转滚压破岩运动；这样一来，中心破碎区将持续扩大，最终将掌子面22上剩余岩体层层片削下来。

与TBM传统破岩工况不同，临空面破岩工况下滚刀具有不同的破岩机理。本质上来看，滚刀片削破岩法预制了后续用于连续破岩的临空面，并合理利用了待切削岩石试样块的这种尺寸边界效应，诱使侧向裂纹与临空面交汇并产生较大的岩石破碎块，极大地提高了切削比能耗，解决了传统TBM滚刀破岩工况下掘进效率低下、滚刀使用寿命低、掘进成本高等问题，属于一种新型的TBM破岩方法。

为了进一步研究和优化这种新型的TBM破岩方法，中南大学的郭犇等人建立了TBM单把盘形滚刀切入岩石引起岩石破碎的三维有限元模型，通过数值模拟研究了临空面对岩石破碎模式和切割效率的影响，并进行了一系列切割实验，将数值模拟得到的岩石破裂模式和切削效率与实验结果进行了对比验证(参考文献《Numerical simulation of rockfragmentation induced by a single TBM disc cutter close to a side freesurface》)，其研究结果表明：如图15所示，滚刀7相对临空面29的距离在20至100mm范围内时，上、前表面均会产生裂纹，且可延伸至所述临空面，导致刀具与所述临空面之间的岩石从母岩上剥离，这与数值模拟结果良好吻合；当滚刀7相对临空面29的距离不小于120mm时，临空面29对破岩机理的影响不再显著，此时岩石破裂模式与传统破岩工况下相似；上述研究工作获得了临空面破岩工况下滚刀切削载荷特性、刃底岩石应变分布特征以及临空面深度与相邻滚刀刀间距等切削参数的变化规律。然而，由于如图16所示的现有试验台的局限性，在进行临空面破岩工况下的破岩试验时，岩石试样块8的a、b、c、d四个方向的四个侧面均为自由面(未考虑到如图15的待切削岩石除临空面29外其他b、c、d三个方向的三个侧面上存在的围压效应)，故试验精度与工况模拟程度有待进一步提高。

综上来看，为了深入研究TBM滚刀及其他破岩装置的破岩刀具在临空面破岩工况下的破岩机制，对比分析不同破岩工况下破岩刀具破岩机制的异同，同时为了进一步优化刀具切削性能和提高破岩装置的综合切削性能，急需提供一种经济便捷且满足工程精度测试要求的岩石试样块围压施加装置，尤其是提供一种可供TBM标准线切割试验台使用的用于模拟临空面破岩工况下岩石试样块围压真实状态的岩石试样块围压施加装置。更进一步地，考虑到深部岩层相关的部分研究课题中需要模拟出岩石侧向围压状态，同时还应预留出足够大小的岩石待切削表面以供刀具切削破碎，或者粘贴布设测试设备等，而且目前现存的大量相关试验台均未有围压模拟能力，因此在不改变原有试验台主体结构(仅需要重新设计石仓、在石仓支撑板上增设固定支撑板)、不额外增加复杂庞大的液压系统、不采用可靠性和密封性要求高的浴油加压方式的前提下，提供出一种经济可行的破岩刀具多种破岩工况下岩石围压施加装置及围压施加方法，显然具有巨大的经济效应和市场潜力。

发明内容

针对现有技术的上述局限性，本发明提供了一种临空面破岩工况下岩石试样块围压施加装置，能在TBM标准线切割试验台上加以应用。

本发明一种临空面破岩工况下岩石试样块围压施加装置，包括石仓、第一加载板、第二加载板、第一螺纹连接杆件、第二螺纹连接杆件、第一导热块、第二导热块、第一固定支撑板、第二固定支撑板、电阻加热棒，其特征在于：

所述石仓包括第一挡板、第二挡板和置物平台；所述置物平台的下部开设有隔仓；所述置物平台的相邻两侧分别固设有所述第一挡板和所述第二挡板；所述置物平台上放置有岩石试样块；所述岩石试样块的相邻两侧面分别与所述第一挡板、所述第二挡板相接触；所述岩石试样块剩余的相邻两侧面分别突出于所述石仓；所述第二挡板的上表面低于所述岩石试样块的上表面，所述第一挡板的上表面不低于所述岩石试样块的上表面；与所述第一挡板相对的所述岩石试样块的侧面设置有所述第一加载板；与所述第二挡板相对的所述岩石试样块的侧面设置有所述第二加载板；

所述第二固定支撑板设置于所述第二挡板远离所述岩石试样块的一侧；所述第一固定支撑板设置于所述第一挡板旁且远离所述岩石试样块一侧；

所述第一固定支撑板和所述第二固定支撑板均与所述石仓保持相对固定；所述第一固定支撑板和所述第二固定支撑板分别与所述第一加载板和所述第二加载板保持正对且平行；所述第一加载板的上下两端分别穿过一组所述第一螺纹连接杆件，其中：位于上部的所述第一螺纹连接杆件再穿过所述第一固定支撑板，而其位于下部的所述第一螺纹连接杆件则再依次穿过所述隔仓和所述第一固定支撑板；

所述第二加载板的左右两端分别穿过一组所述第二螺纹连接杆件；所述第二螺纹连接杆件再穿过所述第二固定支撑板；所述第一螺纹连接杆件和所述第二螺纹连接杆件(统称为螺纹连接杆件)均通过螺纹紧固的方式分别与所述第一固定支撑板和所述第二固定支撑板固接，并将所述第一加载板和所述第二加载板分别压紧于所述岩石试样块的相邻两侧；

所述第二导热块的侧面开设有轴线相互平行的第二螺纹连接杆件通过孔和电阻加热棒安装孔；所述第二导热块通过所述第二螺纹连接杆件通过孔套设在所述第二螺纹连接杆件的杆体上；

所述第一导热块的侧面均开设有轴线相互平行的第一螺纹连接杆件通过孔和所述电阻加热棒安装孔；所述第一导热块通过所述第一螺纹连接杆件通过孔套设在所述第一螺纹连接杆件的杆体上；所述电阻加热棒插入所述电阻加热棒安装孔内。

作为优选，所述第一加载板的长度等于所述第二挡板内表面(靠近所述岩石试样块的侧表面)与所述第二加载板内表面(靠近所述岩石试样块的侧表面)之间的间距；

作为优选，所述每组第二螺纹连接杆件的根数n₂为2；更为优选，所述每组第二螺纹连接杆件关于所述第二加载板的水平对称中间面上下对称。

作为优选，所述每组第一螺纹连接杆件的根数n₁为1；更为优选，所述第一螺纹连接杆件关于所述第一加载板的水平对称中间面上下对称；所述第一螺纹连接杆件的轴线在所述第一加载板的垂直对称中间面上。

作为优选，所述第二螺纹连接杆件通过孔沿轴线开有缺口至所述第二导热块靠近所述岩石试样块的侧面；所述第一螺纹连接杆件通过孔沿轴线开有缺口至所述第一导热块靠近所述岩石试样块的侧面；更为优选，所述第二螺纹连接杆件通过孔的轴线距所述侧面的距离L₁小于所述第二螺纹连接杆件通过孔的半径R₁；所述第二螺纹连接杆件通过孔的缺口宽度w不小于所述第二螺纹连接杆件通过孔的直径；

更为优选，所述第二固定支撑板的侧面还各固设有1个托板；所述托板一端与靠近所述第二挡板的所述第二固定支撑板侧面中部固结，所述托板上表面与所述第二导热块底部接触。

作为优选，所述第二挡板上表面相对所述岩石试样块上表面的距离不小于滚刀切深h。

作为优选，所述第一挡板的上表面与所述岩石试样块的上表面齐平。

作为优选，所述第一螺纹连接杆件和第二螺纹连接杆件均为螺栓。

作为优选，所述第一加载板和所述第二加载板为U型槽钢。

作为优选，所述电阻加热棒安装孔按其孔径的大小分为电阻加热棒安装大孔和电阻加热棒安装小孔两个序列，所述电阻加热棒安装孔以所述第一螺纹连接杆件通过孔、所述第二螺纹连接杆件通过孔的孔心为圆心，呈周向等间隔均匀辐射状布置，所述电阻加热棒安装小孔均匀填充于所述第一导热块、第二导热块侧面的其他空隙区域；相应地，定制两种直径序列的所述电阻加热棒。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于提供一种临空面破岩工况下岩石试样块围压施加装置，尤其适用于不改变现有TBM标准线切割试验台主体结构的前提条件下，与所述TBM标准线切割试验台配合使用的岩石试样块围压施加装置。本装置结构简单、经济实用、操作方便，且满足工程测试精度要求，适用于诸如大埋深隧道环境下TBM刀具破岩机理、深部煤炭巷道下掘锚机截割头煤岩开挖机理、特殊国防深地工程中边坡稳定等研究课题相关的领域。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

图1为本发明临空面破岩工况下岩石试样块围压施加装置具体实施例一在TBM标准线切割试验台上应用时的三维结构示意图。

图2为图1中岩石试样块、石仓和石仓支撑板在TBM标准线切割试验台的工作台上的空间相对位置关系示意图。

图3为图2隐藏岩石试样块后的三维结构示意图。

图4为图1的俯视图。

图5为图4中A-A剖视图。

图6为本发明具体实施例一在石仓支撑板上的三维结构示意图(隐藏加热块和螺母)。

图7为图6隐藏第一螺纹连接杆件和第二螺纹连接杆件后的三维结构示意图。

图8为图1中第二导热块侧面上第二螺纹连接杆件通过孔和电阻加热棒安装孔的布置示意图。

图9为图8中第二导热块侧面上第二螺纹连接杆件通过孔和电阻加热棒安装孔的优选布置示意图。

图10为图1中第一导热块侧面上第一螺纹连接杆件通过孔和电阻加热棒安装孔的布置示意图。

图11为本发明具体实施例一中第一导热块侧面上第一螺纹连接杆件通过孔和电阻加热棒安装孔的优选布置示意图。

图12为传统破岩工况下TBM滚刀滚压破岩示意图。

图13为传统破岩工况下开展TBM滚刀滚压破岩试验时岩石试样块围压施加方案图。

图14为临空面破岩工况下TBM滚刀滚压破岩示意图。

图15为临空面破岩工况下TBM滚刀滚压破岩试验时岩石试样块围压施加方案图。

图16为TBM标准线切割试验台的三维结构示意图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解，下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施例一。

如图3至图6所示，本发明一种临空面破岩工况下岩石试样块围压施加装置，包括石仓9、第一加载板18-1、第二加载板18-2、第一螺纹连接杆件16-1、第二螺纹连接杆件16-2、第一导热块15-1、第二导热块15-2、第一固定支撑板23-1、第二固定支撑板23-2、电阻加热棒(未画出)，其特征在于：

石仓9包括第一挡板9-2、第二挡板9-1和置物平台9-3；置物平台9-3的下部开设有隔仓；置物平台9-3的相邻两侧分别固定设置有第一挡板9-2和第二挡板9-1；置物平台9-3上放置有岩石试样块8；如图2所示，岩石试样块8的a、d方向的相邻两个侧面分别与第一挡板9-2、第二挡板9-1相接触；岩石试样块8剩余的b、c方向的相邻两个侧面分别突出于石仓9；第二挡板9-1的上表面低于岩石试样块8上表面(即自由面)，第一挡板9-2的上表面不低于岩石试样块8上表面；与第一挡板9-2相对的岩石试样块8的c方向的侧面设置有第一加载板18-1；与第二挡板9-1相对的岩石试样块8的b方向的侧面设置有第二加载板18-2；每组第二螺纹连接杆件16-2的根数n₂不少于1，也即可为1、2、3、4…；这样一来，本装置用到的第二螺纹连接杆件16-2总根数N₂等2×n₂。

本例中，更为具体地，考虑到一方面，当所述每组第二螺纹连接杆件16-2的根数n₂较小时，如为1，则给定围压施加能力下，单根第二螺纹连接杆件16-2受到的拉应力会很大，为了防止第二螺纹连接杆件16-2被拉断，只能增加第二螺纹连接杆件16-2的直径；另一方面，当n₂多于2时，会降低第二加载板18-2的刚度，并导致本装置难以同步紧固操作，因此，作为优选，如图1所示，所述每组第二螺纹连接杆件16-2的根数n₂为2，本装置用到的第二螺纹连接杆件16-2总根数N₂为4；更为优选，每组位于第二加载板18-2同侧的两根第二螺纹连接杆件16-2关于第二加载板18-2的水平对称中间面上下对称；相应地，第二加载板18-2上开设有4个第二螺纹连接杆件安装孔32。

第二固定支撑板23-2设置于第二挡板9-1远离岩石试样块8的一侧；第一固定支撑板23-1设置于第一挡板9-2旁且远离岩石试样块8的一侧；第一固定支撑板23-1和第二固定支撑板23-2均与石仓9保持相对固定，第一固定支撑板23-1和第二固定支撑板23-2分别与第一加载板18-1和第二加载板18-2保持正对且平行；作为优选，如图1所示，第一加载板18-1的长度等于第二挡板9-1内表面(靠近岩石试样块8的侧表面)与第二加载板18-2内表面(靠近岩石试样块8的侧表面)之间的间距。

第一加载板18-1的上下两端分别活动地穿过一组第一螺纹连接杆件16-1，其中：位于上部的第一螺纹连接杆件16-1再穿过第一固定支撑板23-1的第一螺纹连接杆件安装孔31，其位于下部的第一螺纹连接杆件16-1穿过所述隔仓和第一固定支撑板23-1的第一螺纹连接杆件安装孔31；所述每组第一螺纹连接杆件16-1的根数n₁不少于1，也即可为1、2、3…；这样一来，本装置用到的第一螺纹连接杆件16-1总根数N₁等2×n₁。本例中，更为具体地，如图1所示，为了保证加载板的刚度，防止第一螺纹连接杆件16-1被拉断，作为优选，所述每组第一螺纹连接杆件16-1的根数n₁为1，本装置用到的第一螺纹连接杆件16-1总根数N₁为2，同样的，第一加载板18-1上开设有2个第一螺纹连接杆件安装孔31；更为优选，两根第一螺纹连接杆件16-1关于第一加载板18-1的水平对称中间面上下对称；第一螺纹连接杆件16-1的轴线在第一加载板18-1垂直对称中间面上；本装置用到的螺纹连接杆件的总根数N为6。

第二加载板18-2的左右两端分别穿过一组第二螺纹连接杆件16-2；第二螺纹连接杆件16-2再穿过第二固定支撑板23-2；第一螺纹连接杆件16-1和第二螺纹连接杆件16-2均通过螺纹紧固的方式分别与第一固定支撑板23-1和第二固定支撑板23-2固接，并利用螺母17紧固所述螺纹连接杆件的方式将第一加载板18-1和第二加载板18-2分别压紧于岩石试样块8突出于石仓9的相邻两侧；

如图1和图8所示，第二导热块15-2的侧面均开设有轴线相互平行的第二螺纹连接杆件通过孔34和电阻加热棒安装孔37；本例中，如图1和图8所示，第二导热块15-2通过第二螺纹连接杆件通过孔34套设在第二螺纹连接杆件16-2的杆体上；

如图10所示，第一导热块15-1的侧面均开设有轴线相互平行的第一螺纹连接杆件通过孔33和电阻加热棒安装孔37；第一导热块15-1通过第一螺纹连接杆件通过孔33套设在第一螺纹连接杆件16-1的杆体上；本例中，第二导热块15-2的所述电阻加热棒安装孔数量不局限于12个；第二导热块15-2为长方块体状结构，其长度为150mm，采用导热性良好的材料制成，如碳钢；对应的，所述电阻加热棒安装孔不局限于6个；所述电阻加热棒插入电阻加热棒安装孔37内。

如图6至图7所示，第一加载板18-1和第一固定支撑板23-1上下两端各对称地开设有一个第一螺纹连接杆件安装孔31；第一螺纹连接杆件安装孔31圆心位于第一加载板18-1和第一固定支撑板23-1的竖直中心线上，呈竖向布置；第二加载板18-2和第二固定支撑板23-2的左右两端各对称地开设有两个第二螺纹连接杆件安装孔32，两个第二螺纹连接杆件安装孔32呈竖向布置；所述第一固定支撑板、第二固定支撑板上有与所述第一加载板、第二加载板位置、数量、直径一致的第一螺纹连接杆件安装孔31和第二螺纹连接杆件安装孔32；第一螺纹连接杆件16-1依次活动地穿过第一加载板18-1的第一螺纹连接杆件安装孔31、第二导热块15-2的第一螺纹连接杆件通过孔33、第一固定支撑板23-1的第一螺纹连接杆件安装孔31后，利用螺母17紧固第一螺纹连接杆件16-1的方式将第一加载板18-1紧固于裸露出石仓9的岩石试样块8的c方向的侧面；此时，如图1所示，加载板18-1紧贴岩石试样块8的一侧；第二螺纹连接杆件16-2依次活动地穿过第二加载板18-2的第二螺纹连接杆件安装孔32、第二导热块15-2的第二螺纹连接杆件通过孔34和第二穿固定支撑板23-2的第二螺纹连接杆件安装孔32后，利用螺母17紧固第二螺纹连接杆件16-2的方式将第二加载板18-2紧固于裸露出石仓9的岩石试样块8的b方向的侧面；作为优选，在螺母17与第一加载板18-1、螺母17与第二加载板18-2之间增设垫片。

作为优选，为了方便安装，第二螺纹连接杆件通过孔34沿轴线开有缺口至第二导热块15-2靠近岩石试样块8的侧面；第一螺纹连接杆件通过孔33沿轴线开有缺口至第一导热块15-1靠近岩石试样块8的侧面；更为优选，第二螺纹连接杆件通过孔34的轴线距所述侧面的距离L1小于第二螺纹连接杆件通过孔34的半径R1；第二螺纹连接杆件通过孔34的缺口宽度w不小于第二螺纹连接杆件通过孔34的直径；

更为优选，考虑到第二螺纹连接杆件通过孔34存在所述缺口，会使得第二导热块15-2易从第二螺纹连接杆件16-2上掉落，为了可靠安装，如图4至图6所示，第二固定支撑板23-2的侧面还各固设有1个用于托举第二导热块15-2的托板25；托板25一端与靠近第二挡板9-1的第二固定支撑板23-2侧面中部固接，托板25上表面与第二导热块15-2底部接触。

如图5和图10所示，第一螺纹连接杆件通过孔33所开的缺口竖直向下，可使得位于岩石试样块8上方的第一导热块15-1可以可靠地放置在第一螺纹连接杆件16-1上；位于岩石试样块8下方的第一导热块15-1，由于第一导热块15-1未开缺口的上表面受到置物平台9-3的限制，可更为可靠地安装在第一螺纹连接杆件16-1上(或有倾斜，但不脱落就不影响加热第一螺纹连接杆件16-1)。

作为优选，第二挡板9-1的上表面相对于岩石试样块8上表面的距离不小于滚刀7的切深h。

作为优选，第一挡板9-2的上表面与岩石试样块8的上表面齐平。

杆时，当使用螺母17同时紧固第一螺纹连接杆件16-1带有螺纹的两端时，操作上难以保证同时紧固，作为优选，第一螺纹连接杆件16-1选用螺栓，此时，只需紧固所述螺栓有螺纹的一端；同理，第二螺纹连接杆件16-2也优先选用螺栓。

为了增加第一加载板18-1和第二加载板18-2的刚度，作为优选，所述第一加载板、第二加载板为U型槽钢。

作为优选，为了提高第二导热块15-2内的电阻加热棒向第二螺纹连接杆件16-2传热的效率，如图9所示，所述电阻加热棒安装孔按其孔径的大小分为座电阻加热棒安装大孔35和电阻加热棒安装小孔36两个序列，其中：电阻加热棒安装大孔35以第二螺纹连接杆件通过孔34的孔心为圆心，呈周向等间隔均匀辐射状布置；同时在电阻加热棒安装大孔35与第二螺纹连接杆件通过孔34之间，同样以第二螺纹连接杆件通过孔34的孔心为圆心，呈周向等间隔均匀辐射状布置有电阻加热棒安装小孔36，相应地，定制两种直径序列的电阻加热棒；同理，如图11所示，为第一导热块15-1上的电阻加热棒安装大孔、小孔的排列布置。

本发明一种临空面破岩工况下岩石试样块围压施加装置的工作原理为：如图1所示，在TBM标准线切割试验台上，完成本发明一种临空面破岩工况下岩石试样块围压施加装置的初步紧固装配，即试验前室温下，利用螺母17将第一加载板18-1和第二加载板18-2初步紧固于裸露出石仓9的岩石试样块8的两个侧面侧；待完成初步紧固装配后，电阻加热棒通电后持续加热，使得第一导热块15-1和第二导热块15-2升温并将温度传递给对应的螺纹连接杆件；当所述螺纹连接杆件升至给定温度后，所述螺纹连接杆件由于受热膨胀伸长，故再次拧紧螺母17；电阻加热棒断电停止加热，当所述螺纹连接杆件冷却至室温后，利用所述螺纹连接杆件热胀冷缩产生的内应力，最终将上述加载板牢牢紧固于裸露出石仓9的岩石试样块8两侧，达到向岩石试样块8施加给定侧向围压的目的。

与本发明一种临空面破岩工况下岩石试样块围压施加装置配合使用的模拟破岩刀具临空面破岩工况下岩石试样块围压施加方法，其特征在于包含如下步骤：

步骤一：利用地质勘探调研、理论计算、数值仿真分析等公知手段，预测获得TBM所在掘进地层的地应力的范围。以现有地质勘探调研预测地应力技术为例，文献《锦屏深部地下实验室初始地应力测量实践》就以埋深2400m的中国锦屏地下实验室为例，阐述了高应力条件下应力解除法测量地应力的原理与方法，并提出了针对在高应力条件下使用36-2型钻孔变形计地应力测量的改进技术；文献《一种新型绳索取芯钻杆内置式双管水压致裂地应力测试方法及其应用》论述了水压致裂地应力测量理论和技术的发展过程，并以绳索取芯钻杆条件的岩体地应力测试为研究对象，提出了一种新型绳索取芯钻杆内置，并分段固定式双管水压致裂地应力测试方法；考虑到煤岩低杨氏模量、高泊松比的特点使得常规地应力预测手段无法直接应用，文献《煤层地应力预测方法研究：以郑庄煤层气区块为例》基于三轴压缩和凯撒实验，利用水力压裂和测井数据，建立了一套煤层地应力预测方法，同时考虑到孔隙压力和构造对于地应力的影响，建立了郑庄地区砂泥岩和煤岩的地应力预测模型。其他方法详见《构造地应力的计算机数值模拟》、《原岩应力及巷道围岩应力的计算机数值模拟》、《黄河黑山峡大柳树坝址区地应力模拟计算及破裂危险性评价》、《长岭凹陷地应力特征研究》、《红岩寺隧道工程地质勘察成果总结》等文献。

本发明具体实施例一中，主要针对地应力理论预测方法进行了如下非限定性介绍：

1、可结合相关水平地应力范围的测试数据，利用如下式(1)和(2)所示半经验公式预测大埋深下(>300m)岩石隧道的垂直地应力σ_v1和σ_v2的范围，得出地应力最大值σ_max和地应力最小值σ_min(《基于地应力实测数据分析郯庐断裂带中段滑动趋势》)：

式中，σ_hmax和σ_hmin分别为实测最大水平地应力和实测最小水平地应力；该区域内水平地应力σ_h与垂直地应力σ_v之比为k(一般300米深处k值就开始趋于稳定)，其值实测范围为k_max∈(1.25，2.20)，k_min∈(0.6，1.25)。

根据式(1)和式(2)可以估算出垂直地应力σ_v的范围，再结合实测水平地应力σ_h的范围大小，可预测出围压总体水平。相对于浅层隧道，该埋深范围下的地应力测量值不易受地形、表层地质构造和岩石风化等因素的影响，因此该地应力理论估算方法较为可靠。

2、一般而言，若无实测数据资料，可采用如式(3)计算出垂直地应力σ_v(详见文献《盾构机盘形滚刀作用下岩石破碎特征及滚刀振动特性研究》)：

σ_v＝γH (3)

式中，γ为岩体密度，一般取值为2600kg/m³；H为隧道埋深；

再借助该区域内水平地应力σ_h与垂直地应力σ_v之比k，利用如式(4)估算出水平地应力σ_h：

σ_h＝kσ_v (4)

再由σ_v和σ_h估算出地应力的范围。

隧道开挖时，与滚刀接触的岩石面地应力为零，因此仅考虑垂直地应力的影响。根据式(3)和式(4)也可大致估算出围压水平范围。

本例中，直接假定某TBM隧道环境下地应力最大值σ_max和地应力最小值σ_min分别为10MPa和2MPa。

步骤二：给定所述螺纹连接杆件最高许用加热温度T_max以及实验室环境下的室温T₀，则所述螺纹连接杆件最大许可温升值ΔT_max为T_max-T₀；给定所述螺纹连接杆件选用根数n；根据所述岩石试样块侧向长度尺寸L和所述加载板的厚度t，合理设定所述螺纹连接杆件初始长度l；根据所述岩石试样块尺寸、所述加载板尺寸、以及所述螺纹连接杆件在所述加载板上的安装尺寸，确定所述加载板与所述岩石试样块的接触面积A；基于钢材热变形理论、数值仿真分析等公知手段，根据步骤一获得的σ_max，结合ΔT_max、n、l和A，计算获得满足最大围压加载能力、螺纹连接杆件最高许用加热温度和螺纹连接杆件许用连接强度的螺纹连接杆件危险横截面最小许可直径d_min，也即运用螺纹连接杆件综合选用准则获得实际可选用的螺纹连接杆件危险横截面直径d的取值范围。所述螺纹连接杆件综合选用准则的物理意义在于：当实际选用螺纹连接杆件的危险横截面直径d小于d_min时，利用所述n根螺纹连接杆件加热到最高许用加热温度T_max，拧紧所述螺母后再冷却至室温T₀时，由于热胀螺纹连接杆件冷缩后会拉紧所述加载板，使得所述加载板向所夹持的所述岩石试样块施加待模拟围压值σ，该值σ低于σ_max；或当σ不小于σ_max时，所述螺纹连接杆件的实际应力值超出了螺纹连接杆件许用连接强度，故不能达到试验设计能力。

本例中，作为优选，选用最为基础的钢材线性热膨胀变形理论来描述d_min的计算推导过程，具体如下：

根据一般使用经验，可采用8.8级及以上的高强度螺纹连接杆件，本例中采用推荐的12.9级35CrMo或42CrMo材质的高强度螺纹连接杆件；考虑到GB150规格的碳钢的最高许用温度为450℃，为了兼顾所述加热元件的加热效率和极限加热能力，将螺纹连接杆件最高许用加热温度T_max限定为350℃；假定室温T₀为20℃，则ΔT_max为330℃；当螺纹连接杆件从T₀稳定加热至T_max后的最大伸长量Δl_max可采用下式(5)计算：

Δl_max＝l·α·ΔT_max (5)

式中，α为螺纹连接杆件的热膨胀系数，经查询《机械设计手册》可知，钢质材料在加热到250℃时的热膨胀系数α约为1.2×10^-5/℃；l为螺纹连接杆件初始长度，可采用下式(6)进行设计估算：

l＝L+2t+δ (6)

式中，L为岩石试样块侧向长度尺寸；t为加载板的厚度；δ为螺纹连接杆件紧固后的预留长度，一般取20～60mm。

在TBM标准线切割试验台上，完成本发明一种临空面破岩工况下岩石试样块围压施加装置的初步紧固装配，即：将岩石试样块8的下部牢固安装于石仓9内；试验前室温T₀下，所述螺纹连接杆件均通过螺纹紧固的方式分别与第一固定支撑板23-1和第二固定支撑板23-2固接，并利用螺母17紧固所述螺纹连接杆件的方式将第一加载板18-1和第二加载板18-2分别压紧于岩石试样块8突出于石仓9的相邻两侧；按如图1所示安装好第一导热块15-1和第二导热块15-2。随后，电阻加热棒通电持续加热，使得第一导热块15-1和第二导热块15-2升温，并将温度传递给所述螺纹连接杆件；当选用的所述螺纹连接杆件升至最高许用加热温度T_max后，所述螺纹连接杆件受热膨胀伸长，再次拧紧螺母17后再冷却至室温T₀后，由于冷缩效应使得单根所述螺纹连接杆件的横截面上产生的最大拉应力σ_tmax采用下式(7)计算：

式中，E为螺纹连接杆件的弹性模量，一般取值为2.0～2.1×105MPa；其它同上。

选用的n根螺纹连接杆件冷却收缩时产生的最大拉力F_tmax采用下式(8)计算：

最大拉力F_tmax作用于加载板上，使得所述加载板向所夹持的岩石试样块施加一个待模拟围压值σ，其值可采用下式(9)计算：

联立式(5)至式(9)，并令σ＝σ_max，可推导获得满足最大围压加载能力(能够模拟地应力最大值σ_max)和螺纹连接杆件最高许用加热温度(不超过螺纹连接杆件最高许用加热温度T_max)的螺纹连接杆件选用准则，采用下式(10)表示为：

更为具体地举例，例如当n按取值为4时，l取值为500mm，A取值为0.2m²，其他赋值同前所述，利用式(10)计算可得d_min为27.67mm。

此外，为了保证螺纹连接杆件的连接强度，单根螺纹连接杆件的横截面面上产生的最大拉应力σ_tmax应满足下式(11)：

σ_tmax≤[σ] (11)

式中，[σ]为螺纹连接杆件材料的许用应力值，[σ]＝σ_s/S，其中，σ_s为螺纹连接杆件材料的屈服极限，经查表可知，12.9级高强度螺纹连接杆件在常温下的屈服极限σ_s取为1080MPa；S为安全系数，取1.2～1.7。

联立式(8)、式(9)和式(11)，并令σ＝σ_max，可推导获得满足螺纹连接杆件许用连接强度的螺纹连接杆件选用准则，采用下式(12)表示为：

联立式(10)和式(12)，即可推导获得螺纹连接杆件综合选用准则，采用下式(13)表示为：

本例中，更为具体地，考虑到螺纹连接杆件加热时其屈服强度会降低，S推荐取最大值为1.7，故最终利用式(13)可得：

d≥d_min＝Max[27.67mm,31.66mm]＝31.66mm

值得说明的是，为了便于装配调试，同时避免加载板上开孔过大导致其刚度降低，选用的螺纹连接杆件直径规格不宜过大，根据一般经验，作为优选，当d_min＞100mm，由式(13)可知，应适当增加n(如增加至6或8)、螺纹连接杆件强度等级(如采用超高强度等级的进口特制螺纹连接杆件)和T_max，同时降低接触面积A和室温T₀，再重复执行步骤二。

步骤三：合理选用满足式(13)所示螺纹连接杆件综合选用准则的螺纹连接杆件型号规格；根据所选用的螺纹连接杆件型号规格(尤其是实际选用螺纹连接杆件的危险横截面直径d)以及设定的待模拟围压值σ(σ∈[σ_min,σ_max])，利用下式(14)计算获得该螺纹连接杆件设定加热温度T：

本例中，假设选用规格为M42的高强度螺纹连接杆件，且查表获知该型号规格对应的d为36.5mm，若开展滚刀线切削试验时需要模拟岩石的待模拟围压值σ为6MPa时，根据上式(14)可计算得出螺纹连接杆件设定加热温度T约为133.78℃，其值小于螺纹连接杆件最高许用加热温度T_max，说明本试验方案可行。

步骤四：在TBM标准线切割试验台上，完成本发明一种临空面破岩工况下岩石试样块围压施加装置的初步紧固装配后，电阻加热棒通电持续加热，使得第一导热块15-1和第二导热块15-2升温，并将温度传递给所述螺纹连接杆件；当选用的所述螺纹连接杆件加热到螺纹连接杆件设定加热温度T，所述螺纹连接杆件受热膨胀伸长，再次拧紧螺母17后再冷却至室温T₀。此时，裸露出石仓9的岩石试样块8的相邻两侧面的围压水平理论上可达。相关试验证明，本发明一种临空面破岩工况下岩石试样块围压施加装置围压模拟误差小于±15％，完全满足工程应用精度要求。值得说明的是，加热所述螺纹连接杆件前，可以在所述螺纹连接杆件的螺杆部位设置温度传感器，或者利用工业级的手持式红外成像测温仪实时监控加热温度T。

本步骤四中，为了便于快速完成初步紧固装配工作，且防止螺纹连接杆件预紧力过高而影响围压模拟精度，同时防止螺纹连接杆件预紧力过高而在冷却过程中被拉断，初步紧固装配时螺纹连接杆件预紧力F_t0不超过螺纹连接杆件标准预紧力值的1/20；再次拧紧螺母17时的预紧扭矩值大小同初步紧固装配时。螺纹连接杆件标准预紧力值通过翻查机械设计手册，并根据螺纹连接杆件尺寸规格和螺纹连接杆件强度等级查表可得。

作为优选，初步紧固装配时螺纹连接杆件预紧力F_t0不超过1kN。

为了提高本发明一种围压施加方法的围压模拟精度，更为优选，步骤二和步骤三中应考虑螺纹连接杆件预紧力F_t0对螺纹连接杆件冷却收缩时产生的最大拉力F_tmax的影响，因此式(10)进一步修正为：

同理，式(12)进一步修正为：

因此，式(13)按下式修正为：

同理，式(14)按下式修正为：

在给定围压条件下，开展TBM滚刀临空面破岩工况下滚刀破岩试验研究，其具体步骤如下：

步骤1：切削破岩试验开始前(初始时刻)，先将石仓9拉回至合适位置，使得滚刀10刀刃相对靠近岩石试样块8的待切削面；调整滚刀7的中间对称面(垂直于刀轴)与与第二挡板9-1接触的岩石试样块8侧面间距S，滚刀7刀刃距离与第一加载板18-1接触的岩石试样块8侧面的间距为B，定义该位置为滚刀7的初始位置。

步骤2：向滚刀7施加垂直推进的静压载荷，使得滚刀7贯入岩石试样块8的深度达到给定滚刀7的切深h。

步骤3：研究滚刀7滚压破岩状况，同时立柱组件采集数据，并在数据处理软件中进行处理，实时获取滚刀7的受力状况参数；通过高速数字摄像系统记录滚刀7破碎岩石试样块8的微观特性，声发射装置记录裂纹的形成扩展变化特征。

步骤4：当完成一次切削后，驱动滚刀7返回滚刀初始位置，再调整S为S+S；重复执行步骤1至步骤4，使得滚刀7在岩石试样块8上进行多次滚压破岩。

Claims (10)

1.一种临空面破岩工况下岩石试样块围压施加装置，包括石仓、第一加载板、第二加载板、第一螺纹连接杆件、第二螺纹连接杆件、第一导热块、第二导热块、第一固定支撑板、第二固定支撑板、电阻加热棒，其特征在于：

所述石仓包括第一挡板、第二挡板和置物平台；所述置物平台的下部开设有隔仓；所述置物平台的相邻两侧分别固设有所述第一挡板和所述第二挡板；所述置物平台上放置有岩石试样块；所述岩石试样块的相邻两侧面分别与所述第一挡板、所述第二挡板相接触；所述岩石试样块剩余的相邻两侧分别突出于所述石仓；所述第二挡板的上表面低于所述岩石试样块的上表面，所述第一挡板的上表面不低于所述岩石试样块的上表面；与所述第一挡板相对的所述岩石试样块的侧表面设置有所述第一加载板；与所述第二挡板相对的所述岩石试样块的侧表面设置有所述第二加载板；所述第二固定支撑板设置于所述第二挡板远离所述岩石试样块的一侧；所述第一固定支撑板设置于所述第一挡板远离所述岩石试样块一侧；

所述第一固定支撑板和所述第二固定支撑板均与所述石仓保持相对固定；所述第一固定支撑板和所述第二固定支撑板分别与所述第一加载板和所述第二加载板保持正对且平行；所述第一加载板的上下两端分别穿过一组所述第一螺纹连接杆件，其中：位于上部的所述第一螺纹连接杆件再穿过所述第一固定支撑板，而其位于下部的所述第一螺纹连接杆件则再依次穿过所述隔仓和所述第一固定支撑板；

所述第二加载板的左右两端分别穿过一组所述第二螺纹连接杆件；所述第二螺纹连接杆件再穿过所述第二固定支撑板；所述第一螺纹连接杆件和所述第二螺纹连接杆件均通过螺纹紧固的方式分别与所述第一固定支撑板和所述第二固定支撑板固接，并将所述第一加载板和所述第二加载板分别压紧于所述岩石试样块的相邻两侧；

所述第一导热块和第二导热块的侧面均开设有轴线相互平行的螺纹杆件通过孔和电阻加热棒安装孔；所述第一螺纹连接杆件和所述第二螺纹连接杆件的杆体上借助所述螺纹连接杆件通过孔分别套设有所述第一导热块和第二导热块；所述电阻加热棒插入所述电阻加热棒安装孔内。

2.根据权利要求1所述的临空面破岩工况下岩石试样块围压施加装置，其特征在于：所述第一加载板的长度等于所述第二挡板内表面与所述第二加载板内表面之间的间距。

3.根据权利要求2所述的临空面破岩工况下岩石试样块围压施加装置，其特征在于：每组所述第二螺纹连接杆件的根数n₂为2。

4.根据权利要求3所述的临空面破岩工况下岩石试样块围压施加装置，其特征在于：每组所述 第二螺纹连接杆件关于所述第二加载板的水平对称中间面上下对称。

5.根据权利要求4所述的临空面破岩工况下岩石试样块围压施加装置，其特征在于：每组所述 第一螺纹连接杆件的根数n₁为1。

6.根据权利要求5所述的临空面破岩工况下岩石试样块围压施加装置，其特征在于：所述第一螺纹连接杆件关于所述第一加载板的水平对称中间面上下对称。

7.根据权利要求6所述的临空面破岩工况下岩石试样块围压施加装置，其特征在于：所述第一螺纹连接杆件的轴线在所述第一加载板的垂直对称中间面上。

8.根据权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的临空面破岩工况下岩石试样块围压施加装置，其特征在于：所述第二固定支撑板的侧面还各固设有1个托板；所述托板一端与靠近所述第二挡板的所述第二固定支撑板侧面中部固结，所述托板上表面与所述第二导热块底部接触。

9.根据权利要求8所述的临空面破岩工况下岩石试样块围压施加装置，其特征在于：所述第二挡板上表面相对所述岩石试样块上表面的距离不小于滚刀切深h。

10.根据权利要求9所述的临空面破岩工况下岩石试样块围压施加装置，其特征在于：所述第一挡板的上表面与所述岩石试样块的上表面齐平。

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