CN111238952A - 一种破岩刀具多种破岩工况下岩石围压施加装置 - Google Patents

Abstract

一种破岩刀具多种破岩工况下岩石围压施加装置，包括加载板、支撑杆、承载板、螺纹连接杆件、集热导热块、固定支撑板、加热元件；所述加载板与所述承载板正对平行间隔布置、对称设置且两者之间固接有两组所述支撑杆；所述固定支撑板设置于所述两者之间，并分别与所述两者存在相对间隙；所述固定支撑板与石仓保持相对固定；所述螺纹连接杆件穿过所述承载板和所述固定支撑板，紧固于所述固定支撑板上；所述加载板未固接有所述支撑杆的另一板面与岩石试样块接触；所述集热导热块套装在所述承载板和所述固定支撑板之间的所述螺纹连接杆件上；所述集热导热块内插入有所述加热元件。本发明结构简单、操作便捷、成本低廉、可模拟多种破岩工况。

Description

一种破岩刀具多种破岩工况下岩石围压施加装置

技术领域

本发明属于隧道工程与岩土工程的交叉领域，涉及一种破岩刀具多种破岩工况下岩石围压施加装置，尤其涉及一种可配合TBM(硬岩掘进机)标准线切割试验台石仓使用的用于模拟破岩刀具多种破岩工况下岩石围压状态的岩石围压施加装置。

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，具备一定地应力(也称岩体围压)。该岩体围压影响了岩石自身物理力学性质、岩石破碎/破坏机制，同时影响了开挖装置的破岩载荷特性、破岩效率和使用寿命等。因此，无围压应力条件下岩石试样块(如实验室环境下制备的)表现出的特性与深部岩层(高围压应力条件)、浅表地层(低围压应力条件)中的天然岩体截然不同。岩体围压条件下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，对于深部高应力地下工程的安全评价与灾害防治尤为重要。因此，在研究与岩体围压息息相关的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掘进刀具破岩机理、深部煤炭巷道下掘锚机截割头煤岩开挖机理、部分地质构造高应力的特殊国防深地工程中采用钻爆法施工后，边坡稳定性问题等深部岩层的研究领域时，需要在研究过程中考虑到岩体围压作用，并应在相应的试验中模拟出岩体围压的真实状态。

以在TBM标准线切割试验台的基础上开展TBM刀盘刀具破岩实验研究为例，由于岩体在隧道开挖前便具有高围压水平，实验时应模拟出深部岩层受到高围压的环境条件，因此需要在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压力，进而模拟出与真实掘进环境下岩石具有的侧向围压。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，故不适用于本领域。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出作为刀具切削表面。然而，由于TBM线切割试验所需岩石试样块的尺寸均较大(为了避免岩石试样块尺寸过小引起边界效应，文献《Disc cutting tests in Colorado Red Granite:Implicationsfor TBM performance prediction》中采用了1.1×0.8×0.6m的花岗岩试样)，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，不便于实现。一般的设计经验表明，当TBM标准线切割试验台上采用17英寸(直径为432mm)全尺寸TBM滚刀(盘形滚刀)进行破岩切削试验时，若试验台刀间距模拟能力最大设计为75mm，则在尽量降低岩石试样块尺寸的边界效应的前提下，采用液压缸对顶的方式可获得的理论经济围压仅为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模拟要求。

尽管天然岩体的围压水平对于研究深部岩层下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，或者说是不能经济可行地模拟出高围压水平，具体参考专利201310032227.X、ZL200810143551.8、ZL200810143552.2、CN102445336A、ZL200410089260.7、CN102788693A等。国外美国科罗拉多矿业学院、韩国Korea Instituteof Construction Technology、土耳其Istanbul Technical University等机构也对滚刀破岩特性进行了实验研究，但也均未能研制出有效的围压模拟装置；这包括文献(Disccutting tests in Colorado Red Granite:Implications for TBM performanceprediction)提到的美国科罗拉多矿业学院研制的线性切割试验台(Linear CuttingMachine)，文献(Optimum spacing of TBM disc cutters:A numerical simulationusing the three-dimensional dynamic fracturing method)提到的韩国KoreaInstitute of Construction Technology研制的滚刀破岩试验台，文献(Correlation ofrock cutting tests with field performance of a TBM in a highly fractured rockformation:A case study in Kozyatagi-Kadikoy metro tunnel,Turkey)提到的土耳其Istanbul Technical 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，初始状态下，掌子面上岩石平整，待切削岩石处于平面围压状态下(仅掌子面为自由面)；TBM处于传统破岩工况下，单把滚刀回转滚压岩石后会形成环状切槽，其外周边界为自由面；与前一滚刀相邻的后一滚刀随后滚压至与所述环状切槽相邻近区域时，可利用所述环状切槽的自由面的尺寸边界效应，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，岩石试样块应施加平面围压，或者单侧围压。然而，当处于临空面破岩工况这一特殊情况下工作时，掌子面上的待切削岩石还存于一种三向围压状态，即待切削岩石三个侧面均受到围压作用，而余下与滚刀中间平面相邻的一侧面(也即临空面)为自由面。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，即初始状态下，在掌子面中心处(利用滚刀、激光切割、水射流、火焰喷射等方法)先行开挖出较深的中心破碎区，其中心破碎区的边界面为临空面；随后，利用与临空面相邻的滚刀回转滚压该掌子面，此时，所述滚刀产生的切削应力仅传递至该临空面上(因掌子面上的岩体不再连续，故无法把该应力继续传递下去)，并在该临空面周围集中；所述滚刀与该临空面一侧的岩石最终会因侧向裂纹与该临空面交汇而形成较大的岩石破碎块，导致中心破碎区的外径进一步扩大，并形成新的临空面；随着刀盘回转滚压破岩运动的持续进行，与所述新临空面相邻的滚刀同样参与回转滚压破岩，这样一来，将掌子面的岩石沿所述新临空面层层片削下来。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，其破岩效率相对较高，可解决现有破岩方法易造成滚刀磨损严重、刀具寿命短等问题，属于一种新型的TBM破岩方法。中南大学的郭犇等人建立了TBM单把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 ofrock fragmentation induced by a single TBM disc cutter close to a side freesurface》)；其研究结果表明：滚刀相对临空面的距离在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；当切深为6mm，滚刀相对临空面的临界距离约为100mm，这与数值模拟结果良好吻合；当滚刀相对临空面的距离不小于120mm时，临空面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了滚刀受力载荷、岩石等效塑形应变的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规律。然而，由于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，包括临空面在内的岩石试样的其余侧面均为自由面，故试验精度与工况模拟程度有待进一步提高。

因此，提供一种经济便捷且满足工程精度测试要求的破岩刀具临空面破岩工况下岩石围压施加装置及围压施加方法，尤其是提供一种可供TBM标准线切割试验台使用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，是目前亟待解决的问题。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、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，本发明一种破岩刀具多种破岩工况下岩石围压施加装置，包括加载板、支撑杆、承载板、螺纹连接杆件、集热导热块、固定支撑板、加热元件，其特征在于：

所述加载板与所述承载板正对平行间隔布置，所述加载板与所述承载板的板面均与水平面垂直；所述加载板与所述承载板对称设置；所述加载板与所述承载板之间对称地设置有两组所述支撑杆，所述支撑杆的两端分别与所述加载板和所述承载板固接；所述固定支撑板设置于所述承载板与所述加载板之间，且所述固定支撑板分别与所述承载板和所述加载板之间均存在相对间隙；所述固定支撑板与石仓保持相对固定；所述螺纹连接杆件活动地穿过所述承载板，再利用螺纹紧固的方式将所述螺纹连接杆件，连同所述加载板、所述支撑杆和所述承载板紧固于所述固定支撑板上；所述加载板未固接有所述支撑杆的另一板面与岩石试样块的侧表面接触；所述集热导热块套装在所述螺纹连接杆件位于所述承载板和所述固定支撑板之间的所述螺纹连接杆件的螺杆上；所述集热导热块内插入有所述加热元件。

作为优选，所述螺纹连接杆件选用为螺栓，在利用螺纹紧固的方式将所述螺纹连接杆件紧固于所述固定支撑板上时，还应设置垫片。

作为优选，每组所述支撑杆包括N根所述支撑杆，N不小于1；所述每组支撑杆中的N根所述支撑杆同样对称地设置于所述承载板和所述加载板的水平同一侧；

更为优选，每组所述支撑杆包括2根所述支撑杆，也即所述4根(2N＝4)支撑杆分别关于所述加载板的上下、左右对称布置。

作为优选，所述螺纹连接杆件的数量为n，n不小于2；所述螺纹连接杆件对称地设置于所述支撑杆之间；更为优选，n取值为2。

作为优选，所述固定支撑板为倒T形座体结构；所述固定支撑板上还设置有加强筋。

作为优选，所述承载板上开设有横向布置的两个螺杆安装孔，所述螺杆安装孔关于所述承载板的竖向中心线对称，且与所述固定支撑板的螺杆安装孔对应一致。

作为优选，在所述集热导热块的侧面上开设有轴线相互平行的两个螺纹连接杆件通过孔，所述螺纹连接杆件通过孔关于垂向中心线左右对称；在所述集热导热块的同一侧面上开设有用于插入所述加热元件的加热元件安装孔，其按孔径的大小分为加热元件安装大孔和加热元件安装小孔两个序列，其中：所述加热元件安装大孔以所述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；同时在所述加热元件安装大孔与所述螺纹连接杆件通过孔之间，同样以所述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有所述加热元件安装小孔；所示加热元件安装孔内相应地插入大小两种直径序列的加热元件。

作为优选，所述集热导热块分为上下两部分，所述集热导热块的上下两部分的一侧活动地铰接在一起，所述上下两部分的另一侧的中心位置处各开设有一个半圆柱体；当所述集热导热块处于闭合状态时，两个所述半圆柱体可拼凑成一个圆柱体结构；所述圆柱体结构可用卡环固定。

作为优选，在所述岩石试样块的上部露出所述石仓的四个侧面均设置有所述加载板，且同样相应地设置有所述支撑杆、所述承载板、所述螺纹连接杆件、所述集热导热块、所述固定支撑板和所述加热元件，以向所述岩石试样块的四个侧面独立地施加给定大小的侧向围压。

作为优选，所述加载板的工作面与所述岩石试样块露出所述石仓的侧面重合。

本发明一种破岩刀具多种破岩工况下岩石围压施加装置巧妙地借助了室温下已预紧的所述螺纹连接杆件的热胀冷缩效应，利用所述螺纹连接杆件在高温下再次预紧，并冷缩后产生的巨大拉力使得所述加载板接触并挤压所述岩石试样块侧面，以产生给定大小的围压作用，本发明与现有技术相比的有益之处在于：

1、围压模拟范围较高，满足大多数工程测试精度需求；

2、在所述岩石试样块的任意一个侧面，通过设置岩石试样块围压施加装置，可以相对独立地施加给定大小的侧向围压；换言之，所述岩石试样块的四个侧面均可单独独立地施加给定的围压，互不干涉影响，可满足多破岩工况下TBM滚刀破岩试验需求，可模拟获得与实际破岩工况更为接近的掌子面岩石围压状态(平面围压状态、单侧围压状态、无围压状态和临空面围压状态)；

3、整个装置结构较为简单，成本低廉，无需额外配置液压泵站、液压油缸、伺服阀以及昂贵的进口液控单向阀；

4、利用螺纹的自锁特性，可较为可靠地维持所施加围压的稳定，操作相对便捷，成本低廉；

5、本发明装置可与现有的TBM标准线切割试验台配合使用，在不改变石仓结构的前提下，无需额外大范围改造现有试验平台，提高了现有设备使用率，大大降低了测试成本；

6、与其他围压施加方案相比，本发明中由于所述加载板的板面可与所述岩石试样块露出所述石仓的侧面完全重合(无需在所述加载板的水平两侧留出紧固所述螺纹连接杆件通过的位置)，且所述支撑杆分别关于所述加载板的上下、左右对称布置，因此有效地避免了所述加载板在施加围压过程中发生弯曲变形，也即可避免围压施加不均，以及避免了由此导致所述岩石试样块的局部边角处被压溃的问题。

总体来看，本装置结构简单、功能全面、经济实用、操作便捷，且满足工程测试精度要求，广泛适用于诸如大埋深隧道环境下TBM掘进刀具破岩机理、深部煤炭巷道下掘锚机截割头煤岩开挖机理、部分地质构造高应力的特殊国防深地工程中的边坡稳定等深部岩层的研究领域。

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为本发明一种破岩刀具多种破岩工况下岩石围压施加装置具体实施例一的三维结构示意图(含岩石试样块)。

图2为图1的俯视图。

图3为图1隐藏了集热导热块后的三维结构示意图。

图4为图1中固定支撑板的三维结构示意图。

图5为图1中集热导热块另一种结构方案的三维结构示意图。

图6为图5的主视图。

图7为图6的右视图。

图8为图6中集热导热块打开后的主视图。

图9为图1中承载板的三维结构示意图。

图10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。

如图1至图9所示，为本发明具体实施例一的附图。

在如图10所示现有TBM标准线切割试验台上开展TBM刀具破岩实验时，无围压条件下，岩石试样块1的下部应固定安装于石仓10内(一般而言，通过紧固螺钉(未画出)将岩石试样块1的下部牢固固定于石仓10的仓内)，而岩石试样块1的上部露出石仓10，即为自由面；石仓10则固定在如图10所示的普通TBM标准线切割试验台上的石仓支撑板11上；利用滚刀13滚压切割岩石试样块1，以进行破岩试验。

如图1所示，为本发明一种破岩刀具多种破岩工况下岩石围压施加装置，包括加载板2、支撑杆3、承载板4、螺纹连接杆件6、集热导热块8、固定支撑板9、加热元件(未画出)，其特征在于：

加载板2与承载板4正对平行间隔布置，加载板2与承载板4板面均与水平面垂直；加载板2与承载板4对称设置，也即加载板2和承载板4各自的竖直垂直平分面(与板面相垂直)重合，加载板2和承载板4各自的水平垂直平分面(与板面相垂直)也重合；加载板2与承载板4之间对称地设置有两组支撑杆3，支撑杆3的两端分别与加载板2和承载板4固接；如图1所示，更为具体地，两组支撑杆3分别对称地固定在加载板2的水平两侧，而所述两组支撑杆的另一端也同样分别对称地固定在承载板4的水平两侧；固定支撑板9设置于承载板4与加载板2之间，且固定支撑板9分别与承载板4和加载板2之间均存在相对间隙；固定支撑板9与石仓10保持相对固定，如固定支撑板9的下部固定在石仓支撑板11上；螺纹连接杆件6活动地穿过承载板4，再利用螺纹紧固的方式将螺纹连接杆件6，连同加载板2、支撑杆3和承载板4紧固于固定支撑板9上，同时使得加载板2未固接有支撑杆3的另一板面与岩石试样块1的侧表面接触；集热导热块8套装在螺纹连接杆件6位于承载板4和固定支撑板9之间的螺杆上；集热导热块8内插入有加热元件，可将所述螺杆加热至指定温度。

螺纹连接杆件6可以为螺钉、螺柱或螺栓中的一种；本例中，更为具体地，如图1、图2、图3、图4和图9所示，螺纹连接杆件6采用的是双头螺杆，螺纹连接杆件6依次活动地穿过承载板4上开设的螺杆安装孔9-2，固定支撑板9上开设的螺杆安装9-2后，再在螺纹连接杆件6的两端采用螺母紧固；当然，螺纹连接杆件6也可为螺钉，相应地螺杆安装孔9-2为螺纹孔，螺钉的螺纹端活动地穿过承载板4上开设的螺杆安装孔9-2后，再拧紧至螺杆安装孔9-2内。作为优选，螺纹连接杆件6选用为螺栓，所述螺栓的螺纹端依次活动地穿过承载板4上开设的螺杆安装孔9-2、固定支撑板9上开设的螺杆安装孔9-2后，再利用螺母紧固于固定支撑板9上。

作为优选，为了使得传力更加均匀，在利用螺纹紧固的方式将螺纹连接杆件6紧固于固定支撑板9上时，还应设置垫片。本例中，更为具体地，当螺纹连接杆件6选用为螺栓时，固定支撑板9与螺母5之间设置有垫片7，承载板4与螺母5之间设置有垫片7。

作为优选，为了提高支撑杆3的刚强度，同时提高围压模拟能力，每组支撑杆3包括N根支撑杆3，N不小于1，2N为支撑杆3的总数；每组支撑杆3中的N根支撑杆3同样对称地设置于承载板4和加载板2的水平同一侧。

更为优选，为了使得侧向围压更加均匀地施加于岩石试样块1的侧面，每组支撑杆3包括2根支撑杆3，也即4根(2N＝4)支撑杆3分别关于加载板2的上下、左右对称布置。

作为优选，为了提高围压模拟能力，螺纹连接杆件6的数量为n，n不小于2；且螺纹连接杆件6对称地设置于支撑杆3之间。本例中，n取值为2。

作为优选，为了优化本装置的结构受力，固定支撑板9为如图4所示倒T形座体结构；

更为优选，如图4所示，为了优化本装置的结构受力，固定支撑板9上还设置有加强筋。

作为优选，为了提高本装置的刚强度，如图9所示，承载板4上开设有横向布置的两个螺杆安装孔9-2，螺杆安装孔9-2关于承载板4的竖向中心线对称，且与固定支撑板9的螺杆安装孔9-2对应一致。

作为优选，为了使得螺纹连接杆件6的受热更加均匀，同时提高集热导热块8的加热集热效率，在集热导热块8如图6所示的侧面上开设有轴线相互平行的两个螺纹连接杆件通过孔8-5，螺纹连接杆件通过孔8-5关于图6中的垂向中心线左右对称；在集热导热块8如图6所示的同一侧面上开设有用于插入加热元件的加热元件安装孔，其按孔径的大小分为加热元件安装大孔8-3和加热元件安装小孔8-4两个序列，其中：加热元件安装大孔8-3以螺纹连接杆件通过孔8-5的孔心为圆心，呈周向等间隔均匀辐射状布置；同时在加热元件安装大孔8-3与螺纹连接杆件通过孔8-5之间，同样以螺纹连接杆件通过孔8-5的孔心为圆心，呈周向等间隔均匀辐射状布置有加热元件安装小孔8-4；所示加热元件安装孔内相应地插入大小两种直径序列的加热元件。

作为优选，为了提高集热导热块8的制造装配工艺和集热导热块8的拆装效率，如图5至图7所示，集热导热块8被设计为上下分体式结构，其上下两部分关于过螺纹连接杆件通过孔8-5轴线的水平面对称；所述上下两部分的一侧，如本例中的左侧利用铰座8-1活动地铰接在一起，所述上下两部分的另一侧的中心位置处各开设有一个半圆柱体8-2；当集热导热块8处于如图6所示闭合状态时，两个半圆柱体8-2形成一个圆柱体结构，所述圆柱体结构可用卡环12固定。这样一来，无需拆装螺纹连接杆件6便可装配好集热导热块8，具体过程为：如图8所示，打开集热导热块8，将集热导热块8上部分的螺纹连接杆件通过孔8-5与螺纹连接杆件6配合，合上集热导热块8的下部分，并使用卡扣12固定两个半圆柱体8-2，完成集热导热块8的安装。

作为优选，为了使得本装置能够模拟岩石试样块1的多种围压状态(平面围压、单侧围压、临空面围压状态和无围压)，在岩石试样块1的上部露出石仓10的四个侧面均设置有加载板2，且同样相应地设置有支撑杆3、承载板4、螺纹连接杆件6、集热导热块8、固定支撑板9和加热元件，以向岩石试样块1的四个侧面独立地施加给定大小的侧向围压。

作为优选，为了避免相邻的加载板2之间发生干涉，同时节约加载板2的材料使用，加载板2的工作面与岩石试样块1露出石仓10的侧面重合。

本发明一种破岩刀具多种破岩工况下岩石围压施加装置的工作原理为：在如图10所示的TBM标准线切割试验台上，完成本发明一种破岩刀具多种破岩工况下岩石围压施加装置的初步紧固装配，即试验前室温下，将加载板2放置在石仓10的边缘，加载板2与裸露出石仓10的岩石试样块1贴合；利用螺母5和垫片7初步固定承载板4与固定支撑板9之间的距离，并确保螺纹连接杆件6与水平面平行；待完成初步紧固装配后，加热元件通电后持续加热，使得集热导热块8升温并将温度传递给对应的螺纹连接杆件6；当螺纹连接杆件6升至给定温度后，螺纹连接杆件6由于受热膨胀伸长，此时再次拧紧螺母5；加热元件断电停止加热，当螺纹连接杆件6冷却至室温后，利用螺纹连接杆件6热胀冷缩产生的内应力，最终达到加载板2向岩石试样块1施加给定侧向围压的目的。

与本发明破岩刀具多种破岩工况下岩石围压施加装置配合使用的破岩刀具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，完成本发明一种破岩刀具多种破岩工况下岩石围压施加装置的初步紧固装配后，加热元件通电后持续加热，使得集热导热块4升温并将温度传递给对应的螺纹连接杆件6；当选用的n根螺纹连接杆件6升至最高许用加热温度T_max后，螺纹连接杆件6由于受热膨胀伸长，此时再次拧紧螺母5；此后，加热元件断电停止加热，当螺纹连接杆件6冷却至室温后，由于冷缩效应使得单根螺纹连接杆件的6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6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2上，使得加载板2向所接触的岩石试样块1侧面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6的连接强度，单根螺纹连接杆件6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6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2上开孔过大导致其刚度降低，选用的螺纹连接杆件6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，完成本发明一种破岩刀具多种破岩工况下岩石围压施加装置的初步紧固装配，随后，加热元件通电持续加热，使得集热导热块4升温，并将温度传递给得螺纹连接杆件6；当选用的n根螺纹连接杆件6加热到螺纹连接杆件设定加热温度T，由于螺纹连接杆件6受热膨胀伸长，再次拧紧螺母5后再冷却至室温T₀。此时，裸露出石仓7的岩石试样块1侧面的围压水平理论上可达。相关试验证明，本发明一种岩石试样块单向对侧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，加热螺纹连接杆件6前，可以在螺纹连接杆件6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6预紧力过高而影响围压模拟精度，同时防止螺纹连接杆件6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6预紧力F_t0不超过螺纹连接杆件6标准预紧力值的1/20；再次拧紧螺母5时的预紧扭矩值大小同初步紧固装配时。螺纹连接杆件6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6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滚刀多种破岩工况下破岩试验研究，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10拉回至合适位置，使得滚刀13刀刃相对靠近岩石试样块1的待切削面。

步骤2：向滚刀13施加垂直推进的静压载荷，使得滚刀13贯入岩石试样块1的深度达到给定切深h；滚刀13与岩石试样块1接触的点定义该位置为滚刀13的初始位置。

步骤3：研究滚刀13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13的受力状况参数；通过高速数字摄像系统记录滚刀13破碎岩石试样块1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13返回滚刀初始位置，再调整滚刀13沿与滚刀13中间对称面垂直方向等间距单向平移；重复执行步骤1至步骤4，使得滚刀13在岩石试样块1上进行多次滚压破岩。

值得说明的是，本发明一种破岩刀具多种破岩工况下岩石围压施加装置巧妙地借助了螺纹连接杆件的热胀冷缩效应，利用螺纹连接杆件冷缩后产生的巨大拉力使得加载板2接触并挤压岩石试样块1的侧面，以产生给定大小的围压作用；围压模拟范围较高，且岩石试样块1的四个侧面均可单独独立地施加给定的围压，互不干涉影响，不仅满足大多数工程测试试验精度需求，还可满足多破岩工况下TBM滚刀破岩试验需求，尤其模拟实现了临空面破岩工况下掌子面岩石与实际更为接近的围压状态；整个装置较为简单，无需额外配置液压泵站，液压油缸、伺服阀以及昂贵的进口液控单向阀；利用螺纹的自锁特性，可较为可靠地维持所加围压的稳定，操作相对便捷，成本低廉；此外，本发明装置可与现有的TBM标准线切割试验台配合使用，无需额外大范围改造现有试验平台，提高了现有设备使用率，大大降低了测试成本。

需要补充说明的是，与其他“利用螺纹连接杆件的热胀冷缩效应向岩石试样块施加围压作用”的围压施加方案相比，本发明中由于加载板2的板面可与岩石试样块1露出石仓10的侧面完全重合(无需在加载板2的水平两侧留出紧固螺栓通过的位置)，且支撑杆3分别关于加载板2的上下左右对称布置，因此有效地避免了加载板2在施加围压过程中发生弯曲变形、围压施加不均和岩石试样块的局部边角处被压溃的问题；此外，由于岩石试样块的上表面无任何螺纹连接杆件穿过，故可预留出足够大小的待切削表面，避免滚刀在滚压破岩过程中与螺纹连接杆件发生干涉。

Claims (10)

1.一种破岩刀具多种破岩工况下岩石围压施加装置，包括加载板、支撑杆、承载板、螺纹连接杆件、集热导热块、固定支撑板、加热元件，其特征在于：

所述加载板与所述承载板正对平行间隔布置；所述加载板与所述承载板的板面均与水平面垂直；所述加载板与所述承载板对称设置；所述加载板与所述承载板之间对称地设置有两组所述支撑杆，所述支撑杆的两端分别与所述加载板和所述承载板固接；所述固定支撑板设置于所述承载板与所述加载板之间，且所述固定支撑板分别与所述承载板和所述加载板之间均存在相对间隙；所述固定支撑板与石仓保持相对固定；所述螺纹连接杆件活动地穿过所述承载板，再将所述螺纹连接杆件，连同所述加载板、所述支撑杆和所述承载板紧固于所述固定支撑板上；所述加载板未固接有所述支撑杆的另一板面与岩石试样块的侧表面接触；所述集热导热块套装在所述螺纹连接杆件位于所述承载板和所述固定支撑板之间的所述螺纹连接杆件的螺杆上；所述集热导热块内插入有所述加热元件。

2.根据权利要求1所述的破岩刀具多种破岩工况下岩石围压施加装置，其特征在于：所述螺纹连接杆件选用为螺栓。

3.根据权利要求2所述的破岩刀具多种破岩工况下岩石围压施加装置，其特征在于：在利用螺纹紧固的方式将所述螺纹连接杆件紧固于所述固定支撑板上时，还应设置垫片。

4.根据权利要求3所述的破岩刀具多种破岩工况下岩石围压施加装置，其特征在于：每组所述支撑杆包括N根所述支撑杆，N不小于1；所述每组支撑杆中的N根所述支撑杆对称地设置于所述承载板和所述加载板的水平同一侧。

5.根据权利要求4所述的破岩刀具多种破岩工况下岩石围压施加装置，其特征在于：每组所述支撑杆包括2根所述支撑杆；4根所述支撑杆分别关于所述加载板的上下、左右对称布置。

6.根据权利要求5所述的破岩刀具多种破岩工况下岩石围压施加装置，其特征在于：所述螺纹连接杆件的数量为n，n不小于2；所述螺纹连接杆件对称地设置于所述支撑杆之间。

7.根据权利要求6所述的破岩刀具多种破岩工况下岩石围压施加装置，其特征在于：所述螺纹连接杆件的数量n为2。

8.根据权利要求7所述的破岩刀具多种破岩工况下岩石围压施加装置，其特征在于：所述固定支撑板为倒T形座体结构；所述固定支撑板设有加强筋。

9.根据权利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述的破岩刀具多种破岩工况下岩石围压施加装置，其特征在于：在所述岩石试样块的上部露出所述石仓的四个侧面均设置有所述加载板。

10.根据权利要求9所述的破岩刀具多种破岩工况下岩石围压施加装置，其特征在于：所述加载板与所述岩石试样块露出所述石仓的侧面重合。

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