CN111879647A - 一种用于tbm水力耦合破岩研究的室内试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于TBM水力耦合破岩研究的室内试验装置及方法，装置包括立式伺服压力机（1）、竖向液压加载系统（2）、滚刀安装架（3）、刀座（4）、盘形滚刀（5）、高压射流喷嘴（6）、输水管路（7）、压力可调式水泵（8）、水箱（9）、试验台（10）、纵向导轨（11）、纵向移动液压缸、反力钢板（15）、拼装式保压框架（16）、加压钢板、岩样、手动加载油泵（19）和外置监测系统（20）。本发明通过在立式伺服压力机实现TBM滚刀‑高压水刀对下部试验台中岩样的联合切割破岩试验；通过拼装式保压框架实现对内部岩样围压的施加；通过在试验台设置纵向导轨，驱动拼装式保压框架沿纵向运动，实现盘形滚刀和高压水刀对岩样的切割破岩试验。

Description

一种用于TBM水力耦合破岩研究的室内试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于TBM水力耦合破岩研究的室内试验装置及方法，属TBM水力耦合破岩试验技术领域。

背景技术

由于全断面隧道掘进机（TBM）具有施工效率高、环境影响小、作业安全等诸多优势，目前已广泛应用于深埋长大隧道的掘进作业。然而，TBM在深长隧道掘进过程中，不可避免地会经常遇到强度高、磨蚀性高的坚硬岩层，导致在该类岩层中掘进效率急剧下降、刀具消耗及能耗大幅升高。针对这一典型问题，目前已有研究者提出采用高压水刀-TBM滚刀耦合破岩的技术方法，即通过水刀切割竖向裂纹，促进TBM滚刀滚压掌子面产生侧向裂纹的扩展和贯通，从而实现在坚硬岩层中的高效破岩掘进。然而，由于该技术目前仍处于初始阶段，TBM水力耦合破岩的基本力学机理尚不明晰，需通过系统的室内试验对其进行全面研究，从而促进该技术的成熟。就目前而言，尚无能够直接用于TBM滚刀-高压射流水刀水力耦合破岩的室内试验装置及工作方法，而针对这一技术的缩尺模型试验装置研发将耗费巨大成本，且很难实现推广。为了能够在经济合理、技术可行的基础上开展对室内试验研究，需要设计一种TBM水力耦合破岩试验装置，并提出相应的工作方法。

发明内容

本发明的目的是，为了实现TBM水力耦合破岩试验研究，提出一种用于TBM水力耦合破岩研究的室内试验装置及方法。

本发明实现的技术方案如下，一种用于TBM水力耦合破岩研究的室内试验装置，包括立式伺服压力机、竖向液压加载系统、滚刀安装架、刀座、盘形滚刀、高压射流喷嘴、输水管路、压力可调式水泵、水箱、试验台、纵向导轨、纵向移动液压缸、反力钢板、拼装式保压框架、加压钢板、岩样、手动加载油泵和外置监测系统。

所述试验台安装在立式伺服压力机的工作台上，试验台上安装有纵向导轨，所述拼装式保压框架安装在纵向导轨上；所述立式伺服压力机的上方横梁下安装有竖向液压加载系统；竖向液压加载系统下方安装有滚刀安装架，滚刀安装架下安装有多个刀座和盘形滚刀，滚刀安装架下的中央安装有向下的高压射流喷嘴；设置在立式伺服压力机旁的水箱通过压力可调式水泵和输水管路连接滚刀安装架上的高压射流喷嘴；外置监测系统设置在立式伺服压力机下方。

所述滚刀安装架上设置有矩阵分布的螺栓孔，通过螺栓实现刀座、喷嘴夹具与滚刀安装架的连接；每个刀座上安装一副盘形滚刀，用于试验过程中对岩样的切削或贯入，每个喷嘴夹具固定一个高压射流喷嘴。

所述外置监测系统包括声发射监测系统、红外热像系统和高速摄像系统，用于耦合破岩过程中岩样破裂过程及裂纹分布的监测。

所述试验台靠拼装式保压框架纵向方向一端垂直安装有反力钢板；纵向移动液压缸一端安装于反力钢板，纵向移动液压缸的另一端通过水平设置的纵向推杆作用在拼装式保压框架上；通过纵向移动液压缸驱动纵向推杆并推动拼装式保压框架沿着纵向导轨移动，从而实现试验设备上方盘形滚刀和高压射流喷嘴射出的高压水刀对拼装式保压框架内部放置岩样的线性切割。

所述拼装式保压框架内部横向方向一侧垂直设置加压钢板，通过手动加载油泵推动加压钢板，实现对内部岩样的围压加载。

所述拼装式保压框架由保压框架底座和保压框架可拆卸侧板构成，通过螺栓实现连接和拆卸；分别用于双向围压的线性切削试验以及单向加围压的滚刀贯入试验，并通过声发射监测系统、红外热像系统和高速摄像系统，结合压力机自带内置监控系统，对整个试验过程进行相应的监测与数据采集。

一种用于TBM水力耦合破岩研究的室内试验方法，所述方法步骤如下：

（1）根据试验中盘形滚刀的数量N与间距L ₁选择刀座的紧固位置，通过螺栓将刀座固定于滚刀安装架上的螺栓孔内；

（2）将盘形滚刀安装于刀座中；

（3）根据试验中盘形滚刀与高压射流喷嘴间距L ₂、滚刀-高压水刀先后行关系（即相位角φ）确定喷嘴夹具的紧固位置，通过螺栓将喷嘴夹具固定于滚刀安装架上的螺栓孔内；

（4）将高压射流喷嘴固定于喷嘴夹具上；

（5）将已制备满足尺寸要求的方形岩样放置于拼装式保压框架中，并紧贴侧面放置加压钢板；

（6）放置手动加载油泵于拼装式保压框架内壁和加压钢板之间，同步安装并调试外置监测系统；

（7）根据试验要求，采用手动加载油泵对加压钢板施加压力，并通过加压钢板对岩样施加围压P ₀；

（8）根据切削试验行程要求确定拼装式保压框架初始位置，采用立式伺服压力机的竖向液压加载系统，通过滚刀安装架同步带动盘形滚刀下降至岩样上表面（滚刀刀圈与上表面轻微接触）；

（9）根据试验要求对岩样施加竖向贯入力，利用竖向液压加载系统内置的监控系统，获取贯入荷载、贯入度参数；

（10）与步骤（9）同步地，根据试验要求设置水压并启动压力可调式水泵，通过水箱提供水源并通往高压射流喷嘴处，形成高压水刀切割岩样；

（11）与步骤（9）、（10）同步地，利用纵向移动液压缸提供纵向推力并通过纵向推杆按一定速率推动拼装式保压框架；

（12）当拼装式保压框架移动到纵向导轨行程尽头处，关闭高压射流喷嘴与压力可调式水泵，并通过竖向液压加载系统提升盘形滚刀；

（13）根据内置监控系统和外置监测系统收集相关试验数据，拆卸拼装式保压框架取出破碎岩样，拆卸盘形滚刀称重并测量滚刀半径，获取相关实验数据。

当进行片状岩样贯入试验并监测裂纹时，上述步骤（6）~（7）中可仅采用保压拼装框架底座并配合加压钢板、手动加载油泵进行单向围压加载设置；步骤（11）中无需推动保压拼装框架纵向移动，而是提前通过螺栓将其固定于滚刀正下方。在进行片状岩样贯入试验且仅施加单向围压时，可采用外置监测系统（声发射监测系统、红外热像系统、高速摄像系统）对岩样在TBM滚刀-高压水刀切割耦合作用下的破坏过程进行全方位实时监测。

本发明的工作原理是，本发明通过在立式伺服压力机的竖向液压加载系统上安装滚刀安装架，并搭载有位置可调的盘形滚刀和高压射流喷嘴，实现TBM滚刀-高压水刀对下部试验台中岩样的联合切割破岩试验；通过可拼装式保压框架内设置的手动加载油泵和加压钢板，实现对内部岩样围压的施加；通过在试验台设置纵向导轨，并采用纵向移动液压缸驱动可拼装式保压框架沿纵向运动，实现上部盘形滚刀和高压水刀对岩样的切割破岩试验。

本发明的有益效果是，本发明充分利用已有的常规室内试验仪器（立式伺服压力机）并且改装简易、操作简便；能够在同一试验框架下方便地进行TBM滚刀-高压水刀水力耦合的线性切割和贯入试验；能够灵活设置滚刀数量N、滚刀间距L ₁、滚刀与高压射流喷嘴间距L ₂、滚刀-高压水刀先后行关系（即相位角φ）、水刀切割深度H、侧向围压P ₀等参数；可通过试验机内置监控系统及外置监测系统对试验结果进行全面实时记录，便于后续分析研究。

附图说明

图1是本发明用于TBM水力耦合破岩研究的试验装置结构示意图；

图2是本发明试验装置中滚刀安装架仰视图；

图3是本发明试验装置中试验台俯视图；

图4是本发明实验装置中拼装式保压框架侧视图；

图5是本发明实验装置中拼装式保压框架底座示意图；

图中，1为立式伺服压力机；2为竖向液压加载系统；3为滚刀安装架；4为刀座；5为盘形滚刀；6为高压射流喷嘴；7为输水管路；8为压力可调式水泵；9为水箱；10为试验台；11为纵向导轨；12为螺栓孔；13为螺栓；14为纵向移动液压缸；15为反力钢板；16为拼装式保压框架；17为加压钢板；18为岩样；19为手动加载油泵；20为外置监测系统（声发射监测系统、红外热像系统、高速摄像系统）；21为喷嘴夹具；22为纵向推杆；23为保压框架底座；24为保压框架可拆卸侧板。

具体实施方式

本发明的具体实施方式如图1~图5所示。

本实施例一种用于TBM水力耦合破岩研究的室内试验装置，包括立式伺服压力机1、竖向液压加载系统2、滚刀安装架3、刀座4、盘形滚刀5、高压射流喷嘴6、输水管路7、压力可调式水泵8、水箱9、试验台10、纵向导轨11、纵向移动液压缸14、反力钢板15、拼装式保压框架16、加压钢板17、手动加载油泵19、外置监测系统20、喷嘴夹具21、纵向推杆22、保压框架底座23和保压框架可拆卸侧板24。

如图1所示，以室内岩石力学性能试验中常用的立式伺服压力机1为基础搭建本实施例TBM水力耦合破岩试验装置。

在立式伺服压力机1的竖向液压加载系统2压头上连接滚刀安装架3，滚刀安装架3上设置矩阵分布的螺栓孔12（如图2所示），通过螺栓11实现刀座4、喷嘴夹具6-1与滚刀安装架的连接。每个刀座4上安装一副盘形滚刀5，用于试验过程中对岩样的切削或贯入，每个喷嘴夹具21可固定一个高压射流喷嘴6，通过外置的水箱9提供水源，经输水管路7送至压力可调式水泵8进行加压，再经另一输水管路7到高压射流喷嘴6处喷出，形成高压水刀切割试验岩样。

特别地，由于刀座4、喷嘴夹具21均通过螺栓11与滚刀安装架3上矩阵分布的螺栓孔12进行连接，因此可以灵活地选择滚刀刀座4以及喷嘴夹具21的安装位置，从而控制滚刀数量N、滚刀间距L ₁、滚刀与高压射流喷嘴间距L ₂、滚刀-高压水刀先后行关系（即相位角φ）等参数的变化。

通过压力可调式水泵8对水压的调节，从而控制高压水刀在岩样上的切割深度H。立式伺服压力机1的下方设置试验台10（如图3所示），试验台10上部设置纵向导轨11与反力钢板15，通过纵向移动液压缸14驱动纵向推杆22并推动拼装式保压框架16沿着纵向导轨11移动，从而实现试验设备上方盘形滚刀5和高压射流喷嘴6射出的高压水刀对拼装式保压框架16内部放置岩样18的线性切割。

拼装式保压框架16内部垂直设置加压钢板17，通过手动加载油泵19推动加压钢板17，实现对内部岩样18的围压加载。如图4、5所示，拼装式保压框架16由保压框架底座23和保压框架可拆卸侧板24构成，通过螺栓13实现连接和拆卸，可分别用于双向围压的线性切削试验以及单向加围压的滚刀贯入试验，并通过外置监测系统20（声发射监测系统、红外热像系统、高速摄像系统）结合压力机自带内置监控系统，对整个试验过程进行相应的监测与数据采集。

本实施例一种TBM水力耦合破岩试验方法，试验步骤如下：

S1、根据试验中盘形滚刀5的数量N与间距L ₁选择刀座4的紧固位置，通过螺栓13将刀座4固定于滚刀安装架3上的螺栓孔内。

S2、将盘形滚刀5安装于刀座4中。

S3、根据试验中盘形滚刀5与高压射流喷嘴6间距L ₂、滚刀-高压水刀先后行关系（即相位角φ）确定喷嘴夹具21的紧固位置，通过螺栓13将喷嘴夹具21固定于滚刀安装架3上的螺栓孔内。

S4、将高压射流喷嘴6固定于喷嘴夹具6-1上。

S5、将已制备的满足尺寸要求的方形岩样18放置于拼装式保压框架16中，并紧贴侧面放置加压钢板17。

S6、放置手动加载油泵19于拼装式保压框架16内壁和加压钢板17之间，同步安装并调试外置监测系统20。

S7、根据试验要求，采用手动加载油泵19对加压钢板17施加压力，并通过加压钢板17对岩样18施加围压P ₀。

S8、根据切削试验行程要求确定拼装式保压框架16初始位置，采用立式伺服压力机1的竖向液压加载系统2，通过滚刀安装架3同步带动盘形滚刀5下降至岩样18上表面（滚刀刀圈与上表面轻微接触）。

S9、根据试验要求对岩样18施加竖向贯入力，利用竖向液压加载系统2内置的监控系统，获取贯入荷载、贯入度等相关参数。

S10、与S9同步地，根据试验要求设置水压并启动压力可调式水泵8，通过水箱9提供水源并通往高压射流喷嘴处，形成高压水刀切割岩样。

S11、与S9、S10同步地，利用纵向移动液压缸14提供纵向推力并通过纵向推杆22按一定速率推动拼装式保压框架16。

S12、当拼装式保压框架16移动到纵向导轨11行程尽头处，关闭高压射流喷嘴6与压力可调式水泵8，并通过竖向液压加载系统提升盘形滚刀。

S13、根据内置监控系统和外置监测系统20收集相关试验数据，拆卸拼装式保压框架16取出破碎岩样，拆卸盘形滚刀5称重并测量滚刀半径，获取相关实验数据。

当进行片状岩样贯入试验并监测裂纹时，上述步骤S6-S7中仅采用保压拼装框架底座23并配合加压钢板17、手动加载油泵19进行单向围压加载设置；步骤S11中无需推动保压拼装框架16纵向移动，而是提前通过螺栓13将其固定于滚刀正下方。在进行片状岩样贯入试验且仅施加单向围压时，可采用外置监测系统20（声发射监测系统、红外热像系统、高速摄像系统）对岩样在TBM滚刀-高压水刀切割耦合作用下的破坏过程进行全方位实时监测。

通过本实施例TBM水力耦合破岩实验装置及工作方法进行室内试验，其优势在于：可充分利用已有的常规室内试验仪器（立式伺服压力机）并且改装简易、操作简便；能够在同一试验框架下方便地进行TBM滚刀-高压水刀水力耦合的线性切割和贯入试验；能够灵活设置滚刀数量N、滚刀间距L ₁、滚刀与高压射流喷嘴间距L ₂、滚刀-高压水刀先后行关系（即相位角φ）、水刀切割深度H、侧向围压P ₀等参数；可通过试验机内置监控系统及外置监测系统对试验结果进行全面实时记录，便于后续分析研究。

Claims (7)

1.一种用于TBM水力耦合破岩研究的室内试验装置，其特征在于，所述装置包括立式伺服压力机、竖向液压加载系统、滚刀安装架、刀座、盘形滚刀、高压射流喷嘴、输水管路、压力可调式水泵、水箱、试验台、纵向导轨、纵向移动液压缸、反力钢板、拼装式保压框架、加压钢板、岩样、手动加载油泵和外置监测系统；

所述试验台安装在立式伺服压力机的工作台上，试验台上安装有纵向导轨，所述拼装式保压框架安装在纵向导轨上；所述立式伺服压力机的上方横梁下安装有竖向液压加载系统；竖向液压加载系统下方安装有滚刀安装架，滚刀安装架下安装有多个刀座和盘形滚刀，滚刀安装架下的中央安装有向下的高压射流喷嘴；设置在立式伺服压力机旁的水箱通过压力可调式水泵和输水管路连接滚刀安装架上的高压射流喷嘴；外置监测系统设置在立式伺服压力机下方。

2.根据权利要求1所述的一种用于TBM水力耦合破岩研究的室内试验装置，其特征在于，所述滚刀安装架上设置有矩阵分布的螺栓孔，通过螺栓实现刀座、喷嘴夹具与滚刀安装架的连接；每个刀座上安装一副盘形滚刀，用于试验过程中对岩样的切削或贯入，每个喷嘴夹具固定一个高压射流喷嘴。

3.根据权利要求1所述的一种用于TBM水力耦合破岩研究的室内试验装置，其特征在于，所述外置监测系统包括声发射监测系统、红外热像系统和高速摄像系统，用于耦合破岩过程中岩样破裂过程及裂纹分布的监测。

4.根据权利要求1所述的一种用于TBM水力耦合破岩研究的室内试验装置，其特征在于，所述试验台靠拼装式保压框架纵向方向一端垂直安装有反力钢板；纵向移动液压缸一端安装于反力钢板，纵向移动液压缸的另一端通过水平设置的纵向推杆作用在拼装式保压框架上；通过纵向移动液压缸驱动纵向推杆并推动拼装式保压框架沿着纵向导轨移动，从而实现试验设备上方盘形滚刀和高压射流喷嘴射出的高压水刀对拼装式保压框架内部放置岩样的线性切割。

5.根据权利要求1所述的一种用于TBM水力耦合破岩研究的室内试验装置，其特征在于，所述拼装式保压框架内部横向方向一侧垂直设置加压钢板，通过手动加载油泵推动加压钢板，实现对内部岩样的围压加载。

6.根据权利要求4所述的一种用于TBM水力耦合破岩研究的室内试验装置，其特征在于，所述拼装式保压框架由保压框架底座和保压框架可拆卸侧板构成，通过螺栓实现连接和拆卸；分别用于双向围压的线性切削试验以及单向加围压的滚刀贯入试验，并通过声发射监测系统、红外热像系统和高速摄像系统，结合压力机自带内置监控系统，对整个试验过程进行相应的监测与数据采集。

7.根据权利要求1~6所述一种用于TBM水力耦合破岩研究的室内试验装置，其特征在于，所述室内试验的工作步骤如下：

（1）根据试验中盘形滚刀的数量N与间距L ₁选择刀座的紧固位置，通过螺栓将刀座固定于滚刀安装架上的螺栓孔内；

（2）将盘形滚刀安装于刀座中；

（3）根据试验中盘形滚刀与高压射流喷嘴间距L ₂、滚刀-高压水刀先后行关系确定喷嘴夹具的紧固位置，通过螺栓将喷嘴夹具固定于滚刀安装架上的螺栓孔内；

（4）将高压射流喷嘴固定于喷嘴夹具上；

（5）将已制备满足尺寸要求的方形岩样放置于拼装式保压框架中，并紧贴侧面放置加压钢板；

（6）放置手动加载油泵于拼装式保压框架内壁和加压钢板之间，同步安装并调试外置监测系统；

（7）根据试验要求，采用手动加载油泵对加压钢板施加压力，并通过加压钢板对岩样施加围压P ₀；

（8）根据切削试验行程要求确定拼装式保压框架初始位置，采用立式伺服压力机的竖向液压加载系统，通过滚刀安装架同步带动盘形滚刀下降至岩样上表面（滚刀刀圈与上表面轻微接触）；

（9）根据试验要求对岩样施加竖向贯入力，利用竖向液压加载系统内置的监控系统，获取贯入荷载、贯入度参数；

（10）与步骤（9）同步地，根据试验要求设置水压并启动压力可调式水泵，通过水箱提供水源并通往高压射流喷嘴处，形成高压水刀切割岩样；

（11）与步骤（9）、（10）同步地，利用纵向移动液压缸提供纵向推力并通过纵向推杆按一定速率推动拼装式保压框架；

（12）当拼装式保压框架移动到纵向导轨行程尽头处，关闭高压射流喷嘴与压力可调式水泵，并通过竖向液压加载系统提升盘形滚刀；

（13）根据内置监控系统和外置监测系统收集相关试验数据，拆卸拼装式保压框架取出破碎岩样，拆卸盘形滚刀称重并测量滚刀半径，获取相关实验数据。

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