CN208223959U - 双向围压滚刀侵入破岩模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种双向围压滚刀侵入破岩模拟实验装置，其特征在于，包括：底座垫板；承载台，用于承载岩石试样；四块承压板，直立在承载台上，分别与岩石试样的四个侧面相对应；四块反力板，设置在底座垫板的边侧区域上，分别与四块承压板相对向；两个第一传力柱，分别安装在相邻的两个反力板上，并且抵接承压板；两个固定套，分别安装在相邻的另外两个反力板上；两个第二传力柱，分别设置在两个固定套内，并且抵接承压板，第二传力柱上设有与驱动构件相连接的连接口；两组拉杆，每组拉杆固定连接相对向的两个反力板；以及四组声发射监测传感器，分别与岩石试样的四个侧面相对应，监测岩石试样裂纹的形成和扩展过程。

Description

双向围压滚刀侵入破岩模拟实验装置

技术领域

本实用新型属于实验装置领域，具体涉及一种双向围压滚刀侵入破岩模拟实验装置。

背景技术

全断面隧道掘进机TBM(Tunnel Boring Machine)广泛应用于长大深埋隧道施工，相比于传统钻爆施工的工法，TBM具有安全、机械化程度高、施工质量好、掘进速度快、作业环境好、综合效益高等优点。TBM通过安装于刀盘上的滚刀切削岩体以达到破岩掘进目的，在滚刀侵入并切削掌子面岩体过程中，岩体内部将产生损伤破裂并不断扩展发育，最终形成贯通裂纹使得岩块从掌子面剥落。随着西部大开发的逐渐深入，山岭隧道工程TBM掘进越来越多地面临高地应力赋存条件。因此，研究岩体在高围压赋存条件下滚刀破岩过程的力学特性显得尤为重要。

TBM施工现场环境复杂，可操作空间狭小，重要的实验仪器设备难以安装于刀盘或掘进面位置，此外掘进过程TBM机身剧烈的振动也将对实验结果产生影响。

实用新型内容

本实用新型是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种双向围压滚刀侵入破岩模拟实验装置，能够在室内有效模拟施工现场 TBM滚刀贯入掌子面的破岩过程并监测岩体的裂纹扩展情况。

本实用新型为了实现上述目的，采用了以下方案：

本实用新型提供一种双向围压滚刀侵入破岩模拟实验装置，其特征在于，包括：底座垫板；承载台，安装在底座垫板的中部区域上，用于承载立方体形状的岩石试样；四块承压板，直立在承载台上，分别与岩石试样的四个侧面相对应；四块反力板，设置在底座垫板的边侧区域上，分别与四块承压板相对向；两个第一传力柱，分别安装在相邻的两个反力板上，向着对应的承压板延伸，并且抵接承压板；两个固定套，分别安装在相邻的另外两个反力板上；两个第二传力柱，分别设置在两个固定套内，向着对应的承压板延伸，并且抵接承压板，第二传力柱上设有与驱动构件相连接的连接口；两组拉杆，每组拉杆固定连接相对向的两个反力板；以及四组声发射监测传感器，分别与岩石试样的四个侧面相对应，监测岩石试样裂纹的形成和扩展过程。

在本实用新型所涉及的双向围压滚刀侵入破岩模拟实验装置中，还可以包括：四组声发射监测传感器分别设置在岩石试样的四个侧面上，承压板上设有与对应的侧面上的声发射监测传感器相匹配的避让槽。

在本实用新型所涉及的双向围压滚刀侵入破岩模拟实验装置中，还可以具有这样的特征：四组声发射监测传感器中，每组包含两个声发射监测传感器，每块承压板上设有两个避让槽，并且该避让槽的侧面设有让声发射监测传感器的传输线通过的开口。

在本实用新型所涉及的双向围压滚刀侵入破岩模拟实验装置中，还可以具有这样的特征：两个避让槽分别设置在承压板的上侧区域和相邻的一个边侧区域上，避让槽为圆形凹槽，中心到承压板边缘的最短距离为承压板相应边长的1/7～1/3。

在本实用新型所涉及的双向围压滚刀侵入破岩模拟实验装置中，还可以包括：两个液压千斤顶，作为驱动构件分别与两个第二传力柱上的连接口相连，并驱动第二传力柱对岩石试样施加侧向约束力。

在本实用新型所涉及的双向围压滚刀侵入破岩模拟实验装置中，还可以具有这样的特征：在固定套上设有向着侧面开口的开口槽，该开口槽与液压千斤顶的油管相匹配。

在本实用新型所涉及的双向围压滚刀侵入破岩模拟实验装置中，还可以具有这样的特征：两个第一传力柱通过螺栓固定安装在相邻的两个反力板上，两个固定套通过螺栓分别固定安装在相邻的另外两个反力板上。

在本实用新型所涉及的双向围压滚刀侵入破岩模拟实验装置中，还可以包括：声发射采集仪，与四组声发射监测传感器通信连接，接收声发射监测传感器监测到的裂纹信息。

在本实用新型所涉及的双向围压滚刀侵入破岩模拟实验装置中，还可以包括：摄相机，拍摄并记录岩石试样的宏观裂纹扩展过程。

在本实用新型所涉及的双向围压滚刀侵入破岩模拟实验装置中，还可以包括：破岩部，包含：液压驱动机，和安装在液压驱动机的驱动端上的滚刀，滚刀朝向岩石试样的顶面。

实用新型的作用与效果

由于具有上述结构特征，因此本实用新型所提供的双向围压滚刀侵入破岩模拟实验装置具有如下作用与效果：

1.针对TBM施工过程中遇到的不同地层及地质情况，可以通过采取现场取样将岩石加工成岩石试样岩样，便于进行不同岩石加载过程中的监测分析。

2.能够模拟施工现场的实际地应力情况，结合岩石种类这一变量因素，可进行双变量的正交试验研究。

3.布置了四组声发射监测传感器，能够准确和有效的监测岩石破裂损伤过程中的声发射信息。

4.相较于TBM施工现场的剧烈振动、施工噪音、狭窄空间，本装置在室内进行实验，能够排除试验无关的环境因素影响，并实现试验的可重复性，得到准确的实验结果。

综上，本实用新型所提供的双向围压滚刀侵入破岩模拟实验装置，能够在室内有效模拟施工现场TBM滚刀贯入掌子面的破岩过程，并能够通过声发射监测传感器监测岩体内部的损伤破裂演化直至最终的裂纹形成及扩展情况，从而为TBM刀盘刀具设计改进及TBM运行策略优化提供重要依据。

附图说明

图1是实施例中涉及的双向围压滚刀侵入破岩模拟实验装置的结构示意图；

图2是实施例中涉及的双向围压滚刀侵入破岩模拟实验装置的部分结构示意图；

图3是实施例中涉及的双向围压滚刀侵入破岩模拟实验装置的部分结构的分解图；

图4是实施例中涉及的底座垫板的结构示意图；

图5是实施例中涉及的承载台的结构示意图；

图6是实施例中涉及的承压板的结构示意图；

图7是实施例中涉及的反力板的结构示意图；

图8是实施例中涉及的传力柱的横截面结构示意图；

图9是实施例中涉及的固定套的结构示意图，其中(a)为仰视图，(b)为侧示图；

图10是实施例中涉及的拉杆的结构示意图。

具体实施方式

以下参照附图对本实用新型所涉及的双向围压滚刀侵入破岩模拟实验装置作详细阐述。

<实施例>

如图1至3所示，双向围压滚刀侵入破岩模拟实验装置100包括底座垫板11、承载台12、四组声发射监测传感器13、四块承压板14、声发射采集仪(图中未显示)、四块反力板15、两个第一传力柱16、两个固定套17、两个第二传力柱18、两个液压千斤顶、两组拉杆19、破岩部20、以及摄相机(图中未显示)。

本实施例中，底座垫板11采用30mm厚钢板加工而成，如图4 所示，它的中部区域布置有四个螺栓孔11a，用于安装承载台12；右边侧区域和下边侧区域各布置有三个螺栓孔11b，用于安装反力板 14。

如图2、3、5所示，承载台12通过螺栓固定安装在底座垫板11 中部区域上，用于承载立方体形状的岩石试样S。

如图3所示，四组声发射监测传感器13分别与岩石试样S的四个竖直侧面相对应，用于监测岩石试样S裂纹的形成和扩展过程。本实施例中，四组声发射监测传感器13分别被贴合在岩石试样S的四个侧面上，并且每组包含两个声发射监测传感器13。具体地，是在岩石试样S每个侧面上各布置两个声发射监测传感器13，在声发射监测传感器13表面涂抹薄层凡士林，用502胶体将声发射监测传感器13贴合岩石试样S表面。本实施例中所采用的声发射监测传感器 13是美国物理声学公司(PAC)的Nano30型声发射传感器。

如图2、3所示，四块承压板14直立在承载台12上，围绕岩石试样S设置，四块承压板14分别与岩石试样S的四个侧面相对应，并相接触。如图6所示，本实施例中，每块承压板14上都设有两个避让槽14a，这两个避让槽14a与贴合在岩石试样S侧面上的两个声发射监测传感器13的尺寸相匹配。每块承压板14上设有两个避让槽 14a，避让槽14a的尺寸比声发射监测传感器13大，能罩住声发射监测传感器13，并避免其受到承压板14施加的作用力。本实施例中，避让槽14a为圆形凹槽，中心到承压板14边缘的距离L1与承压板边长L2的关系为L1：L2＝1：5，如图6所示，两个避让槽14a一个位于上侧靠左的区域，另一个位于右侧偏下的区域。在避让槽14a的侧面设有让声发射监测传感器13的传输线通过的开口14b。

声发射采集仪通过传输线(从开口14b引出)与四组声发射监测传感器13相连接，接收声发射监测传感器13监测到的裂纹信息。

四块反力板15设置在底座垫板11的边侧区域上，分别与四块承压板14相对向，每块反力板15的中部区域都设有四个螺栓孔15a，用于安装第一传力柱16或固定套17；并且反力板15的四角区域设有四个螺栓孔15b，用于安装拉杆19。如图2和4所示，按照如图2 和3所标示的方位，将四块反力板15分别记为前侧反力板15a、后侧反力板15b、左侧反力板15c、和右侧反力板15d。本实施例中，前侧反力板15a和右侧反力板15d通过螺栓固定于底座垫板11上；后侧反力板15b和左侧反力板15c则通过拉杆19分别与前述反力板 15固定相连。本实用新型中，也可以将四块反力板15都通过螺栓固定于底座垫板11上，然后再用拉杆19相互连接。

两个第一传力柱16分别安装在相邻的两个反力板15上，向着对应的承压板14延伸，并且抵接承压板14。本实施例中，如图2和8 所示，第一传力柱16为圆柱体形状，并且设有四个螺孔16a；如图2、 3、8所示，两个第一传力柱16分别通过螺栓和螺孔16a固定安装在后侧反力板15b和右侧反力板15d上。

如图2和3所示，两个固定套17分别通过螺栓固定安装在前侧反力板15a和左侧反力板15c上。如图9所示，固定套17的主体为中空筒状，并且设有沿着径向方向延伸、并向着侧面开口的开口槽 17a和用于安装螺栓的螺栓孔17b。

两个第二传力柱18分别设置在两个固定套17内，向着对应的承压板14延伸，并且抵接承压板14，第二传力柱18上设有与液压千斤顶相连接的连接口。

两个液压千斤顶分别与两个第二传力柱18上的连接口相连，并驱动第二传力柱18对岩石试样S施加侧向约束力。这里所采用的千斤顶可以为威特尔机械生产的薄型同步千斤顶RCS-101、薄型同步千斤顶RSM-50等。液压千斤顶的油管能够通过固定套17上的开口槽17a伸入固定套17内部，并与第二传力柱18上的连接口相连接。

如图2、3、10所示，两组拉杆19中，每组共包含四根平行的拉杆19，用于固定连接相对向的两个反力板15，拉杆19的两端都通过螺栓与反力板15相固定。

如图1所示，破岩部20包含液压驱动机20a和滚刀20b。本实施例中，液压驱动机20a为RMT液压加载机。滚刀20b安装在液压驱动机20a的驱动端上，并且朝向岩石试样S的顶面，用于垂直岩石试样S上方临空面贯入岩石进行破岩。本实施例中，滚刀20b的刀头端为楔刃型刀口，整个滚刀20b为将掘进机中原型滚刀等比例缩小后的模型。

摄相机对准岩石试样S进行拍摄，记录岩石试样S的宏观裂纹扩展过程。

基于上述结构，本实施例所提供的双向围压滚刀侵入破岩模拟实验装置100的具体使用方法为：

首先，对于工程中遇到的不同岩石，通过人工取样切割打磨成与承载台12和承压板14尺寸相匹配的立方体形状的标准岩石试样S，并放置于承载台12上，岩石试样S上方临空面模拟掌子面的受力情况。

然后，在声发射监测传感器13表面涂抹薄层凡士林，用502胶体将声发射监测传感器13贴合岩石试样S表面，对应于承压板14上避让槽14a的位置，长方体岩石试样S每个侧面上各布置两个声发射监测传感器13，共计八个。接着，将岩石试样S放置在承载台12中部，将四个承压板14放置在承载台12的外侧部，并使四个承压板 14贴合接触岩石试样S的四个侧面，使得避让槽14a罩住声发射监测传感器13，并将声发射监测传感器13的传输线从开口14b引出连接声发射采集仪。

随后，启动液压驱动机20A和液压千斤顶：使液压驱动机20A 提供垂直向下的竖向力，驱动滚刀20b对的刀头端与岩石试样S上方临空面垂直接触；随着液压驱动机20A加载端行程的增加，滚刀20b 上方逐渐与液压驱动机20A加载段接触并受力；此时，液压驱动机20A提供的竖向力通过滚刀20b作用于岩石试样S上；第一传力柱 16和第二传力柱18在前后方向和左右方向上对承压板14施加作用力，承压板14传递作用力至岩石试样S，即可对岩石试样S施加双向围压。该围压大小可根据试验要求进行大小调整。

同时，在实验过程中，启动摄相机对准岩石试样S的宏观裂纹扩展情况进行拍摄。

岩石试样S受双向围压和滚刀20b竖向力作用，试样内部产生大量微裂隙，随滚刀20b加载行程增加，岩石试样S微裂隙不断发育并贯通，从而行成肉眼可观测的宏观裂纹。在微裂隙产生、发育、贯通的过程中，岩石试样S内部产生大量声发射事件，布置于岩石试样S四周并构成空间阵列的八个声发射监测传感器13实时记录岩石破裂过程的声发射事件信息。

通过对监测获取的声发射信息进行统计定位分析，可模拟出声发射反衍分析得到的岩石试样S整体裂纹扩展规律。进一步，通过岩石试样S受力后行成的表面宏观裂纹与声发射监测反衍分析可得到更多的裂纹扩展信息。以此实现滚刀20b贯入过程中岩石试样S裂缝扩展的实时监测与分析。

以上实施例仅仅是对本实用新型技术方案所做的举例说明。本实用新型所涉及的双向围压滚刀侵入破岩模拟实验装置并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的结构，而是以权利要求所限定的范围为准。本实用新型所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本实用新型所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种双向围压滚刀侵入破岩模拟实验装置，其特征在于，包括：

底座垫板；

承载台，安装在所述底座垫板的中部区域上，用于承载立方体形状的岩石试样；

四块承压板，直立在所述承载台上，分别与所述岩石试样的四个侧面相对应；

四块反力板，设置在所述底座垫板的边侧区域上，分别与所述四块承压板相对向；

两个第一传力柱，分别安装在相邻的两个所述反力板上，向着对应的所述承压板延伸，并且抵接所述承压板；

两个固定套，分别安装在相邻的另外两个所述反力板上；

两个第二传力柱，分别设置在所述两个固定套内，向着对应的所述承压板延伸，并且抵接所述承压板，所述第二传力柱上设有与驱动构件相连接的连接口；

两组拉杆，每组拉杆固定连接相对向的两个所述反力板；以及

四组声发射监测传感器，分别与所述岩石试样的四个所述侧面相对应，监测所述岩石试样裂纹的形成和扩展过程。

2.根据权利要求1所述的双向围压滚刀侵入破岩模拟实验装置，其特征在于：

其中，所述四组声发射监测传感器分别设置在岩石试样的四个侧面上，

所述承压板上设有与对应的所述侧面上的所述声发射监测传感器相匹配的避让槽。

3.根据权利要求2所述的双向围压滚刀侵入破岩模拟实验装置，其特征在于：

其中，所述四组声发射监测传感器中，每组包含两个所述声发射监测传感器，

每块所述承压板上设有两个所述避让槽，并且该避让槽的侧面设有让所述声发射监测传感器的传输线通过的开口。

4.根据权利要求3所述的双向围压滚刀侵入破岩模拟实验装置，其特征在于：

其中，两个所述避让槽分别设置在所述承压板的上侧区域和相邻的一个边侧区域上，

所述避让槽为圆形凹槽，中心到所述承压板边缘的最短距离为所述承压板相应边长的1/7～1/3。

5.根据权利要求1所述的双向围压滚刀侵入破岩模拟实验装置，其特征在于，还包括：

两个液压千斤顶，作为所述驱动构件分别与所述两个第二传力柱上的所述连接口相连，并驱动所述第二传力柱对所述岩石试样施加侧向约束力。

6.根据权利要求5所述的双向围压滚刀侵入破岩模拟实验装置，其特征在于：

其中，在所述固定套上设有向着侧面开口的开口槽，该开口槽与所述液压千斤顶的油管相匹配。

7.根据权利要求1所述的双向围压滚刀侵入破岩模拟实验装置，其特征在于：

其中，所述两个第一传力柱通过螺栓固定安装在相邻的两个所述反力板上，

所述两个固定套通过螺栓分别固定安装在相邻的另外两个所述反力板上。

8.根据权利要求1所述的双向围压滚刀侵入破岩模拟实验装置，其特征在于，还包括：

声发射采集仪，与所述四组声发射监测传感器通信连接，接收所述声发射监测传感器监测到的裂纹信息。

9.根据权利要求1所述的双向围压滚刀侵入破岩模拟实验装置，其特征在于，还包括：

摄相机，拍摄并记录所述岩石试样的宏观裂纹扩展过程。

10.根据权利要求1所述的双向围压滚刀侵入破岩模拟实验装置，其特征在于，还包括：

破岩部，包含：液压驱动机，和安装在所述液压驱动机的驱动端上的滚刀，所述滚刀朝向所述岩石试样的顶面。