一种用于TBM水力耦合破岩研究的室内试验装置及方法制造方法及图纸

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）。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种用于TBM水力耦合破岩研究的室内试验装置及方法
本专利技术涉及一种用于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

技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术的目的是，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。本专利技术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L1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L2、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P0；（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。本专利技术的工作原理是，本专利技术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。本专利技术的有益效果是，本专利技术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L1、滚刀与高压射流喷嘴间距L2、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P0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是本专利技术用于TBM水力耦合破岩研究的试验装置结构示意图；图2是本专利技术试验装置中滚刀安装架仰视图；图3是本专利技术试验装置中试验台俯视图；图4是本专利技术实验装置中拼装式保压框架侧视图；图5是本专利技术实验装置中拼装式保压框架底座示意图；图中，1为立本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；/n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。/n

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋亚龙，徐贞珍，徐长节，
申请(专利权)人：华东交通大学，
类型：发明
国别省市：江西;36