[发明专利]块裂岩体开挖扰动与掘进机护盾受力监测模型试验系统及方法

权利要求书

1.一种块裂岩体开挖扰动与掘进机护盾受力监测模型试验系统，其特征是：包括模型试验台架、裂隙岩体、液压加载系统、监测系统、水压模拟系统和掘进开挖系统，其中：裂隙岩体、液压加载系统设置于模型试验台架，所述裂隙岩体采用模具预制，并用刀具切割生成所需裂隙，所述液压加载系统将模型试验台架作为反力结构，向裂隙岩体施加压力，模拟真实地应力，所述水压模拟系统向裂隙岩体施加水，实现地下水对裂隙岩体失稳过程的影响，所述掘进开挖系统通过电机控制推进千斤顶来实现对刀盘的控制，对拟开挖部分进行破岩掘进，所述监测系统对掘进开挖过程中裂隙岩体应力场变化进行监测，并在掘进机护盾表面布设监测元件，监测掘进过程中护盾的受力作用。

2.如权利要求1所述的一种块裂岩体开挖扰动与掘进机护盾受力监测模型试验系统，其特征是：所述模型试验台架通过整块钢板作为台架底板，底板上安装滑轨，为上部试验台架提供底座，外部台架由单榀钢框架通过高强度螺栓连接而成，作为反力结构。

3.如权利要求1所述的一种块裂岩体开挖扰动与掘进机护盾受力监测模型试验系统，其特征是：所述整块钢板作为试验装置底座，外围钢框架由带有螺栓槽的型钢钢板拼接组成，框架下部通过螺栓与台架底板栓接固定，底板表面布设一条滑轨；钢台架内部安装液压千斤顶，左右侧和上方各安装三个，通过矩形板作用在成型的岩体表面，利用计算机控制调节千斤顶压力大小，模拟不同环境地应力的需求。

4.如权利要求1所述的一种块裂岩体开挖扰动与掘进机护盾受力监测模型试验系统，其特征是：所述裂隙岩体采用固态的石蜡制备而成，将石蜡融化后倒入模具，放置一段时间待其凝固。

5.如权利要求1所述的一种块裂岩体开挖扰动与掘进机护盾受力监测模型试验系统，其特征是：所述液压加载系统包括多个液压千斤顶和加压板，液压千斤顶通过加压板传递压力，千斤顶与反力架相连成一个整体，液压千斤顶和数控系统通过计算机控制压力大小，对裂隙岩体提供加载，模拟真实地应力。

6.如权利要求1所述的一种块裂岩体开挖扰动与掘进机护盾受力监测模型试验系统，其特征是：所述水压模拟系统包括水泵、水箱以及导水管，水箱连接导水管，通过水泵控制导水管中水压大小，模拟实际地下工程中存在的地下水对裂隙岩体的影响。

7.如权利要求1所述的一种块裂岩体开挖扰动与掘进机护盾受力监测模型试验系统，其特征是：所述掘进开挖系统包括模拟TBM的掘进机包括掘进机护盾、破岩刀盘和推进千斤顶，千斤顶对掘进机前部提供推力，刀盘上分布刀具，电机带动刀盘旋转破岩开挖，破碎的岩块通过出渣口被排出洞内通过电机控制推进千斤顶来实现对刀盘的控制，对拟开挖部分进行破岩掘进。

8.如权利要求1所述的一种块裂岩体开挖扰动与掘进机护盾受力监测模型试验系统，其特征是：所述的裂隙岩体受开挖扰动应力场变化，采用光纤光栅应力传感器进行监测，包含拱顶和两侧边墙多条测线，每条按1倍洞径至5倍洞径共布设多个监测点，根据钢框架榀数设置监测断面个数；掘进机护盾表面共布设多个监测断面，每个监测断面在拱顶、两侧拱肩以及两侧拱腰共布设多个监测点监测护盾在掘进开挖过程中的受力变化。

9.如权利要求1所述的一种块裂岩体开挖扰动与掘进机护盾受力监测模型试验系统，其特征是：采用光纤光栅监测元件对掘进开挖过程中裂隙岩体应力场变化进行监测。

10.基于如权利要求1-9中任一项所述的系统的工作方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)将型钢钢板并列，组装成台架底板；

(2)按照试验所需榀数，采用型钢钢板拼接成钢框架，在外部钢架内侧安装液压千斤顶，与计算机相连实现控制作用，并固定好；

(3)将液态石蜡倒入模具中，待石蜡凝固后，按照试验工况对预制岩体进行切割，使之成为分离块体；

(4)通过计算机控制加压千斤顶压力大小，模拟特定环境下地应力，对预制岩体进行加压；

(5)调节水压流量，按照试验工况模拟地下水环境；

(6)将掘进机整体沿着滑轨移动到适当位置并固定，启动电机带动刀盘旋转，通过推进千斤顶使刀盘贯入拟开挖断面并进行机械破岩，将破碎的岩块通过出渣口运出洞外；

(7)采集裂隙岩体应力场变化数据和护盾表面受力变化数据，上传到计算机软件分析其变化规律。