[发明专利]一种水射流和自由面辅助滚刀切割性能平台及测试方法

说明书

本发明公开了一种水射流和自由面辅助滚刀切割性能平台及测试方法。所述切割性能平台通过横向油缸调节滚刀在岩样横向方向上的切割位置，垂向油缸调节滚刀切割贯入度，摇臂油缸调节滚刀切割倾角。纵向油缸控制岩石沿纵向方向移动，实现滚刀切割岩样。所述切割性能平台的刀架上联有水射流喷头，且喷头位置和喷射角度可调。采用三向力传感器和三维成像仪实现滚刀切割过程中涉及的切割载荷及岩样表面破碎形貌、裂纹扩展特征和岩石破碎体积监测。所述测试方法可配合所述切割性能平台完成自由面和水射流辅助滚刀破岩全过程，为两种辅助破岩方法工程应用提供基础。

技术领域

本发明涉及岩石隧道掘进机滚刀切割试验技术领域，具体涉及一种水射流和自由面辅助滚刀切割性能平台及其测试方法。

背景技术

近年来，我国地下空间高速发展，岩石隧道掘进机（简称TBM）凭借其经济性、安全性等诸多优点，被普遍应用于地下空间开挖。TBM依靠其刀盘上的滚刀切割破岩，其破岩性能直接决定TBM掘进效率和掘进可靠性。由于我国幅员辽阔，地质条件复杂，特别是近年来向深地掘进发展，受地应力等因素的影响，TBM掘进过程逐渐遭遇岩石抗压强度超过180MPa的极硬岩地层。当面临该种极端地层时，TBM滚刀破岩载荷及滚刀消耗量急剧增加，甚至直接导致TBM滚刀“切不动”现象，严重制约了TBM掘进效率。面对极硬地层极端工况，一些新型的滚刀破岩方法逐渐被提出，主要包括自由面和水射流辅助滚刀两种破岩方法。如邵祥顺申请的发明专利（申请号：201410206457.8），名称为：一种新型破岩方法及破岩滚刀，提出了一种自由面下滚刀破岩方法；文献[Numerical and experimental investigation ofrock breaking method under free surface by TBM disc cutter]探索了一种自由面下滚刀破岩方法；中铁工程装备集团有限公司申请的发明专利（申请号：201810693922.3），名称为：一种新型摇臂掘进机及其施工方法，提出了一种配有水射流的摇臂式切割破岩方法；中国铁建重工集团有限公司申请的发明专利（申请号：201710377326.X），名称为：一种破岩滚刀、盾构机刀盘及盾构机，提出在滚刀刀座布置水射流装置协助滚刀破岩方法；大连理工大学申请的发明专利（申请号：CN201310188881.X），名称为：高压水射流在掘进机刀盘中的布置方法和结构，提出了一种在TBM刀盘上布置水射流辅助滚刀破岩方法和结构。这些新型的协助滚刀破岩方法能极大改善滚刀切割性并提升滚刀破岩效率。上述破岩方法中涉及的关键参数，如不同岩石类型、不同滚刀结构等情况下的滚刀破岩载荷、滚刀破岩比能耗、最优临空距、最优切割倾角、最优射流参数等，是影响上述破岩方法对应破岩效果的关键参量。上述破岩方法的工程应用前提是掌握上述方法上对应的滚刀破岩载荷、滚刀破岩比能耗、最优临空距、最优切割倾角、最优射流参数等关键参量。通过室内试验方法是获得上述自由面以及水射流辅助滚刀破岩过程关键参量的最有效手段，因此设计一种水射流和自由面辅助滚刀切割性能平台及其测试方法来测试上述相关的关键参量显得极为重要。