[发明专利]一种用于TBM水力耦合破岩研究的室内试验装置及方法

说明书

本发明公开一种用于TBM水力耦合破岩研究的室内试验装置及方法，包括试验台、围压加载机构、监测机构；试验台上安装有高度可调节的三个刀架，三个刀架上依次安装有水刀、盘型滚刀、刮刀；水刀用于对岩样切割不同深度的预切槽；试验台上滑接有试样盒，试验时，试样盒依次贯穿三个刀架内部，且试样盒的宽度小于刀架内部的宽度；围压加载机构安装在试样盒内壁和岩样之间；监测机构包括应变监测组件、外置监测系统，应变监测组件用于监测盘型滚刀的法向受力和切向受力的波动，外置监测系统用于监测试验过程并收集试验数据。本发明可有效减轻刀具磨损，实现高效破碎岩体并形成完整的切割破岩试验。

技术领域

本发明涉及机械破岩技术领域，特别是涉及一种用于TBM水力耦合破岩研究的室内试验装置及方法。

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)凭借其安全性、经济性等诸多优点，目前广泛用于深埋长大隧道的掘进作业。然而，我国幅员辽阔，地质条件复杂，TBM掘进过程中难免会遇到强度高、腐蚀性强的坚硬岩层，导致在掘进过程中掘进效率急剧下降、刀具磨损严重。针对这一问题，有学者提出采用TBM滚刀+高压水刀耦合破岩的试验方法，即通过水刀切割于滚刀两侧形成自由面。滚刀通过挤压岩体，依次形成密实核，塑性区及岩体内部裂纹。内部裂纹在持续滚刀作用下，将扩展至自由面，进而形成岩体破碎，达到提升破岩效率的作用。

然而该项技术目前处于初始阶段，TBM水力耦合破岩试验机理尚不明确，需要通过室内试验进行研究，同时存在一定改进之处。首先，连接滚刀下方破碎坑与自由面进而形成破碎体的岩体裂纹实质上仍是通过滚刀挤压完整岩体而形成的。该滚刀-岩体挤压过程仍需要滚刀承受较大载荷，因此滚刀的磨损程度并未得到大幅降低，同时，大量的破岩能量被用于滚刀下方岩体中破碎体的反复摩擦中，导致破岩载荷利用效率不高。其次，滚刀正下方的岩体在破碎后，仍有部分残余岩体，若该部分岩体不能及时清除，将形成凹凸不平的掌子面，进而影响后续耦合破岩效率。

为能够在经济合理、技术可行的基础上开展室内研究，提出了一种用于TBM水力耦合破岩研究的室内试验装置，并提出相应的工作方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于TBM水力耦合破岩研究的室内试验装置及方法，旨在解决或改善上述技术问题中的至少之一。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种用于TBM水力耦合破岩研究的室内试验装置，用于对岩样进行破碎，所述岩样放置在试样盒中，所述用于TBM水力耦合破岩研究的室内试验装置包括：

试验台，所述试验台上安装有高度可调节的三个刀架，三个所述刀架上依次安装有水刀、盘型滚刀、刮刀；所述水刀用于对所述岩样切割不同深度的预切槽；所述试验台上滑接有所述试样盒，试验时，所述试样盒依次贯穿三个所述刀架内部，且所述试样盒的宽度小于所述刀架内部的宽度；

围压加载机构，所述围压加载机构安装在所述试样盒内壁和所述岩样之间，用于对所述岩样施加围压；

监测机构，所述监测机构包括应变监测组件、外置监测系统，所述应变监测组件用于监测所述盘型滚刀的法向受力和切向受力的波动，所述外置监测系统设置在所述试验台的一侧，用于监测试验过程并收集试验数据。

优选的，所述水刀包括若干安装在所述刀架上的高压水射流喷头，若干所述高压水射流喷头的间距可调节，所述高压水射流喷头连通有可调节进水组件，所述高压水射流喷头用于对所述岩样切割不同深度的预切槽；

所述试验台上开设有纵向导轨，并且所述纵向导轨贯穿三个所述刀架，所述试样盒的底部与所述纵向导轨滑动连接。