[发明专利]模拟深部圆形隧洞机械开挖卸荷的试验装置及试验方法

权利要求书

1.模拟深部圆形隧洞机械开挖卸荷的试验装置，其特征在于，试验装置置于真三轴试验台(1)上，左承压板(2)、右承压板(3)、前承压板(18)、后承压板(19)、上承压板(20)和下承压板(21)组成加载室，岩石试样(17)置于加载室中，右承压板(3)与左底板(4)相连，左圆孔(6)开设于左承压板(2)上中心位置，右圆孔(7)开设于右承压板(3)上中心位置，钻杆入口(8)开设于左底板(4)上中心位置，左圆孔(6)、右圆孔(7)和钻杆入口(8)位于同一中轴线上，右底板(5)置于试验装置的末端，左底板(4)的四个角分别与直线导轨(9)相连，四根直线导轨(9)与右底板(5)的四个角相连，右底板(5)与推进液压缸(11)的一端相连，推进液压缸(11)的另一端与电机(12)的外壳相连，电机(12)外壳与四个滑块(10)相连，滑块(10)分别位于直线导轨(9)上，输出轴(13)设于电机(12)内部，输出轴(13)与钻杆(14)一端连接，钻杆(14)另一端与实心钻头(16)连接，钻杆(14)上设有螺旋叶片(15)。

2.根据权利要求1所述的模拟深部圆形隧洞机械开挖卸荷的试验装置，其特征在于，所述岩石试样(17)为长方体。

3.根据权利要求1所述的模拟深部圆形隧洞机械开挖卸荷的试验装置，其特征在于，所述左圆孔(6)、右圆孔(7)和钻杆入口(8)的直径相同，且孔径比钻杆(14)的直径稍大。

4.根据权利要求1所述的模拟深部圆形隧洞机械开挖卸荷的试验装置，其特征在于，所述钻杆(14)与输出轴(13)通过螺纹连接。

5.根据权利要求1所述的模拟深部圆形隧洞机械开挖卸荷的试验装置，其特征在于，所述推进液压缸(11)型号为DZSOB20X700，电机(12)型号为ACSM180-G19015数控伺服电机。

6.一种如权利要求1-5所述的模拟深部圆形隧洞机械开挖卸荷的试验装置的试验方法，其特征在于，按照以下步骤进行：

步骤一、在真三轴试验台(1)上安装固定岩石试样(17)：选取合适直径的钻杆(14)，与电机(12)的输出轴(13)进行螺纹连接，将试验装置安装固定，使左底板(4)上的钻杆入口(8)、右承压板(3)上的右圆孔(7)、岩石试样(17)及左承压板(2)上的左圆孔(6)四者的中心轴线重合，最后将推进液压缸(11)与液压油泵连接；

步骤二、对岩石试样(17)进行三维初始应力加载：安装完成后，打开真三轴试验机的控制系统、液压系统、监测系统及数据采集系统，并根据试验方案对岩石试样(17)进行三维加载，真三轴试验机X方向左侧通过左承压板(2)对岩石试样(17)左面进行加载，而X方向右侧首先对右底板(5)加载，再通过直线导轨(9)将右底板(5)上的力传递给左底板(4)，然后左底板(4)再将力传递给右承压板(3)对岩石试样(17)右面进行加载，Y方向通过前承压板(18)和后承压板(19)对岩石试样(17)前后两个面进行加载，Z方向通过上承压板(20)和下承压板(21)对岩石试样(17)上下两个面进行加载，通过以上操作完成三维初始应力加载；

步骤三、模拟巷道机械开挖过程：加载至设定的初始应力水平后，打开电机(12)的电源开关，电机(12)驱动钻杆(14)高速旋转，调节油泵液压阀开关，控制推进液压缸(11)向左推进的速度，实心钻头(16)在推进液压缸(11)的推动下水平向左移动，由左底板(4)上的钻杆入口(8)和右承压板(3)上的右圆孔(7)进入，并与岩石试样(17)接触，进而切割岩石试样(17)，高速旋转的螺旋叶片(15)将切割留下的岩石碎屑自动排出；

步骤四、开展后续试验分析：当实心钻头(16)在岩石试样(17)内部开凿出贯穿的圆形孔洞后，调节油泵液压阀开关，推进液压缸(11)向右回缩，使实心钻头(16)向右平移退出开凿的孔洞，完成圆形隧洞机械开挖卸荷的模拟过程，随后可继续开展隧洞开挖卸荷后的围岩力学响应和破坏特征的相关试验研究。