[发明专利]TBM滚刀与高压水射流耦合破岩模拟试验系统与方法

说明书

本公开提供了一种TBM滚刀与高压水射流耦合破岩模拟试验系统与方法，本公开能够实现多把盘型滚刀的安装，可调整滚刀位置，侧面及后侧液压油缸对岩石试件三向加压，可真实模拟掌子面岩石三向应力状态。试验装置采用卧式设计，刀盘水平破岩，滚刀角度可调，刀盘不仅可以旋转切割岩石，还可以垂直上下直线切割岩石，可模拟现场TBM滚刀不同半径破岩过程，更加贴近于真实工况下滚刀切削破岩的情况，可配合高压水射流耦合作用，使破岩效果更佳。

技术领域

本公开属于岩土及地下工程中的隧道工程技术领域，具体涉及一种TBM滚刀与高压水射流耦合破岩模拟试验系统与方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

目前中国高铁和城市地铁正以震惊世界的速度修建，对隧道与地下工程施工的需求日益增大，相应的技术要求也越来越高。在隧道和地下工程施工中，与传统的钻探和爆破方法相比，全断面岩石掘进机(TBM)掘进速度约为常规钻爆法的4～10倍，具有快速、优质、安全、经济、有利于环境保护和劳动力保护，可在超长隧道中连续作业的优点，特别是高效快速地完工，提前创造价值，对我国的现代化建设有很重要意义。由于其可实现传统钻爆法难以实现的复杂地理地貌深埋长隧洞的施工，在中国铁道、水电、交通、矿山、市政等隧洞工程中应用正在迅猛增长。

全断面岩石掘进机(TBM)是技术密集程度较高的机、电、液一体的大型地下施工设备，主要用于岩石地质结构的铁路、公路、水利水电引水导洞、地铁及地下工程隧道掘进建筑施工，是利用回转刀具开挖，同时破碎洞内岩石及掘进，形成整个隧道断面的一种新型、先进的隧道施工机械。TBM的破岩原理为：主机前部是装有若干滚刀的刀盘，由刀盘驱动系统驱动刀盘旋转，并由推进系统给刀盘提供推进力，在推进力的作用下滚刀切入岩石掌子面。不同部位的滚刀在掌子面上留下不同半径的同心圆切槽轨迹，在滚刀的挤压下，相邻切槽的岩石在剪切力作用下从岩体上剥落下来形成石渣，石渣则随着刀盘的旋转由刀盘上的铲渣斗自动拾起，经刀盘内的溜渣槽输送到装在主机上的胶带机上，再运到后配套系统处经隧道出渣运输系统运出洞外。

由于隧道工程的复杂性以及现有理论的局限性，实验模拟盘形滚刀破岩既能验证理论研究的正确性，又能为TBM设计、施工和掘进参数优化提供依据，已经在国内外得到广泛的应用。目前，美国、德国、韩国、土耳其、伊朗、中国等国家都先后开展了TBM盘形滚刀破岩试验的研究工作。试验的开展依托于试验装置的研制，相应的，各具特色的试验设备成为了试验研究的基础。

申请号为200810143552.2的中国发明专利，公开了《一种可调式多滚刀切削破岩试验装置》(李夕兵，赵伏军，夏毅敏，周子龙，谭青，周喜温)，该装置能够实现多把盘型滚刀的安装，模拟盘型滚刀切削破岩的状况，但是该试验装置滚刀垂直切削破岩，与实际工程中水平破岩不符，而且没有考虑到岩石围压效应，且破岩产生的岩渣不能及时运出，影响连续切削的进行。

申请号为201110246883.0的中国发明专利，公开了《TBM破岩试验装置》(洪开荣，王海霞，常家东，赵海军，陈馈，李凤远，张兵)，该装置采用卧式设计，更加贴近于真实工况下滚刀切削岩石的情况，但是依然无法模拟原岩围压效应，虽然设有出渣口，但是在破岩过程排渣效果不佳，影响破岩效果和实验过程的观测。

申请号为201910130181.2的中国发明专利，公开了《搭载于TBM上的射流辅助滚刀破岩装置及应用》(刘征宇，胡蒙蒙，张超，张波，刘斌，曹文正，李彪)，该装置在滚刀件旁设有射流喷嘴，可喷射高压水射流，与滚刀件耦合破岩，但是滚刀与水射流喷嘴位置固定，无法改变滚刀及喷嘴位置实现不同条件试验。