CN104535413B

CN104535413B - 一种渗流场‑温度场模拟耦合物料仓及tbm切削试验台

Info

Publication number: CN104535413B
Application number: CN201510018734.7A
Authority: CN
Inventors: 夏毅敏; 张魁; 张晋浩; 林赉贶; 毛晴松; 吴才章; 丛国强; 田彦朝; 王鹏磊; 傅杰
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2015-01-14
Filing date: 2015-01-14
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2035-01-14
Also published as: CN104535413A

Abstract

一种渗流场‑温度场模拟耦合物料仓及TBM切削试验台，所述模拟耦合物料仓的主体内壁周向设置有第一承台，物料安装座外壁周向设置有第二承台，物料安装座嵌装在主体内，利用第二承台与第一承台接触定位，并将物料仓主体分隔成第一承台与物料仓主体底板之间的密闭容腔及第一承台以上的开放容腔；渗流采集支路与开放容腔连通，加热注水支路及回水保压支路与密闭容腔连通。所述TBM切削试验台包括渗流场‑温度场模拟耦合物料仓；本发明的渗流场‑温度场模拟耦合物料仓可以模拟岩石渗流场‑温度场耦合效应；本发明的TBM切削试验台，可以实现渗流场和温度场单独作用下或耦合作用下TBM破岩实验。本发明结构合理，操作方便。

Description

一种渗流场-温度场模拟耦合物料仓及TBM切削试验台

技术领域

本发明涉及全断面岩石隧道掘进机(TBM)切削试验技术领域，尤其是涉及一种渗流场-温度场模拟耦合物料仓及TBM切削试验台，更进一步是指一种模拟岩石渗流场-温度场的模拟耦合物料仓及采用该模拟耦合物料仓的TBM切削试验台。

背景技术

随着我国经济的快速发展和建设需求的持续增长，在西气东输工程、高速铁路、城市地铁和矿山开采等为代表的关系国民经济命脉和国家安全的重大工程建设中，全断面岩石隧道掘进机(以下简称TBM)凭借其高效、环保、自动化程度高、地质适应性强、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响和开挖时可控制地面沉降等诸多优点而得到广泛使用。为了准确掌握TBM刀具/刀盘的破岩机理，并指导TBM刀盘的设计，国内外多家院系企业开发出了多种TBM切削实验装置。例如，美国科罗拉多矿业学院设计出了一种单把盘形滚刀(以下简称滚刀)直线式切削装置(LCM)，并进行了不同刀间距下的切削试验，获得了滚刀三向切削载荷特性曲线(垂直力、滚动力和侧向力)和最优刀间距；沈阳重型机械集团有限公司发明了一种刀具破岩机理与耐磨试验机(CN101299013B)，用于研究刀具切削载荷特性及磨损特性；中铁隧道集团有限公司发明一种TBM破岩实验装置(CN102359919B)，用于研究TBM刀具切削力随切深的变化规律；中南大学发明了一种可调式多滚刀切削试验装置(CN101446537B)，该试验装置最多支持3把滚刀作直线式切削试验，并进一步开发出一种位置可调的多滚刀回转切削试验台(CN101446536B)，用以模拟刀具群回转式切削过程，除了可获得了滚刀群切削载荷特性外，还可获得最优刀间距和最优刀具布置参数(安装半径、安装相位角)；上海隧道工程股份有限公司发明了一种大型盾构掘进模拟试验平台(CN100343650C)，通过模拟掘进全过程；为了研究水平隧道和竖井开挖时刀盘切削性能的差异，中铁隧道装备制造有限公司发明了一种盾构及TBM滚刀试验台(CN102788693A)，可以模拟多把TBM滚刀在垂直或水平状态下刀具破岩过程。上述TBM切削试验装置均对原岩赋存环境进行了理想简化，即通常采用传统料仓(或称土仓)装夹事先预制好的干燥岩样，而实际上，原岩赋存环境是极端复杂的。特别地，当TBM在大埋深、海底或过江隧道等特殊环境下施工时，掘进地层往往会受到地应力场、地下水渗流场和温度场(由地温场和切削热等因素引起，一般高于环境温度)等多场耦合作用，原岩的物理力学性质会与理想实验岩样存在巨大差异。地层中的多场耦合效应将导致现有切削实验产生较大的失真。由于缺乏能够有效模拟岩石渗流场-温度场耦合效应的TBM切削试验台，研究人员目前仍无法准确获知TBM刀具/刀盘在真实地层下的切削载荷特性(刀具三向力载荷、刀盘推力和刀盘扭矩等)及最佳切削参数(切深、刀间距和刀盘转速等)；无疑，根据现有TBM切削实验数据设计出的TBM会在一些耦合效应剧烈的地层表现出严重的地质不适应性，延缓施工进度，同时增加掘进成本。

在岩土工程领域，存在一些装置，例如：中国科学院武汉岩土力学研究所发明了一种岩石裂隙渗流实验装置(CN1425906A)，用于检测岩石裂隙渗流特性；中国矿业大学发明了一种岩石渗透实验装置(CN101672763A)，可实现振动条件下岩石渗流特性检测；大连海事大学发明了一种温度应力环向渗流耦合作用下岩石损伤与渗流测试系统和测试方法(CN103558136A)。这些装置模拟了岩土的单一物理场，且仅用于研究岩石自身本构特性。同时，由于技术方案的限制，这类装置采用的岩土试样尺寸小，故无法留出进行TBM刀具切削试验的岩样自由面。

综上，提供一种能够模拟岩石渗流场-温度场耦合效应的TBM切削试验台，为TBM，特别是应用于大埋深、海底或过江隧道等场合的TBM滚刀/刀盘设计，提供准确可靠的实验数据，是本领域研究人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种结构合理，操作方便，能够模拟岩石渗流场-温度场耦合效应的渗流场-温度场模拟耦合物料仓及采用该物料仓的TBM切削试验台。

为解决上述技术问题，本发明一种渗流场-温度场模拟耦合物料仓，包括：物料仓主体、物料安装座、渗流采集支路、加热注水支路、回水保压支路；

沿所述物料仓主体内壁周向设置有第一承台，第一承台中心形成一通孔，所述物料安装座外壁周向设置有第二承台，所述物料安装座横截面形状与所述通孔相匹配并嵌装在所述通孔中，利用其外壁设置的第二承台与所述物料仓内壁设置的第一承台接触使物料安装座沿轴向定位，并将所述物料仓主体分隔成第一承台与物料仓主体底板之间的密闭容腔及第一承台以上的开放容腔；

所述渗流采集支路与所述开放容腔连通，该支路用于收集并记录岩石试样块上表面的渗水量；

所述加热注水支路及回水保压支路与所述密闭容腔连通，该支路利用水泵通过注水管向所述密闭容腔中注入一定温度的水流；所述密闭容腔的压力由电磁溢流阀调定；

本发明一种渗流场-温度场模拟耦合物料仓，所述物料安装座底板为平板或设有通孔的平板；

本发明一种渗流场-温度场模拟耦合物料仓，所述物料安装座底板与物料仓主体底板之间设有纵横交错安装的支撑筋，且所述支撑筋侧壁开有通孔；

本发明一种渗流场-温度场模拟耦合物料仓，所述第一承台与第二承台之间设有橡胶密封垫，并通过螺钉紧固密封；

本发明一种渗流场-温度场模拟耦合物料仓，所述渗流采集支路包括采集管、量杯，所述采集管一端连接所述开放容腔，另一端延伸至所述量杯入口；

本发明一种渗流场-温度场模拟耦合物料仓，所述加热注水支路包括水箱、加热器、水泵、电磁溢流阀、注水管，所述注水管一端连接所述密闭容室，另一端分为两路，一路连接所述电磁溢流阀后延伸至所述水箱，另一路连接有所述水泵、加热器并延伸至所述水箱；

本发明一种渗流场-温度场模拟耦合物料仓，所述回水保压支路包括排气回水管、电磁换向阀、安全阀、水箱，所述排气回水管一端连接所述密闭容室，另一端通过所述电磁换向阀分别与所述水箱及安全阀连接；与所述水箱连接时，用于排气和排水；与所述安全阀连接时，用于保压和防止过载；

本发明一种渗流场-温度场模拟耦合物料仓，在所述密闭容腔上还设有排水管，所述排水管利用水泵排干所述密闭容腔内的水。

本发明一种TBM切削试验台，所述切削试验台包括渗流场-温度场模拟耦合物料仓；

本发明一种TBM切削试验台，所述渗流场-温度场模拟耦合物料仓安装在纵向移动底座上，所述纵向移动底座通过纵向油缸驱动作平动；

本发明一种TBM切削试验台，所述切削试验台还包括主机架、动力传动装置、刀盘系统；

所述主机架包括横梁、立柱和底座；所述纵向移动底座安装在所述底座上；所述立柱的一端左右对称地安装于所述底座上，另一端安装有所述横梁；

所述刀盘系统安装于所述动力传动装置下；

在所述横梁上安装有垂直油缸，其活塞杆端部与所述动力传动装置连接，驱动所述动力传动装置与所述刀盘系统作垂直方向运动；

本发明一种TBM切削试验台，所述纵向移动底座通过导轨滑轮机构安装在所述底座上；所述纵向移动底座与所述纵向油缸的活塞杆连接，并在所述纵向油缸的推动下带动所述渗流场-温度场模拟耦合物料仓相对于所述底座作纵向运动；所述渗流场-温度场模拟耦合物料仓不但能够移动至所述刀盘系统正下方，也可偏离该刀盘系统；

本发明一种TBM切削试验台，所述刀盘系统通过垂直设置于所述横梁上的导向杆沿铅垂方向导向；

所述刀盘系统用于安装固定滚刀，且所述滚刀在所述刀盘系统上的相对位置可调；

所述动力传动装置提供所述刀盘系统完成回转滚压破岩运动所需扭矩，以及传递用以驱动所述刀盘系统完成垂直上下运动所需的动力；

为了提高结构刚度和结构受力均匀性，采用四根所述立柱和四根所述导向杆周向对称布置；为了提供充沛的切削扭矩，所述动力传动装置采用两套对称布置的马达驱动；

所述岩石试样块安置于所述渗流场-温度场模拟耦合物料仓的物料安装座内，且所述岩石试样块与所述物料安装座内壁之间的缝隙由填缝剂填充。

本发明由于采用上述技术方案，制备的渗流场-温度场模拟耦合物料仓可以模拟岩石渗流场-温度场耦合效应，包括本发明渗流场-温度场模拟耦合物料仓的TBM切削试验台，可以实现不同强度的渗流场和温度场单独作用下以及渗流场-温度场耦合作用下TBM破岩实验。本发明TBM切削试验台结构合理，操作方便。

附图说明

附图1为本发明渗流场-温度场模拟耦合物料仓(含岩石试样块)结构示意图；

附图2为图1中A局部放大示意图；

附图3为本发明TBM切削试验台主视图；

附图4为图3的右视图；

附图5为图3中B局部放大示意图；

图中：

1、渗流场-温度场模拟耦合物料仓；

1-1、物料仓主体；1-1-1、第一承台；1-1-2、通孔(第一承台处)；1-1-3、物料仓主体底板；

1-2、物料安装座；1-2-1、第二承台；1-2-2、物料安装座底板；

1-3、密闭容腔；

1-4、开放容腔；

1-5、橡胶密封垫；

1-6、螺钉；

1-7、支撑筋；1-7-1、通孔(支撑筋处)；

1-8、渗流采集支路；1-8-1、采集管；1-8-2、量杯；

1-9、加热注水支路；1-9-1、水箱；1-9-2、加热器；1-9-3、水泵；1-9-4、电磁溢流阀；1-9-5、注水管；

1-10、回水保压支路；1-10-1、排气回水管；1-10-2、压力表；1-10-3、电磁换向阀；1-10-4、安全阀；1-10-5、水箱；

1-11-1、排水管；1-11-2、水泵；

1-12、球阀；

1-13、过滤器；

1-14、温度传感器；

1-15、填缝剂；

1-16、密封胶；

1-17、岩石试样块；

2、主机架；

2-1、横梁；2-2、立柱；2-3、底座；

3、动力传动装置；

3-1、驱动马达；3-2、减速机；3-3、可移动齿轮箱；3-4、主轴承；3-5、小齿轮；

4、刀盘系统；4-1、滚刀；

5、垂直油缸；5-1、活塞杆；

6、纵向移动底座；

7、纵向油缸；7-1、活塞杆；

8、导轨；

9、滑轮；

10、导向杆。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

实施例1

参见附图1、2，本发明一种渗流场-温度场模拟耦合物料仓(1)，包括：物料仓主体(1-1)、物料安装座(1-2)、渗流采集支路(1-8)、加热注水支路(1-9)、回水保压支路(1-10)；

沿物料仓主体(1-1)内壁周向设置有第一承台(1-1-1)，第一承台(1-1-1)中心形成一通孔(1-1-2)，物料安装座(1-2)外壁周向设置有第二承台(1-2-1)，物料安装座(1-2)横截面形状与通孔(1-1-2)相匹配并嵌装在通孔(1-1-2)中，利用其外壁设置的第二承台(1-2-1)与物料仓内壁设置第一承台(1-1-1)接触使物料安装座(1-2)沿轴向定位，并将物料仓主体(1-1)分隔成第一承台(1-1-1)与物料仓主体底板(1-1-3)之间的密闭容腔(1-3)及第一承台(1-1-1)以上的开放容腔(1-4)；

第一承台(1-1-1)与第二承台(1-2-1)之间设有橡胶密封垫(1-5)，并通过螺钉(1-6)紧固密封；

物料安装座底板(1-2-2)与物料仓主体底板(1-1-3)之间设有纵横交错安装的支撑筋(1-7)，且支撑筋(1-7)侧壁开有通孔(1-7-1)；

渗流采集支路(1-8)包括采集管(1-8-1)和量杯(1-8-2)，采集管(1-8-1)一端连接开放容腔(1-4)，另一端延伸至量杯(1-8-2)入口，该支路用于收集并记录岩石试样块(1-17)上表面的渗水量；

加热注水支路(1-9)包括水箱(1-9-1)、加热器(1-9-2)、水泵(1-9-3)、电磁溢流阀(1-9-4)、注水管(1-9-5)，注水管(1-9-5)一端连接密闭容腔(1-3)，另一端分为两路，一路连接电磁溢流阀(1-9-4)后延伸至水箱(1-9-1)，另一路连接有水泵(1-9-3)、加热器(1-9-2)并延伸至水箱(1-9-1)；该支路利用水泵(1-9-3)通过注水管(1-9-5)向密闭容腔(1-3)中注入经加热器(1-9-2)加热至一定温度的水流；密闭容腔(1-3)的压力由电磁溢流阀(1-9-4)调定；

回水保压支路(1-10)包括排气回水管(1-10-1)、压力表(1-10-2)、二位二通电磁换向阀(1-10-3)、安全阀(1-10-4)、水箱(1-10-5)，排气回水管(1-10-1)一端连接密闭容腔(1-3)，另一端通过二位二通电磁换向阀(1-10-3)分别与水箱(1-10-5)及安全阀(1-10-4)连接；与水箱(1-10-5)连接时，用于排气和排水，二位二通电磁换向阀(1-10-3)处于得电状态(常开状态)；与安全阀(1-10-4)连接时，用于保压和防止过载，二位二通电磁换向阀(1-10-3)处于失电状态(常闭状态)；

在密闭容腔(1-3)上还设有排水管(1-11-1)，排水管(1-11-1)利用水泵(1-11-2)排干密闭容腔(1-3)内的水；

为了便于移动和检修渗流场-温度场模拟耦合物料仓(1)，采集管(1-8-1)、注水管(1-9-5)、排气回水管(1-10-1)和排水管(1-11-1)均采用软管，且在各软管后连接手动球阀(1-12)；为了过滤各支路上的岩粉杂质，加热注水支路(1-9)、回水保压支路(1-10)和排水管(1-11-1)上均设置过滤器(1-13)；为了便于水液在密闭容腔(1-3)内均匀流动和传递热量，注水管(1-9-5)与排气回水管(1-10-1)分别布置在密闭容腔(1-3)两侧；

在物料仓主体(1-1)侧壁上钻孔以安装温度传感器(1-14)和液位计(未画出)，分别用于测量密闭容腔(1-3)内水温和液位高度；

本实施例中，物料安装座底板(1-2-2)为平板或设有通孔的平板；

在物料仓主体底板(1-1-3)上纵横交错地安装支撑筋(1-7)，且支撑筋(1-7)侧壁开有通孔(1-7-1)；当物料安装座(1-2)未通过螺钉(1-6)紧固前，由于橡胶密封垫(1-5)存在一定厚度，故物料安装座(1-2)底部与支撑筋(1-7)顶部不接触；当物料安装座(1-2)通过螺钉(1-6)紧固后，由于橡胶密封垫(1-5)发生弹性变形，物料安装座(1-2)底部刚好与支撑筋(1-7)接触。支撑筋(1-7)起到了支撑限位作用，既增加了物料仓主体(1-1)的刚度，又防止第二承台(1-2-1)过分挤压橡胶密封垫(1-5)，导致其压溃失效。

岩石试样块(1-17)放置于渗流场-温度场模拟耦合物料仓(1)的物料安装座(1-2)内，且岩石试样块(1-17)与物料安装座(1-2)内壁之间的缝隙由填缝剂(1-15)填充；为了防止水液从物料安装座(1-2)内壁处渗出，在物料安装座(1-2)、填缝剂(1-15)和岩石试样(1-17)块接触区上表面均匀涂抹密封胶(1-16)。

实施例2

参见附图3、4、5，本发明一种TBM切削试验台，切削试验台包括渗流场-温度场模拟耦合物料仓(1)、主机架(2)、动力传动装置(3)和刀盘系统(4)；

主机架(2)包括横梁(2-1)、立柱(2-2)和底座(2-3)；立柱(2-2)的一端左右对称地安装于底座(2-3)上，另一端安装有横梁(2-1)；

刀盘系统(4)安装于动力传动装置(3)下；

在横梁(2-1)上安装有垂直油缸(5)，其活塞杆(5-1)端部与动力传动装置(3)连接，驱动动力传动装置(3)与刀盘系统(4)作垂直方向运动；

渗流场-温度场模拟耦合物料仓(1)安装在纵向移动底座(6)上，纵向移动底座(6)通过纵向油缸(7)驱动作平动；

纵向移动底座(6)通过导轨(8)和滑轮(9)机构安装在底座(2-3)上；纵向移动底座(6)与纵向油缸(7)的活塞杆(7-1)连接，并在纵向油缸(7)的推动下带动渗流场-温度场模拟耦合物料仓(1)相对于底座(2-3)作纵向运动；渗流场-温度场模拟耦合物料仓(1)不但能够移动至刀盘系统(4)正下方，也可偏离刀盘系统(4)；

刀盘系统(4)通过垂直设置于横梁(2-1)上的导向杆(10)沿铅垂方向导向；

动力传动装置(3)包括驱动马达(3-1)、减速机(3-2)、可移动齿轮箱(3-3)；驱动马达(3-1)的输出轴与减速机(3-2)连接，减速机(3-2)固定安装于可移动齿轮箱(3-3)上部，减速机(3-2)的输出轴上设有小齿轮(3-5)，小齿轮(3-5)与设于可移动齿轮箱(3-3)中的主轴承(3-4)内圈啮合传动，刀盘系统(4)与主轴承(3-4)内圈固定连接，因此小齿轮(3-5)驱动主轴承(3-4)内圈并带动刀盘系统(4)相对可移动齿轮箱(3-3)旋转；可移动齿轮箱(3-3)的上部与垂直油缸(5)的活塞杆(5-1)连接，其侧面穿装在垂直安装于横梁(2-1)上的导向杆(10)上。

刀盘系统(4)用于安装固定滚刀(4-1)，且滚刀(4-1)在刀盘系统(4)上的相对位置可调；

动力传动装置(3)提供刀盘系统(4)完成回转运动所需扭矩，以及传递刀盘系统(4)完成垂直上下运动所需的动力；

为了提高结构刚度和结构受力均匀性，采用四根所述立柱(2-2)和四根所述导向杆(10)周向对称布置；为了提供充沛的切削扭矩，所述动力传动装置采用两套对称布置的马达驱动；

本发明的工作原理简述于下：

渗流场-温度场模拟耦合物料仓(1)可以实现如下功能：

1、温度场模拟：

采用物料安装座底板(1-2-2)无通孔的渗流场-温度场模拟耦合物料仓(1)，加热注水支路(1-9)向密闭容腔(1-3)内注入热水，水流流经支撑筋(1-7)侧壁上的通孔(1-7-1)后在密闭容腔(1-3)内汇集。当热水充满整个密闭容腔(1-3)时再从排气回水管(1-10-1)溢出并流回水箱(1-10-5)。水流与岩石不接触，对岩石进行持续水浴加热，直至岩石试样块(1-17)达到设定温度后加热器(1-9-2)停止工作；

2、温度场-渗流场耦合模拟：

采用物料安装座底板(1-2-2)带通孔的渗流场-温度场模拟耦合物料仓(1)，加热注水支路(1-9)向密闭容腔(1-3)内注入热水，水流经支撑筋(1-7)侧壁上的通孔(1-7-1)在密闭容腔(1-3)内汇集；当热水充满整个密闭容腔(1-3)时，实验人员按下操作面板的控制开关，则二位二通电磁换向阀(1-10-3)得电，排水通道切断，密闭容腔(1-3)内的水压迅速上升，当压力达到实验人员设定值后电磁溢流阀(1-9-4)自动溢流维持压力恒定；压力水流通过物料安装座底板(1-2-2)上的通孔流入岩石试样块(1-17)下表面，并在水压作用下扩散到岩石试样块(1-17)的自由面上，达到模拟地层渗流及温度场耦合作用的目的；

3、渗流场耦合模拟：与温度场-渗流场耦合模拟原理相似，但加热器(1-9-2)不工作。

采用本发明TBM切削试验台的基本实验步骤如下：

步骤一：从所依托的工程隧道现场采集典型岩石石料，切割制作出相同尺寸的岩石试样块(1-17)，并测试其基本物理力学参数；利用改进欧式距离判断岩石试样块(1-17)间的相似度，剔除物理力学性能差异较大的岩石试样块(1-17)，并对剩余岩石试样块(1-17)编号；

步骤二：根据所依托工程隧道项目的真实地质条件，预测掌子面周围可能出现的最大渗流压力p_m和最高温度t_n，并根据正交实验要求，均分成t₁～t_n共n个温度等级，p₁～p_m共m个渗流压力等级，其中t₁代表无温度场作用(实验室环境温度下)，p₁代表无渗流场作用(渗流场压力为0)；

步骤三：采用无通孔的安装座底板，将任一岩石试样块(1-17)装入渗流场-温度场模拟耦合物料仓(1)内，并按要求完成紧固工作；

步骤四：首先直接进行无温度场及渗流场作用的破岩试验，实时监测岩石破碎过程、切深切深、刀盘转速、刀盘推力、刀盘扭矩及滚刀三向力载荷，收集并记录破碎块体积；将上述试验结果分组编号为T1-P1；

具体地，在渗流场-温度场模拟耦合物料仓(1)旁架设高速数字摄像仪，对岩石表面破碎过程进行高速摄影；利用声发射系统记录岩石内部裂纹演化过程；利用垂直油缸(5)的内置式位移传感器，记录切深；在垂直油缸(5)的进出口油路上装有压力传感器，计算刀盘推力；利用三向力传感器测量各滚刀(4-1)的三向力载荷；在主轴承(3-4)上安装编码器，测量刀盘转速；在驱动马达(3-1)进出油口安装压力传感器和流量传感器，计算切削能耗和刀盘扭矩；

步骤五：重复步骤三，并按要求完成紧固及密封工作；启动加热注水支路(1-9)中的水泵(1-9-3)和加热器(1-9-2)，同时将回水保压支路(1-10)接通水箱(1-10-5)；当温度传感器(1-14)检测温度达到t₂，且与岩石试样块(1-17)的表面监测温度一致时，停止加热，并进行破岩试验，记录同步骤四的试验结果，并分组编号为T2-P1；

步骤六：重复步骤五，进行t₃～t_n温度下破岩试验，记录同步骤四的试验结果，并分组编号为T3P1～TnP1；

步骤七：采用有通孔的安装座底板，并将任一剩余岩石试样块(1-17)装入渗流场-温度场模拟耦合物料仓(1)，并按要求完成紧固及密封工作；

步骤八：设置电磁溢流阀(1-9-4)启动压力为p₂，调节安全阀(1-10-4)启动压力为p₃(满足p_3>p₂)，将回水保压支路(1-10)接通水箱(1-10-5)，启动加热注水支路(1-9)的水泵(1-9-3)，待密闭容腔(1-3)已注满水后，再将回水保压支路(1-10)接通安全阀(1-10-4)；持续保压一段时间，期间利用渗流采集支路(1-8)监测渗水量；待单位时间内渗水量稳定后，进行破岩试验；记录同步骤四的试验结果及单位时间内的渗水量，分组编号为T1-P2；

步骤九：重复步骤七，设置电磁溢流阀(1-9-4)启动压力至p₂，调节安全阀(1-10-4)启动压力为p₃(满足p_3>p₂)，启动加热注水支路(1-9)的水泵(1-9-3)和加热器(1-9-2)，同时将回水保压支路(1-10)接通水箱(1-10-5)，待密闭容腔(1-3)已注满水后，再将回水保压支路(1-10)接通安全阀(1-10-4)；持续保压一段时间，期间加热器(1-9-2)间断工作以维持密闭容腔(1-3)及岩石试样块(1-17)表面温度在t₂附近；待单位时间内渗水量稳定后，进行破岩试验；记录同步骤四的试验结果、单位时间内的渗水量，分组编号为T2-P2；

步骤十：重复步骤九，获取编号为Ti-Pj(i＝3,…,n；j＝3,…,m)的实验结果；

步骤十一：对上述分组试验结果进行分析处理，包括：对滚刀/刀盘切削载荷和比能耗(切削能耗/破碎块体积)进行直观分析和方差分析，获得温度场及渗流场对切削载荷及破岩效率的显著影响水平、最优/最差水平组合形式；对比分析各组实验结果中的岩石表面与内部的裂纹扩展形态，获得温度场及渗流场对破岩机理的影响规律；绘制不同温度场及渗流场作用下滚刀/刀盘切削载荷和比能耗变化曲线，拟合获得温度、渗流压力、切深、岩石物理力学参数与滚刀/刀盘载荷和比能耗的经验公式；利用该经验公式计算出给定地质条件下(给定温度、渗流压力和岩石物理力学参数)刀盘最佳切深(比能耗达到最低)。

Claims

1.一种TBM切削试验台，所述切削试验台包括主机架、动力传动装置、刀盘系统、渗流场-温度场模拟耦合物料仓；

所述渗流场-温度场模拟耦合物料仓安装在纵向移动底座上，所述纵向移动底座通过纵向油缸驱动作平动；

渗流场-温度场模拟耦合物料仓包括：物料仓主体、物料安装座、渗流采集支路、加热注水支路、回水保压支路；

沿所述物料仓主体内壁周向设置有第一承台，第一承台中心形成一通孔，所述物料安装座外壁周向设置有第二承台，所述物料安装座横截面形状与所述通孔相匹配并嵌装在所述通孔中，利用其外壁设置的第二承台与所述物料仓内壁设置第一承台接触使物料安装座沿轴向定位，并将所述物料仓主体分隔成第一承台与物料仓主体底板之间的密闭容腔及第一承台以上的开放容腔；

所述渗流采集支路与所述开放容腔连通；

所述加热注水支路及回水保压支路与所述密闭容腔连通；

所述主机架包括横梁、立柱、底座；所述纵向移动底座安装在所述底座上；所述立柱的一端左右对称地安装于所述底座上，另一端安装有所述横梁；

所述刀盘系统安装于所述动力传动装置下；

所述纵向移动底座通过导轨滑轮机构安装在所述底座上；所述纵向移动底座与所述纵向油缸的活塞杆连接，并在所述纵向油缸的推动下带动所述渗流场-温度场模拟耦合物料仓相对于所述底座作纵向运动；

所述刀盘系统通过垂直设置于所述横梁上的导向杆沿铅垂方向导向。

2.根据权利要求1所述的一种TBM切削试验台，其特征在于：所述物料安装座底板为平板。

3.根据权利要求1所述的一种TBM切削试验台，其特征在于：所述物料安装座底板为设有通孔的平板。

4.根据权利要求1所述的一种TBM切削试验台，其特征在于：所述物料安装座底板与物料仓主体底板之间设有纵横交错安装的支撑筋，且所述支撑筋侧壁开有通孔。

5.根据权利要求1所述的一种TBM切削试验台，其特征在于：所述第一承台与第二承台之间设有橡胶密封垫，并通过螺钉紧固密封。

6.根据权利要求1所述的一种TBM切削试验台，其特征在于：所述渗流采集支路包括采集管、量杯，所述采集管一端连接所述开放容腔，另一端延伸至量杯入口。

7.根据权利要求1所述的一种TBM切削试验台，其特征在于：所述加热注水支路包括水箱、加热器、水泵、电磁溢流阀、注水管，所述注水管一端连接所述密闭容腔，另一端分为两路，一路连接电磁溢流阀后延伸至水箱，另一路连接有水泵、加热器并延伸至水箱。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种TBM切削试验台，其特征在于：所述回水保压支路包括排气回水管、电磁换向阀、安全阀、水箱，所述排气回水管一端连接所述密闭容腔，另一端通过换向电磁阀分别与水箱及安全阀连接。