一種滲流場(chǎng)-溫度場(chǎng)模擬耦合物料倉(cāng)及tbm切削試驗(yàn)臺(tái)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)切削試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種滲流場(chǎng)-溫度場(chǎng)模擬耦合物料倉(cāng)及TBM切削試驗(yàn)臺(tái)，更進(jìn)一步是指一種模擬巖石滲流場(chǎng)-溫度場(chǎng)的模擬耦合物料倉(cāng)及采用該模擬耦合物料倉(cāng)的TBM切削試驗(yàn)臺(tái)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和建設(shè)需求的持續(xù)增長(zhǎng)，在西氣東輸工程、高速鐵路、城市地鐵和礦山開(kāi)采等為代表的關(guān)系國(guó)民經(jīng)濟(jì)命脈和國(guó)家安全的重大工程建設(shè)中，全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)TBM)憑借其高效、環(huán)保、自動(dòng)化程度高、地質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)、節(jié)省人力、施工速度快、一次成洞、不受氣候影響和開(kāi)挖時(shí)可控制地面沉降等諸多優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛使用。為了準(zhǔn)確掌握TBM刀具/刀盤(pán)的破巖機(jī)理，并指導(dǎo)TBM刀盤(pán)的設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)外多家院系企業(yè)開(kāi)發(fā)出了多種TBM切削實(shí)驗(yàn)裝置。例如，美國(guó)科羅拉多礦業(yè)學(xué)院設(shè)計(jì)出了一種單把盤(pán)形滾刀(以下簡(jiǎn)稱(chēng)滾刀)直線(xiàn)式切削裝置(LCM)，并進(jìn)行了不同刀間距下的切削試驗(yàn)，獲得了滾刀三向切削載荷特性曲線(xiàn)(垂直力、滾動(dòng)力和側(cè)向力)和最優(yōu)刀間距；沈陽(yáng)重型機(jī)械集團(tuán)有限公司發(fā)明了一種刀具破巖機(jī)理與耐磨試驗(yàn)機(jī)(CN101299013B)，用于研宄刀具切削載荷特性及磨損特性；中鐵隧道集團(tuán)有限公司發(fā)明一種TBM破巖實(shí)驗(yàn)裝置(CN102359919B)，用于研宄TBM刀具切削力隨切深的變化規(guī)律；中南大學(xué)發(fā)明了一種可調(diào)式多滾刀切削試驗(yàn)裝置(CN101446537B)，該試驗(yàn)裝置最多支持3把滾刀作直線(xiàn)式切削試驗(yàn)，并進(jìn)一步開(kāi)發(fā)出一種位置可調(diào)的多滾刀回轉(zhuǎn)切削試驗(yàn)臺(tái)(CN101446536B)，用以模擬刀具群回轉(zhuǎn)式切削過(guò)程，除了可獲得了滾刀群切削載荷特性外，還可獲得最優(yōu)刀間距和最優(yōu)刀具布置參數(shù)(安裝半徑、安裝相位角)；上海隧道工程股份有限公司發(fā)明了一種大型盾構(gòu)掘進(jìn)模擬試驗(yàn)平臺(tái)(CN100343650C)，通過(guò)模擬掘進(jìn)全過(guò)程；為了研宄水平隧道和豎井開(kāi)挖時(shí)刀盤(pán)切削性能的差異，中鐵隧道裝備制造有限公司發(fā)明了一種盾構(gòu)及TBM滾刀試驗(yàn)臺(tái)(CN102788693A)，可以模擬多把TBM滾刀在垂直或水平狀態(tài)下刀具破巖過(guò)程。上述TBM切削試驗(yàn)裝置均對(duì)原巖賦存環(huán)境進(jìn)行了理想簡(jiǎn)化，即通常采用傳統(tǒng)料倉(cāng)(或稱(chēng)土倉(cāng))裝夾事先預(yù)制好的干燥巖樣，而實(shí)際上，原巖賦存環(huán)境是極端復(fù)雜的。特別地，當(dāng)TBM在大埋深、海底或過(guò)江隧道等特殊環(huán)境下施工時(shí)，掘進(jìn)地層往往會(huì)受到地應(yīng)力場(chǎng)、地下水滲流場(chǎng)和溫度場(chǎng)(由地溫場(chǎng)和切削熱等因素引起，一般高于環(huán)境溫度)等多場(chǎng)耦合作用，原巖的物理力學(xué)性質(zhì)會(huì)與理想實(shí)驗(yàn)巖樣存在巨大差異。地層中的多場(chǎng)耦合效應(yīng)將導(dǎo)致現(xiàn)有切削實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生較大的失真。由于缺乏能夠有效模擬巖石滲流場(chǎng)-溫度場(chǎng)耦合效應(yīng)的TBM切削試驗(yàn)臺(tái)，研宄人員目前仍無(wú)法準(zhǔn)確獲知TBM刀具/刀盤(pán)在真實(shí)地層下的切削載荷特性(刀具三向力載荷、刀盤(pán)推力和刀盤(pán)扭矩等)及最佳切削參數(shù)(切深、刀間距和刀盤(pán)轉(zhuǎn)速等)；無(wú)疑，根據(jù)現(xiàn)有TBM切削實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)出的TBM會(huì)在一些耦合效應(yīng)劇烈的地層表現(xiàn)出嚴(yán)重的地質(zhì)不適應(yīng)性，延緩施工進(jìn)度，同時(shí)增加掘進(jìn)成本。
[0003]在巖土工程領(lǐng)域，存在一些裝置，例如:中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研宄所發(fā)明了一種巖石裂隙滲流實(shí)驗(yàn)裝置(CN1425906A)，用于檢測(cè)巖石裂隙滲流特性；中國(guó)礦業(yè)大學(xué)發(fā)明了一種巖石滲透實(shí)驗(yàn)裝置(CN101672763A)，可實(shí)現(xiàn)振動(dòng)條件下巖石滲流特性檢測(cè)；大連海事大學(xué)發(fā)明了一種溫度應(yīng)力環(huán)向滲流耦合作用下巖石損傷與滲流測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試方法(CN103558136A)。這些裝置模擬了巖土的單一物理場(chǎng)，且僅用于研宄巖石自身本構(gòu)特性。同時(shí)，由于技術(shù)方案的限制，這類(lèi)裝置采用的巖土試樣尺寸小，故無(wú)法留出進(jìn)行TBM刀具切削試驗(yàn)的巖樣自由面。
[0004]綜上，提供一種能夠模擬巖石滲流場(chǎng)-溫度場(chǎng)耦合效應(yīng)的TBM切削試驗(yàn)臺(tái)，為T(mén)BM，特別是應(yīng)用于大埋深、海底或過(guò)江隧道等場(chǎng)合的TBM滾刀/刀盤(pán)設(shè)計(jì)，提供準(zhǔn)確可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，是本領(lǐng)域研宄人員目前需要解決的技術(shù)問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)之不足而提供一種結(jié)構(gòu)合理，操作方便，能夠模擬巖石滲流場(chǎng)-溫度場(chǎng)耦合效應(yīng)的滲流場(chǎng)-溫度場(chǎng)模擬耦合物料倉(cāng)及采用該物料倉(cāng)的TBM切削試驗(yàn)臺(tái)。
[0006]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明一種滲流場(chǎng)-溫度場(chǎng)模擬耦合物料倉(cāng)，包括:物料倉(cāng)主體、物料安裝座、滲流采集支路、加熱注水支路、回水保壓支路；
[0007]沿所述物料倉(cāng)主體內(nèi)壁周向設(shè)置有第一承臺(tái)，第一承臺(tái)中心形成一通孔，所述物料安裝座外壁周向設(shè)置有第二承臺(tái)，所述物料安裝座橫截面形狀與所述通孔相匹配并嵌裝在所述通孔中，利用其外壁設(shè)置的第二承臺(tái)與所述物料倉(cāng)內(nèi)壁設(shè)置的第一承臺(tái)接觸使物料安裝座沿軸向定位，并將所述物料倉(cāng)主體分隔成第一承臺(tái)與物料倉(cāng)主體底板之間的密閉容腔及第一承臺(tái)以上的開(kāi)放容腔；
[0008]所述滲流采集支路與所述開(kāi)放容腔連通，該支路用于收集并記錄巖石試樣塊上表面的滲水量；
[0009]所述加熱注水支路及回水保壓支路與所述密閉容腔連通，該支路利用水泵通過(guò)注水管向所述密閉容腔中注入一定溫度的水流；所述密閉容腔的壓力由電磁溢流閥調(diào)定；
[0010]本發(fā)明一種滲流場(chǎng)-溫度場(chǎng)模擬耦合物料倉(cāng)，所述物料安裝座底板為平板或設(shè)有通孔的平板；
[0011]本發(fā)明一種滲流場(chǎng)-溫度場(chǎng)模擬耦合物料倉(cāng)，所述物料安裝座底板與物料倉(cāng)主體底板之間設(shè)有縱橫交錯(cuò)安裝的支撐筋，且所述支撐筋側(cè)壁開(kāi)有通孔；
[0012]本發(fā)明一種滲流場(chǎng)-溫度場(chǎng)模擬耦合物料倉(cāng)，所述第一承臺(tái)與第二承臺(tái)之間設(shè)有橡膠密封墊，并通過(guò)螺釘緊固密封；
[0013]本發(fā)明一種滲流場(chǎng)-溫度場(chǎng)模擬耦合物料倉(cāng)，所述滲流采集支路包括采集管、量杯，所述采集管一端連接所述開(kāi)放容腔，另一端延伸至所述量杯入口 ；
[0014]本發(fā)明一種滲流場(chǎng)-溫度場(chǎng)模擬耦合物料倉(cāng)，所述加熱注水支路包括水箱、加熱器、水泵、電磁溢流閥、注水管，所述注水管一端連接所述密閉容室，另一端分為兩路，一路連接所述電磁溢流閥后延伸至所述水箱，另一路連接有所述水泵、加熱器并延伸至所述水箱；
[0015]本發(fā)明一種滲流場(chǎng)-溫度場(chǎng)模擬耦合物料倉(cāng)，所述回水保壓支路包括排氣回水管、電磁換向閥、安全閥、水箱，所述排氣回水管一端連接所述密閉容室，另一端通過(guò)所述電磁換向閥分別與所述水箱及安全閥連接；與所述水箱連接時(shí)，用于排氣和排水；與所述安全閥連接時(shí)，用于保壓和防止過(guò)載；
[0016]本發(fā)明一種滲流場(chǎng)-溫度場(chǎng)模擬耦合物料倉(cāng)，在所述密閉容腔上還設(shè)有排水管，所述排水管利用水泵排干所述密閉容腔內(nèi)的水。
[0017]本發(fā)明一種TBM切削試驗(yàn)臺(tái)，所述切削試驗(yàn)臺(tái)包括滲流場(chǎng)-溫度場(chǎng)模擬耦合物料倉(cāng)；
[0018]本發(fā)明一種TBM切削試驗(yàn)臺(tái)，所述滲流場(chǎng)-溫度場(chǎng)模擬耦合物料倉(cāng)安裝在縱向移動(dòng)底座上，所述縱向移動(dòng)底座通過(guò)縱向油缸驅(qū)動(dòng)作平動(dòng)；
[0019]本發(fā)明一種TBM切削試驗(yàn)臺(tái)，所述切削試驗(yàn)臺(tái)還包括主機(jī)架、動(dòng)力傳動(dòng)裝置、刀盤(pán)系統(tǒng)；
[0020]所述主機(jī)架包括橫梁、立柱和底座；所述縱向移動(dòng)底座安裝在所述底座上；所述立柱的一端左右對(duì)稱(chēng)地安裝于所述底座上，另一端安裝有所述橫梁；
[0021]所述刀盤(pán)系統(tǒng)安裝于所述動(dòng)力傳動(dòng)裝置下；
[0022]在所述橫梁上安裝有垂直油缸，其活塞桿端部與所述動(dòng)力傳動(dòng)裝置連接，驅(qū)動(dòng)所述動(dòng)力傳動(dòng)裝置與所述刀盤(pán)系統(tǒng)作垂直方向運(yùn)動(dòng)；
[0023]本發(fā)明一種TBM切削試驗(yàn)臺(tái)，所述縱向移動(dòng)底座通過(guò)導(dǎo)軌滑輪機(jī)構(gòu)安裝在所述底座上；所述縱向移動(dòng)底座與所述縱向油缸的活塞桿連接，并在所述縱向油缸的推動(dòng)下帶動(dòng)所述滲流場(chǎng)-溫度場(chǎng)模擬耦合物料倉(cāng)相對(duì)于所述底座作縱向運(yùn)動(dòng)；所述滲流場(chǎng)-溫度場(chǎng)模擬耦合物料倉(cāng)不但能夠移動(dòng)至所述刀盤(pán)系統(tǒng)正下方，也可偏離該刀盤(pán)系統(tǒng)；
[0024]本發(fā)明一種TBM切削試驗(yàn)臺(tái)，所述刀盤(pán)系統(tǒng)通過(guò)垂直設(shè)置于所述橫梁上的導(dǎo)向桿沿鉛垂方向?qū)颍?br>[0025]所述刀盤(pán)系統(tǒng)用于安裝固定滾刀，且所述滾刀在所述刀盤(pán)系統(tǒng)上的相對(duì)位置可調(diào)；
[0026]所述動(dòng)力傳動(dòng)裝置提供所述刀盤(pán)系統(tǒng)完成回轉(zhuǎn)滾壓破巖運(yùn)動(dòng)所需扭矩，以及傳遞用以驅(qū)動(dòng)所述刀盤(pán)系統(tǒng)完成垂直上下運(yùn)動(dòng)所需的動(dòng)力；
[0027]為了提高結(jié)構(gòu)剛度和結(jié)構(gòu)受力均勻性，采用四根所述立柱和四根所述導(dǎo)向桿周向?qū)ΨQ(chēng)布置；為了提供充沛的切削扭矩，所述動(dòng)力傳動(dòng)裝置采用兩套對(duì)稱(chēng)布置的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)；
[0028]所述巖石試樣塊安置于所述滲流場(chǎng)-溫度場(chǎng)模擬耦合物料倉(cāng)的物料安裝座內(nèi)，且所述巖石試樣塊與所述物料安裝座內(nèi)壁之間的縫隙由填縫劑填充。
[0029]本發(fā)明由于采用上述技術(shù)方案，制備的滲流場(chǎng)-溫度場(chǎng)模擬耦合物料倉(cāng)可以模擬巖石滲流場(chǎng)-溫度場(chǎng)耦合效應(yīng)，包括本發(fā)明滲流場(chǎng)-溫度場(chǎng)模擬耦合物料倉(cāng)的TBM切削試驗(yàn)臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)不同強(qiáng)度的滲流場(chǎng)和溫度場(chǎng)單獨(dú)作用下以及滲流場(chǎng)-溫度場(chǎng)耦合作用下TBM破巖實(shí)驗(yàn)。本發(fā)明TBM切削試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)合理，操作方便。
【附圖說(shuō)明】
[0030]附圖1為本發(fā)明滲流場(chǎng)-溫度場(chǎng)模擬耦合物料倉(cāng)(含巖石試樣塊)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]附圖2為圖1中A局部放大示意圖；
[0032]附圖3為本發(fā)明TBM切削試驗(yàn)臺(tái)主視圖；
[0033]附圖4為圖3的右視圖；
[0034]附圖5為圖3中B局部放大示意圖；
[0035]圖中:
[0036]1、滲流場(chǎng)-溫度場(chǎng)模擬耦合物料倉(cāng)；
[0037]1-1、物料倉(cāng)主體；1-1_1、第一承臺(tái)；1-1_2、通孔(第一承臺(tái)處)；1_1_3、物料倉(cāng)主體底板；
[0038]1-2、物料安裝座；1-2-1、第二承臺(tái)；1-2-2、物料安裝座底板；
[0039]1-3、密閉容腔；
[0040]1-4、開(kāi)放容腔；
[0041]1-5、橡膠密封墊；
[0042]1-6、螺釘；