[发明专利]一种用于硬质土层的盾构刀具磨损实验装置及使用方法

说明书

本发明公开了一种用于硬质土层的盾构刀具磨损实验装置及使用方法，其中实验装置包括实验箱，所述实验箱内设置有土样和动力轴，所述土样为天然硬质土或加入调节剂的条件硬质土，所述动力轴沿竖向设置于实验箱内，且在动力轴上设置有刀具载体，所述刀具载体上设置有实验刀具，所述动力轴带动刀具载体在土样中旋转及上下移动，所述动力轴上还设置有扭矩传感器。本发明中的实验装置能够模拟盾构机在土层中的掘进过程，可用于研究不同土样中对刀具的磨损，以及硬质土调理对盾构刀具磨损的影响，从而指导隧道设计人员和改性剂生产者在不同硬质土和地下条件下的最佳磨损选择，以便更好地指导盾构隧道设计与施工。

技术领域

本发明涉及盾构开挖技术领域，特别涉及一种用于硬质土层的盾构刀具磨损实验装置及使用方法。

背景技术

盾构机在掘进过程中会发生刀具磨损现象，而恢复磨损的刀具需要花费较多的时间及物力，因而会对隧道施工产生不利影响。为了仔细规划施工时间、施工成本和开挖过程，对盾构刀具磨损的研究已成为当今研究的基础。因此，隧道工程技术人员需要有可行的、经过检验的实验室程序，才能提供可靠的结果，可用于预测磨损情况。许多研究都涉及到这个问题，并且已经提出了不同的设备和程序，但是没有得到普遍认可的测试。

TBM岩体开挖中使用的滚动式刀具(即滚刀)的磨损已得到广泛的分析，标准化的试验已被提出并被技术文献所接受。最常用的实验室测试是：维克斯试验、Cerchar试验、LPCP磨耗计试验和NTNU磨损试验。考虑到硬质土的磨损，主要影响土的土压力分布和液压盾构TBM。众所周知，地层磨耗性主要受原地地层特征(均质性、密度、孔隙度)、沉积特征(矿物成分和颗粒形状)和颗粒力学特征(单轴抗压强度和硬质矿物含量)的影响。

此外，在掘进中，对硬质土的调控完全改变了磨损模式，导致工具与嵌入钻头和刀盘糊状塑性土一起工作。当预计会遇到磨损问题时，应在开始挖掘之前进行正确的调控设计。研究主要是确定一种能够将硬质土特性与工具寿命联系起来的指标。到目前为止，各种研究都提出了不同的试验方法，它们一般是以硬质土内部旋转的磨损元件为基础的。已有关于硬质土水分对磨损的影响、钢硬度的影响的试验表明：磨损量与水分之间的关系呈钟状变化，最大磨损量约为测试硬质土中水分含量的7-10％；钢硬度越大材料磨损较少。

根据Peila等人评估的程序，对条件硬质土进行了最佳可作业性的调节。奥纳特·萨拉扎等人对这一测试程序进行了改进，降低转速并使用钢制圆盘。Hedayatzadeh等人(2015年)研究了压力作用下更复杂的磨损工具在不同条件设定下的影响。Gharahbagh等人(2014年)利用他先前开发的装置，对硅砂泡沫处理的影响进行了实验研究。他们的结果突出了硅砂泡沫在减少磨损方面的重要性，但很少有人研究过硬质土调理对磨损的影响。因此，有必要提供一种硬质土层的盾构刀具磨损实验装置，以便研究对硬质土进行调理如何影响盾构刀具磨损情况的试验。

发明内容

本发明目的在于：为了研究对硬质土进行调理如何影响盾构刀具磨损情况的问题，提供一种用于硬质土层的盾构刀具磨损实验装置，该装置能够模拟盾构机在土层中的掘进过程，可用于研究在不同土样中进行盾构施工时对盾构刀具的磨损情况，以便更好地指导盾构隧道设计与施工。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于硬质土层的盾构刀具磨损实验装置，包括实验箱，所述实验箱内设置有土样和动力轴，所述土样为天然硬质土或加入调节剂的条件硬质土，所述动力轴沿竖向设置于实验箱内，且在动力轴上设置有刀具载体，所述刀具载体上设置有实验刀具，所述动力轴带动刀具载体在土样中旋转及上下移动，所述动力轴上还设置有扭矩传感器。