一种导轨式激光微波联合辅助TBM滚刀破岩试验装置

一种导轨式激光微波联合辅助tbm滚刀破岩试验装置
技术领域
1.本实用新型涉及岩土工程及隧道工程技术领域，尤其涉及一种导轨式激光微波联合辅助tbm滚刀破岩试验装置。


背景技术：

2.全断面隧道掘进机是通过刀盘施加扭矩和推力，滚刀切割实现掌子面岩体破碎的大型工程装备，具有高效、快速、优质、安全等突出优势。tbm滚刀直接与岩体产生相互作用，由于硬岩含有硬度高、耐磨性矿物质，滚刀贯入岩体困难。tbm滚刀在掘进过程中磨损严重、更换频繁，导致掘进效率低、施工成本高。在tbm掘进施工过程中，刀具消耗资金约占整个工程造价的管线辅助架20％～30％，刀具的检查、更换和刀盘维护等作业时间约占整个工程施工时间的三分之一。
3.现有的tbm滚刀试验台没有激光和微波等技术的嵌入方式，激光和微波辅助破岩的研究依旧停留在机理研究，缺少试验装置可以模拟激光和微波联合辅助tbm滚刀破岩。
4.为解决上述问题，本技术中提出一种导轨式激光微波联合辅助tbm滚刀破岩试验装置。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种导轨式激光微波联合辅助tbm滚刀破岩试验装置，其激光和微波的辅助使岩石热破裂或热熔化降低岩石的强度，增大滚刀的贯入度，减少刀具的磨损，降低更换频率，提升破岩效率，从而缩短工期和成本。
6.为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：
7.一种导轨式激光微波联合辅助tbm滚刀破岩试验装置，包括四个机架，四个所述机架共同安装有垂直液压缸，所述垂直液压缸的输出端固定连接有活动横梁，所述活动横梁的底部安装有加载装置，所述加载装置的底部固定连接有滚刀架，所述滚刀架上安装有滚刀卡扣，所述滚刀架的下侧安装有滑动轨道，所述滑动轨道的底部安装有两个滚刀，所述滚刀的下侧设有设备横架，所述加载装置的下侧固定连接有两个可调节架，两个所述可调节架共同与设备横架相固定，所述设备横架的下侧设有试样卡槽，所述设备横架的下侧安装有微波发射器，所述设备横架的下侧安装有两个喷气系统，每个所述喷气系统的底部均安装有活动激光发射头，所述设备横架的下侧安装有设备挡板，所述试样卡槽上安装有两个液压加载器，每个所述液压加载器的输出端均安装有试样固定片，所述试样卡槽内放置有岩石试样，左侧和右侧的两个所述机架均共同安装有设备横梁，每个所述设备横梁上均安装有导轨槽，两个所述导轨槽上安装有与其滑动的导轨车，所述导轨车上安装有弯波导，所述弯波导的外壁套设有管线辅助架，所述管线辅助架与机架固定连接，所述弯波导的另一端安装有微波发生器，所述微波发生器的底部安装有激光发射器，所述激光发射器远离滚刀的一侧安装有控制台。
8.优选地，所述加载装置位于垂直液压缸的正下方设置。
9.优选地，所述活动横梁与滚刀的运行方向平行。
10.优选地，通过滚刀卡扣对滚刀进行安装固定。
11.优选地，所述可调节架上设有多个等间距的螺孔，通过螺栓与设备横架进行固定。
12.优选地，所述设备挡板通过焊接与设备横架进行固定。
13.本实用新型与现有技术相比，其有益效果为：
14.1、本实用新型可以进行激光辅助tbm滚刀破岩、微波辅助tbm滚刀破岩、激光微波联合tbm滚刀破岩等多种试验，用途更广，兼容性强。
15.2、本实用新型可以对岩石试样施加不同的围压，模拟的工况更接近真实工况。
16.3、本实用新型可以根据试验需要，安装多个微波发射器和激光发射头，并且具备兼容性，有预留安装水射流等其他设备的空间。
17.4、本实用新型岩石试样的尺寸不固定，可在一定范围内根据需要调节，适应性强，且较为经济。
18.综上所述，激光和微波的辅助使岩石热破裂或热熔化降低岩石的强度，增大滚刀的贯入度，减少刀具的磨损，降低更换频率，提升破岩效率，从而缩短工期和成本。
附图说明
19.图1为本实用新型提出的一种导轨式激光微波联合辅助tbm滚刀破岩试验装置的正视图；
20.图2为本实用新型提出的一种导轨式激光微波联合辅助tbm滚刀破岩试验装置的侧视图；
21.图3为本实用新型提出的一种导轨式激光微波联合辅助tbm滚刀破岩试验装置中部分机构示意图。
22.图中：1垂直液压缸、2活动横梁、3加载装置、4滚刀架、5滚刀卡扣、6滑动轨道、7滚刀、8设备横架、9可调节架、10试样卡槽、11微波发射器、12喷气系统、13活动激光发射头、14设备挡板、15液压加载器、16试样固定片、17岩石试样、18设备横梁、19弯波导、20管线辅助架、21导轨车、22微波发生器、23激光发射器、24控制台。
具体实施方式
23.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。
24.参照图1-3，一种导轨式激光微波联合辅助tbm滚刀破岩试验装置，包括四个机架，四个机架共同安装有垂直液压缸1，垂直液压缸1的输出端固定连接有活动横梁2，活动横梁2的底部安装有加载装置3，加载装置3位于垂直液压缸1的正下方设置，加载装置3架设在活动横梁2上，能够控制滚刀7线性切割破岩，并且得出加载的荷载。
25.加载装置3的底部固定连接有滚刀架4，滚刀架4上安装有滚刀卡扣5，通过滚刀卡扣5对滚刀7进行安装固定，可用于更换滚刀7类型和调节滚刀7间距，加载系统用于控制测得加载力。
26.滚刀架4的下侧安装有滑动轨道6，滑动轨道6的底部安装有两个滚刀7，活动横梁2与滚刀7的运行方向平行，用于提供轨道，承载并保证滚刀7破岩系统能够沿线性移动，同时带动设备横架8上激光发射头和微波发射头与滚刀7同时运动，从而模拟tbm上激光微波设备距滚刀7的距离。
27.滚刀7的下侧设有设备横架8，加载装置3的下侧固定连接有两个可调节架9，两个可调节架9共同与设备横架8相固定，可调节架9上设有多个等间距的螺孔，通过螺栓与螺孔的配合将设备横架8进行固定，控制活动激光发射头13、微波发射器11距滚刀7的距离。
28.设备横架8的下侧设有试样卡槽10，设备横架8的下侧安装有微波发射器11，设备横架8的下侧安装有两个喷气系统12，喷气系统12通过高速的气体经喷射头携走和排除激光照射后岩石产生的气、液、固多相混合物。
29.每个喷气系统12的底部均安装有活动激光发射头13，活动激光头13可以调节角度，发射多条不同角度激光束，设备横架8的下侧安装有设备挡板14，设备挡板14通过焊接与设备横架8进行固定，试样卡槽10上安装有两个液压加载器15，每个液压加载器15的输出端均安装有试样固定片16，试样卡槽10内放置有岩石试样17，通过两个液压加载器15，布置在岩石试样17的两个不同方向，用于固定岩石试样17并且对岩石试样17提供围压，用于模拟掌子面岩体所受围压，试样固定片16和试样卡槽10可根据岩石试样17的尺寸固定岩石试样。
30.左侧和右侧的两个机架均共同安装有设备横梁18，每个设备横梁18上均安装有导轨槽，两个导轨槽上安装有与其滑动的导轨车21，供活动导轨车21滑动，导轨车21上安装有弯波导19，弯波导19的外壁套设有管线辅助架20，通过管线辅助架20、导轨车21上的设备横架8控制活动激光发射头13距微波发射器11的位置，对岩石致裂、熔化以及汽化为主的辅助破岩，管线辅助架20可以铺设活动激光发射头13、微波发射头11、喷气系统12等线路管道，保证管线不影响活动激光发射头13和微波发射器11的移动，预留可装设水射流等设备安装口。
31.管线辅助架20与机架固定连接，弯波导19的另一端安装有微波发生器22，微波发生器22产生微波，经波导管、弯波导19至微波发射器11输出微波，微波对岩石试样17进行微波致裂，微波发生器22的底部安装有激光发射器23，激光发射器23远离滚刀7的一侧安装有控制台24，控制台24控制活动激光发射头13发射激光的功率和模式。
32.本实用新型中，(1)、将实验的岩石试样17放置在试样卡槽10里面，通过液压加载器15和试样固定片16将岩块固定，且施加给岩石试样17所需围压，用于模拟掌子面岩体所受围压；(2)、通过螺栓固定导轨车21在可调节架9上连接位置，从而控制激光发射头9、微波发生器22距滚刀7的距离；(3)、选择滚刀7的类型(单滚刀、双滚刀、多滚刀)以及滚刀7的刀间距，通过滑动轨道6在滚刀架4上安装滚刀7，用滚刀卡扣5固定滚刀7；(4)、在导轨车21上安装活动激光发射头13，可以安装单个或多个活动激光发射头13，激光束的倾斜角度可调控。通过控制台24控制激光发射器23的模式：1.连续发射、2.间断发射、3.间断频率及调控激光的功率。根据需要打开喷气系统12吹散岩石产生的玻璃釉；(5)、在导轨车21上安装微波发射器11，根据研究目的调节微波发生器22的参数，微波作用的范围，微波发射器11距活动激光发射头13之间距离；(6)、控制激光发射器23产生激光，通过激光分光器产生多束激光束，激光束经布置在管线辅助架20中的光纤，由活动激光发射头13将激光束作用在岩石
试样17上；(7)、控制微波发生器22产生微波，经弯波导19传导，由微波发射器11发射，照射在岩石试样17上。管线布置在管线辅助架20中；(8)、通过控制台24控制垂直液压缸1工作，加载装置3逐渐将滚刀7滚动接近岩石试样17，对岩石试样17进行破岩，利用设备挡板14对激光微波设备进行保护。滚刀切割系统在活动横梁2沿水平移动，带动滚刀架4及可调节架9移动，可调节架9使导轨车21在设备横梁18上随活动横梁2移动。控制滚刀7、微波发射器11、激光发射头13同步对岩石试样17进行作用，用于模拟真实的激光微波联合tbm滚刀对掌子面破岩试验。
33.激光辅助滚刀破岩试验：进行激光微波联合辅助破岩模式时，不进行(5)、(7)步骤。
34.微波辅助滚刀破岩试验：进行激光微波联合辅助破岩模式时，不进行(4)、(6)步骤。