一种卧式射流-机械联合破岩试验装置及方法

摘要

本公开提供了一种卧式射流‑机械联合破岩试验装置及方法，装置包括卧式基座，所述卧式基座的一端设置有多模式刀盘，所述多模式刀盘上设置有射流‑机械联合刀具，所述卧式基座的另一端设置有用于承载岩样的围岩应力模拟仓；多模式刀盘与驱动机构连接，所述多模式刀盘被配置为在驱动机构的作用下，沿所述卧式基座水平推进并旋转，使得射流‑机械联合刀具能够作用于所述岩样。

权利要求

1.一种卧式射流‑机械联合破岩试验装置，其特征是：包括卧式基座，所述卧式基座的一端设置有多模式刀盘，所述多模式刀盘上设置有射流‑机械联合刀具，所述卧式基座的另一端设置有用于承载岩样的围岩应力模拟仓；

所述多模式刀盘与驱动机构连接，所述多模式刀盘被配置为在驱动机构的作用下，沿所述卧式基座水平推进并旋转，使得射流‑机械联合刀具能够作用于所述岩样；

所述多模式刀盘包括刀盘基座、高压旋转接头、分流器、射流‑机械联合刀具和管路，所述刀盘基座一侧设置所述射流‑机械联合刀具，所述刀盘基座的另一侧设置有高压旋转接头，所述高压旋转接头与分流器连接，所述分流器与各射流‑机械联合刀具中的射流喷头通过管路连接；

所述射流‑机械联合刀具包括测量组件，所述测量组件包括测距传感器，所述测距传感器设置于刀架上，用于监测滚刀距离目标物体的距离。

2.如权利要求1所述的一种卧式射流‑机械联合破岩试验装置，其特征是：所述射流‑机械联合刀具包括刀座，刀座上可拆卸设置有机械刀具模块和射流刀具模块，且所述射流刀具模块与机械刀具模块的相对位置可调。

3.如权利要求2所述的一种卧式射流‑机械联合破岩试验装置，其特征是：各刀座安装在刀盘的安装机构上，各刀座之间的距离通过调节机构调整，且各刀座上设置有锁紧机构；

刀座上设置有滑轨，滑轨上可活动连接有滑块，所述滑块上设置射流刀具模块，所述刀座中间设置机械刀具模块。

4.如权利要求1所述的一种卧式射流‑机械联合破岩试验装置，其特征是：所述射流刀具模块包括设置于滑块上的可调节支架，所述可调节支架上可转动设置有机械臂，机械臂上设置有射流喷嘴，所述射流喷嘴能够与和射流液体供给机构相连的软管连接。

5.如权利要求1所述的一种卧式射流‑机械联合破岩试验装置，其特征是：所述测量组件还包括三向力传感器和压力监测传感器，三向力传感器置于刀座上，用于监测破碎目标物体过程中破岩刀具的受力，压力传感器置于射流喷嘴与射流液体供给机构之间，用于监测射流输出压力值。

6.如权利要求1所述的一种卧式射流‑机械联合破岩试验装置，其特征是：所述卧式基座包括反力架，所述反力架包括横梁、前反力板、后反力板、底座、推进导向轨和岩仓导向轨，其中，所述横梁和底座平行布设，前反力板、后反力板的上下侧分别连接横梁和底座的两端，形成框架结构，所述横梁和底座上均设置有推进导向轨，以引导多模式刀盘水平移动，岩仓导向轨设于底座上，并与围岩应力模拟仓滑动连接。

7.如权利要求1所述的一种卧式射流‑机械联合破岩试验装置，其特征是：所述围岩状态模拟仓包括仓体外框、加压油缸与垫板，所述仓体外框为加压油缸提供反力，加压油缸在仓体外框三个方向布设，对垫板施加压力并传递给岩样，实现岩样三向受力状态模拟。

8.如权利要求1所述的一种卧式射流‑机械联合破岩试验装置，其特征是：所述驱动机构包括推进油缸、传力板、传力筒、驱动马达、变速箱和轴承，所述推进油缸为多个，安装在卧式基座的后反力板上，推进油缸的活塞杆与传力板铰接，传力板的端部与推进导向轨滑动连接，传力板与传力筒固接，传力筒上固定所述驱动马达和轴承的外圈，轴承内圈与多模式刀盘连接，驱动马达通过变速箱连接轴承内圈。

9.如权利要求1‑8中任一项所述的卧式射流‑机械联合破岩试验装置的工作方法，其特征是：调整射流‑机械联合刀具的射流喷嘴与机械刀具的相对位置和数量、射流的靶距或/和喷射角度，形成射流与机械刀具的基本加载组合；调整加载组合相同/不同的多个联合刀具在多模式刀盘上的安装位置，形成具有特定的加载模式和加载组合的刀盘；驱动多模式刀盘沿所述卧式基座水平运动并旋转，使得射流‑机械联合刀具能够作用于围岩应力模拟仓内的岩样，进行掘进试验。

说明书

一种卧式射流‑机械联合破岩试验装置及方法

技术领域

[0001] 本公开属于地下工程掘进技术领域，具体涉及一种卧式射流‑机械联合破岩试验装置及方法。

背景技术

[0002] 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。

[0003] 随着我国基础设施建设不断加强，引水隧洞、道路交通等隧道工程建设逐年增多，且向着长线路，大埋深及大断面方向发展，给隧道修建带来了新的挑战。目前，在隧道修建
当中，TBM施工技术与传统钻爆法相比其具有安全、经济、高效等优点而被广泛应用于隧道
工程，但是在遇到高磨蚀性、大埋深的坚硬岩石时，其掘进效率会大大降低，具体表现为滚
刀贯入度降低、刀具磨损加剧、轴承驱动寿命降低、刀盘开裂等问题，严重影响了施工进度，
增加了掘进成本。

[0004] 针对目前TBM掘进存在的不足，为了更好地实现高效破岩目标，人们提出了以激光、水射流、微波等一种或多种技术辅助TBM刀具破岩的联合破岩方式。其中，水射流与TBM
机械刀具联合破岩的相关理论及技术相对匮乏；水射流与机械刀具以什么方式联合、水射
流喷嘴与机械刀具在数量、相对位置等方面的参数如何确定，都是制约射流‑机械联合高效
破岩工业应用的技术难题。目前尚没有一种能够真实模拟TBM在射流‑机械破岩模式下掘进
的试验装置。

发明内容

[0005] 本公开为了解决上述问题，提出了一种卧式射流‑机械联合破岩试验装置及方法，本公开采用卧式结构，利用多模式刀盘沿水平方向推进旋转、连续切削岩石；岩石可施加三
向围压，最大限度还原了TBM破岩掘进过程；采用具有多自由度的射流‑机械联合破岩刀具，
使得射流的靶距、喷射角度、射流喷嘴与机械刀具的相对位置和数量等参数条件均可以调
节，获得多模式的射流‑机械加载组合，以便开展射流‑机械联合破岩理论研究。

[0006] 根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

[0007] 一种卧式射流‑机械联合破岩试验装置，包括卧式基座，所述卧式基座的一端设置有多模式刀盘，所述多模式刀盘上设置有射流‑机械联合刀具，所述卧式基座的另一端设置
有用于承载岩样的围岩应力模拟仓；

[0008] 所述多模式刀盘与驱动机构连接，所述多模式刀盘被配置为在驱动机构的作用下，沿所述卧式基座水平推进并旋转，使得射流‑机械联合刀具能够作用于所述岩样。

[0009] 上述技术方案中，基座为卧式结构利用多模式刀盘沿水平方向推进旋转、连续切削岩石，能够与实际掘进条件和掘进过程一致，最大限度的模拟TBM掘进真实场景。

[0010] 同时，多模式刀盘上还设置有射流‑机械联合刀具，能够进行不同情况的破岩研究。

[0011] 作为可选择的实施方式，所述多模式刀盘包括刀盘基座、高压旋转接头、分流器、射流‑机械联合刀具和管路，所述刀盘基座一侧设置所述射流‑机械联合刀具，所述刀盘基
座的另一侧设置有高压旋转接头，所述高压旋转接头与分流器连接，所述分流器与各射流‑
机械联合刀具中的射流喷头通过管路连接。

[0012] 作为可选择的实施方式，所述射流‑机械联合刀具包括刀座，刀座上可拆卸设置有机械刀具模块和射流刀具模块，且所述射流刀具模块与机械刀具模块的相对位置可调。

[0013] 作为可选择的实施方式，所述刀座上设置有滑轨，滑轨上可活动连接有滑块，所述滑块上设置射流刀具模块，所述刀座中间设置机械刀具模块，所述机械刀具模块包含刀体
和刀架。

[0014] 作为可选择的实施方式，所述射流刀具模块包括设置于滑块上的可调节支架，所述可调节支架上可转动设置有机械臂，机械臂上设置有射流喷嘴，所述射流喷嘴能够与和
射流液体供给机构相连的软管连接。

[0015] 所述射流‑机械联合刀具还包括测量组件，所述测量组件包括测距传感器、三向力传感器和压力监测传感器，所述测距传感器设置于刀架上，用于监测滚刀距离目标物体的
距离，三向力传感器置于刀座上，用于监测破碎目标物体过程中破岩刀具的受力，压力传感
器置于射流喷嘴与射流液体供给机构之间，用于监测射流输出压力值。

[0016] 作为可选择的实施方式，所述可调节支架包括带有圆杆的第一连杆与带有圆孔的第二连杆，第二连杆的另一端与所述滑块连接，所述可调节支架与刀架平行，第一连杆和第
二连杆通过圆杆和圆孔连接并设有锁紧螺丝，实现所述第一连杆和第二连杆之间高度可调
以及角度可调，所述射流机械臂与第一连杆相连，通过调节射流机械臂和可调节支架的姿
态，调节喷嘴与喷射目标的距离及方位。

[0017] 作为可选择的实施方式，所述多模式刀盘的刀盘基座上设置有刀具安装机构和调节机构，刀具安装机构上安装有多个刀座，各刀座之间的距离通过调节机构调整，且各刀座
上设置有锁紧机构。

[0018] 作为可选择的实施方式，所述卧式基座包括反力架，所述反力架包括横梁、前反力板、后反力板、底座、推进导向轨和岩仓导向轨，其中，所述横梁和底座平行布设，前反力板、
后反力板的上下侧分别连接横梁和底座的两端，形成框架结构，所述横梁和底座上均设置
有推进导向轨，以引导多模式刀盘水平移动，岩仓导向轨设于底座上，并与围岩应力模拟仓
滑动连接。

[0019] 作为可选择的实施方式，所述围岩状态模拟仓包括仓体外框、加压油缸与垫板，所述仓体外框为加压油缸提供反力，加压油缸在仓体外框三个方向布设，对垫板施加压力并
传递给岩样，实现岩样三向受力状态模拟。

[0020] 作为可选择的实施方式，所述驱动机构包括推进油缸、传力板、传力筒、驱动马达、变速箱和轴承，所述推进油缸为多个，安装在卧式基座的后反力板上，推进油缸的活塞杆与
传力板铰接，传力板的端部与推进导向轨滑动连接，传力板与传力筒固接，传力筒上固定所
述驱动马达和轴承的外圈，轴承内圈与多模式刀盘连接，驱动马达通过变速箱连接轴承内
圈。

[0021] 上述卧式射流‑机械联合破岩试验装置的工作方法，调整射流‑机械联合刀具的射流喷嘴与机械刀具的相对位置和数量、射流的靶距或/和喷射角度，形成射流与机械刀具的
基本加载组合；调整加载组合相同/不同的多个联合刀具在多模式刀盘上的安装位置，形成
具有特定的加载模式和加载组合的刀盘；驱动多模式刀盘沿所述卧式基座水平运动并旋
转，使得射流‑机械联合刀具能够作用于围岩应力模拟仓内的岩样，进行掘进试验。

[0022] 与现有技术相比，本公开的有益效果为：

[0023] 本公开的装置整体结构采用卧式结构，使得刀盘破岩的姿态与真实TBM相同，能够真实模拟TBM破岩姿态和岩体的受载环境；另外，卧式结构条件下，岩石切割面竖直，切割下
来的岩渣在自重作用下脱落，避免了岩渣被再次切割，实现了刀盘连续切割岩石方案，与
TBM实际破岩方式相同。

[0024] 本公开将射流‑机械联合刀具、高压旋转接头、分流器等部件与刀盘基座集成为多模式刀盘，解决了联合刀具随刀盘旋转时水射流传输的问题，实现了刀盘主动旋转破岩的
试验方案，与TBM实际工作相同，试验结果的指导作用更有效。

[0025] 本公开提出的多模式刀盘上设有刀具安装机构，与射流‑机械联合刀具相配合，通过联合刀具数量、相对位置的改变，加上联合刀具本身提供的多种射流‑机械组合方式，能
够实现多模式、多种加载组合的射流‑机械破岩测试，为全面研究射流破岩、机械破岩、射
流‑机械联合破岩提供了一种有效的试验装备。

[0026] 本公开的多自由度、可拆卸的射流‑机械联合刀具，该刀具将机械刀具、射流刀具、测量装置集成为一体，射流刀具围绕机械刀具全方位可调，射流喷嘴的入射角度、射流靶距
可调；改变射流刀具与机械刀具的相对位置，即可形成多种射流刀具与机械刀具的加载组
合，为多模式、多加载组合破岩提供了基础。

[0027] 本公开的射流刀具、机械刀具、测量装置均可拆卸，为进行射流破岩、机械破岩、水射流‑机械联合破岩方式的转换创造了便利条件，同时也为充分利用了刀盘空间，组成多种
破岩加载方式奠定了基础。将可拆卸的测量装置集成在联合刀具上，联合刀具在刀盘上改
变安装位置时，测量装置跟随改变，不需要再次进行组装与调试，节省试验准备时间；同时，
测量装置的可拆卸功能，便于维修、更换、升级。

[0028] 本公开中的联合刀具与刀盘旋转带动刀具破岩的工作方式相适应，机械刀具、射流刀具、测量装置都安装在刀座上，刀盘旋转时，刀座上机械刀具与射流刀具的相对位置固
定，在目标物表面的加载点不随刀盘旋转而改变，为研究最优加载组合方式等问题提供了
必要条件；刀盘旋转时，测量装置与刀具的相对位置固定，测量结果更有效，比如测量贯入
度时，如果测量装置与刀具相对位置不固定，那么测量结果是错误的。

[0029] 本公开考虑了样机试验工况，在辅助装置配合下，能够胜任样机破岩测试，不仅扩大本公开的测试范围，更为推进射流‑机械破岩方式的工业应用提供了测试装备支持。

[0030] 本公开整体结构合理，测试方法简单，切实可行，易于推广。

附图说明

[0031] 构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

[0032] 图1是本公开整体结构示意图；

[0033] 图2是本公开整体结构剖面示意图；

[0034] 图3是本公开动力装置局部剖面结构示意图；

[0035] 图4是本公开围岩状态模拟仓剖面结构示意图；

[0036] 图5是本公开围岩状态模拟仓整体结构示意图；

[0037] 图6是本公开多模式刀盘剖面结构示意图；

[0038] 图7是本公开多模式刀盘整体结构示意图；

[0039] 图8是本公开射流‑机械联合刀具正视图；

[0040] 图9是本公开射流‑机械联合刀具侧视图；

[0041] 图10是本公开射流‑机械联合刀具结构三维示意图；

[0042] 图11是本公开射流‑机械逐次破岩测试中刀具组合示意图；

[0043] 图12是本公开射流‑机械共同破岩测试中刀具组合示意图；

[0044] 图13是本公开样机破岩测试整体示意图。具体实施方式：

[0045] 下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

[0046] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常
理解的相同含义。

[0047] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式
也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包
括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

[0048] 在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公
开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解
为对本公开的限制。

[0049] 本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于
本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，
不能理解为对本公开的限制。

[0050] 如图1所示，一种卧式射流‑机械联合破岩试验装置，包括反力架，反力架内一侧设有多模式刀盘4、驱动装置3，另一侧设置有围岩应力模拟仓2；多模式刀盘4在驱动装置3作
用下，能够向围岩应力模拟仓2所在方向移动，且旋转，进而带动多模式刀盘4上设置的射
流‑机械联合刀具5切割围岩应力模拟仓内的岩样，实现破岩试验。

[0051] 本装置既可以模拟TBM实际掘进过程中，刀盘旋转推进带动机械刀具，切割前方隧道开挖面上的岩石，以研究最优刀具模式和参数。也可以作为实际掘进工具，研究掘进工作
中掘进工具的结构兼容性、元部件磨损等。

[0052] 在进行模拟时，通过设有的围岩应力模拟仓2给岩石加压来模拟真实工程环境中的围岩状态，通过驱动装置3为多模式刀盘4提供旋转力及推进力，能够真实再现掘进机的
掘进过程，可为相关的理论研究及工程实践提供可靠的试验参数。

[0053] 具体，如图2所示，反力架包括前反力板11、后反力板12、横梁13、底座14、推进导向轨16和岩仓导向轨17，前反力板11、后反力板12分别设置在底座14的两端。在本实施例中，
前反力板11、后反力板12平行。同时，前反力板11、后反力板12之间还设置有横梁13，且横梁
13与底座14平行。整体为一个长方体框架。

[0054] 推进导向轨16包括两组，分别设于横梁13和底座14上，并与驱动装置3的传力板32滑动连接，引导多模式刀盘4平直(水平方向)推进；岩仓导向轨17设于底座上，并与围岩应
力模拟仓2滑动连接，引导围岩应力模拟仓2在反力架上移动，以出入反力架，以便装卸岩
样。

[0055] 后持力板12上设置开口15，方便样机进出，以开展样机试验。

[0056] 如图4所示，围岩状态模拟仓2包括仓体外框21、加压油缸22、23与垫板24，其中，仓体外框21为加压油缸22提供反力；加压油缸22、23在仓体外框21的不同方向(在部分实施例
中为三个方向)布设，如图5所示，对相应的垫板24施加压力并传递给岩样26，实现岩样多向
受力状态模拟；装有岩样的围岩状态模拟仓由前持力板11提供反力与多模式刀盘4的推进
力平衡。

[0057] 如图2、图3所示，驱动装置3包括推进油缸31、传力板32、传力筒33、驱动马达34、变速箱35和轴承36。在本实施例中，推进油缸31为4个(图2为侧视图，仅能看见2个)，推进油缸
31铰接于后持力板12的四个角部，其活塞杆与传力板32铰接，传力板32的上下两侧分别与
推进导向轨16滑动连接。传力板32与传力筒33固接，驱动马达34、轴承36的外圈均固定于传
力筒33上，轴承36的内圈与多模式刀盘4固接；驱动马达34通过变速箱35驱动主轴承内圈，
带动刀盘旋转，推进油缸31推动传力板32，进而推进整个刀盘前进。

[0058] 如图6所示，多模式刀盘4包括射流‑机械联合刀具5、刀盘基座41、高压旋转接头42、分流器43、刀具安装机构、调节机构和管路，刀盘基座41的中心设置有通孔；高压旋转接
头42和分流器43分别位于通孔的两端，高压旋转接头42与分流器43通过置于通孔中的管路
连接，分流器43具有多个分流支路，每个分流支路通过高压软管505连接到射流刀具的喷嘴
上。

[0059] 刀具安装机构可用多刀位安装基板、刀具滑轨等方式来实现，调解机构可用锁紧装置、丝杠等来实现。

[0060] 高压旋转接头42设置于刀盘基座41背部，一端连接射流泵组，一端连接位于刀盘基座41前部的分流器43，分流器43与刀座509、刀具安装机构、调节机构的结构兼容。

[0061] 分流器43包含多个射流出口，每个射流出口连接一根射流管路(形成一个分流支路)，并与一个射流喷嘴501连接，射流管路上设有阀门，控制射流的开启与关闭。连接分流
器与射流喷嘴的管路上设有压力传感器。

[0062] 在本实施例中刀具安装机构为刀具滑轨44，如图7所示，在本实施例中，刀盘基座41前部设有多组刀具滑轨44，本例中为3组，其中一组为长滑轨，其余为短滑轨，三组滑轨形
成“十”字型布置。

[0063] 在本实施例中，调节机构为丝杠45，管路为高压软管505。

[0064] 射流‑机械联合刀具5包括刀座509，刀座上安装有可拆卸的机械刀具和射流刀具，射流刀具由射流喷嘴501和喷嘴调节装置组成；机械刀具、射流刀具的数量可调；机械刀具
与射流刀具的相对位置可配合调节。

[0065] 在本实施例中，如图8所示，射流‑机械联合刀具包括刀座509，刀座上安装有1个三维力测量装置514、1个机械刀具和1个射流刀具，刀座的下端向外凸起形成刀座卡板511。

[0066] 三维力测量装置514上部设有承台510，承台上设有圆形滑轨508；机械刀具由刀体506和刀架507组成，刀架507利用螺栓515与承台510连接或与三维力测量装置514直接连
接；刀架侧面安装有测距装置513。

[0067] 射流刀具由射流喷嘴501、喷嘴调节臂502、射流支架503组成；喷嘴调节臂502与射流支架503通过导向装置配合连接；射流喷嘴501和喷嘴调节臂502之间亦通过导向装置配
合连接，各处连接均设有锁紧装置。射流支架503上设有支架卡槽504，与承台上圆形滑轨
508滑动连接，实现射流刀具绕机械刀具的圆周运动；本实施例中圆形滑轨上安装1个射流
刀具，并设有锁紧装置，滑轨的边缘设有定位刻度。

[0068] 在其他实施例中，射流刀具模块包括设置于滑块上的可调节支架，所述可调节支架上可转动设置有机械臂，机械臂上设置有射流喷嘴，所述射流喷嘴能够与和射流液体供
给机构相连的软管连接。

[0069] 可调节支架包括带有圆杆的第一连杆与带有圆孔的第二连杆，第二连杆的另一端与所述滑块连接，所述可调节支架与刀架平行，第一连杆和第二连杆通过圆杆和圆孔连接
并设有锁紧螺丝，实现所述第一连杆和第二连杆之间高度可调以及角度可调，所述射流机
械臂与第一连杆相连，通过调节射流机械臂和可调节支架的姿态，调节喷嘴与喷射目标的
距离及方位。

[0070] 在部分实施例中，可以利用多自由度机械臂和升降杆，调整射流喷嘴的位置与姿态。

[0071] 上述不同实施结构，实质上都是为了实现射流喷嘴的位置、角度的调整，进而改变射流靶距、射流与机械刀具在目标物体上作用点的相对位置，针对工况条件进行破岩测试，
寻找最优破岩方式和参数。

[0072] 如图10所示，刀座下端向外突出形成刀座卡板511，能够卡在刀盘的刀具滑轨44内，沿刀具滑轨44移动。

[0073] 当然，在其他实施例中，刀座卡板511为向外的突出部即可，或者为其他形式，只要能够和刀具滑轨44相适配，保证两者之间能够相对移动即可，例如一个部件具有槽部，另一
个部件具有与所述槽部相匹配的卡合部即可。

[0074] 每组刀具滑轨44配设一个丝杠45，每个刀座509上设有丝杠穿孔512，丝杠与丝杠穿孔配合，共同调节并锁定刀座509在刀盘基座上的位置；本实施例中，刀座在刀具滑轨上
安装数量是，长滑轨上安装2个刀座，短滑轨上安装1个刀座。

[0075] 所述刀盘基座41与联合刀具刀座509之间留有空隙，供高压软管505通过，刀盘基座41上的长滑轨中间部位设有孔洞，供高压软管通过；所述刀盘基座41中心设置圆形孔作
为射流管路通道；高压旋转接头42设置于刀盘基座背部，一端连接外部射流泵组，一端通过
高压软管连接位于刀盘基座前部的分流器43；分流器包含多个射流出口，每个射流出口连
接一根高压软管505，高压软管或沿着长滑轨方向直接穿过刀盘基座41和刀座509之间的空
腔，并与一个射流喷嘴501连接，或先穿过长滑轨中间部位的孔洞46，再沿着短滑轨方向穿
过刀盘基座41和刀座509之间的空腔，并与一个射流喷嘴连接，高压软管上设有阀门，控制
射流的开启与关闭。

[0076] 连接分流器43与射流喷嘴501的高压软管505上设有压力传感器。

[0077] 实验中，压力传感器实时监测试验中的射流压力，测距装置实时监测破岩过程中的贯入度，三维力测量装置实时监测滚刀破岩过程中的法向力、滚动力和侧向力数据，并将
收集到的数据传输到控制系统，并进行数据分析与处理。

[0078] 在部分实施例中，为实现特定工况的破岩试验，联合刀具刀座509可以仅单独设置机械刀具或射流刀具，也可以将联合刀具的射流刀具关闭，当作机械刀具使用。如图11所
示，一共设置四组刀具，两组为关闭射流刀具的联合刀具、两组为射流刀具。

[0079] 本实施例中的射流喷嘴为纯水连续射流喷嘴，所述机械刀具的刀体为滚刀。

[0080] 当然，在其他实施例中，射流喷嘴可以替换为脉冲水射流喷嘴、磨料水射流喷嘴、临界二氧化碳、液氮水射流喷嘴等中的任何一个。

[0081] 机械刀具的刀体也可以替换为刮刀。

[0082] 试验中刀盘旋转推进，带动刀具切割岩石，在岩面上形成许多环形切割轨迹，有滚刀形成的切割轨迹，也有射流形成的切割轨迹，这些切割轨迹之间的间距即为刀间距。显
然，刀间距包括滚刀‑滚刀刀间距和滚刀‑射流刀间距，不管哪种刀间距，只要刀间距为0，即
两个切割轨迹重合，称为同轨迹破岩，可细分为滚刀‑滚刀同轨迹破岩、滚刀‑射流同轨迹破
岩；若刀间距不为0，称为异轨迹破岩。

[0083] 刀间距是TBM掘进中的关键技术参数，也是射流‑机械联合破岩亟需研究的重要方面。刀座在多模式刀盘上的位置可以调整，实现了刀间距的自由调整，为研究滚刀‑滚刀、滚
刀‑射流组合条件下的同轨迹、异轨迹破岩提供了技术保障。

[0084] 本公开可进行多种破岩试验，包括以下测试方法：

[0085] (1)将所述射流‑机械联合刀具5的水射流关闭(参考图7‑10)，仅利用滚刀506进行机械破岩测试。也可将射流‑机械联合刀具5上的射流刀具拆除，仅利用机械刀具进行机械
破岩测试。还可将射流‑机械联合刀具5上的射流刀具和承台均拆除，将机械刀具的刀架直
接安装在三维力测量装置上部，利用机械刀具进行机械破岩测试，此时，因为拆除了承台，
刀具在刀盘上的投影面积更小，一方面可以充分利用滑轨的空间，另一方面长滑轨上两个
刀具的滚刀506之间可以挨得更近，以形成更小的刀间距，增加破岩工况。

[0086] (2)将所述射流‑机械联合刀具5的机械刀具拆除(参考图7‑11)，仅利用水射流进行射流破岩测试；也可调节射流喷嘴501、喷嘴调节臂502，使射流冲击目标物时，滚刀与目
标物不接触，采用联合刀具开展射流破岩测试。

[0087] (3)开启射流‑机械联合刀具5的水射流(参考图7‑10)，配合滚刀506进行机械‑射流联合破岩测试。

[0088] 上述机械‑射流联合破岩测试中又可细分为以下试验类型：

[0089] (1)射流‑机械逐次破岩：测试中首先由水射流在岩面上形成损伤区，比如切割裂缝、冲击坑等，再由滚刀进行切割破岩。此类测试的一种刀具组合实施方案如图11所示，将
长滑轨上的射流‑机械联合刀具的水射流关闭(对应图中射流喷嘴5011)，仅使用滚刀506，
同时将短滑轨上的射流‑机械联合刀具的滚刀拆除，仅保留并使用水射流(对应图中射流喷
嘴5012)，进行射流‑机械联合破岩测试。此类测试过程中，射流在岩面上作用点与滚刀作用
点距离较远，应力耦合作用可忽略。

[0090] (2)射流‑机械共同破岩：测试中水射流在岩面上作用点与滚刀作用点距离非常近，在岩石中形成明显的应力耦合区，达到共同破岩目的。此类测试的一种刀具组合实施方
案如图12所示，同一把射流‑机械联合刀具上的水射流(对应图中射流喷嘴5012)与滚刀506
相配合，二者在岩面上的切割作用点距离非常近或者重合，形成有效的应力耦合效果。

[0091] 上述测试方法中，可以通过调节刀座在滑轨上的位置实现同轨迹或异轨迹破岩，可以通过调节射流喷嘴的入射角度、射流靶距、射流喷嘴与滚刀的相对位置关系等，改变联
合破岩刀具的加载组合方式，增加破岩测试的多样性；此外，射流‑机械逐次破岩与射流‑机
械共同破岩方法还可以混合使用。

[0092] 在部分实施例中，反力架的后持力板12上设有开口15，使可以用来进行TBM样机测试，如图13所示。测试时，首先将驱动装置3、多模式刀盘4拆除，并在推进导向轨上安装样机
支撑梁71；然后样机6由开口15进入反力架内，安置在样机支撑梁71上，并在后持力板12上
设置样机推进反力梁72，为样机推进提供反力；样机6在自身推进油缸61推动下，与围岩状
态模拟仓2配合进行样机破岩试验。

[0093] 若不采用上述样机破岩测试方法，可以直接将本装置中的多功能刀盘4拆除，换上样机刀盘进行样机刀盘测试。

[0094] 射流‑机械联合刀具安装有三维力测量装置和测距装置，联合刀具本身具有多自由度，通过射流支架与喷嘴机械臂、喷嘴机械臂与射流喷嘴、射流刀具与机械刀具之间的调
整，射流刀具与机械刀具可相互配合成多种特定加载组合，比如射流喷嘴位于滚刀的前方、
后方或一侧，从而对岩石进行不同的联合加载，增加了射流‑机械破岩测试的多样性。当射
流刀具与机械刀具相互配合成一种特定加载组合之后，调整联合刀具在滑轨上的位置，即
是对这种特定加载组合的调整，还具备对这种加载组合破岩数据的采集功能，不需要对射
流刀具和机械刀具重新组合，不需要对三维力测量装置和测距装置进行重新安装，极大方
便了射流‑机械共同破岩试验的开展。更具体地，采用射流‑机械联合刀具方案的有益效果
为：

[0095] (1)射流‑机械联合刀具本身具有多自由度，调节射流的靶距、喷射角度、射流喷嘴与机械刀具的相对位置和数量等参数，可形成多种射流‑机械加载组合，是射流‑机械多模
式、多组合加载破岩的基础。

[0096] (2)射流‑机械联合刀具的模块化方案为简化试验准备过程、降低试验误差提供了先决条件。

[0097] 同一联合刀具上机械刀具与射流刀具可形成多种配合，每种配合对应于一种特定加载功能的联合刀具，称为第一层次的加载组合；多个联合刀具在刀盘上亦可形成多种配
合，每种配合对应于一种加载功能的刀盘，称为第二层次的加载组合。

[0098] 在第一层次的加载组合中，通过喷嘴调节装置解决了射流刀具与机械刀具的自由调整，形成射流与机械刀具的基本组合，为构建多样加载刀盘奠定了基础；

[0099] 在第二层次的组合中，联合刀具具备其组成部件的原有功能。同时，联合刀具集机械刀具、射流刀具、测量装置于一个刀座上，调整联合刀具在到盘上的位置，即是调整一种
特定加载功能的基本组合与测量装置在刀盘的位置，避免射流刀具、机械刀具分别调整带
来的误差，避免了测量装置的再次安装与校对，节省试验准备时间，方便了试验；

[0100] (3)联合刀具的刀体、刀架、承台、三维力测量装置、测距装置、射流喷嘴、喷嘴调节臂和射流支架均可拆卸，或者是其中部分机构/部件是可拆卸的，为进行射流破岩、机械破
岩、水射流‑机械联合破岩方式的转换创造了便利条件。

[0101] 在机械破岩、射流破岩试验中，可将不必要的组件拆卸下来，有助于减少刀具的体积，充分利用刀盘空间，形成更多种加载组合，同时也避免了不必要组件受损；

[0102] 在实验或者掘进过程中，如果存在部件损坏，如射流喷嘴损坏，可以单独替换射流喷嘴即可，减少投入的成本，也便于维修、更换和升级。

[0103] 联合刀具的某些部件能够替换为其他部件，调整组合，形成模块化的试验装置。

[0104] (4)联合刀具的使用降低了刀盘等部件的复杂程度，有利于减少试验台本身产生的误差。比如，如果不采用联合刀具，要想解决机械刀具与射流刀具的自由配合，实现本公
开的试验功能，则需要增加刀盘或刀具安装机构的自由度，致使刀盘或刀具安装机构的结
构更复杂，对滚刀群整体破岩刚度不利，增加试验误差。

[0105] 在上述实施例中，通过采用卧式结构，利用多模式刀盘沿水平方向推进旋转、连续切削岩石；岩石可施加三向围压，最大限度还原了TBM破岩掘进过程。卧式结构，使得刀盘破
岩的姿态与真是TBM相同，能够真实模拟TBM破岩姿态和岩体的受载环境；另外，卧式结构条
件下，岩石切割面竖直，切割下来的岩渣在自重作用下脱落，避免了岩渣被再次切割，实现
了刀盘连续切割岩石方案。

[0106] 多模式刀盘上设有刀具安装机构，与射流‑机械联合刀具相配合，通过联合刀具数量、相对位置的改变，加上联合刀具本身提供的多种射流‑机械组合方式，能够实现多模式、
多种加载组合的射流‑机械破岩测试。

[0107] 基于射流‑机械联合破岩刀具，能够研究射流与机械刀具联合的具体方式对破岩效率及能耗的影响。

[0108] 同时，还兼具TBM样机试验功能，能够为射流‑机械联合破岩技术工业化应用服务。

[0109] 以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修
改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

[0110] 上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不
需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。