一种围岩原位测试装置及方法

摘要

本发明涉及一种围岩原位测试装置及方法，测试装置包括采集装置和控制终端，采集装置包括压力盒、多个位移计和磁性底座，测试装置结构简单，对围岩力学性质进行测试时，只需将采集装置安装在TBM撑靴的外表面，采集装置的磁性底座的后端面吸附于撑靴的外表面，压力盒的前端面和多个位移计均与围岩接触，压力盒测量围岩所受的压力，位移计测量围岩和采集装置的压紧总位移，利用撑靴压紧围岩的过程，测试装置即可得到围岩的压力‑位移曲线，实现了在不影响正常施工并对已开挖隧道围岩几乎零损伤的情况下，实时、准确对围岩进行快速原位测试的目的。

权利要求

1.一种围岩原位测试装置，其特征在于，所述测试装置包括：采集装置和控制终端；

所述采集装置包括压力盒、多个位移计和磁性底座；

所述压力盒的后端面和多个所述位移计均固定在所述磁性底座的前端面；

在利用所述测试装置对围岩进行测试时，所述磁性底座的后端面吸附于全断面硬岩隧道掘进机的撑靴的外表面，所述压力盒的前端面和多个所述位移计均与所述围岩接触；所述压力盒用于测量所述围岩所受的压力；所述位移计用于测量所述围岩和所述采集装置的压紧总位移；

所述采集装置还包括：安装杆和安装杆支座；

所述安装杆支座设置在所述磁性底座上；

所述安装杆与所述安装杆支座固定连接，通过所述安装杆将所述磁性底座固定安装在所述撑靴的外表面；

所述安装杆包括：可伸缩装置杆、可伸缩手扶杆、端头连接件、转动盘、转角连接件和安装杆把手；

所述转动盘设置在所述端头连接件上；所述转动盘可垂直转动180°；

所述可伸缩装置杆的一端和所述可伸缩手扶杆的一端通过所述转角连接件连接，所述可伸缩装置杆的另一端与所述转动盘连接，所述可伸缩手扶杆的另一端与所述安装杆把手连接；

所述端头连接件与所述安装杆支座固定连接；

所述压力盒和多个所述位移计均与所述控制终端连接，所述控制终端用于同步采集所述压力盒测量的压力和多个所述位移计测量的压紧总位移，根据所述压力和所述压紧总位移确定所述围岩的压力‑位移曲线和所述压力‑位移曲线上最大压力对应的点的斜率，并根据所述斜率获得所述围岩的抗压强度，具体包括：对围岩原位测试装置的压力盒、磁性底座、承压板分别进行单轴抗压试验，分别获取所述压力盒的压力‑位移关系曲线、所述磁性底座的压力‑位移关系曲线和所述承压板的压力‑位移关系曲线；

将所述围岩原位测试装置放置于全断面硬岩隧道掘进机的撑靴处，利用所述全断面硬岩隧道掘进机的撑靴压紧所述围岩原位测试装置与围岩；

获取每个采集时间点的压力盒测量的压力和多个位移计测量的压紧总位移；

将每个采集时间点压力盒测量的压力和所述压力盒的横截面积的乘积作为每个采集时间点的围岩压力；

根据每个采集时间点的压力盒测量的压力，利用所述压力盒的压力‑位移关系曲线、所述磁性底座的压力‑位移关系曲线和所述承压板的压力‑位移关系曲线，分别确定每个采集时间点的所述压力盒的位移、所述磁性底座的位移和所述承压板的位移；

根据每个采集时间点的多个位移计测量的压紧总位移和每个采集时间点的所述压力盒的位移、所述磁性底座的位移和所述承压板的位移，确定每个采集时间点的围岩位移；

根据所述围岩压力和所述围岩位移，确定围岩的压力‑位移曲线以及所述压力‑位移曲线上最大压力对应的点的斜率；

所述压力‑位移曲线上最大压力对应的点的斜率的计算公式为其中，k为压力‑位移曲线上最大压力对应的点的斜率，F为压力‑位移曲线中的最大压力，X为压力‑位移曲线上最大压力对应的围岩位移；

在所述围岩原位测试装置测试的围岩处取芯，通过室内试验，获得斜率、弹性模量与抗压强度的对应关系表；

根据所述斜率，通过斜率、弹性模量与抗压强度的对应关系表，获得所述斜率对应的弹性模量和抗压强度。

2.根据权利要求1所述的围岩原位测试装置，其特征在于，所述采集装置还包括：承压板；

所述承压板的底面与所述压力盒的前端面固定连接；

在利用所述测试装置对围岩进行测试时，所述承压板的顶面与所述围岩接触。

3.根据权利要求1所述的围岩原位测试装置，其特征在于，所述控制终端包括：控制器、输入装置、存储器、微处理器、显示器和电池盒；

所述控制器分别与所述压力盒、多个所述位移计和所述存储器连接；所述控制器用于同步采集所述压力盒测量的压力和多个所述位移计测量的压紧总位移，并将同步采集的压力和压紧总位移均传输至所述存储器进行存储；

所述输入装置与所述存储器连接，所述输入装置用于获取斜率、弹性模量与抗压强度的对应关系表以及所述围岩的里程信息，并将所述斜率、弹性模量与抗压强度的对应关系表以及所述围岩的里程信息均存储至所述存储器；

所述微处理器与所述存储器连接，所述微处理器用于从所述存储器获取所有采集时间点的压力和压紧总位移，根据所有采集时间点的压力和压紧总位移确定所述围岩的压力‑位移曲线和所述压力‑位移曲线上最大压力对应的点的斜率，通过所述斜率、弹性模量与抗压强度的对应关系表匹配获得所述斜率对应的弹性模量和抗压强度，并将所述压力‑位移曲线、所述斜率、所述弹性模量和所述抗压强度均传输至所述存储器进行存储；

所述微处理器还与所述显示器连接，所述微处理器将所有采集时间点的压力和压紧总位移、所述压力‑位移曲线、所述斜率、所述弹性模量和所述抗压强度均传输至所述显示器进行显示；

所述控制器的电源输入端、所述存储器的电源输入端、所述微处理器的电源输入端和所述显示器的电源输入端均与共点电源输入端连接；

所述电池盒分别与所述压力盒、所述位移计、所述磁性底座和所述共点电源输入端连接。

4.根据权利要求3所述的围岩原位测试装置，其特征在于，所述控制器包括：集成芯片、总开关和多个分开关；

所述电池盒与所述总开关的输入端连接，所述总开关的输出端分别与多个所述分开关的输入端连接，多个所述分开关的输出端一一与所述压力盒、所述位移计、所述磁性底座和所述共点电源输入端连接；

所述总开关的控制端和多个所述分开关的控制端均与所述集成芯片连接。

5.一种基于如权利要求1‑4任一项所述的围岩原位测试装置的围岩原位测试方法，其特征在于，所述测试方法包括：

对围岩原位测试装置的压力盒、磁性底座、承压板分别进行单轴抗压试验，分别获取所述压力盒的压力‑位移关系曲线、所述磁性底座的压力‑位移关系曲线和所述承压板的压力‑位移关系曲线；

将所述围岩原位测试装置放置于全断面硬岩隧道掘进机的撑靴处，利用所述全断面硬岩隧道掘进机的撑靴压紧所述围岩原位测试装置与围岩；

获取每个采集时间点的压力盒测量的压力和多个位移计测量的压紧总位移；

将每个采集时间点压力盒测量的压力和所述压力盒的横截面积的乘积作为每个采集时间点的围岩压力；

根据每个采集时间点的压力盒测量的压力，利用所述压力盒的压力‑位移关系曲线、所述磁性底座的压力‑位移关系曲线和所述承压板的压力‑位移关系曲线，分别确定每个采集时间点的所述压力盒的位移、所述磁性底座的位移和所述承压板的位移；

根据每个采集时间点的多个位移计测量的压紧总位移和每个采集时间点的所述压力盒的位移、所述磁性底座的位移和所述承压板的位移，确定每个采集时间点的围岩位移；

根据所述围岩压力和所述围岩位移，确定围岩的压力‑位移曲线以及所述压力‑位移曲线上最大压力对应的点的斜率；

所述压力‑位移曲线上最大压力对应的点的斜率的计算公式为其中，k为压力‑位移曲线上最大压力对应的点的斜率，F为压力‑位移曲线中的最大压力，X为压力‑位移曲线上最大压力对应的围岩位移；

在所述围岩原位测试装置测试的围岩处取芯，通过室内试验，获得斜率、弹性模量与抗压强度的对应关系表；

根据所述斜率，通过斜率、弹性模量与抗压强度的对应关系表，获得所述斜率对应的弹性模量和抗压强度。

6.根据权利要求5所述的围岩原位测试方法，其特征在于，所述根据每个采集时间点的多个位移计测量的压紧总位移和每个采集时间点的所述压力盒的位移、所述磁性底座的位移和所述承压板的位移，确定每个采集时间点的围岩位移，具体包括：根据每个采集时间点的多个位移计测量的压紧总位移和每个采集时间点的所述压力盒的位移、所述磁性底座的位移和所述承压板的位移，利用公式确定每个采集时间点的围岩位移；

其中，X为每个采集时间点的围岩位移，X0i为每个采集时间点的第i个位移计测量的压紧总位移，n为位移计的数量，X1为每个采集时间点的压力盒的位移，X2为每个采集时间点的磁性底座的位移，X3为每个采集时间点的承压板的位移，X4为测试过程中压力盒示数开始不为0时多个位移计的平均位移。

7.根据权利要求5所述的围岩原位测试方法，其特征在于，所述根据每个采集时间点的多个位移计测量的压紧总位移和每个采集时间点的所述压力盒的位移、所述磁性底座的位移和所述承压板的位移，确定每个采集时间点的围岩位移，之后还包括：当围岩位移等于最大位移阈值或围岩压力等于100MPa时，停止测试。

说明书

一种围岩原位测试装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及围岩测试领域，特别是涉及一种围岩原位测试装置及方法。

背景技术

[0002] 随着社会经济和施工技术的快速发展，以及交通水利发展的迫切需要，应用TBM(Tunnel Boring Machine，全断面硬岩隧道掘进机)法修建的水工隧道、铁路隧道、交通隧
道以及各种管线隧道大量出现。然而，TBM对围岩条件极为敏感，围岩强度直接影响TBM的掘
进效率和滚刀磨损程度。在TBM法隧道施工过程中，因为对隧道沿线岩石强度地质勘测的不
连续性，及实验室岩石强度测试结果的滞后性，导致隧道施工效率降低，施工成本上升，甚
至会出现TBM卡机等施工问题。所以，在TBM掘进过程中获得实时、连续、准确的隧道沿线围
岩强度参数并及时反馈给施工人员，对保证TBM施工效率和人员机械安全具有重要的意义。

[0003] 目前，传统主流的TBM施工原位围岩强度参数获取方法需要现场对围岩钻孔取芯，经过切削打磨制成标准岩石样本，最后对样本进行室内试验获得岩石力学性质。近些年也
出现了一些在施工现场原位测试的装置和方法：

[0004] 申请号为201210309656.2的专利提供了一种围岩应力与位移集成采集装置，通过在钻孔中埋入与待测围岩弹性模量相近的多个球体并灌浆填缝隙，测量某点六个方向的应
变来计算出该点的三维应力，得到测量点的应力与位移。

[0005] 申请号为201610823130.4的专利提供了一种硬岩掘进装备围岩强度在线辨识方法，通过掘进装备传感信息，利用已有的围岩切削模型，辨识出掘进面围岩强度大小。

[0006] 申请号为201811177140.0的专利提出了一种用于全断面硬岩掘进机隧道围岩强度原位快速测试方法，通过利用岩石测试仪穿过掘进机刀盘人孔，采用“四线四点”法对围
岩强度进行原位测试获得数据，并计算得出围岩强度。

[0007] 申请号为201910979186.2的专利提供了一种适用于TBM的围岩力学参数自动测试系统与方法，通过机器人抓取皮带机上输送的开挖岩渣进行现场磨蚀性实验以及抗压强度
实验，得到包括围岩强度在内的围岩力学参数。

[0008] 传统的钻芯取样实验室测试方法获得的围岩力学性质具有严重的滞后性，且试验过程耗时长，在掌子面附近取芯时影响TBM正常工作，无法满足TBM掘进对岩体力学性质快
速、实时的测试要求；围岩强度在线辨识方法利用围岩切削模型计算所得到的围岩强度，其
结果的准确性和精度有待进一步验证；利用岩石测试仪穿过掘进机刀盘人孔的原位快速测
试方法，需要旋转刀盘使刀盘人孔依次停止在隧道掌子面3、6、9、12点钟方向，严重影响TBM
的正常施工，导致掘进效率大大降低；通过机器人抓取皮带机上岩渣的自动测试系统，使用
TBM刀盘切削后的岩渣获得围岩参数。由于经切割挤压的岩渣力学性能会发生改变，其测试
结果与实际围岩强度存在较大误差。总体而言，现有的测试装置或方法在测试围岩力学性
质时不能同时具备原位、快速、实时、准确、对施工无影响的特点。

发明内容

[0009] 本发明的目的是提供一种围岩原位测试装置及方法，以实时、快速、准确地对围岩进行原位测试。

[0010] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

[0011] 一种围岩原位测试装置，所述测试装置包括：采集装置和控制终端；

[0012] 所述采集装置包括压力盒、多个位移计和磁性底座；

[0013] 所述压力盒的后端面和多个所述位移计均固定在所述磁性底座的前端面；

[0014] 在利用所述测试装置对围岩进行测试时，所述磁性底座的后端面吸附于全断面硬岩隧道掘进机的撑靴的外表面，所述压力盒的前端面和多个所述位移计均与所述围岩接
触；所述压力盒用于测量所述围岩所受的压力；所述位移计用于测量所述围岩和所述采集
装置的压紧总位移；

[0015] 所述压力盒和多个所述位移计均与所述控制终端连接，所述控制终端用于同步采集所述压力盒测量的压力和多个所述位移计测量的压紧总位移，并根据所述压力和所述压
紧总位移确定所述围岩的压力‑位移曲线和所述压力‑位移曲线上最大压力对应的点的斜
率，并根据所述斜率获得所述围岩的抗压强度。

[0016] 可选的，所述采集装置还包括：承压板；

[0017] 所述承压板的底面与所述压力盒的前端面固定连接；

[0018] 在利用所述测试装置对围岩进行测试时，所述承压板的顶面与所述围岩接触。

[0019] 可选的，所述采集装置还包括：安装杆和安装杆支座；

[0020] 所述安装杆支座设置在所述磁性底座上；

[0021] 所述安装杆与所述安装杆支座螺栓连接，通过所述安装杆将所述采集装置固定安装在所述撑靴的外表面。

[0022] 可选的，所述安装杆包括：可伸缩装置杆、可伸缩手扶杆、端头连接件、转动盘、转角连接件和安装杆把手；

[0023] 所述转动盘设置在所述端头连接件上；所述转动盘可垂直转动180°；

[0024] 所述可伸缩装置杆的一端和所述可伸缩手扶杆的一端通过所述转角连接件连接，所述可伸缩装置杆的另一端与所述转动盘连接，所述可伸缩手扶杆的另一端与所述安装杆
把手连接；

[0025] 所述端头连接件与所述安装杆支座固定连接。

[0026] 可选的，所述控制终端包括：控制器、输入装置、存储器、微处理器、显示器和电池盒；

[0027] 所述控制器分别与所述压力盒、多个所述位移计和所述存储器连接；所述控制器用于同步采集所述压力盒测量的压力和多个所述位移计测量的压紧总位移，并将同步采集
的压力和压紧总位移均传输至所述存储器进行存储；

[0028] 所述输入装置与所述存储器连接，所述输入装置用于获取斜率、弹性模量与抗压强度的对应关系表以及所述围岩的里程信息，并将所述斜率、弹性模量与抗压强度的对应
关系表以及所述围岩的里程信息均存储至所述存储器；

[0029] 所述微处理器与所述存储器连接，所述微处理器用于从所述存储器获取所有采集时间点的压力和压紧总位移，根据所有采集时间点的压力和压紧总位移确定所述围岩的压
力‑位移曲线和所述压力‑位移曲线上最大压力对应的点的斜率，通过所述斜率、弹性模量
与抗压强度的对应关系表匹配获得所述斜率对应的弹性模量和抗压强度，并将所述压力‑
位移曲线、所述斜率、所述弹性模量和所述抗压强度均传输至所述存储器进行存储；

[0030] 所述微处理器还与所述显示器连接，所述微处理器将所有采集时间点的压力和压紧总位移、所述压力‑位移曲线、所述斜率、所述弹性模量和所述抗压强度均传输至所述显
示器进行显示；

[0031] 所述控制器的电源输入端、所述存储器的电源输入端、所述微处理器的电源输入端和所述显示器的电源输入端均与共点电源输入端连接；

[0032] 所述电池盒分别与所述压力盒、所述位移计、所述磁性底座和所述共点电源输入端连接。

[0033] 可选的，所述控制器包括：集成芯片、总开关和多个分开关；

[0034] 所述电池盒与所述总开关的输入端连接，所述总开关的输出端分别与多个所述分开关的输入端连接，多个所述分开关的输出端一一与所述压力盒、所述位移计、所述磁性底
座和所述共点电源输入端连接；

[0035] 所述总开关的控制端和多个所述分开关的控制端均与所述集成芯片连接。

[0036] 一种围岩原位测试方法，所述测试方法包括：

[0037] 对围岩原位测试装置的压力盒、磁性底座、承压板分别进行单轴抗压试验，分别获取所述压力盒的压力‑位移关系曲线、所述磁性底座的压力‑位移关系曲线和所述承压板的
压力‑位移关系曲线；

[0038] 将所述围岩原位测试装置放置全断面硬岩隧道掘进机的撑靴处，利用所述全断面硬岩隧道掘进机的撑靴压紧所述围岩原位测试装置与围岩；

[0039] 获取每个采集时间点的压力盒测量的压力和多个位移计测量的压紧总位移；

[0040] 将每个采集时间点压力盒测量的压力和所述压力盒的横截面积的乘积作为每个采集时间点的围岩压力；

[0041] 根据每个采集时间点的压力盒测量的压力，利用所述压力盒的压力‑位移关系曲线、所述磁性底座的压力‑位移关系曲线和所述承压板的压力‑位移关系曲线，分别确定每
个采集时间点的所述压力盒的位移、所述磁性底座的位移和所述承压板的位移；

[0042] 根据每个采集时间点的多个位移计测量的压紧总位移和每个采集时间点的所述压力盒的位移、所述磁性底座的位移和所述承压板的位移，确定每个采集时间点的围岩位
移；

[0043] 根据所述围岩压力和所述围岩位移，确定围岩的压力‑位移曲线以及所述压力‑位移曲线上最大压力对应的点的斜率；

[0044] 在所述围岩原位测试装置测试的围岩处取芯，通过室内试验，获得斜率、弹性模量与抗压强度的对应关系表；

[0045] 根据所述斜率，通过斜率、弹性模量与抗压强度的对应关系表，获得所述斜率对应的弹性模量和抗压强度。

[0046] 可选的，所述根据每个采集时间点的多个位移计测量的压紧总位移和每个采集时间点的所述压力盒的位移、所述磁性底座的位移和所述承压板的位移，确定每个采集时间
点的围岩位移，具体包括：

[0047] 根据每个采集时间点的多个位移计测量的压紧总位移和每个采集时间点的所述压力盒的位移、所述磁性底座的位移和所述承压板的位移，利用公式
确定每个采集时间点的围岩位移；

[0048] 其中，X为每个采集时间点的围岩位移，X0i为每个采集时间点的第i个位移计测量的压紧总位移，n为位移计的数量，X1为每个采集时间点的压力盒的位移，X2为每个采集时间
点的磁性底座的位移，X3为每个采集时间点的承压板的位移，X4为测试过程中所述压力盒示
数开始不为0时多个位移计的平均位移。

[0049] 可选的，所述根据每个采集时间点的多个位移计测量的压紧总位移和每个采集时间点的所述压力盒的位移、所述磁性底座的位移和所述承压板的位移，确定每个采集时间
点的围岩位移，之后还包括：

[0050] 当围岩位移等于最大位移阈值或围岩压力等于100MPa时，停止测试。

[0051] 可选的，所述压力‑位移曲线上最大压力对应的点的斜率的计算公式为

[0052]

[0053] 其中，k为压力‑位移曲线上最大压力对应的点的斜率，F为压力‑位移曲线中的最大压力，X为压力‑位移曲线上最大压力对应的围岩位移。

[0054] 根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

[0055] 本发明提供了一种围岩原位测试装置及方法，测试装置包括采集装置和控制终端，采集装置包括压力盒、多个位移计和磁性底座，测试装置结构简单，对围岩力学性质进
行测试时，只需将采集装置安装在TBM撑靴的外表面，采集装置的磁性底座的后端面吸附于
撑靴的外表面，压力盒的前端面和多个位移计均与围岩接触，压力盒测量围岩所受的压力，
位移计测量围岩和采集装置的压紧总位移，利用撑靴压紧围岩的过程，测试装置即可得到
围岩的压力‑位移曲线和斜率，可帮助施工人员直观评估所测围岩的围岩强度；进一步的，
将斜率与斜率、弹性模量与抗压强度的对应关系表匹配，可得到当前岩体弹性模量与抗压
强度。实现了在不影响正常施工并对已开挖隧道围岩几乎零损伤的情况下，实时、准确地对
围岩进行原位测试。

附图说明

[0056] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施
例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图
获得其他的附图。

[0057] 图1为本发明提供的采集装置的结构图；

[0058] 图2为本发明提供的采集装置的安装位置图；

[0059] 图3为本发明提供的承压板的示意图；

[0060] 图4为本发明提供的安装杆的收缩状态结构图；

[0061] 图5为本发明提供的安装杆的伸长状态结构图；

[0062] 图6为本发明提供的安装杆的拆卸状态结构图；

[0063] 图7为本发明提供的转角连接件的示意图；

[0064] 图8为本发明提供的转动盘的示意图；

[0065] 图9为本发明提供的一种围岩原位测试装置的控制原理图；

[0066] 图10为本发明提供的一种围岩原位测试方法的流程图；

[0067] 符号说明：1‑压力盒，2‑位移计，3‑磁性底座，4‑承压板，5‑安装杆支座，6‑集合导线，7‑撑靴，8‑采集装置，9‑安装杆，9‑1‑端头连接件，9‑2‑转动盘，9‑3‑可伸缩装置杆，9‑4‑
转角连接件，9‑5‑可伸缩手扶杆，9‑6‑安装杆把手。

具体实施方式

[0068] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。

[0069] 本发明的目的是提供一种围岩原位测试装置及方法，以实时、准确地对围岩进行原位测试。

[0070] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0071] 本发明旨在提供一个可用于在山岭隧道TBM施工现场实时获得隧洞原位围岩压力‑位移之间关系的测试装置。在TBM施工停机时，利用TBM撑靴压紧已开挖隧道围岩的物理
过程，通过安置在TBM撑靴表面的本发明测试装置得到原位围岩压力‑位移曲线，进而利用
压力‑位移曲线分析得到围岩的力学性质，为TBM操作人员设置合理的掘进参数提供参考依
据，加快TBM施工效率，降低频繁更换磨损滚刀的成本，增强TBM施工安全性。

[0072] 本发明提供的一种围岩原位测试装置包括：采集装置8和控制终端。

[0073] 采集装置8包括压力盒1、多个位移计2和磁性底座3，如图1所示。

[0074] 压力盒1的后端面和多个位移计2均固定在磁性底座3的前端面。优选地，压力盒1固定在磁性底座3正面中心处，压力盒1为直径约12cm、高度约5‑7cm的圆柱体，选用振弦式
应变计。压力盒1量程应不小于110MPa，精度不低于0.1MPa。制作好的压力盒1要先在实验室
进行标定，确定其承受压力与变形之间的关系，避免压力盒1自身变形对测试结果的影响。
采集装置8共设有四个位移计2，分别安装于磁性底座3的前端面四角。位移计2选用微型直
线位移传感器，位移计2量程应为0‑20mm、精度不低于0.01mm、直径不大于20mm、高度超过压
力盒1和承压板4高度的总和且超过量不大于20mm。

[0075] 在利用测试装置对围岩进行测试时，磁性底座3的后端面吸附于全断面硬岩隧道掘进机的撑靴7的外表面，压力盒1的前端面和多个位移计2均与围岩接触。压力盒1用于测
量围岩所受的压力。位移计2用于测量围岩和采集装置8的压紧总位移。

[0076] 压力盒1和多个位移计2均与控制终端连接，控制终端用于同步采集压力盒1测量的压力和多个位移计2测量的压紧总位移，并根据压力和压紧总位移确定围岩的压力‑位移
曲线和所述压力‑位移曲线上最大压力对应的点的斜率，并根据所述斜率获得所述围岩的
抗压强度。优选地，测试中，当压力盒1所受压力不为0时，位移计2和压力盒1同时开始以固
定时间间隔(0.1s)采集并存储测试数据，当围岩位移达到Xm或压力盒测量的压力达到
100MPa时停止测试，其中Xm为不影响围岩承载能力的最大位移，应根据现场具体情况进行
确定。

[0077] 磁性底座3把采集装置8吸附于撑靴7外表面，由直流电磁铁、导线及外壳组成。

[0078] 磁性底座3的外壳长约20cm，宽约20cm，高约5cm，选用SPCC冷轧板制作成封闭空间。与撑靴7接触面为弧面，弧度和撑靴7弧度相同，保证通电后磁性底座3能与撑靴7紧密贴
合。与之相对的面为平面，设有空洞，用于安装位移计2和压力盒1。

[0079] 电磁铁铁芯选用工业纯铁等高磁导率软磁材料，外缠铜线圈。铜线圈外接导线通过底座外壳与安装杆9连接的一侧引出，连接到控制终端内的电源上。

[0080] 为保证磁性底座3不发生大变形，外壳强度不应小于350MPa。电磁铁铁芯吸力应保证不小于装置总重量的1.5倍，确保吸附于撑靴7外表面的装置不脱落不滑动。制作好的磁
性底座3要先在实验室进行标定，确定其承受荷载与变形之间的曲线关系，避免磁性底座3
自身变形对测试结果的影响。

[0081] 采集装置8还包括：承压板4，如图3所示。

[0082] 承压板4的底面与压力盒1的前端面固定连接。在利用测试装置对围岩进行测试时，承压板4的顶面与围岩接触。

[0083] 承压板4将围岩压力均匀传递给压力盒1，防止围岩表面的粗糙颗粒对压力盒1造成永久性损坏或塑性变形，对压力盒1起保护作用。

[0084] 承压板4采用Q355钢材，形状为底面(与压力盒1接触的面)是平面，顶面(与围岩接触的面)是弧面的结构体，承压板4厚度约3cm。

[0085] 承压板4的底面为方形，边长略大于压力盒1直径，且保证不遮挡位移计2正常工作。承压板4固定于压力盒1上，顶面弧度与隧道围岩弧度相同，测试过程中与围岩紧密贴
合。

[0086] 承压板4屈服强度应大于300MPa。制作好的承压板4要先在实验室进行标定，确定其承受荷载与变形之间的曲线关系，避免承压板4自身变形对测试结果的影响。

[0087] 采集装置8还包括：安装杆9和安装杆9支座5。

[0088] 安装杆9支座5设置在磁性底座3上。安装杆9与安装杆9支座5固定连接，通过安装杆9将采集装置8固定安装在撑靴7的外表面，如图2所示。

[0089] 如图4‑5所示，安装杆9包括：可伸缩装置杆9‑3、可伸缩手扶杆9‑5、端头连接件9‑1、转动盘9‑2、转角连接件9‑4和安装杆把手9‑6。

[0090] 转动盘9‑2设置在端头连接件9‑1上。转动盘9‑2可垂直转动180°，转动盘9‑2的转动轴与水平部分的轴线方向一致，如图8所示。

[0091] 可伸缩装置杆9‑3的一端和可伸缩手扶杆9‑5的一端通过转角连接件9‑4连接，可伸缩装置杆9‑3的另一端与转动盘9‑2连接，可伸缩手扶杆9‑5的另一端与安装杆把手9‑6连
接。转角连接件9‑4的结构如图7所示。

[0092] 端头连接件9‑1与安装杆9支座5固定连接。优选地，端头连接件9‑1与安装杆9支座5螺栓连接。

[0093] 安装采集装置8时，提前调整转动盘9‑2角度，使采集装置8安装时保证采集装置8与弧面撑靴7较紧密贴合，避免与预定位置有过大偏移。安装杆9在使用后，可进行拆卸，方
便收纳。如图6所示。

[0094] 控制终端包括：控制器、输入装置、存储器、微处理器、显示器和电池盒；

[0095] 控制器分别与压力盒1、多个位移计2和存储器连接；控制器用于同步采集压力盒1测量的压力和多个位移计2测量的压紧总位移，并将同步采集的压力和压紧总位移均传输
至存储器进行存储。

[0096] 输入装置与存储器连接，输入装置用于获取斜率、弹性模量与抗压强度的对应关系表以及围岩的里程信息，并将斜率、弹性模量与抗压强度的对应关系表以及述围岩的里
程信息均存储至存储器。

[0097] 微处理器与存储器连接，微处理器用于从存储器获取所有采集时间点的压力和压紧总位移，根据所有采集时间点的压力和压紧总位移确定围岩的压力‑位移曲线和和压力‑
位移曲线上最大压力对应的点的斜率k，通过斜率k、弹性模量与抗压强度的对应关系表匹
配获得斜率k对应的弹性模量和抗压强度，并将压力‑位移曲线、斜率k、弹性模量和抗压强
度均传输至存储器进行存储。

[0098] 微处理器还与显示器连接，微处理器将所有采集时间点的压力和压紧总位移、压力‑位移曲线、斜率k、弹性模量和抗压强度均传输至显示器进行显示；优选地，微处理器由
集成电路组成。操作人员可通过显示器实时掌握装置运行状态。当四个位移计2读数相差大
于2mm，或压力盒1示数过大时，则判断仪器发生偏压故障，提醒操作人员及时停止测试，对
仪器进行检查并重新实验。

[0099] 控制器的电源输入端、存储器的电源输入端、微处理器的电源输入端和显示器的电源输入端均与共点电源输入端连接。

[0100] 电池盒分别与压力盒、位移计、磁性底座和共点电源输入端连接。

[0101] 控制器包括：集成芯片、总开关和多个分开关。

[0102] 电池盒与总开关的输入端连接，总开关的输出端分别与多个分开关的输入端连接，多个分开关的输出端一一与压力盒1、位移计2、磁性底座3和共点电源输入端连接；电池
盒为磁性底座3、位移计2、压力盒1、控制终端内部器件供电。控制终端内设四组电池，四组
电池所需容量、电压、接头形状等根据所供电设备需求制定。

[0103] 总开关的控制端和多个分开关的控制端均与集成芯片连接。集成芯片控制各部分仪器通电、断电，并且集成芯片中含控制算法，集成芯片根据控制算法控制压力盒1和位移
计2的采集频率，保证压力盒和位移计采集数据的时间对应。分开关用于分别开启各用电
器，对各用电器有保护作用，且在某用电器线路断路时方便判断。

[0104] 采集装置还包括：集合导线6。

[0105] 压力盒的用于传输数据和供电的导线、位移计的用于传输数据和供电的导线与磁性底座导线共同引出，形成集合导线6，最终连接到控制终端上。

[0106] 测试装置还包括：收纳盒。

[0107] 收纳盒主要用于测试装置的收纳，采用塑料或其他轻质材料制成，以减轻仪器的携带重量。收纳盒为横截尺寸长约50cm、宽约30cm、高约30cm的长方体。共设有三个空间区
域，分别用来放置采集装置8和控制终端。

[0108] 围岩原位测试装置的各个结构以及各个结构的功能如图9所示。

[0109] 本发明提供了一种快速、实时、准确、对正常施工无影响的全断面隧道掘进机围岩力学性质原位获取的测试装置。装置操作简单，只需将其安装在TBM撑靴7上，利用撑靴7压
紧围岩的过程即可实现测试。测试结果实时、准确，压紧过程中，可以实时得到围岩压力‑位
移曲线，且在围岩上的原位测试有效保证测试结果的准确性。装置仅仅在TBM停机时利用撑
靴7进行测试，整个过程对正常施工基本无影响，且对已开挖隧道围岩几乎零损伤。

[0110] 使用本发明提供的一种围岩原位测试装置对围岩进行测试的工作流程如下：

[0111] 1、测试人员在TBM安装管片或停机时携带装置就位，确保撑靴7处于收缩状态；

[0112] 2、选定并标记待测围岩位置，记录其里程坐标；

[0113] 3、打开收纳盒，组装安装杆9，连接安装杆9与磁性底座3；

[0114] 4、开启总开关，检查仪器与显示器是否正常；

[0115] 5、手持安装杆9一端，将采集装置8吸附于撑靴7对应位置；

[0116] 6、开启撑靴7液压装置，使撑靴7压向围岩；

[0117] 7、观察显示器上数据采集过程是否异常，如发生异常则缩回撑靴7，关闭电源调整采集装置8，返回第4步再次测量；

[0118] 8、正常采集数据后，记录结果；

[0119] 9、缩回撑靴7，手握安装杆9，关闭电源，整理仪器。

[0120] 本发明提供的一种围岩原位测试装置具有以下技术效果：

[0121] (1)本发明提供了一种在山岭隧道TBM施工现场，对隧洞围岩压力‑变形关系进行原位测试的装置。

[0122] (2)本发明装置安装在TBM撑靴7上，在TBM停机时利用撑靴7压紧隧洞围岩的过程即可快速完成测试，测试后装置可拆卸，测试过程不影响TBM正常施工。

[0123] (3)本发明设计了一种可伸缩安装杆9，可以实现在不同尺寸撑靴7上的装置安装，且安装杆9操作简单，存储运输方便。

[0124] 本发明还提供了一种围岩原位测试方法，如图10所示，测试方法包括：

[0125] S101，对围岩原位测试装置的压力盒1、磁性底座3、承压板4分别进行单轴抗压试验，分别获取压力盒1的压力‑位移关系曲线、磁性底座3的压力‑位移关系曲线和承压板4的
压力‑位移关系曲线。

[0126] S102，将围岩原位测试装置放置全断面硬岩隧道掘进机的撑靴处，利用全断面硬岩隧道掘进机的撑靴压紧围岩原位测试装置与围岩。

[0127] 由撑靴为装置提供压力，对围岩进行缓慢加载，通过压力盒测量围岩压应力，通过位移计测量压紧总位移；

[0128] S103，获取每个采集时间点的压力盒1测量的压力和多个位移计2测量的压紧总位移。

[0129] S104，将每个采集时间点压力盒测量的压力和压力盒的横截面积的乘积作为每个采集时间点的围岩压力。

[0130] S105，根据每个采集时间点的压力盒1测量的压力，利用压力盒1的压力‑位移关系曲线、磁性底座3的压力‑位移关系曲线和承压板4的压力‑位移关系曲线，分别确定每个采
集时间点的压力盒1的位移、磁性底座3的位移和承压板4的位移。

[0131] S106，根据每个采集时间点的多个位移计2测量的压紧总位移和每个采集时间点的压力盒1的位移、磁性底座3的位移和承压板4的位移，确定每个采集时间点的围岩位移。

[0132] S107，根据围岩压力和围岩位移，确定围岩的压力‑位移曲线以及压力‑位移曲线上最大压力对应的点的斜率。

[0133] S108，在围岩原位测试装置测试的围岩处取芯，通过室内试验，获得斜率、弹性模量与抗压强度的对应关系表。

[0134] S109，根据斜率，通过斜率、弹性模量与抗压强度的对应关系表，获得斜率对应的弹性模量和抗压强度。

[0135] S106步骤，具体包括：

[0136] 根据每个采集时间点的多个位移计2测量的压紧总位移和每个采集时间点的压力盒1的位移、磁性底座3的位移和承压板4的位移，以及测试过程中压力盒1示数开始不为0时
多个位移计2的平均位移，利用公式 确定每个采集时间点的
围岩位移。

[0137] 其中，X为每个采集时间点的围岩位移，X0i为每个采集时间点的第i个位移计2测量的压紧总位移，n为位移计2的数量，X1为每个采集时间点的压力盒1的位移，X2为每个采集时
间点的磁性底座3的位移，X3为每个采集时间点的承压板4的位移，X4为测试过程中压力盒1
示数开始不为0时多个位移计2的平均位移。

[0138] S107中，压力‑位移曲线上最大压力对应的点的斜率的确定具体公式为：

[0139] 其中，k为压力‑位移曲线上最大压力对应的点的斜率，F为压力‑位移曲线中的最大压力，X为压力‑位移曲线上最大压力对应的围岩位移。

[0140] 在测试过程中，当X达到Xm或F达到100MPa时停止测试，避免压坏围岩。其中Xm为不影响围岩承载能力的最大位移，应根据现场具体情况进行确定。

[0141] 本发明提供的一种围岩原位测试方法具有以下技术效果：

[0142] (1)测试过程方便快捷，需要的人力、财力成本低，可在隧道施工过程中快速对隧道围岩进行原位测试获取围岩压力‑位移关系。

[0143] (2)相较于传统原位测试方法速度更快、成本更低，且测量结果更及时、更准确。

[0144] (3)可以在隧道施工过程中帮助施工人员及时了解隧道围岩性质，合理调整施工参数与计划，降低施工安全风险。

[0145] (4)测量过程中，基本不增加额外工序，不影响隧道正常施工。

[0146] 术语解释：

[0147] 隧道：埋置于地层内的工程建筑物，是人类利用地下空间的一种形式。

[0148] TBM：又称全断面硬岩隧道掘进机，是一种集掘进、出渣、导向、支护和通风除尘等多功能为一体的大型高效隧道施工机械。本发明提供的一种围岩原位测试装置特指具有撑
靴7的TBM，即敞开式和双护盾TBM。

[0149] 围岩：在岩石地下工程中，由于受开挖影响而发生应力状态改变的周围岩体。

[0150] 撑靴7：撑靴7的作用是让推进油缸推力均匀的作用在岩壁上，依靠撑靴7与岩壁摩擦力使TBM向前推进。

[0151] 原位测试：在岩土原来所处的位置上或基本上在原位状态和应力条件下对岩土性质进行的测试。

[0152] 人孔：人孔是指用于人员进出设备以便安装、检修和安全检查的开孔结构。TBM人孔位于刀盘上，检测设备可通过人孔进入掌子面，方便换刀和检修。

[0153] 掌子面：又称礃子面，即开挖坑道(采煤、采矿或隧道工程中)不断向前推进的工作面。

[0154] SPCC冷轧板：一般用冷轧碳素钢薄板及钢带。

[0155] 软磁材料：当磁化发生在HC(矫顽力)不大于1000A/m，这样的材料称为软磁体。典型的软磁材料，可以用最小的外磁场实现最大的磁化强度。

[0156] 塑性变形：一种不可自行恢复的变形。工程材料及构件受载超过弹性变形范围之后将发生永久的变形，即卸除载荷后将出现不可恢复的变形，或称残余变形，这就是塑性变
形。

[0157] Q355钢材：一种低合金高强度结构钢，其中“Q”为屈服强度，355表示这种钢材屈服强度为355MPa。

[0158] 屈服强度：金属材料发生屈服现象时的屈服极限，也就是抵抗微量塑性变形的应力。

[0159] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

[0160] 本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据
本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不
应理解为对本发明的限制。