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         摘 要 隨著經(jīng)濟發(fā)展及科技水平的提高，硬巖掘進機、盾構(gòu)機、反井鉆機、巷道掘進機等機械在地下工程施工中得到了空前發(fā)展，機械破巖試驗成為地下工程施工機械不可或缺的一個試驗手段，以指導地下工程施工機械設(shè)計和施工。文章介紹了北京工業(yè)大學自主研制的機械破巖試驗平臺，該試驗平臺的設(shè)計制造綜合考慮了高地應力、刀盤旋轉(zhuǎn)和多個刀具同時破巖等工況，也考慮到不同破巖機械不同類型刀具破巖試驗，還能在巖樣箱中考慮到不同的巖體結(jié)構(gòu)，可以真實模擬不同機械刀具的現(xiàn)場施工工況。試驗平臺由機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。試驗平臺制作完成后，進行了多個不同工況的驗證試驗，達到了原定的設(shè)計要求。
 
      關(guān)鍵詞 機械破巖試驗平臺 高地應力 旋轉(zhuǎn) 刀具 巖體結(jié)構(gòu)
 
      1 、引 言
 
      21世紀是隧道及地下空間大發(fā)展的年代[1]。隨著經(jīng)濟的發(fā)展及科技水平的提高，地下空間的開挖手段也越來越成熟和多樣，如硬巖掘進機（TunnelBoring Machine）、盾構(gòu)機(Shield Tunnelling Machine)、反井鉆機（Raise Boring Bachine）、巷道掘進機（RoadHeader）等機械在地下工程施工中得到了廣泛的應用。
 
      施工機械的成功應用主要受以下四方面制約：地質(zhì)條件、設(shè)備的選型與配置、機械運行參數(shù)和施工管理方案。其中地質(zhì)條件是既定不變的，不受人為因素影響，但設(shè)備的選型與配置、機械運行參數(shù)的選擇和施工管理系統(tǒng)的完善都是可控的。對機器進行合理地選型與設(shè)計并在施工中控制合適的運行參數(shù)是一大難題，且面臨著許多的問題[2~5]。隨著地下工程的蓬勃發(fā)展，機械破巖試驗已成為地下工程施工機械不可或缺的一個手段，用以指導地下工程施工機械設(shè)計和施工。巖石線性切割試驗可以較真實地模擬TBM滾刀破巖，在過去30多年中被廣泛應用，可以通過此試驗選擇適合相應地質(zhì)條件的 TBM，并預測機器運行參數(shù)和掘進速度，再通過實際工程中的實時反饋不斷進行施工參數(shù)優(yōu)化，最后根據(jù)TBM掘進情況對相應的施工管理方案進行完善，從而更高效地進行施工和管理。目前，國際上有三臺線性試驗機，分別在美國科羅拉多礦業(yè)學院、土耳其伊期坦布爾理工大學（Istanbul Techni cal University）和韓國施工技術(shù)研究所（Institute ofConstruction Technology in Korea）。
 
       線性滾刀破巖試驗最早由科羅拉多礦業(yè)學院提出并付諸實踐，其試驗機可以控制滾刀間距、貫入度等變量，并且?guī)r石試樣為大塊原狀巖樣（1 100 mm× 800mm×600 mm），可以避免由尺寸效應帶來的誤差[6]。韓國施工技術(shù)研究所的線性試驗機是基于科羅拉多礦業(yè)學院試驗機而設(shè)計的，但在結(jié)構(gòu)和試驗操作上均有所改進，如試樣盒、傳感器等方面，而且在試驗中還增加了新的測量技術(shù)，如利用攝影測量法和ShapeMetrix 3D三維評價軟件對試驗過程中產(chǎn)生的巖屑的體積進行準確的測量[7，8]。
 
      土耳其伊期坦布爾理工大學的試驗機與科羅拉多礦業(yè)學院試驗機在功能上基本一樣[9]。通過此試驗機也解決了大量的機械設(shè)計與工程施工問題。上述三臺線性試驗機從本質(zhì)上說沒有太大差別，僅能用一把滾刀、刮刀或刀齒進行線性破巖試驗，且受其框架剛度限制，當滾刀力過大時，存在侵入深度測不準的問題。另外，美國及土耳其的試驗機還存在巖樣固定較為麻煩的問題，韓國的試驗機吸取了前二臺試驗機的經(jīng)驗，對巖樣箱作了改進，使之得到很好的解決。
 
     由于國內(nèi)巖石隧道掘進機開挖案例越來越多，對機械破巖試驗機及其試驗也更加重視，最近已有兩臺試驗機研制成功。其中一臺為盾構(gòu)及掘進技術(shù)國家重點實驗室擁有，該試驗機是回轉(zhuǎn)式滾刀破巖機，其可放最大試樣直徑為 2 000 mm，厚度為 300mm，可以安裝 1～3 個刀座，以及直徑為 19 英寸（483 mm）的盤形滾刀。其加載方式為軸向主動力加載，最大荷載可達1 000 kN。該試驗機安裝了聲發(fā)射傳感器，可進行巖樣破裂聲學全頻譜監(jiān)測[10]。中南大學的試驗機也屬于回轉(zhuǎn)式試驗機。該試驗機的加載方式為主動加載方式，最大推力為1 000kN，刀盤上最多可以安裝六把刀具，其刀具包括滾刀和切刀兩種，滾刀直徑為 8.5 英寸（216 mm）。
通過三向力傳感器可以實時監(jiān)測破巖荷載[11]。
 
     國內(nèi)的兩臺試驗機均為旋轉(zhuǎn)試樣方式破巖，巖樣均為圓盤形，巖樣不易切割成形，安裝不易。另外，滾刀加載方式均為主動加載，在試驗過程中需獲得侵入深度和作用力兩個參數(shù)。中南大學試驗臺滾刀及其它尺寸采用 1∶2 縮小比進行設(shè)計，不是足尺試驗。
 
     隨著經(jīng)濟的發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，如水利、鐵路、公路隧道工程向著更長、更深發(fā)展，各種開挖機械大量運用到地下工程建設(shè)中。如已經(jīng)建成的秦嶺鐵路TBM隧道[12]、錦屏二級水電站引水隧洞[3]、正在規(guī)劃的南水北調(diào)西線工程隧洞[13、列奇堡高速鐵路隧道[14]、圣哥達高速鐵路隧道[15]等，其埋深都超過1 500 m，地應力對掘進機開挖的影響非常顯巨，包括開挖速度及滾刀的異常磨損等。簡單的滾刀線性破巖試驗或轉(zhuǎn)動破巖試驗已無法滿足多種工況、多種開挖工具的模擬。由北京工業(yè)大學自主研制的機械破巖試驗平臺吸取了已有試驗機的優(yōu)點，強化了其原有試驗能力，增加了多種復雜工況的模擬功能。
 
     2 、試驗平臺設(shè)計思路及關(guān)鍵參數(shù)確定
 
     機械破巖試驗平臺考慮的施工機械包括掘進機、反井鉆機、鉸孔鉆機、盾構(gòu)機、巷道掘進機等施工機械的施工。它需要模擬施工的刀具有單刃滾刀、雙刃滾刀、鑲齒滾刀、刮刀及不同類型齒刀的破巖過程。它需要模擬的地質(zhì)條件有不同類型的巖石或巖體結(jié)構(gòu)、地應力。由于需要考慮以上因素及其組合對機械破巖的影響，其設(shè)計的關(guān)鍵因素包括試驗組合的最大推力、最大扭矩、最大地應力、巖石或巖體試驗箱的大小、實現(xiàn)線性和旋轉(zhuǎn)破巖功能。
 
     本機械破巖試驗平臺設(shè)定的獨立變量有：試樣的巖石類型或巖體結(jié)構(gòu)類型、地應力大小、刀具切割方式、刀具貫入度。需測定的參數(shù)包括：刀具三向作用力、切割系數(shù)、比能、巖石碎屑分布及形狀。常變量有刀具切割間距、切割順序、切割速度。
 
     2.1 試樣尺寸參數(shù)

     試樣的尺寸決定試樣箱的尺寸，試樣箱的大小也基本上決定了縱向平移小車、橫向平移小車的長度和寬度，進而決定了底部框架的長度和寬度，所以試樣的尺寸選擇對整個機械破巖試驗平臺的尺寸設(shè)計至關(guān)重要。在試樣尺寸的選擇上，最主要的考慮是試樣尺寸對破巖試驗結(jié)果的影響。
 
     Cho（2010）用三維動態(tài)壓裂方法對滾刀破巖進行數(shù)值模擬，研究了試樣尺寸對滾刀破巖試驗中比能的影響[7,8]，并得出試樣的尺寸只要能滿足長度100 mm、寬度 100 mm、高度 30 mm 即可。Gong 等(2006)應用UDEC計算了節(jié)理對滾刀破巖的影響，滾刀破巖產(chǎn)生的豎向裂紋能直接到達節(jié)理間距為200mm 的節(jié)理面，而節(jié)理間距達到 500 mm 時，節(jié)理對滾刀破巖影響不大[18]。因此，為了觀察試驗時產(chǎn)生的豎向裂縫的擴展情況及影響區(qū)域，模擬不同節(jié)理間距對破巖的影響，試樣的高度最少要取500 mm。在實際的試驗過程中，不可能只對試樣進行一次切割，而是需要在不同的刀間距和貫入度組合下對試樣進行多次切割破巖試驗，而且為了消除端部效應，切割時要在邊緣預留一定的空間，最靠邊上的切槽數(shù)據(jù)也是要排除的。所以實際試驗中選取試樣的尺寸會遠遠大于上面所說的尺寸。另外，從試驗的經(jīng)濟性和操作性上考慮，也要求盡可能地用一塊試樣做盡量多的試驗。從國外已做過的線性試驗看：其所采用的試樣一般長度在 1 000 mm 左右，寬度在700 mm左右，厚度則在300~500 mm之間，故在本試驗平臺的設(shè)計中，以此值為參考，確定試樣的最大尺寸為1 000 mm×1 000 mm×600 mm。
 
      2.2 推力參數(shù)
 
     試驗時作用于刀具上的三向力（尤其是豎向力）的大小決定了機械破巖試驗平臺整體框架的設(shè)計剛度，直接影響到框架材料及參數(shù)選取，同時也決定了三向傳感器、導軌及滑塊等的選取。
 
     在地下工程掘進機械中，TBM 所需推力較大，故以TBM 為標準設(shè)計試驗機最大推力。TBM 破巖是利用刀具對巖石的壓入，形成壓碎區(qū)，在滾刀之間出現(xiàn)拉破壞而產(chǎn)生巖片。刀具推力的大小與巖石的抗壓強度有極大的關(guān)系。目前 TBM 已有在巖石單軸抗壓強度達到 420 MPa 的硬巖中成功施工的案例。對盤形滾刀來說，現(xiàn)在正在向著越來越大的直徑發(fā)展，其可承受的荷載也越來越高[16]。目前已經(jīng)推出有 21 英寸的盤形滾刀，它將能承受更高的荷載。
 
     由Gertsch[6]等（2007）在線性試驗機上用直徑17英寸的常截面滾刀對單軸抗壓強度為158 MPa的花崗巖進行破巖試驗，以及Jung-Woo Cho[7,8]等（2013）在線性試驗機上用直徑17英寸的常截面滾刀對單軸抗壓強度為209 MPa的花崗巖進行破巖試驗所得出的試驗數(shù)據(jù)可以看出，滾刀最大豎向力與平均豎向力之比約為 2。掘進機的滾刀受力設(shè)計為平均力，其破巖時力的瞬時波動可能達到2倍左右。在本機械破巖試驗平臺的設(shè)計中，考慮了兩把刀具同時破巖的工況，還要為以后使用更大的刀具、三把以上的刀具同時作用留下空間，還考慮施加圍壓后，刀具破巖推力會更大，并考慮有一定的安全儲備，故此試驗平臺的設(shè)計推力為2 000 kN，使其具有足夠的剛度。
 
      2.3 圍壓參數(shù)
   
      試驗平臺的圍壓系統(tǒng)是為了模擬地應力工況，試驗時施加的圍壓大小取決于實際工程中的地應力。試驗中由推力油缸對試樣施加圍壓，故對試樣所加圍壓的大小一方面決定了推力油缸液壓系統(tǒng)參數(shù)的選取；另一方面，試驗時承受推力油缸反作用力的是圍壓試樣盒，所以初始應力的大小也決定了試樣盒的設(shè)計強度和剛度。
 
     高地應力是一個相對的概念，中科院孫廣忠教授(1993)[17]就曾指出，強烈構(gòu)造作用地區(qū)，地應力與巖體強度有關(guān)；輕緩構(gòu)造作用地區(qū)，巖體內(nèi)儲存的地應力大小與巖石彈性模量直接有關(guān)，即彈性模量大的巖體內(nèi)地應力高，彈性模量小的巖體內(nèi)地應力低。
 
     目前，應用地應力值與巖石或巖體強度之比來判斷地應力狀態(tài)的劃分方法得到較多數(shù)人的認可。工程實踐中大多將大于20 MPa的硬質(zhì)巖體內(nèi)的初始應力稱為高地應力。考慮到本試驗平臺將來要用于模擬高地應力區(qū)的TBM施工，在設(shè)計中按照這樣的標準對圍壓油缸進行設(shè)計：當試樣盒中放入的試樣尺寸為1 000 mm×1 000 mm×600 mm時，液壓油缸可以對其施加20 MPa的圍壓。這樣，當減小試樣尺寸時，則可對其施更高的圍壓。
 
      2.4 線性破巖與旋轉(zhuǎn)破巖功能
 
      線性破巖是最簡單有效的試驗破巖方式，已經(jīng)廣泛用于地下工程施工機械破巖等領(lǐng)域的研究。它可以近似模擬實際工程中刀具以較大半徑旋轉(zhuǎn)破巖的情況。但是當旋轉(zhuǎn)破巖半徑較小時，線性試驗就無法真實地模擬其破巖情況。本機械破巖試驗平臺保留了傳統(tǒng)線性試驗機的所有功能，并增加了旋轉(zhuǎn)破巖這一更加符合實際工況的功能。
 
      旋轉(zhuǎn)破巖與直線破巖到底有多大差異，尤其對于鑲齒滾刀來講可能差異性更大，但由于之前的試驗設(shè)備沒有此項能力，沒有對此進行深入研究。為了更加真實地模擬一些地下掘進機械的旋轉(zhuǎn)掘進方式，此試驗平臺實現(xiàn)了這一功能。要在同一平臺上實現(xiàn)直線與旋轉(zhuǎn)破巖功能，這也是本試驗平臺的一個難點。最終通過在同一平臺上，設(shè)計一個旋轉(zhuǎn)試樣臺來解決這一問題。旋轉(zhuǎn)試樣臺主要包括旋轉(zhuǎn)試樣盒及與其配套的機械裝置和液壓系統(tǒng)。試驗時由液壓系統(tǒng)帶動試樣盒進行旋轉(zhuǎn)，使作用在試樣上方的刀具以圓周運動的方式對其進行切割破巖，以模擬機械施工過程中刀盤上刀具的旋轉(zhuǎn)切割破巖過程。
 
     3 、機械破巖平臺的組成
 
     機械破巖平臺破巖方式設(shè)計有臥式和立式兩種。臥式破巖是破巖刀具與巖石試樣水平布置，破巖工作面（或稱之為掌子面）處于豎直平面。這樣可以更加真實地模擬掘進機械破巖狀況，在重力作用下，巖屑產(chǎn)生后可以自由掉落，便于搜集巖屑。但是此方式給巖石的吊裝及固定帶來極大困難，且由于巖石較重，試樣箱的旋轉(zhuǎn)以及支撐較為困難，所以只能刀具旋轉(zhuǎn)；但是由于水平方向加載力過大給機械機構(gòu)設(shè)計帶來一定的困難，并使其占地面積成倍增加。而立式結(jié)構(gòu)和驅(qū)動相對簡單，由于機器主要受力方向轉(zhuǎn)換為豎向，機器底部與地梁連成一體，所以只需考慮機器上部的剛度，節(jié)省了材料，巖樣箱、刀具及刀座更換或調(diào)整簡單方便，控制量測裝置布設(shè)更加容易，占地面積較小，且實驗完畢后可以查看巖屑在掌子面的分布情況。從節(jié)約成本和實現(xiàn)其基本功能的角度出發(fā)，選擇立式破巖方式的設(shè)計方案，如圖1所示。
  

    
  
     圖1 機械破巖試驗平臺的幾何模型
 
     3.1 機械系統(tǒng)
 
     機械系統(tǒng)是試驗平臺的主體，構(gòu)成了試驗平臺的外形，同時也是液壓系統(tǒng)的載體。機械部分主要包括一個大型的鋼結(jié)構(gòu)框架、移動平車、移動滑軌組件、調(diào)模機構(gòu)（圖2）、刀架組件、直線導軌和試樣盒（圖3，圖4）。調(diào)模機構(gòu)的設(shè)計比較獨特，它是在注塑機調(diào)模裝置的基礎(chǔ)上稍加改造而成，通過大齒輪帶動四個小齒輪轉(zhuǎn)動，并與四根導向桿上的螺紋咬合，可以使模板精確地上下移動，達到預定坐標后鎖死，從而可以精確設(shè)定刀具的豎向切入深度。圖3、圖4顯示了兩個巖樣箱差異，一個可以加圍壓，一個可以轉(zhuǎn)動；試樣都是塊狀的，易于切割成形，易于按裝到試樣箱中。平移試樣靠液壓方式固定，旋轉(zhuǎn)試樣靠機械方式固定。
 
      3.2 液壓系統(tǒng)
 
      液壓系統(tǒng)是整個試驗平臺的動力系統(tǒng)，提供驗時所需要的動力和壓力，系統(tǒng)主要包括液壓站、液壓油缸及配套的軟管試驗中按指令完成一系列的動作。
 

       圖2 調(diào)模機構(gòu)

      
 
       圖3 圍壓試樣盒

     
 
       圖4 旋轉(zhuǎn)試樣盒及旋轉(zhuǎn)裝置
 
      機械破巖試驗平臺的液壓系統(tǒng)是通過四組油缸和液壓馬達完成四個基本動作：控制移動平車的橫向及縱向位移；控制圍壓試樣盒中對試樣施加的圍壓；控制旋轉(zhuǎn)試樣盒的轉(zhuǎn)動及轉(zhuǎn)速。液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)見表1。
 
                         表1 液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)
     
  
       3.3 自動控制系統(tǒng)
 
      試驗平臺的自動控制系統(tǒng)采用西門子 PLC 系統(tǒng)，主要由流量控制、加載控制、位移控制、溫度及液面控制系統(tǒng)組成。

      控制系統(tǒng)集成在控制臺上，具有可視化的人機界面，如圖5所示。試驗時可以在人機界面中直接設(shè)定各種試驗流程、加載壓力、加載流量、加載時間等，可以直接輸入預設(shè)的試樣盒及刀具的位移坐標，控制其達到預設(shè)位移。試樣盒位移精度達到1 mm，刀具位移精度達到 0.1 mm。人機界面在試驗過程中會給予操作者各類提示，以防在操作過程中出錯。它能夠顯示刀具瞬時力、三向力隨時間變化曲線、試樣箱“X”、“Y”（前后左右）方向位移曲線、巖石及刀具位移坐標、油液位狀態(tài)、各手動油閥的開關(guān)狀態(tài)、輔泵的運轉(zhuǎn)狀態(tài)、各電磁閥的通電狀態(tài)并可在油溫超高或超低、油路堵塞時報警。其上還有一些控制按鈕，如控制旋轉(zhuǎn)試樣盒旋轉(zhuǎn)方向的“旋轉(zhuǎn)順”、“旋轉(zhuǎn)逆”按鈕，其旋轉(zhuǎn)速度可以設(shè)定為0~8 rpm，以及用于巖石試樣裝卸的“手動按鈕”以及泵站的啟停按鈕等。
 

                               圖5 控制面板
   
     另外，控制系統(tǒng)有自動與手動兩種測試方式：當采用自動方式時，試驗員操縱泵站，計算機發(fā)出測試指令，控制相應的元件，自動完成測試及記錄，并打印出試驗報表和試驗曲線；手動測試時則由人工測試及記錄。系統(tǒng)加載壓力比例控制亦可以采用手動調(diào)節(jié)和計算機控制調(diào)節(jié)兩種方式進行控制。
 
     3.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
 
     試驗平臺的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件由工控機（計算機）、傳感器、信號調(diào)理裝置及輸入-輸出接口組成，在試驗過程中重點需要監(jiān)控并準確采集以下參數(shù)：
 
    （1）作用于刀具上的三個方向的力。此力為被動力，由刀具上方固定的三軸向負載傳感器進行測量，是本試驗中最為重要的參數(shù)；
    （2）橫向推力油缸推動橫向移動平車時，平車的位移；
    （3）縱向推力油缸恒速或恒壓推動縱向移動平車時，平車的位移和速度；
    （4）旋轉(zhuǎn)試驗盒中液壓馬達的扭矩和轉(zhuǎn)速；
    （5）當用圍壓試驗裝置進行試驗時，圍壓試驗裝置中液壓油缸的壓力；
    （6）調(diào)模機構(gòu)的豎向位移。
 
     另外還有一些參數(shù)并不是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠采集到的，如試驗時刀具切割下的巖屑的體積、塊度及破碎角等，這些參數(shù)則需要試驗人員在試驗過程中或試驗結(jié)束后測量或者計算獲得。
 
     最終的機械破巖試驗平臺整體效果如圖 6 所示。

    

     4.2 圍壓條件下滾刀破巖試驗
 
     圍壓試驗的其它條件與常規(guī)線性試驗相同，巖石試樣尺寸為1 000 mm×1 000 mm×600 mm。設(shè)定圍壓大小X方向P=10 MPa，Y方向P=15 MPa。滾刀直徑為 17 英寸（432 mm），設(shè)定刀間距為 80 mm，侵入深度1 mm。圖10為盤形滾刀在設(shè)定圍壓條件下切割巖石時的破巖效果，巖面更為平整。三向力隨時間變化曲線如圖11、圖12所示，其平均法向力為182.2 kN，平均滾動力5.2 kN，其法向力的變化幅度比沒有圍壓時要小，但其平均法向力受到圍壓作用而增大，反映了圍壓效應。

            圖10 圍壓條件下盤形滾刀線性破巖效果圖
    

                圖11 盤形滾刀法向力和時間關(guān)系曲線

  
      4.3 旋轉(zhuǎn)破巖試驗
 
      在試驗平臺上實現(xiàn)了鑲齒滾刀破巖試驗，所用鑲齒滾刀直徑為12英寸（304.8 mm），試驗中貫入度為1mm，旋轉(zhuǎn)半徑為310 mm。巖石試樣尺寸為1 000 mm×1 000 mm×600 mm，為北山花崗巖。所用試樣箱為旋轉(zhuǎn)試樣箱。將滾刀以固定的貫入度直線切入巖石，待巖石旋轉(zhuǎn)中心與滾刀相對公轉(zhuǎn)中心對準時，開始旋轉(zhuǎn)破巖。在試驗中記錄鑲齒滾刀三向力并計算其比能。針對該巖石試樣分析了貫入度對法向力、滾動力和比能的影響，以及對比分析未處理巖面和已處理巖面的破巖力和破巖效果。

    
  
                圖12 盤形滾刀滾動力、側(cè)向力與時間關(guān)系曲線
   
     圖13為鑲齒滾刀破巖效果圖，鑲齒滾刀破巖形成的巖片比較小，巖粉較多。鑲齒滾刀三向力隨時間變化如圖14、圖15所示，鑲齒滾刀的法向力波動很小，滾動力、側(cè)向力隨著巖片的產(chǎn)生而波動，平均滾動力為5.3 kN，但其側(cè)向力由于破巖面為錐形面不能相互抵消，為一個方向的力，這與盤形滾刀破巖是不同的。
  

     
  
                   圖13 鑲齒滾刀破巖效果
   
 
     通過以上試驗數(shù)據(jù)可知，滾刀破巖時滾刀三向力是一種波動力，并在一定范圍內(nèi)波動。鑲齒滾刀力的波動范圍相對于盤形滾刀較小，這和其破巖機理有密切關(guān)系。常規(guī)線性破巖試驗盤形滾刀三向力均比圍壓工況下盤形滾刀三向力小。這反映了當?shù)貞^大時，盤形滾刀侵入相同的深度，其所需盤形滾刀三向力較大。
 
     通過常規(guī)線性破巖試驗、圍壓破巖試驗以及旋轉(zhuǎn)方式破巖試驗，得到了一些刀具破巖的重要數(shù)據(jù)，以及在工地難以看到的破巖現(xiàn)象，驗證了該機械破巖平臺各項功能的可靠性與實用性。它成為目前完成工況最多、實用性最強、模擬實際工程最接近真實的機械破巖平臺。
 

                    圖14 鑲齒滾刀法向力和時間關(guān)系曲線

     
 
              圖15 鑲齒滾刀滾動力、側(cè)向力與時間關(guān)系曲線
 
     5 、結(jié) 論
 
     通過對已有機械破巖試驗平臺的調(diào)研與功能分析，綜合目前隧道機械開挖的工況，在原有線性滾刀破巖試驗機的基礎(chǔ)上，增加了大尺寸多滾刀破巖功能、圍壓功能、旋轉(zhuǎn)破巖功能。試驗平臺的承載能力、試驗的刀具類型、破巖工況得到大幅度的提高。巖樣箱的設(shè)計考慮到了巖體的結(jié)構(gòu)及滾刀破巖裂紋擴展規(guī)律對試樣的要求，并考慮到試樣裝卸的方
便。試驗平臺由機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。試驗平臺研制完成后，進行了線性切割試驗、圍壓條件下線性切割試驗、鑲齒滾刀旋轉(zhuǎn)破巖試驗，獲得了可靠的數(shù)據(jù)和實驗現(xiàn)象，驗證了機械破巖試驗平臺的各項功能。
 
     目前該平臺的試驗能力、試驗工況、自動控制與測量水平均優(yōu)于國內(nèi)外同類型破巖試驗機，成為全球第一臺新型的多功能試驗平臺。由于它可以真實全面模擬破巖機械刀具的現(xiàn)場施工狀況，故用之研究刀具破巖機理，可以準確有效地指導實際工程中破巖機械的選型、設(shè)計、優(yōu)化施工參數(shù)及進行掘進施工預測，為地下工程機械開挖服務(wù)。