本发明涉及隧道掘进，特别是涉及一种盾构机刀盘振动破岩装置和方法及岩石特性原位测试方法。
背景技术：
1、盾构法施工技术凭借其掘进效率高、劳动强度低以及对周边环境影响较小的显著优势，在隧道建设领域得到了广泛应用。然而，盾构机的设计选型及其掘进参数设置必须与实际地质条件精准匹配。近年来，由于复杂多变的地质状况和施工过程中地质信息掌握不充分，导致了一系列严重的工程事故，如盾构机被困、地层塌陷等，这些都凸显了地质信息获取在盾构施工安全及效能提升中的核心地位。
2、当前，在盾构施工中，主要依靠前期地质勘探工作来收集地质信息，具体包括实施地质钻探、土样采集及室内试验等手段，以绘制详尽的隧道沿线地质剖面图。尽管如此，地质钻探仅能按照预设的勘查路线进行有限间距的钻孔调查，难以全面覆盖掘进路径上的所有地层细节；而土体取样的室内实验虽有助于分析土质特性，但样本在采集和处理过程中难免遭受扰动，导致测试得出的物理力学性能指标可能无法准确反映原始地层的实际情况。
3、在盾构施工的实际操作中，滚刀受到刀盘施加的强大推力和扭矩作用，在掌子面上切削出一圈圈同心圆状沟槽。当滚刀对岩面的压力超过岩石的抗压强度时，岩石破碎形成压碎区及裂纹扩展区，并随着应力积累导致裂纹相互连接、岩石碎片脱落。面对硬岩地质条件时，滚刀单纯依靠碾压方式往往难以高效破碎岩石，进而影响盾构机的整体施工效率。针对这一挑战，一种名为“盾构机用自冲击滚刀及其冲击破碎岩面的方法”的专利申请提出了解决方案，即将滚刀刀轴设计为曲轴结构，使得滚刀在转动过程中能够联动冲击机构直接撞击岩面，增强破岩效果。然而，这种冲击机制属于被动触发类型，其作用具有一定的不可控性，仍有待进一步优化和完善。
技术实现思路
1、本发明旨在提出一种辅助破岩的盾构机刀盘振动破岩装置和辅助破岩的方法，以及一种基于该盾构机刀盘振动破岩装置实时岩石特性原位测试方法。
2、第一方面，本技术提供的一种盾构机刀盘振动破岩装置采用如下的技术方案：
3、一种盾构机刀盘振动破岩装置，包括滚刀、设置在所述滚刀外的刀盘面板，以及设置在刀盘面板上的若干振动破岩组件，所述振动破岩组件设置在所述刀盘面板朝向破岩方向的盘面上；所述振动破岩组件包括伸缩部和高频振动液压装置，所述伸缩部的一端固定在刀盘面板的盘面上；
4、所述高频振动液压装置包括缸体，所述伸缩部另一端与所述缸体的长度方向的一端固定连接；所述缸体内部构设有用以安装振动头的振头容腔、用以安装活塞体的活塞容腔、用以缓存储能的储能腔、用以安装换向阀的阀体容腔，所述振头容腔、所述活塞容腔、所述储能腔沿所述缸体的长度方向从远离所述伸缩部到靠近所述伸缩部依次构设；所述阀体容腔与所述活塞容腔平行布置；
5、所述缸体还设置有进油口，以及，用以连通所述进油口与所述活塞容腔、所述进油口与所述阀体容腔、所述活塞容腔与所述阀体容腔的多个油路通道，所述阀体容腔上设置有出油口；所述活塞体能够做往复运动、并间断的冲击所述振动头。
6、通过采用上述技术方案，具有的有益效果和好处有：强破岩效率，该装置通过在传统滚刀的基础上增设高频振动破岩组件，能够利用活塞体往复运动产生的高频冲击力，有效辅助滚刀对硬岩或其他难以切割的地层进行破碎，大大提高了隧道掘进过程中的破岩效率。适应复杂地质条件，在面对复杂多变的岩石强度和结构时，尤其是硬质岩层，常规的静态压力破岩方法可能效率低下，而振动破岩方式可以更有效地克服这些问题，使盾构机能灵活应对各种地层挑战。通过缸体上的进油口、出油口及多个油路通道设计，配合换向阀等元件，可实现实时精确控制活塞体的振动频率与振幅，确保振动头始终处于最佳破岩状态。储能腔的存在意味着装置能够存储一部分能量，在需要的时候迅速释放，进一步增强了活塞体冲击振动头的力量，有利于在瞬间突破硬岩或形成更大范围的裂纹网络，加速岩石破碎进程。
7、可选的，所述振头容腔与所述活塞容腔贯通，所述活塞容腔与所述储能腔之间具有储能壁体，所述储能壁体构设有储能通孔；
8、所述振动头的一端约束的设置在所述振头容腔内，所述振动头的另一端延伸至所述缸体外部；所述活塞体包括塞轴体，所述塞轴体的一端为冲击段、另一端为与所述冲击段连接为整体的储能段，在所述活塞体的所述塞轴体上从远离所述储能腔到靠近所述储能腔依次间隔设置有第一环状体、第二环状体；所述活塞体往复运动时，所述第一环状体和所述第二环状体的径向外侧壁分别在其运动范围内与所述活塞容腔的内侧壁紧密接触；
9、所述活塞体和所述振动头位于同一轴线；
10、所述冲击段与所述振动头间断的碰撞，所述储能段经由所述储能通孔伸入所述储能壁体内。
11、通过采用本段技术方案，该盾构机刀盘振动破岩装置进一步优化了振动头和活塞体的设计与工作方式，通过振头容腔与活塞容腔的贯通设计使得活塞体在往复运动过程中能更直接地将动能传递给振动头，而储能壁体及储能通孔结构则有利于实现能量的储存与释放。通过第一环状体和第二环状体的设置能够确保活塞体在活塞容腔内做往复运动时保持稳定接触，进而实现对活塞体运动状态的精确控制，保证振动头受到的冲击力均匀、有力。轴向一致性和稳定性，活塞体和振动头位于同一轴线上，这意味着它们之间的能量传递路径最短、最直接，降低了能量损耗，同时也保证了整个振动破岩过程的稳定性和一致性，减少了不必要的机械振动和噪音。
12、可选的，所述换向阀包括第一阀段、第二阀段，所述第二阀段的径向尺寸大于所述第一阀段；
13、所述换向阀能够在所述阀体容腔内往复运动，往复运动时，所述第一阀段和第二阀段的径向外侧壁与所述阀体容腔的内侧壁紧密接触；
14、所述换向阀的所述第一阀段远离所述第二阀段的一侧形成阀第一压力面，所述第二阀段靠近所述第一阀段的一侧形成阀第二压力面，所述第二阀段远离所述第一阀段的一侧形成阀第三压力面；所述阀第二压力面与所述阀体容腔围设形成阀转换腔，所述阀第三压力面与所述阀体容腔围设形成阀后腔，所述第一压力面的面积小于所述第三压力面，所述第一压力面和所述第二压力面的面积之和大于所述第三压力面的面积；
15、在所述换向阀内设置有贯通所述第一阀段和第二阀段的轴向阀孔，且在所述第一阀段设置有与所述轴向阀孔连通的径向阀孔；
16、所述进油口经由阀体油路与靠近所述第一压力面侧的所述阀体容腔连通，油可经由轴向阀孔进入所述阀后腔。
17、通过采用上述技术方案，公开了换向阀相关的结构，换向阀由第一阀段和径向尺寸更大的第二阀段构成，使得阀体在往复运动时能够精确地改变液压油的压力分布。第一压力面、第二压力面和第三压力面的不同面积设计，确保了液压油的有效分配和转换，实现对活塞体往复运动方向的精准控制。阀转换腔和阀后腔的设置允许液压油在不同工作阶段进入或排出，从而驱动活塞体进行有效的冲击振动动作。轴向阀孔和径向阀孔的组合结构使液压油能够在换向阀内快速且准确地切换流向，从而有效驱动高频振动液压装置的工作循环。当进油口供应的高压油经阀体油路流入阀体容腔并作用于不同压力面时，可促使换向阀快速移动，实现液压系统的压力和流量变换。由于换向阀能在阀体容腔内灵活往复运动，并始终保持与阀体容腔内侧壁的紧密接触，这样可以减少液压系统的泄露损失，同时增强整个振动破岩装置的动态响应速度和稳定性。该换向阀内部结构紧凑且功能明确，降低了液压系统的复杂程度，便于安装调试和后期维护。同时，通过对液压油流的精细控制，可在保证破岩效率的同时，尽量减少不必要的能量损耗，有利于整体设备的节能运行。
18、可选的，所述第一环状体远离所述第二环状体的一侧形成活塞第一压力面，所述所述第二环状体远离所述第一环状体的一侧形成活塞第二压力面；所述第一压力面的面积不大于所述第二压力面；
19、所述活塞第一压力面与所述活塞容腔围设形成活塞前腔，所述活塞第二压力面与所述活塞容腔、所述储能壁体围设形成活塞后腔；
20、所述进油口经由前腔油路与所述活塞前腔连通，所述活塞后腔经由后腔油路与所述阀体容腔连通；且所述换向阀往复运动过程中，具有所述活塞后腔经由后腔油路与所述径向阀孔连通的状态；
21、在所述活塞容腔的侧壁上开设有活塞转换腔、活塞低压腔，所述活塞转换腔经由活塞换向油路与所述阀转换腔连通，所述活塞低压腔经由活塞低压油路与所述出油口连通。
22、通过采用上述技术方案，公开了盾构机刀盘振动破岩装置的活塞设计和液压油路布置，通过第一环状体和第二环状体分别形成活塞第一压力面和活塞第二压力面，且第一压力面面积不大于第二压力面，这种设计有利于在活塞往复运动过程中，根据不同的压力面分布产生不同大小的压力差，从而驱动活塞实现高效、稳定的往复冲击动作。活塞前腔和活塞后腔的设计使得液压油能在活塞前后两端进行有效加载，确保了活塞在不同阶段(例如加速、减速或储能释放)都能获得合适的工作压力。通过进油口通过前腔油路与活塞前腔连通，为活塞提供初始推力；活塞后腔则经由后腔油路与阀体容腔连通，在换向阀往复运动时能够适时地与径向阀孔相通，这样可以根据需要将液压油导入或排出，实现活塞的有效加速、减速和位置切换。通过活塞转换腔与阀转换腔之间的连接，以及活塞低压腔与出油口的连通，确保了在活塞体回程储能和冲程释放能量的过程中，液压系统的压力变化能被精确控制和利用。当活塞体在储能阶段压缩储能壁体内的液压油时，储能腔内的液压油会被暂时储存，而在冲程阶段，这部分能量将迅速释放出来，增强对振动头的冲击效果。这样的液压油路设计不仅提高了整个破岩过程中的能量利用率和工作效率。该设计方案优化了液压系统中各部分的功能配合，使得盾构机刀盘振动破岩装置能够在硬岩地质条件下更高效地工作，并且在动态工况下保持稳定可靠的性能。
23、可选的，所述活塞转换腔设置在远离所述储能腔的一侧，所述活塞低压腔设置在靠近所述储能腔的一侧，所述活塞转换腔和所述活塞低压腔的间距大于所述第一环状体的厚度；在所述活塞体做往复运动时，所述第一环状体能够在所述活塞容腔远离所述储能腔的一侧至所述活塞转换腔和所述活塞低压腔的间距处之间移动，
24、所述第二环状体能够在所述活塞低压腔靠近所述储能腔的一侧移动。
25、采用上述技术方案，通过将活塞转换腔设置在远离储能腔的一侧，活塞低压腔设置在靠近储能腔的一侧，并且确保活塞转换腔与活塞低压腔的间距大于第一环状体的厚度，使得液压系统能够对活塞体的不同部位施加不同压力，从而实现精确的压力控制和能量转换。在活塞体做往复运动的过程中，第一环状体可以在从活塞容腔远离储能腔的一侧至活塞转换腔和活塞低压腔间距处之间移动。这意味着当液压油经过前腔油路进入活塞前腔时，第一环状体会受到推力进行加速；而在减速阶段，此时液压油可能通过活塞换向油路流入阀转换腔，协助换向阀完成动作。第二环状体能够在活塞低压腔靠近储能腔的一侧移动，这表明在活塞回程储能阶段，第二环状体紧邻储能壁体，有助于压缩储能腔以储存能量；而当活塞冲程阶段到来时，第二环状体迅速向相反方向移动，配合换向阀的工作，使得储能腔内的高压油得以快速释放到活塞后腔，增强破岩效果。这种活塞结构设计和油路布局可以显著提升整个振动破岩装置的能量利用率，使得破岩过程更为高效，同时由于能精准控制液压系统的压力分布，也有助于减少不必要的机械磨损，延长设备使用寿命。
26、可选的，所述伸缩部包括液压油缸和中部锁紧装置，所述液压油缸的一端与所述刀盘面板朝向破岩方向的盘面连接；所述液压油缸的另一端与高频振动液压装置的缸体的一端连接。
27、采用上述技术方案后，通过进油口处设置流量传感器，可以实时监测液压系统的供油流量变化，确定提供的压力，通过加速度传感器能够检测振动头的运动参数。通过流量传感器和加速度传感器收集的数据信息，能够实时传递到盾构机的检测平台，使得操作人员能够依据实际工作状况进行精准的设备控制和参数调整。例如，在硬岩层中可以根据反馈的加速度数据适当增大供油量以增强破岩效果；而在软土层或岩石破碎较为充分时，可以减少供油量，避免过度振动导致设备磨损或对隧道结构造成损害。并且能够预防性维护与安全预警，监测系统能及时发现异常情况，如流量过大或过小、振动头加速度异常等，为施工人员提供预警信号，以便提前采取措施进行设备维护或调整施工策略，确保盾构机工作的稳定性和安全性。
28、可选的，使用该装置辅助破岩方法，包括以下步骤：
29、s1、伸缩部将高频振动液压装置推出刀盘面板，振动头与岩壁的掌子面接触，伸缩部锁定，缓慢转动刀盘面板带动滚刀碾压岩壁；
30、s2、活塞体回程加速阶段：将高压油通过进油口供入缸体，活塞体向靠近伸缩部方向移动，储能腔空间被压缩储存能量，换向阀位于远离伸缩部的一端；
31、s3、活塞体回程减速阶段：活塞体向靠近储能腔的方向移动中，第一环状体的活塞第一压力面经过活塞转换腔，处于活塞转换腔和活塞低压腔的间距处，高压油进入活塞转换腔，经由活塞换向油路进入阀转换腔；换向阀的阀第二压力面受高压油作用，换向阀向靠近伸缩部方向移动；
32、s4、活塞体冲程阶段：当换向阀的径向阀孔与活塞体后腔连通，高压油通过后腔油路进入活塞后腔，活塞体的活塞第一压力面和活塞第二压力面同时接触高压油，此时储能腔释放能量，活塞体迅速向远离储能腔方向移动，使活塞体冲击振动头，振动头冲击岩壁的掌子面；
33、s5、此时第一环状体处于活塞转换腔的远离储能腔的一侧，且活塞转换腔与活塞低压腔连通，其中的高压油经出油口排出泄压；换向阀仅有阀第一压力面和阀第三压力面受高压油作用，换向阀向远离伸缩部方向移动；
34、s6、持续供高压油，步骤2—步骤5将循环执行，活塞体往复冲击振动头，振动头持续振动岩壁的掌子面；
35、s7、至停止供高压油，结束振动，刀盘面板停止转动，伸缩部将高频振动液压装置收回。
36、通过上述技术方案，公开了使用该装置辅助破岩方法，主要包括了装置定位与锁定、活塞体回程加速与储能、活塞体回程减速与压力转换、活塞体冲程释放能量冲击振动头、泄压与换向阀位移、循环往复破碎过程、停止供油与收回装置等步骤，通过高频振动液压装置和滚刀的协同工作，能够有效克服硬岩等复杂地质条件下的破岩难题，显著提升隧道掘进的破岩效率。活塞体在储能腔中进行能量储存并在冲程阶段快速释放，这种高效能的冲击方式减少了连续大功率驱动的需求，从而降低了设备的机械磨损和能源消耗。
37、第二方面，本技术提供的岩石特性原位测试方法，采用如下的技术方案：
38、基于盾构机刀盘振动破岩装置辅助破岩过程的岩石特性原位测试方法，在盾构机刀盘振动破岩装置辅助破岩的过程中，将活塞体的运动情况划分为活塞体回程加速阶段、活塞体回程减速阶段和活塞体冲程阶段，该岩石特性原位测试方法包括以下步骤：
39、s1、构建活塞体回程加速阶段、活塞体回程减速阶段和活塞体冲程阶段结构参数之间关系；定义活塞体回程时间与冲程时间比δ；
40、结合振动破岩装置固有结构参数，活塞第一压力面、活塞第二压力面、活塞体全行程长度、活塞体质量，并通过实时监测进油口高压油进油流量，计算得到活塞体冲程阶段所受的力fc
41、s2、构建活塞体—振动头—岩石微分动力学模型；
42、活塞体与振动头通过刚度为k2的弹簧和阻尼系数为c2的阻尼器连接，并且受活塞体冲程阶段的力fc；
43、振动头和岩壁的掌子面接触，振动头受到活塞体冲击时克服岩石恒定阻力pr移动，岩石表面跟随振动头一起运动；岩石根据开尔文体建模，包含一个刚度为k1的弹性元件和一个阻尼系数为c1的粘性元件的无质量滑块；根据牛顿第二定律构建活塞体和振动头的运动微分方程；
44、s3、建立岩石特性本构信息库；
45、计算活塞体-振动头-岩石微分动力学模型中岩石最大振幅l1，基于当前样本值匹配岩石特性本构信息库中的岩石应力-应变曲线，确定当前振动头接触的岩石信息；利用若干振动破岩装置提取的岩石信息，实时绘制掘进路径上掌子面内各地层横断面图。
46、通过采用上述技术方案，该岩石特性原位测试方法在盾构机刀盘振动破岩装置辅助破岩过程中通过精细分析活塞体的运动过程，并结合力学原理和监测数据，通过参数关系与动力学建模，构建了活塞体不同运动阶段(回程加速、回程减速、冲程)之间的结构参数关系，量化各阶段的动态行为，并结合装置固有参数和监测数据，获取实时计算出活塞体在冲程阶段所受的具体作用力。再通过微分动力学模型建立，模拟实际工作中的力传递和能量损耗，为准确描述其动态响应提供了理论基础。进一步通过岩石特性本构信息库及可视化监控，建立了一个岩石特性本构信息库，通过计算活塞体-振动头-岩石系统的最大振幅，并匹配到已有的岩石应力-应变曲线数据库中，可以实时识别当前掘进路径上岩石的力学性质。利用多个振动破岩装置收集的数据，绘制出掘进路径掌子面内各地层的横断面剖视图，为操作人员提供直观的实时获取并分析岩石特性，指导盾构机的最优掘进策略。
47、进一步的，活塞体冲程阶段所受的力fc满足公式：
48、
49、其中：afe是活塞第一压力面的面积的面积，为设计固有参数；are是活塞第二压力面的面积，为设计固有参数；l为活塞体全行程，也即lc活塞体冲程阶段行程，为设计固有参数；mc为活塞体质量，为设计固有参数；qs是进油口高压油输入流量，由进油口处设置的流量传感器实时监测。
50、本技术包括以下至少一种有益技术效果：
51、1.本技术的盾构机刀盘振动破岩装置通过整合高频振动破岩技术和传统的滚刀结构，增设了专门的振动破岩组件，借助活塞体的往复高频冲击，极大地提升了硬岩和复杂地层的破岩效率。
52、2.该装置设计了包含振头容腔、活塞容腔、储能腔和阀体容腔的缸体结构，以及一系列复杂的油路通道和换向阀系统，实现了对活塞体振动频率和振幅的精确控制，利用储能腔储存和瞬时释放能量，增加了破岩力度。
53、3.本技术提出的辅助破岩方法和岩石特性原位测试方法，结合装置的运行过程进行实时监测和数据分析，不仅能有效指导盾构机在掘进过程中的破岩操作，还能根据活塞体的运动参数和岩石的动态响应，构建岩石特性本构模型，实时评估和识别掌子面岩石的力学特性，为优化掘进策略提供科学依据。
1.一种盾构机刀盘振动破岩装置，其特征在于：包括滚刀(2)、设置在所述滚刀(2)外的刀盘面板(1)，以及设置在刀盘面板(1)上的若干振动破岩组件(3)，所述振动破岩组件(3)设置在所述刀盘面板(1)朝向破岩方向的盘面上；
2.根据权利要求1所述的盾构机刀盘振动破岩装置，其特征在于：
3.根据权利要求2所述的盾构机刀盘振动破岩装置，其特征在于：
4.根据权利要求3所述的盾构机刀盘振动破岩装置，其特征在于：
5.根据权利要求4所述的盾构机刀盘振动破岩装置，其特征在于：
6.根据权利要求5所述的盾构机刀盘振动破岩装置，其特征在于：
7.根据权利要求1所述的盾构机刀盘振动破岩装置，其特征在于：
8.根据权利要求7所述的盾构机刀盘振动破岩装置，其特征在于，使用该装置辅助破岩方法，包括以下步骤：
9.基于盾构机刀盘振动破岩装置辅助破岩过程的岩石特性原位测试方法，在盾构机刀盘振动破岩装置辅助破岩的过程中，将活塞体的运动情况划分为活塞体回程加速阶段、活塞体回程减速阶段和活塞体冲程阶段，其特征在于，该岩石特性原位测试方法包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的岩石特性原位测试方法，其特征在于，
