本发明涉及隧道及地下工程技术领域，尤其涉及不同质量岩石耐磨性的数字钻进测试系统及方法。
背景技术：
全断面掘进机法（tbm）安全、快速掘进逐渐是隧道工程领域的前沿热点问题，在硬岩隧道工程tbm施工过程中，滚刀会因受到岩石反作用而损伤，滚刀寿命和掘进效率往往取决于岩石耐磨性。工程经验表明在掌握岩石耐磨性的情况下，合理设置滚刀刚度和优化滚刀间距，将能够大幅度增加tbm滚刀寿命。而且，tbm施工预测模型通常将岩石耐磨性作为重要参数。因此，预先评价岩石耐磨性，对于tbm隧道合理选用滚刀、提高施工效率、降低成本具有重要意义。
目前，广泛应用的岩石耐磨性评估方法是塞查尔试验。这种方法是利用重物加载到钢针上，针尖作用于平整的岩石表面滑动，以磨损后的针尖宽度来评价岩石耐磨性，并命名为cai。塞查尔试验解决了岩石耐磨性难以测定的问题，在工程起到了积极作用，但实际应用中也反映了一些问题。塞查尔试验需要在显微镜下精细测量钢针磨损后针尖的直径，测量不便利，而且钢针一次性使用后就废弃。一些案例证明了钢针硬度、试验条件和地质力学性能对测试结果有显著影响。此外，用于岩石耐磨性评估的还有挪威的磨损测试法，这种方法是将岩石碾成颗粒直径小于1mm的岩粉，用其摩擦旋转的刀具，以刀具磨损程度判断岩石耐磨性，但是这种方法操作十分复杂，仅用于特隆赫姆挪威科技大学提出的tbm性能分析模型的岩石耐磨性指标。因此，岩石耐磨性的预测是隧道及地下工程领域面临的技术难题。
数字钻进技术的发展可为岩石耐磨性测试提供了新思路。钻探是岩土工程中最常用的勘探方法，数字钻进测试技术是利用信息化技术提升和完善钻探技术。大量的现场和室内数字钻进试验表明数字钻进参数与工程岩体力学参数具有很好的相关性。目前岩土技术领域已经成功实现了由钻孔试验获取岩石单轴抗压强度，通过小尺寸钻进试验预测岩石黏聚力和内摩擦角。而且，数字钻进技术还能够应用到岩体原位测试，例如，基于仪器装备的钻孔技术实现了岩层界面辨识和地层质量划分，通过钻进数据的波动性来计算岩体完整性。尽管如此，目前对于不同质量条件的岩石耐磨性的数字钻进技术方面还暂未开展和应用。与此同时，利用数字钻进技术开展快捷、连续和原位测试岩石物理和力学参数的新方法研究具有重要价值。因此，亟待研发一种能够应用tbm法硬岩隧道工程岩石耐磨性的数字钻进试验设备，即一种岩石耐磨性数字钻进测试系统及方法。
技术实现要素：
本发明公开了一种岩石耐磨性数字钻进测试系统及方法，通过推进扭矩、推进压力和钻进位移等监测钻具数字响应信息，获取岩石钻进过程的单位时间的钻进位移，用于计算岩石的耐磨性，以指导硬岩隧道掘进机合理选用滚刀参数、提高施工效率和降低成本。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种岩石耐磨性数字钻进测试系统包括：用于在待测试的岩石上钻孔的数字钻进装置、岩石固定装置、转动装置、设置在数字钻进装置上的数字传感器和机架，其中数字钻进装置安装在机架上部；岩石固定装置安装在机架下部并与数字钻进装置对齐；转动装置安装在岩石固定装置的下方，以便当转动装置工作时能带动固定在岩石固定装置上的岩石转动。
通过采用上述技术方案，克服了传统钻进装置中转动部分在上部产生的问题，即，上部结构复杂，使得挠度大、容易偏离中心线摆动，而像本发明这样把转动装置设置到下部就会简化结构并使整个测试系统更稳定。
进一步地，所述数字钻进装置包括钻头、钻杆、夹持件、加压泵、加压伸缩头、移动平台和导轨，其中加压泵安装在移动平台的顶部的上表面上，加压伸缩头安装在移动平台的顶部的下表面上并与加压泵连接，导轨安装在移动平台的顶部和底部之间，夹持件安装在导轨上并能沿导轨运动，钻杆固定设置在夹持件上，钻头设置在钻杆的下端。
进一步地，岩石固定装置包括底座、紧固件和卡槽，其中紧固件和卡槽均设置在底座上，紧固件和卡槽通过螺栓连接，以便将待测试的岩石卡紧。
进一步地，转动装置包括电机和转动盘，其中电机设置为能驱动转动盘转动，转动盘设置为能使卡槽以及固定在卡槽内的岩石一起转动。
进一步地，数字传感器包括：安装在钻杆上用于监测钻杆扭转状态的扭矩传感器；安装在导轨上用于监测加压泵向下施加竖向力的压力传感器；以及安装在移动平台上用于监测钻头进尺的位移传感器。
进一步地，机架包括水平支架、竖直支架、斜支架以及用于固定整个岩石耐磨性数字钻进测试系统的底座支架，其中水平支架水平地设置在底座支架上部；竖直支架竖直地设置在水平支架上；斜支架连接在水平支架和竖直支架上。
进一步地，竖直支架包括横梁，其中横梁与移动平台连接，以便横梁与移动平台一起在竖直支架上上下移动。
本发明的另一目的在于还提供一种利用岩石耐磨性数字钻进测试系统对岩石进行耐磨性测试的测试方法，其包括以下操作步骤：
步骤1，调节机架的水平状态和竖直状态；
步骤2，将待测试的岩石固定在岩石固定装置上；
步骤3，启动并调节数字钻进装置；
步骤4，启动数字传感器；
步骤5，启动转动装置，使岩石以一定转动角速度运转一定时间；以及
步骤6，获得传感器的输出数据，以便计算岩石的耐磨性的参数。
进一步地，步骤1包括：调节底座支架使底座能够保持水平状态；调节竖直支架和水平支架使导轨保持竖直状态；
步骤2包括：将岩石放置并侧面紧贴至卡槽，用紧固件压紧岩石和卡槽，用螺栓使岩石固定紧，上下和前后推动和扭动岩石确保不会发生滑动或转动；
步骤3包括：调节横梁至合适高度，使钻头的底部和岩石的顶部处以同一水平面，同时，调节移动平台的位置，使钻头与岩石的中心线尽量重合；以及接通加压泵电源，加压伸缩头产生竖向位移，使钻头底部压紧岩石的中心位置，接通电机的电源；
步骤4包括：启动扭矩传感器监测钻头在旋转过程中的扭转力，运行压力传感器监测加压泵产生的竖向压力，运行位移传感器监测钻进孔的深度，同时检查扭矩、压力和位移的数据输出是否正常；
步骤5包括：启动转动盘，使岩石开始稳定转动，钻头向下钻进，实时采集和保存推进扭矩、推进压力和钻进位移等钻具响应信息。
进一步地，步骤6包括：根据钻具响应信息计算岩石钻进过程的单位钻进位移量，利用单位钻进位移量和耐磨性的关系：
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明的岩石耐磨性数字钻进测试系统，操作简单，能通过数字钻进装置、岩石固定装置和转动装置实现钻头在岩石中的稳定钻进，并通过数字传感器实时获取压力、扭矩和位移岩石钻进参数，用于评价岩石的耐磨性。而且钻杆、钻头及数字传感器等组件均可以重复利用，使得测试岩石耐磨性测试的成本较低，具有良好经济效益。获取的岩石耐磨性参数对于tbm法硬岩隧道合理选用滚刀参数、选定滚刀间距、提高施工效率、降低成本具有重要意义。
附图说明
图1是本发明的岩石耐磨性数字钻进测试系统透视图。
图2是本发明的岩石耐磨性数字钻进测试系统侧视图。
图3是本发明的岩石耐磨性数字钻进测试系统正视图。
图4是本发明的岩石耐磨性数字钻进测试系统俯视图。
图5是本发明的数字钻进装置的示意图。
图6是本发明的岩石固定装置和转动装置的示意图。
图7是本发明的单位钻进位移量和岩石耐磨性的关系曲线图。
其中，1-钻头；2-钻杆；3-夹持件；4-加压泵；5-加压伸缩头；6-移动平台；7-导轨；8-岩石；9-卡槽；10-条钢；11-螺栓；12-底座；13-电机；14-转动盘；15-扭矩传感器；16-压力传感器；17-位移传感器；18-横梁；19-水平支架；20-竖直支架；21-斜支架；22-钻进孔；23-法兰盘；24-底座支架。
具体实施方式
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的描述。应该了解，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，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。
如图1至图6所示，本发明的岩石耐磨性数字钻进测试系统包括：用于在待测试的岩石上钻孔的数字钻进装置、岩石固定装置、转动装置、设置在数字钻进装置上的数字传感器和机架。数字钻进装置安装在机架上部；岩石固定装置安装在机架下部并与数字钻进装置对齐；转动装置安装在岩石固定装置的下方，以便当转动装置工作时能带动固定在岩石固定装置上的岩石转动。
具体地，如图1至图6所示，数字钻进装置包括钻头1、钻杆2、夹持件3、加压泵4、加压伸缩头5、移动平台6和导轨7。如图1至图6所示，加压泵4安装在移动平台6的顶部的上表面上，加压伸缩头5安装在移动平台6的顶部的下表面上并与加压泵4连接，导轨7安装在移动平台6的顶部和底部之间，夹持件3安装在导轨7上并能沿导轨运动，钻杆2设置在夹持件3上，钻头1设置在钻杆1的下端。优选地，如图1、图3和图5所示，导轨7包括三个平行的竖直轨道元件，以便安装夹持件3、加压伸缩头5和压力传感器16。
如图1至图6所示，岩石固定装置包括底座12、紧固件和卡槽9。紧固件和卡槽9均设置在底座12上，紧固件和卡槽9通过螺栓连接将，以便待测试的岩石卡紧。优选地，在本发明中，紧固件是条钢10。将岩石8放置到卡槽9内，侧面采用紧固件卡紧，并拧紧螺栓11，实现将岩石约束在底座12。
如图1至图6所示，所述转动装置包括电机13和转动盘14，电机13设置为能驱动转动盘14转动。转动盘14设置为能使卡槽9以及固定在卡槽9内的岩石8一起转动。岩石钻进装置是通过加压泵4推进加压伸缩头5，保持夹持件3产生竖直向下的推力，并将推力传递给钻杆2和钻头1，让钻头1钻进岩石8，形成钻进孔22。
数字传感器安装于组件受力部位，用于测试钻进过程中的推进扭矩、推进压力和钻进位移等数字信息。如图1至图6所示，数字传感器包括：安装在钻杆2上用于监测钻杆扭转状态的扭矩传感器15；安装在导轨7上用于监测加压泵4向下施加竖向力的压力传感器16；以及安装在移动平台6上用于监测钻头1进尺的位移传感器17。优选地，扭矩传感器通过法兰盘23与钻杆2连接。
具体地，机架用于岩石耐磨性数字钻进测试系统的固定。如图1至图6所示，所述机架包括水平支架19、竖直支架20、斜支架21以及用于固定整个岩石耐磨性数字钻进测试系统的底座支架24。水平支架19水平地设置在底座支架24上部；竖直支架20竖直地设置在水平支架19上；斜支架21连接在水平支架19和竖直支架20上。优选地，竖直支架20包括横梁18，其中横梁18与移动平台6连接，以便横梁18与移动平台6一起在竖直支架20上上下移动。移动平台6利用横梁18实现按照预设距离上下滑动。放置岩石的底座12通过水平支架19固定。竖直支架20固定横梁18。斜支架21保持机架的稳定。在岩石数字钻进测试过程中，由加压泵4通过油压持续提供压力，推进加压伸缩头5向下竖向移动，沿着导轨7的竖直路径使夹持件3产生向下的已设置压力，以产生持续位移，钻杆2受到夹持件3的带动作用，给予钻头1恒定压力。与此同时，电机13在接通电源后产生转动，并将转动角速度传递给同轴的转动盘14。利用条钢10和螺栓11将岩石8固定在卡槽9内，可以使岩石8随着转动盘14同轴转动。随着钻头1对岩石8压紧并钻进，在岩石8内部形成一定深度的钻进孔22。加压泵4可以通过调整挡位以实现不同级别的推进压力，通过压力传感器16显示出来；加压伸缩头5和钻头1的进尺一致，通过位移传感器17进行监测实时进尺量；通过法兰盘23将扭矩传感器15和钻杆2连接，以传递同轴力矩，并由扭矩传感器15实现数据监测。
为保证岩石钻进装置和岩石固定装置的稳定性，采用水平支架19、竖直支架20和斜支架21限制整体装置水平和竖直方向位移，并将上述装置固定于底座支架24。通过调节横梁18的高度可以使各种尺寸的岩石8顶部与钻头1底部水平对齐，移动平台6沿着横梁18左、右滑动实现钻头1与岩石8同轴对齐。在转动盘14以一定角速度旋转时，底座12既可以保持转动盘14不发生偏心，又能克服岩石8传递的竖向推力，并将推力传递给底座支架24。
本发明还提供了一种利用上述测试系统评价不同质量岩石耐磨性的方法，用以指导tbm法硬岩隧道合理选取滚刀参数和间距、预测刀具寿命以及提高掘进效率。在进行工程应用时，在工程现场采取岩样，加工成与卡槽9相匹配的尺寸，向待测岩石8施加固定的推进压力（f，单位为kn）以及转动速度（r，转/秒），用单位时间内的钻头位移量（d，单位为m）来评价岩石的耐磨性。单位时间内钻头位移量越小表明岩石的耐磨性越高，反之，单位时间内钻头位移量越大表明岩石的耐磨性越低。采用了三种类型的岩石建立了单位钻进位移量（dt）和岩石耐磨性指数（cai）的关系曲线图7，二者可以表示为下式：
在建立岩石耐磨性参数和单位时间内钻头位移量的关系上，可以划分基于数字钻进技术的岩石耐磨性计算方法，根据待测岩石的单位时间内钻头位移量计算得到岩石耐磨性参数。具体来说，该方法包括以下步骤：
步骤1，调节机架的水平状态和竖直状态；
步骤2，将待测试的岩石固定在岩石固定装置上；
步骤3，启动并调节数字钻进装置；
步骤4，启动数字传感器；
步骤5，启动转动装置，使岩石以一定转动角速度运转一定时间；以及
步骤6，获得传感器的输出数据，以便计算岩石8的耐磨性的参数。
具体地，步骤1，调节底座支架24使底座12能够保持水平状态；调节竖直支架20和水平支架19使导轨7保持竖直状态；
步骤2，将岩石8放置并侧面紧贴至卡槽9，用紧固件压紧岩石8和卡槽9，用螺栓11使岩石8固定紧，上下和前后推动和扭动岩石8确保不会发生滑动或转动；
步骤3，调节横梁18至合适高度，使钻头1的底部和岩石8的顶部处以同一水平面，同时，调节移动平台6的位置，使钻头1与岩石8的中心线尽量重合；以及接通加压泵4电源，加压伸缩头5产生竖向位移，使钻头1底部压紧岩石8的中心位置，接通电机13的电源；
步骤4，启动扭矩传感器15监测钻头1在旋转过程中的扭转力，运行压力传感器16监测加压泵4产生的竖向压力，运行位移传感器17监测钻进孔22的深度，同时检查扭矩、压力和位移的数据输出是否正常，“数据输出正常”是指“输出大体为零或有一定数值”；
步骤5，启动转动盘14，使岩石8开始稳定转动，钻头1向下钻进，实时采集和保存推进扭矩、推进压力和钻进位移等钻具响应信息。
步骤6，根据钻具响应信息计算岩石8钻进过程的单位钻进位移量，利用单位钻进位移量和耐磨性的关系：
所述岩石钻进装置是通过加压泵4推进加压伸缩头5，保持夹持件3产生竖直向下的推力，并将推力传递给钻杆2和钻头1，让钻头1钻进岩石8，形成钻进孔22。
优选地，参考图1至图7，本发明的检测方法的实施例描述如下：
根据卡槽9的尺寸加工岩石8的尺寸，尺寸可选取为长×宽×高200mm×100mm×10mm，卡槽9和岩石8的接触面（侧面和底面）应加工光滑面，在岩石8的上表面用记号笔画上“十”字以便于岩石8和钻头1对齐；
对岩石耐磨性随钻测试系统进行调平，调整底座支架24使底座12能够保持水平状态，调整竖直支架20和水平支架19使导轨7保持竖直状态，将支架各组件接触处拧紧，必要时可以两外采用配件加固；
调节横梁18至合适高度，使钻头1的底部和岩石8的顶部处以同一水平面，同时，调节移动平台6的位置，使钻头1与岩石8的中心线尽量重合；
将岩石8放置并侧面紧贴至卡槽9，用条钢10压紧岩石8和卡槽9，用螺栓11使岩石8固定紧，上下和前后推动和扭动岩石8确保不会发生滑动或转动；
接通加压泵4电源，加压伸缩头5产生竖向位移，使钻头1底部压紧岩石8的中心位置，检查加压泵4和加压伸缩头5在加压时是否漏油，然后，接通电机13的电源；
运行扭矩传感器15监测钻头1在旋转过程中的扭转力，运行压力传感器16监测加压泵4产生的竖向压力，运行位移传感器17监测钻进孔22的深度，同时检查扭矩、压力和位移的数据输出是否正常，扭矩传感器15、位移传感器17和压力传感器16的采样间隔可以设置成每秒一个，必须要保证传感器输出的数据时间统一；
预设好转动盘14的转动角速度和运转时间，岩石8开始稳定转动，钻头1向下钻进，实时采集和保存推进扭矩、推进压力和钻进位移等钻具响应信息，将钻具响应信息提取为excel格式，通过数据求导分析，得到单位时间内的岩石钻进位移量；
通过本发明的单位钻进位移量和岩石耐磨性的关系曲线图7，在由钻具响应信息计算岩石8钻进过程的单位钻进位移量后，利用单位钻进位移量和岩石耐磨性指数的关系，插值计算岩石8的耐磨性的参数；
达到钻进时间后，设置加压泵4为回退压力，加压伸缩头5产生向上位移，钻头1从岩石8中拔出，关闭加压泵4和电机13的电源，取出卡槽9中的岩石8，并清扫岩碎屑。
此外，本说明书应被视为一个整体，上述实施方式并非本发明唯一的独立技术方案，实施例中的技术方案可经适当组合调整，形成本领域技术人员可理解的其他实施方式。本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。
1.一种岩石耐磨性数字钻进测试系统，其特征在于，包括：用于在待测试的岩石上钻孔的数字钻进装置、岩石固定装置、转动装置、设置在数字钻进装置上的数字传感器和机架，
其中数字钻进装置安装在机架上部；岩石固定装置安装在机架下部并与数字钻进装置对齐；转动装置安装在岩石固定装置的下方，以便当转动装置工作时能带动固定在岩石固定装置上的岩石转动。
2.根据权利要求1所述的岩石耐磨性数字钻进测试系统，其特征在于，所述数字钻进装置包括钻头（1）、钻杆（2）、夹持件（3）、加压泵（4）、加压伸缩头（5）、移动平台（6）和导轨（7），其中加压泵（4）安装在移动平台（6）的顶部的上表面上，加压伸缩头（5）安装在移动平台（6）的顶部的下表面上并与加压泵（4）连接，导轨（7）安装在移动平台（6）的顶部和底部之间，夹持件（3）安装在导轨（7）上并能沿导轨运动，钻杆（2）固定设置在夹持件（3）上，钻头（1）设置在钻杆（1）的下端。
3.根据权利要求1所述的岩石耐磨性数字钻进测试系统，其特征在于，所述岩石固定装置包括底座（12）、紧固件和卡槽（9），其中紧固件和卡槽（9）均设置在底座（12）上，紧固件和卡槽（9）通过螺栓连接，以便将待测试的岩石卡紧。
4.根据权利要求1所述的岩石耐磨性数字钻进测试系统，其特征在于，所述转动装置包括电机（13）和转动盘（14），其中电机（13）设置为能驱动转动盘（14）转动，转动盘（14）设置为能使卡槽（9）以及固定在卡槽（9）内的岩石（8）一起转动。
5.根据权利要求1所述的岩石耐磨性数字钻进测试系统，其特征在于，所述数字传感器包括：安装在钻杆（2）上用于监测钻杆扭转状态的扭矩传感器（15）；安装在导轨（7）上用于监测加压泵（4）向下施加竖向力的压力传感器（16）；以及安装在移动平台（6）上用于监测钻头（1）进尺的位移传感器（17）。
6.根据权利要求1所述的岩石耐磨性数字钻进测试系统，其特征在于，所述机架包括水平支架（19）、竖直支架（20）、斜支架（21）以及用于固定整个岩石耐磨性数字钻进测试系统的底座支架（24），其中水平支架（19）水平地设置在底座支架（24）上部；竖直支架（20）竖直地设置在水平支架（19）上；斜支架（21）连接在水平支架（19）和竖直支架（20）上。
7.根据权利要求6所述的岩石耐磨性数字钻进测试系统，其特征在于，竖直支架（20）包括横梁（18），其中横梁（18）与移动平台（6）连接，以便横梁（18）与移动平台（6）一起在竖直支架（20）上上下移动。
8.一种利用前述权利要求中任一项所述的岩石耐磨性数字钻进测试系统对岩石进行耐磨性测试的测试方法，其特征在于，包括以下操作步骤：
步骤1，调节机架的水平状态和竖直状态；
步骤2，将待测试的岩石固定在岩石固定装置上；
步骤3，启动并调节数字钻进装置；
步骤4，启动数字传感器；
步骤5，启动转动装置，使岩石以一定转动角速度运转一定时间；以及
步骤6，获得传感器的输出数据，以便计算岩石（8）的耐磨性的参数。
9.根据权利要求8所述的测试方法，其特征在于，
步骤1包括：调节底座支架（24）使底座（12）能够保持水平状态；调节竖直支架（20）和水平支架（19）使导轨（7）保持竖直状态；
步骤2包括：将岩石（8）放置并侧面紧贴至卡槽（9），用紧固件压紧岩石（8）和卡槽（9），用螺栓（11）使岩石（8）固定紧，上下和前后推动和扭动岩石（8）确保不会发生滑动或转动；
步骤3包括：调节横梁（18）至合适高度，使钻头（1）的底部和岩石（8）的顶部处以同一水平面，同时，调节移动平台（6）的位置，使钻头（1）与岩石（8）的中心线尽量重合；以及
接通加压泵（4）电源，加压伸缩头（5）产生竖向位移，使钻头（1）底部压紧岩石（8）的中心位置，接通电机（13）的电源；
步骤4包括：启动扭矩传感器（15）监测钻头（1）在旋转过程中的扭转力，运行压力传感器（16）监测加压泵（4）产生的竖向压力，运行位移传感器（17）监测钻进孔（22）的深度，同时检查扭矩、压力和位移的数据输出是否正常；
步骤5包括：启动转动盘（14），使岩石（8）开始稳定转动，钻头（1）向下钻进，实时采集和保存推进扭矩、推进压力和钻进位移等钻具响应信息。
10.根据权利要求8或9所述的测试方法，其特征在于，
步骤6包括：根据钻具响应信息计算岩石8钻进过程的单位钻进位移量，利用单位钻进位移量和耐磨性的关系：
