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专利名称：隧道掘进机二维加载模拟试验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于岩石力学试验技术领域，特别涉及一种模拟隧道掘进机(TBM) 二 维破岩过程的实验装置，通过该装置可以研究隧道掘进机破岩机理，为长隧道的施工设备 和施工参数选择提供依据，另外，本装置亦可以为岩体断裂研究提供一种新的实验手段。
背景技术：
TBM是隧道掘进机的英文缩写，是一种专门针对坚硬岩石的隧道掘进机械。隧道 掘进机掘进过程包含通过推力作用使滚刀侵入掌子面上岩体中，刀盘的转动带动刀盘上 的滚刀对岩体进行碾压，从而使掌子面的岩石以碎片状剥落，因此隧道掘进机在长隧道施 工时具成洞质量好、掘进速度快等独特的优势。根据隧道掘进机结构特征和工作特点，影响 隧道掘进机工作效率的主要因素为设备型号和施工参数，包含刀具布置形式，刀具作用力 大小及入岩深度等，而决定这些影响因素的即为隧道所处的地质条件，因此要发挥隧道掘 进机的优势必须根据隧道的围岩特性合理选择相应的设备和施工参数。目前隧道掘进机机 型、刀头的配置和施工参数的选取一般根据室内岩石力学试验成果，但是隧道掘进机施工 对象为岩体，由于岩体的力学行为受环境因素(如地应力)和结构因素(如岩体结构面) 的影响，岩石的力学试验成果并不能代表岩体力学行为，据此选择的设备和施工参数不一 定能够发挥隧道掘进机的最佳效率。因此有必要开发一种新的试验方法，该方法能够更加 科学地模拟隧道掘进机面临的各种工况(包括刀具的配置、岩体结构面的分布、地应力的 作用等)，通过模拟实验，研究不同工况下的岩体破裂机理，为隧道掘进机选型和刀具配置 提供依据。本实用新型在于为研究隧道掘进机破岩机理提供模拟实验装置，通过该装置可 以得到含结构面的岩体在不同刀间距及地应力下的刀具荷载-侵入度关系及岩体破裂发 展过程实时图像。通过对实验数据的分析，研究各种工况条件下岩体破裂的影响因素，为隧 道掘进机选型和刀具配置甚至施工参数选择提供直接依据。
发明内容本实用新型的目的在于提供了一种隧道掘进机(TBM) 二维加载模拟试验装置，该装置结构简单，通过与普通岩石压力机配合，解决了试验对象的加载问题；通过含结构面 的平板试件，真实地模拟隧道掘进机的工作对象；通过侧向加压装置，解决了地应力问题； 通过不同刀具的数量和间距的对比试验，配合试件的非接触式的全域实时变形观测系统， 方便快捷地了解不同刀间距作用下岩体破裂规律，为隧道掘进机选型及刀头的配置提供依 据。为了实现上述任务，本实用新型采用以下技术措施一种隧道掘进机二维加载模拟试验装置，它包括垂直加载系统、侧压系统、试件、 纵向荷载和位移记录系统、试件变形过程记录系统，其特征在于球面垫通过螺栓与压力机 横梁相连，安装轴式荷载传感器的垂直荷载传力柱两端分别连接球面垫和刀具支架，刀具 通过螺栓固定在刀具支架上，刀具支架设有滑槽，楔形刀具通过内六角螺栓固定在滑槽中；右侧板和左侧板通过四根拉杆连接，左侧板中间设置一圆孔，水平千斤顶活塞由左向右穿过圆孔，水平千斤顶通过内六角螺栓与左侧板固定，水平荷载传力柱通过六角螺栓固定在 右侧板的左侧；水平荷载传力柱和水平千斤顶活塞分别安放试件左侧承压板和试件右侧承 压板；刀具支架左右两端各安装位移传感器，位移传感器自由端与试件接触，位移传感器和 轴式荷载传感器通过数据线与数据采样仪和计算机连接，装有变焦镜头的高速CCD相机架 设在试件的前方，相机通过数据线与计算机连接。垂直加载系统包括连接试验机的球面垫、垂直荷载传力柱、轴式荷载传感器(型 号=Interface WMC)、刀具支架、刀具。球面垫通过螺栓与实验室普通压力机(YE-200型) 横梁相连，安装轴式荷载传感器的垂直荷载传力柱两端分别连接球面垫和刀具支架，刀具 通过螺栓固定在刀具支架上。设备专用加载刀具支架设有滑槽，楔形刀具通过内六角螺栓 固定在滑槽中，可根据需要在滑槽中设置单刀具、双刀具甚至多刀具(刀具数量根据试验 要求但必须考虑刀具和支架尺寸)，刀具通过在滑槽中移动从而实现刀间距的改变。为提高 刀具的硬度和耐磨性，刀具嵌入硬质合金钢。本实用新型加载装置通过垂直荷载传力柱与 已有试验机(YE-200型)的横梁连接，可以免去设计加工复杂昂贵的荷载源系统，有效地降 低了设备加工成本。侧压系统包括水平千斤顶(型号YD_450)、拉杆和左侧板、右侧板。通过拉杆连 接设备两侧的水平千斤顶和水平荷载传力柱对试件施加侧压力，模拟岩体赋存环境中的地 应力。试件试件安装在下承压板、试件左承压板和试件右承压板之间。试验采用平板试 件，保证试验在平面应力状态下进行。试件采用高强度水泥砂浆预制，根据需要试件可预置 不同间距和倾角的结构面，用以模拟隧道围岩岩体。垂直荷载和位移记录系统包括垂直荷载传力柱间安装的轴式荷载传感器(型 号=Interface WMC)，支架两端安装的位移传感器(型号WDB)和数据采集仪(型号 CDSP)。位移和荷载传感器通过数据采集仪与计算机连接，同步记录加载刀具受力和侵入试 件的深度。试件变形过程记录系统包括带有变焦镜头(型号尼康AF-S DX)的高速CXD相 机(型号BASLER A6411)、计算机。相机架设在试件正前方，通过数据线与计算机连接。由 于试件破坏时刻和破坏路径具有不确定性，因此采用非接触式全场变形观测系统记录加载 过程试件的变形情况，确保不遗漏任何变形信息。本实用新型由以上5个子系统组成一种模拟隧道掘进机二维加载试验装置，它由 连接试验机的球面垫、垂直荷载传力柱、轴式荷载传感器、刀具支架、刀具、左侧板、右侧板、 拉杆、水平千斤顶、水平荷载传力柱、试件左承压板、试件右承压板、试件、位移传感器、试件 下承压板、数据采样仪、变焦镜头、高速CCD相机和计算机组成。其连接关系是右侧板和左侧板通过四根拉杆连接，组成侧压力支撑系统。左侧板中间设置一圆 孔，水平千斤顶活塞由左向右穿过圆孔，水平千斤顶通过内六角螺栓与左侧板固定，水平荷 载传力柱通过六角螺栓固定在右侧板的左侧。水平荷载传力柱和水平千斤顶活塞相对位置 分别安放试件右承压板和试件左承压板，为方便安装和拆卸试件，承压板处于活动状态。为保证试验加载始终处于垂直方向，垂直荷载传力柱上端设置球面垫，球面垫通 过螺栓与压力机上横梁连接，安装轴式荷载传感器的垂直荷载传力柱下端通过螺栓与加载刀架连接，刀架内设置滑槽，刀具通过螺栓固定在滑槽内。加载支架左右两端各安装一只位移传感器，位移传感器自由端与试件接触，测试 加载支架和试件的相对位移，亦即刀具贯入试件的深度。位移传感器和轴式荷载传感器通 过数据线与数据采样仪和计算机连接。连接变焦镜头的高速CCD相机架设在试件的正前 方，相机通过数据线与计算机连接，由专用软件记录加载过程中压力、位移以及试件变形图像。本实用新型与现有技术相比，具有以下优点和效果首先，方法上的创新。目前采用隧道掘进机施工的长隧道在设备选型和刀具配置 上主要依据隧道围岩的岩石力学成果，如岩石的单轴抗压强度，弹性模量等。由于岩体的力 学特性与岩石力学特性间的关系并不明确，特别是隧道围岩，由于自然界中岩体结构面的 存在，加之隧道一般处于深埋状态，围岩不可避免受到地应力作用，岩石力学特性和岩体力 学特性不能相互替代。因此仅仅根据岩石力学特性选择设备参数和施工参数不一定能够发 挥隧道掘进机的最优效率。本实用新型根据岩体的实际状态，参考岩石力学特性(试件制 作时根据岩石力学特性配置砂浆)，通过模拟岩体的实际状态(结构面和地应力)，研究不 同刀具布局和加载参数情况下岩体破裂机理，从而对设备参数和施工参数进行优化，有利 于TBM施工效率的提高。其次，在研究岩体断裂试验方面，本方法试验数据更加丰富、全面 可靠。由于岩体破裂主要是变形发展到一定程度的宏观效应，裂纹演化跟踪主要通过变形 测量实现。目前岩体断裂试验时测试试件变形主要采取接触方法，如在试件可能破裂方向 黏贴有限数量的电阻片。由于岩石介质的非均勻性，岩体断裂方向不易确定，裂纹可能不按 预先设置的路径发展，另外受电阻片量程的限制，不能测量大变形。本实用新型采用全场非 接触形式的数字散斑技术，可以不受变形大小和方位限制，得到全场变形数据。因此本实用 新型在试验手段上比目前方法更可靠。

图1为一种隧道掘进机二维加载模拟试验装置示意图。图2为一种隧道掘进机二维加载模拟试验装置局部剖面图。其中1-球面垫、2-垂直荷载传力柱、3-轴式荷载传感器、4-刀具支架、5-刀具、 6-左侧板、7-右侧板、8-拉杆、9-水平千斤顶、10-水平荷载传力柱、11-试件左侧承压板、 12-试件右侧承压板、13-试件、14-位移传感器、15-试件下承压板、16-数据采样仪、17-变 焦镜头、18-高速CXD相机、19-计算机
具体实施方式
实施例1 下面根据附图对本实用新型作进一步详细描述一种隧道掘进机二维加载模拟试验装置，它由连接试验机球面垫1、垂直荷载传力 柱2、轴式荷载传感器(型号=Interface WMC) 3、刀具支架4、刀具5、左侧板6、右侧板7、拉 杆8、水平千斤顶(型号YD-450)9、水平荷载传力柱10、试件左侧承压板11、试件右侧承压 板12、试件13、位移传感器(型号WDB) 14、试件下承压板15、数据采样仪(型号CDSP) 16、 变焦镜头(型号尼康AF-S DX) 17、高速CCD相机(型号BASLER A6411) 18、计算机19组成，可以分为5个子系统垂直加载系统包括连接试验机的球面垫1、垂直荷载传力柱2、轴式荷载传感器3、刀具支架4、刀具5。球面垫1通过螺栓与实验室普通压力机(YE-200型)横梁相连，安 装轴式荷载传感器3的垂直荷载传力柱2两端分别连接球面垫1和刀具支架4，刀具5通 过螺栓固定在刀具支架4上。设备专用加载刀具支架4设有滑槽，楔形刀具5通过内六角 螺栓固定在滑槽中，可根据需要在滑槽中设置单刀具、双刀具甚至多刀具(刀具数量根据 试验要求但必须考虑刀具和支架尺寸)，刀具5通过在滑槽中移动从而实现刀间距的改变。 为提高刀具5的硬度和耐磨性，刀具嵌入硬质合金钢。侧压系统包括水平千斤顶9 (型号YD_450)、拉杆8和左侧板6、右侧板7。通过 拉杆8连接设备两侧的水平千斤顶和水平荷载传力柱对试件施加侧压力，模拟岩体赋存环 境中的地应力。试件试件13安装在试件下承压板、试件左承压板和试件右承压板之间。试验采 用平板试件，保证试验在平面应力状态下进行。试件13采用高强度水泥砂浆预制，根据需 要试件可预置不同间距和倾角的结构面，用以模拟隧道围岩岩体。垂直荷载和位移记录系统包括垂直荷载传力柱间安装的轴式荷载传感器(型 号=Interface WMC)，刀具支架处安装的位移传感器14(型号WDB)和数据采集仪16 (型 号CDSP)。位移传感器14和轴式荷载传感器通过数据采集仪16与计算机19连接，同步记 录加载刀具受力和侵入试件的深度。试件变形过程记录系统包括带有变焦镜头17 (型号尼康AF-S DX)的高速CXD 相机18(型号BASLER A6411)、计算机19。高速CXD相机18架设在试件13正前方，通过 数据线与计算机19连接。由于试件13破坏时刻和破坏路径具有不确定性，因此采用非接 触式全场变形观测系统记录加载过程试件的变形情况，确保不遗漏任何变形信息。本实用新型由以上5个子系统组成一种隧道掘进机二维模拟加载试验装置，它由 连接试验机球面垫1、垂直荷载传力柱2、轴式荷载传感器3、刀具支架4、刀具5、左侧板6、 右侧板7、拉杆8、水平千斤顶9、水平荷载传力柱10、试件左侧承压板11、试件右侧承压板 12、试件13、位移传感器14、试件下承压板15、数据采样仪16、镜头17、高速C⑶相机18、计 算机19组成。其连接关系是右侧板7和左侧板6通过四根拉杆8连接，组成侧压力支撑系统。左侧板6中间 设置一圆孔，水平千斤顶9活塞由左向右穿过圆孔，水平千斤顶9通过内六角螺栓与左侧板 6固定。水平荷载传力柱10通过六角螺栓固定在右侧板7的左侧；水平荷载传力柱10和 水平千斤顶9活塞相对位置分别安放试件右承压板12和试件左承压板11，试件下承压板 15起支撑试件左承压板11、试件右承压板12和试件13的作用。为方便安装和拆卸试件， 试件左承压板11和试件右承压板12处于活动状态。水平千斤顶9活塞推动试件左承压板 11给试件13左侧提供均勻压力，试件右承压板12通过反力为试件13右侧提供与左侧大小 相等，方向相反的侧压力。为保证试验加载始终处于垂直方向，垂直荷载传力柱2上端设置球面垫1，球面垫 1通过螺栓与压力机上横梁连接，安装轴式荷载传感器3的垂直荷载传力柱2下端通过螺 栓与刀具支架4连接，刀具支架4内设置滑槽，刀具5通过螺栓固定在滑槽内，刀具5根据 需要可在滑槽中移动改变刀间距及改变刀具5数量。通过压力机横梁经过垂直荷载传力柱2给刀具5施加荷载。刀具支架4左右两端各安装一只位移传感器14，位移传感器14自由端与试件13接触，测试刀具支架4和试件13的相对位移，亦即刀具5贯入试件13的深度。 位移传感器14和轴式荷载传感器3通过数据线与数据采样仪16和计算机19连接。连接 变焦镜头17的高速CCD相机18架设在试件13的正前方，相机18通过数据线与计算机19 连接。
权利要求一种隧道掘进机二维加载模拟试验装置，它包括垂直加载系统、侧压系统、试件(13)、纵向荷载和位移记录系统、试件变形过程记录系统，其特征在于球面垫(1)通过螺栓与压力机横梁相连，安装轴式荷载传感器(3)的垂直荷载传力柱(2)两端分别连接球面垫(1)和刀具支架(4)，刀具(5)通过螺栓固定在刀具支架(4)上，刀具支架(4)设有滑槽，楔形刀具(5)通过内六角螺栓固定在滑槽中；右侧板(7)和左侧板(6)通过四根拉杆(8)连接，左侧板(6)中间设置一圆孔，水平千斤顶(9)活塞由左向右穿过圆孔，水平千斤顶(9)通过内六角螺栓与左侧板(6)固定，水平荷载传力柱(10)通过六角螺栓固定在右侧板(7)的左侧；水平荷载传力柱(10)和水平千斤顶(9)活塞分别安放试件左侧承压板(11)和试件右侧承压板(12)；刀具支架(4)左右两端各安装位移传感器(14)，位移传感器(14)自由端与试件(13)接触，位移传感器(14)和轴式荷载传感器(3)通过数据线与数据采样仪(16)和计算机(19)连接，装有变焦镜头(17)的高速CCD相机(18)架设在试件(13)的前方，高速CCD相机(18)通过数据线与计算机(19)连接。
2.根据权利要求1所述的一种隧道掘进机二维加载模拟试验装置，其特征在于所述 的试件(13)安装在试件下承压板(15)、试件左侧承压板(11)和试件右侧承压板(12)之 间。
3.根据权利要求1所述的一种隧道掘进机二维加载模拟试验装置，其特征在于所述 的楔形刀具(5)模拟隧道掘进机滚刀，刀具(5)嵌入硬质合金钢。
专利摘要本实用新型公开了一种隧道掘进机二维加载模拟试验装置，该装置利用球面垫通过螺栓与普通压力机横梁相连，安装轴式荷载传感器的垂直荷载传力柱两端分别连接球面垫和刀具支架，刀具通过螺栓固定在刀具支架上，加载支架左右两端各安装位移传感器，位移传感器和轴式荷载传感器通过数据采样仪和计算机连接；水平千斤顶通过螺栓与左侧板固定，水平荷载传力柱固定在右侧板的左侧，通过四根拉杆连接右侧板和左侧板，水平荷载传力柱和水平千斤顶活塞端部分别安放试件右承压板和试件左承压板；高速CCD相机架设在试件的前方，通过数据线与计算机连接。该装置具有结构简单，操作方便，易于加工，成本低，试验数据丰富，测试结果全面、可靠性高。
文档编号G01N3/08GK201561897SQ20092026837
公开日2010年8月25日 申请日期2009年11月21日 优先权日2009年11月21日
发明者刘亚群, 刘博 , 周青春, 夏祥, 李俊如, 李海波, 罗超文 申请人:中国科学院武汉岩土力学研究所