專利名稱：隧道掘進機三維加載模擬試驗裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于巖石力學試驗技術領域，特別涉及一種模擬隧道掘進機(TBM)三維破 巖過程的實驗裝置，該裝置可以用于研究隧道掘進機破巖機理，并且可以為長隧道的施工 設備和施工參數(shù)選擇提供依據(jù)。
背景技術：
TBM是隧道掘進機的英文縮寫，是一種專門針對堅硬巖石的隧道掘進機械。隧道 掘進機掘進過程包含通過推力作用使?jié)L刀侵入掌子面上巖體中，刀盤的轉動帶動刀盤上 的滾刀對巖體進行碾壓，從而使掌子面的巖石以碎片狀剝落，因此隧道掘進機在長隧道施 工時具成洞質量好、掘進速度快等獨特的優(yōu)勢。根據(jù)隧道掘進機結構特征和工作特點，影響 隧道掘進機工作效率的主要因素為設備型號和施工參數(shù)，包含刀具布置形式，刀具作用力 大小及入巖深度等，而決定這些影響因素的即為隧道所處的地質條件，因此要發(fā)揮隧道掘 進機的優(yōu)勢必須根據(jù)隧道的圍巖特性合理選擇相應的設備和施工參數(shù)。目前隧道掘進機 機型、刀頭的配置和施工參數(shù)的選取一般根據(jù)室內(nèi)巖石力學試驗成果，但是隧道掘進機施 工對象為巖體，由于巖體的力學行為受環(huán)境因素(如地應力)和結構因素(如巖體結構面)的 影響，巖石的力學試驗成果并不能代表巖體力學行為，據(jù)此選擇的設備和施工參數(shù)不一定 能夠發(fā)揮隧道掘進機的最佳效率。因此有必要開發(fā)一種新的試驗方法，該方法能夠更加科 學地模擬隧道掘進機面臨的各種工況(包括刀具的配置、巖體結構面的分布、地應力的作用 等)，通過模擬實驗，研究不同工況下的巖體破裂機理，為隧道掘進機選型和刀具配置提供 依據(jù)。本發(fā)明在于為研究隧道掘進機破巖機理提供模擬實驗裝置，通過該裝置可以評價含 結構面的巖體在不同刀間距及地應力下巖體破裂效率，為隧道掘進機選型和刀具配置甚至 施工參數(shù)選擇提供直接依據(jù)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在于提供了一種隧道掘進機(TBM)三維加載模擬試驗裝置，該裝 置結構簡單，通過與普通巖石壓力機配合，解決了試驗對象的加載問題，通過含結構面的長 方體試件，真實地模擬隧道掘進機的工作對象，通過側向加壓裝置，解決了地應力的問題； 通過水平切向力施加模塊，模擬了滾刀的實際作用過程；通過不同滾刀間距的對比試驗，配 合試件的聲發(fā)射系統(tǒng)，可以研究不同刀間距作用下巖體破裂規(guī)律，為隧道掘進機選型及刀 頭的配置提供依據(jù)。為了實現(xiàn)上述任務，本發(fā)明采用以下技術措施一種隧道掘進機三維加載模擬試驗裝置，包括試件模塊、滾刀垂直荷載模塊、滾刀水平 切向力模塊及數(shù)據(jù)采集分析模塊，其特征在于滾刀垂直荷載模塊上端通過球面墊與壓力 機橫梁相連，下部滾刀與試件模塊中的試件接觸，試件模塊中的試件底部承壓板通過滾軸 與滾刀水平切向力模塊相連，垂直荷載模塊中的位移傳感器和荷載傳感器及試件模塊上的 聲發(fā)射傳感器通過電纜與數(shù)據(jù)采集分析模塊相連。
試件模塊包括試件底承壓板，縱向和橫向水平千斤頂(型號YD_450)、拉桿(8 根)、側板(4塊)、試件側向承壓板(4塊)、傳力柱(兩個)，試件等。四塊側板和八根拉桿組成 側向力加載框架，由縱向和橫向水平千斤頂及傳力柱對試件施加側向壓力，為保證側向力 的均勻性，試件四個側邊分別安放試件側向承壓板。通過兩個正交方向的水平千斤頂和水 平荷載傳力柱對試件施加雙向側壓力，模擬巖體賦存環(huán)境中的地應力。滾刀垂直荷載模塊包括連接試驗機的球面墊、垂直荷載傳力柱、滾刀支架、滾刀。 球面墊通過螺栓與實驗室普通壓力機(YE-200型)橫梁相連，安裝軸式荷載傳感器的垂直荷 載傳力柱兩端分別連接球面墊和滾刀支架，滾刀通過軸承固定在滾刀支架上。本發(fā)明垂直 荷載模塊通過垂直荷載傳力柱與已有試驗機(YE-200型)的橫梁連接，可以免去設計加工復 雜昂貴的荷載源系統(tǒng)，有效地降低了設備加工成本。滾刀水平切向力模塊包括安裝滾軸的系統(tǒng)底座，一個拉拔器(YD-100)及一根拉 桿。試件模塊安放在滾軸上，拉拔器通過拉桿與試件模塊相連，通過拉拔器帶動試件做水平 縱向運動，從而模擬滾刀在巖體上的運動。 數(shù)據(jù)采集和分析模塊包括聲發(fā)射傳感器(八個，型號SR150S)、位移傳感器(二 個，型號WDB)、軸式荷載傳感器(型號=Interface WMC)及數(shù)據(jù)采集儀(型號⑶SP)和聲發(fā) 射測試系統(tǒng)(型號DISP)組成。八個聲發(fā)射傳感器布置在試件頂端，分布在滾刀兩側，每側 各四個，呈縱向均勻排列；軸式荷載傳感器安裝在垂直荷載傳力柱中間，位移傳感器固定在 垂直荷載傳力柱左右側面上，軸式荷載傳感器和位移傳感器通過電纜與數(shù)據(jù)采集儀連接， 數(shù)據(jù)采集儀通過USB連線與計算機相連，聲發(fā)射傳感器通過電纜與聲發(fā)射測試系統(tǒng)連接。本發(fā)明由以上試件模塊、滾刀垂直荷載模塊、滾刀水平切向力模塊、數(shù)據(jù)采集分析 模塊組成一種模擬隧道掘進機三維加載試驗裝置，它由連接試驗機的球面墊、垂直荷載傳 力柱、滾刀支架、滾刀、試件底部承壓板、第一側板、第二側板、第三側板、第四側板、第一拉 桿、第二拉桿、第一水平千斤頂、第二水平千斤頂、第一水平荷載傳力柱、第二水平荷載傳力 柱、第一試件側向承壓板、第二試件側向承壓板、第三試件側向承壓板、第四試件側向承壓 板、試件、拉拔器、系統(tǒng)底座、滾軸、軸式荷載傳感器、位移傳感器、聲發(fā)射傳感器、數(shù)據(jù)采集 儀、聲發(fā)射測試系統(tǒng)和計算機組成。其特征在于系統(tǒng)底座上布置滾軸，試件底部承壓板設 置限位條并放置于滾軸上，拉拔器通過螺栓固定在系統(tǒng)底座的立面外側，第三拉桿穿過系 統(tǒng)底座的立面與拉拔器和試件底部承壓板的立面相連；第一側板和第二側板通過第一拉 桿連接，第三側板和第四側板通過第二拉桿連接，第一水平千斤頂通過內(nèi)六角螺栓固定在 第一側板外側，活塞端部安放第一試件側向承壓板，第一水平荷載傳力柱通過六角螺栓固 定在第二側板的內(nèi)側，第一水平荷載傳力柱前端放置第二試件側向承壓板；第二水平千斤 頂通過內(nèi)六角螺栓固定在第三側板外側，活塞端部安放第三試件側向承壓板，第二水平荷 載傳力柱通過六角螺栓固定在第四側板的內(nèi)側，第二水平荷載傳力柱的前端放置第四試件 側向承壓板；垂直荷載傳力柱的上端設置球面墊，球面墊通過螺栓與壓力機上橫梁連接，軸 式荷載傳感器安裝在垂直荷載傳力柱的中部，垂直荷載傳力柱下端通過螺栓與滾刀支架連 接；在垂直荷載傳力柱一側安裝第一位移傳感器，在垂直荷載傳力柱的另一側安裝第二位 移傳感器，第一位移傳感器、第二位移傳感器和軸式荷載傳感器通過電纜線與數(shù)據(jù)采集儀 連接，數(shù)據(jù)采集儀通過USB連線與計算機連接，聲發(fā)射傳感器通過電纜與聲發(fā)射測試系統(tǒng) 連接。
系統(tǒng)底座呈L形，在系統(tǒng)底座下部設置兩個限位腳，其間距恰能保證順利套進試 驗機底座。系統(tǒng)底座上平面中間布置9根滾軸，試件底部承壓板設置限位條并放置于滾軸 上。拉拔器通過螺栓固定在系統(tǒng)底座立面的外側，拉桿穿過系統(tǒng)底座立面與拉拔器和試件 底部承壓板的立面相連。試件底部承壓板橫向和縱向分別設置兩個凹槽，第一側板、第二側板、第三側板、 第四側板分別立于凹槽中。第一側板、第二側板通過第一拉桿連接，第三側板、第四側板通 過第二拉桿連接，組成側壓力支撐系統(tǒng)。第一水平千斤頂通過內(nèi)六角螺栓固定在第一側板 的外側上，第一側板中間設置一圓孔，第一水平千斤頂?shù)幕钊┻^圓孔，活塞端部安放第一 試件側向承壓板，第一水平荷載傳力柱通過六角螺栓固定在第二側板的內(nèi)側，第一水平荷 載傳力柱前端放置第二試件側向承壓板；第二水平千斤頂通過內(nèi)六角螺栓固定在第三側板 的外側上，第三側板中間設置一圓孔，第二水平千斤頂?shù)幕钊┻^圓孔，活塞端部安放第三 試件側向承壓板，第二水平荷載傳力柱通過六角螺栓固定在第四側板的內(nèi)側，第二水平荷 載傳力柱前端放置第四試件側向承壓板。為保證試驗加載始終處于垂直方向，垂直荷載傳力柱上端設置球面墊，球面墊通 過螺栓與壓力機上橫梁連接，軸式荷載傳感器安裝在垂直荷載傳力柱中間，垂直荷載傳力 柱下端通過螺栓與滾刀支架連接，滾刀支架內(nèi)設置凹槽，滾刀通過軸承固定在凹槽內(nèi)。垂直荷載傳力柱左側安裝第一位移傳感器，垂直荷載傳力柱右側安裝第二位移傳 感器，第一位移傳感器和第二位移傳感器的自由端與試件接觸，測試加載支架和試件的相 對位移，亦即滾刀貫入試件的深度。第一位移傳感器、第二位移傳感器和軸式荷載傳感器通 過電纜線與數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集儀連接，數(shù)據(jù)采集儀通過USB連線與計算機連接。8個聲發(fā)射傳 感器布置在試件頂端，通過凡士林與試件接觸耦合，沿縱向均勻分布在滾刀兩側，每側各4 個，8個聲發(fā)射傳感器通過電纜與聲發(fā)射測試系統(tǒng)的信號輸入端連接。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下優(yōu)點和效果首先，方法上的創(chuàng)新。目前采用隧道掘進機施工的長隧道在設備選型和刀具配置上主 要依據(jù)隧道圍巖的巖石力學成果，如巖石的單軸抗壓強度，彈性模量等。由于巖體的力學特 性與巖石力學特性間的關系并不明確，特別是隧道圍巖，由于自然界中巖體結構面的存在， 加之隧道一般處于深埋狀態(tài)，圍巖不可避免受到地應力作用，巖石力學特性和巖體力學特 性不能相互替代。因此僅僅根據(jù)巖石力學特性選擇設備參數(shù)和施工參數(shù)不一定能夠發(fā)揮隧 道掘進機的最優(yōu)效率。雖然隧道掘進機二維模擬實驗裝置對研究巖體掘進破碎機理有所幫 助，但不能真實反映刀具運動對巖體掘進破裂的影響，且不能反映巖體實際三維受力狀態(tài)。 本發(fā)明通過滾刀與試件的相對運動，模擬隧道掘進機的實際工作過程，并模擬巖體的三維 狀態(tài)，研究不同刀具布局和加載參數(shù)情況下巖體破裂機理，從而對設備參數(shù)和施工參數(shù)進 行優(yōu)化，有利于提高T B M的施工效率。其次，本發(fā)明通過聲發(fā)射傳感器對滾刀加載運動過 程中巖體損傷的聲發(fā)射進行三維定位，為研究巖體三維動態(tài)破裂提可靠的試驗數(shù)據(jù)。
圖1為一種隧道掘進機三維加載模擬試驗裝置示意圖。圖2為一種隧道掘進機三維加載模擬試驗裝置局部剖面圖。圖3為一種隧道掘進機三維加載模擬試驗裝置系統(tǒng)底座4為一種隧道掘進機三維加載模擬試驗裝置系統(tǒng)底座側示圖 其中1 一試件底部承壓板、2 —第一側板、3 —第二側板、4 一第三側板、5 —第四側板、 6 一第一拉桿、7 —第二拉桿、8 —第一水平千斤頂(型號YD-450)、9 一第二水平千斤頂(型 號YD-450)、10 —第一水平荷載傳力柱、11 一第二水平荷載傳力柱、12 —第一試件側向承 壓板、13 —第二試件側向承壓板、14 一第三試件側向承壓板、15 —第四試件側向承壓板、 16 一系統(tǒng)底座、17 —拉拔器(型號YD-100)、18 —第三拉桿3、19 一球面墊、20 —垂直荷載 傳力柱、21—滾刀支架、22 —滾刀、23—軸式荷載傳感器(型號=Interface WMC)、M—聲發(fā) 射傳感器(型號SR150S)、25 —第一位移傳感器(型號WDB)、26 —第二位移傳感器(型號 WDB),27 一試件、28 —試驗機底座、29 —滾軸、30 —數(shù)據(jù)采集儀(型號⑶SP)、31 —計算機、 32 一聲發(fā)射測試系統(tǒng)(型號DISP)。
具體實施例方式實施例1 下面根據(jù)附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述一種隧道掘進機三維加載模擬試驗裝置，它由試件底部承壓板1、第一側板2、第二側 板3、第三側板4、第四側板5、第一拉桿6、第二拉桿7、第一水平千斤頂8、第二水平千斤頂 9、第一水平荷載傳力柱10、第二水平荷載傳力柱11、第一試件側向承壓板12、第二試件側 向承壓板13、第三試件側向承壓板14、第四試件側向承壓板15、系統(tǒng)底座16、拉拔器17、第 三拉桿18、球面墊19、垂直荷載傳力柱20、滾刀支架21、滾刀22、軸式荷載傳感器23、聲發(fā) 射傳感器對、第一位移傳感器25、第二位移傳感器沈、試件27、試驗機底座觀、滾軸四、數(shù) 據(jù)采集儀30、計算機31及聲發(fā)射測試系統(tǒng)32等組成。其特征在于系統(tǒng)底座16上布置滾軸四，試件底部承壓板1設置限位條并放置于 滾軸四上，拉拔器17通過螺栓固定在系統(tǒng)底座16的立面外側，第三拉桿18穿過系統(tǒng)底座 16的立面與拉拔器17和試件底部承壓板1的立面相連；第一側板2和第二側板3通過第 一拉桿6連接，第三側板4和第四側板5通過第二拉桿7連接，第一水平千斤頂8通過內(nèi)六 角螺栓固定在第一側板2外側，活塞端部安放第一試件側向承壓板12，第一水平荷載傳力 柱10通過六角螺栓固定在第二側板3的內(nèi)側，第一水平荷載傳力柱10前端放置第二試件 側向承壓板13 ；第二水平千斤頂9通過內(nèi)六角螺栓固定在第三側板4外側，活塞端部安放 第三試件側向承壓板14，第二水平荷載傳力柱11通過六角螺栓固定在第四側板5的內(nèi)側， 第二水平荷載傳力柱11的前端放置第四試件側向承壓板15 ；垂直荷載傳力柱20的上端設 置球面墊19，球面墊19通過螺栓與壓力機上橫梁連接，軸式荷載傳感器23安裝在垂直荷 載傳力柱20的中部，垂直荷載傳力柱20下端通過螺栓與滾刀支架21連接，在垂直荷載傳 力柱20 —側安裝第一位移傳感器25，在垂直荷載傳力柱20的另一側安裝第二位移傳感器 26，第一位移傳感器25、第二位移傳感器沈和軸式荷載傳感器23通過電纜線與數(shù)據(jù)采集儀 30連接，數(shù)據(jù)采集儀30通過USB連線與計算機(31)連接，聲發(fā)射傳感器M通過電纜與聲 發(fā)射測試系統(tǒng)32連接。所述的滾刀支架21內(nèi)設置凹槽，滾刀22通過軸承固定在凹槽內(nèi)。所述的聲發(fā)射傳感器M布置在試件27的頂端，聲發(fā)射傳感器M分布在滾刀22 兩側，沿縱向均勻排列。
所述的拉拔器17通過螺栓固定在系統(tǒng)底座16外側，第三拉桿18穿過系統(tǒng)底座16 的立面與拉拔器17和試件底部承壓板1的立面相連。所述的系統(tǒng)底座16呈L形，在系統(tǒng)底座16下部設置兩個限位腳，其間距恰能保證 順利套進試驗機底座28。系統(tǒng)底座16上平面中間布置九根滾軸四，試件底部承壓板1設 置限位條并放置于滾軸四上。拉拔器17通過螺栓固定在系統(tǒng)底座16立面的外側，第三拉 桿18穿過系統(tǒng)底座16立面與拉拔器17和試件底部承壓板1的立面相連。試件底部承壓板1橫向和縱向分別設置兩個凹槽，第一側板2、第二側板3、第三側 板4、第四側板5分別立于凹槽中。第一側板2和第二側板3通過第一拉桿6連接，第三側 板4和第四側板5通過第二拉桿7連接。第一水平千斤頂8通過內(nèi)六角螺栓固定在第一側 板2的外側上，第一側板2中間設置一圓孔，第一水平千斤頂8的活塞穿過圓孔，活塞端部 安放第一試件側向承壓板12，第一水平荷載傳力柱10通過六角螺栓固定在第二側板3的內(nèi) 側，第一水平荷載傳力柱10前端放置第二試件側向承壓板13 ；第二水平千斤頂9通過內(nèi)六 角螺栓固定在第三側板4的外側上，第三側板4中間設置一圓孔，第二水平千斤頂9的活塞 穿過圓孔，活塞端部安放第三試件側向承壓板14，第二水平荷載傳力柱11通過六角螺栓固 定在第四側板5的內(nèi)側，第二水平荷載傳力柱11前端放置第四試件側向承壓板15。為保證試驗加載始終處于垂直方向，垂直荷載傳力柱20上端設置球面墊19，球面 墊19通過螺栓與壓力機上橫梁連接，軸式荷載傳感器23安裝在垂直荷載傳力柱20中間， 垂直荷載傳力柱20下端通過螺栓與滾刀支架21連接，滾刀支架21內(nèi)設置凹槽，滾刀22通 過軸承固定在凹槽內(nèi)。在垂直荷載傳力柱20左側安裝第一位移傳感器25，在垂直荷載傳力柱20的右側 安裝第二位移傳感器沈，第一位移傳感器25的自由端和第二位移傳感器沈的自由端分別 與試件27接觸，測試加載支架和試件的相對位移，亦即滾刀22貫入試件27的深度。第一 位移傳感器25、第二位移傳感器沈和軸式荷載傳感器23通過電纜線與數(shù)據(jù)采集儀30連 接，數(shù)據(jù)采集儀30通過USB連線與計算機31連接。八個聲發(fā)射傳感器M布置在試件27 的頂端，通過凡士林與試件27耦合接觸，八個聲發(fā)射傳感器M分布在滾刀22兩側，每側各 四個，沿縱向均勻排列，八個聲發(fā)射傳感器M通過電纜與聲發(fā)射測試系統(tǒng)32的信號輸入端 連接。權利要求
1.一種隧道掘進機三維加載模擬試驗裝置，它由試件底部承壓板(1)、第一側板(2)、 第一拉桿(6)、第一水平荷載傳力柱(10)、第一試件側向承壓板(12)、系統(tǒng)底座(16)、拉拔 器(17)、垂直荷載傳力柱(20)、滾刀支架(21)、軸式荷載傳感器(23)、聲發(fā)射傳感器(24)、 第一位移傳感器(25)、滾軸(29)、數(shù)據(jù)采集儀(30)、聲發(fā)射測試系統(tǒng)(32)組成，其特征在 于系統(tǒng)底座(16)上布置滾軸(29)，試件底部承壓板(1)設置限位條并放置于滾軸(29)上， 拉拔器(17)通過螺栓固定在系統(tǒng)底座(16)的立面外側，第三拉桿(18)穿過系統(tǒng)底座(16) 的立面與拉拔器(17)和試件底部承壓板(1)的立面相連；第一側板(2)和第二側板(3)通 過第一拉桿(6)連接，第三側板(4)和第四側板(5)通過第二拉桿(7)連接，第一水平千斤 頂(8)通過內(nèi)六角螺栓固定在第一側板(2)外側，活塞端部安放第一試件側向承壓板(12)， 第一水平荷載傳力柱(10)通過六角螺栓固定在第二側板(3)的內(nèi)側，第一水平荷載傳力柱 (10)前端放置第二試件側向承壓板(13)；第二水平千斤頂(9)通過內(nèi)六角螺栓固定在第三 側板(4)外側，活塞端部安放第三試件側向承壓板(14)，第二水平荷載傳力柱(11)通過六 角螺栓固定在第四側板(5)的內(nèi)側，第二水平荷載傳力柱(11)的前端放置第四試件側向承 壓板(15);垂直荷載傳力柱(20)的上端設置球面墊(19)，球面墊(19)通過螺栓與壓力機上 橫梁連接，軸式荷載傳感器(23)安裝在垂直荷載傳力柱(20)的中部，垂直荷載傳力柱(20) 下端通過螺栓與滾刀支架(21)連接，在垂直荷載傳力柱(20)—側安裝第一位移傳感器 (25)，在垂直荷載傳力柱(20)的另一側安裝第二位移傳感器(26)，第一位移傳感器(25)、 第二位移傳感器(26)和軸式荷載傳感器(23)通過電纜線與數(shù)據(jù)采集儀(30)連接，數(shù)據(jù)采 集儀(30)通過USB連線與計算機(31)連接，聲發(fā)射傳感器(24)通過電纜與聲發(fā)射測試系 統(tǒng)(32)連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種隧道掘進機三維加載模擬試驗裝置，其特征在于所述 的滾刀支架(21)內(nèi)設置凹槽，滾刀(22)通過軸承固定在凹槽內(nèi)。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種隧道掘進機三維加載模擬試驗裝置，其特征在于所述 的聲發(fā)射傳感器(24)布置在試件(27)的頂端，聲發(fā)射傳感器(24)分布在滾刀(22)兩側。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種隧道掘進機三維加載模擬試驗裝置，其特征在于所述 的拉拔器(17)通過螺栓固定在系統(tǒng)底座(16)外側，第三拉桿(18)穿過系統(tǒng)底座(16)的立 面與拉拔器(17)和試件底部承壓板(1)的立面相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種隧道掘進機三維加載模擬試驗裝置，垂直荷載傳力柱上端連接球面墊，下端連接滾刀支架，球面墊通過螺栓與壓力機上橫梁連接；拉拔器固定在系統(tǒng)底座立面外側，拉桿穿過系統(tǒng)底座立面與拉拔器和試件底部承壓板相連，試件底部承壓板設置限位條并放置于系統(tǒng)底座的滾軸上；水平千斤頂固定在側板外側上，活塞端部安放試件側向承壓板，水平荷載傳力柱固定在相對側板的內(nèi)側；位移傳感器和軸式荷載傳感器通過電纜線與數(shù)據(jù)采集儀連接，數(shù)據(jù)采集儀通過USB連線與計算機連接，聲發(fā)射傳感器通過電纜與聲發(fā)射測試系統(tǒng)連接。該裝置結構簡單，操作方便，試驗數(shù)據(jù)豐富，測試結果全面、可靠性高。
文檔編號G01N29/14GK102043018SQ201010528889
公開日2011年5月4日 申請日期2010年11月2日 優(yōu)先權日2010年11月2日
發(fā)明者劉博 , 周青春, 李俊如, 李海波 申請人:中國科學院武漢巖土力學研究所