专利名称：隧道掘进机三维加载模拟试验装置的制作方法
技术领域：
本发明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)三维破 岩过程的实验装置，该装置可以用于研究隧道掘进机破岩机理，并且可以为长隧道的施工 设备和施工参数选择提供依据。
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。本发明在于为研究隧道掘进机破岩机理提供模拟实验装置，通过该装置可以评价含 结构面的岩体在不同刀间距及地应力下岩体破裂效率，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
本发明的目的是在于提供了一种隧道掘进机(TBM)三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，通过含结构面的长 方体试件，真实地模拟隧道掘进机的工作对象，通过侧向加压装置，解决了地应力的问题； 通过水平切向力施加模块，模拟了滚刀的实际作用过程；通过不同滚刀间距的对比试验，配 合试件的声发射系统，可以研究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，本发明采用以下技术措施一种隧道掘进机三维加载模拟试验装置，包括试件模块、滚刀垂直荷载模块、滚刀水平 切向力模块及数据采集分析模块，其特征在于滚刀垂直荷载模块上端通过球面垫与压力 机横梁相连，下部滚刀与试件模块中的试件接触，试件模块中的试件底部承压板通过滚轴 与滚刀水平切向力模块相连，垂直荷载模块中的位移传感器和荷载传感器及试件模块上的 声发射传感器通过电缆与数据采集分析模块相连。
试件模块包括试件底承压板，纵向和横向水平千斤顶(型号YD_450)、拉杆(8 根)、侧板(4块)、试件侧向承压板(4块)、传力柱(两个)，试件等。四块侧板和八根拉杆组成 侧向力加载框架，由纵向和横向水平千斤顶及传力柱对试件施加侧向压力，为保证侧向力 的均勻性，试件四个侧边分别安放试件侧向承压板。通过两个正交方向的水平千斤顶和水 平荷载传力柱对试件施加双向侧压力，模拟岩体赋存环境中的地应力。滚刀垂直荷载模块包括连接试验机的球面垫、垂直荷载传力柱、滚刀支架、滚刀。 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滚刀支架，滚刀通过轴承固定在滚刀支架上。本发明垂直 荷载模块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。滚刀水平切向力模块包括安装滚轴的系统底座，一个拉拔器(YD-100)及一根拉 杆。试件模块安放在滚轴上，拉拔器通过拉杆与试件模块相连，通过拉拔器带动试件做水平 纵向运动，从而模拟滚刀在岩体上的运动。 数据采集和分析模块包括声发射传感器(八个，型号SR150S)、位移传感器(二 个，型号WDB)、轴式荷载传感器(型号=Interface WMC)及数据采集仪(型号⑶SP)和声发 射测试系统(型号DISP)组成。八个声发射传感器布置在试件顶端，分布在滚刀两侧，每侧 各四个，呈纵向均勻排列；轴式荷载传感器安装在垂直荷载传力柱中间，位移传感器固定在 垂直荷载传力柱左右侧面上，轴式荷载传感器和位移传感器通过电缆与数据采集仪连接， 数据采集仪通过USB连线与计算机相连，声发射传感器通过电缆与声发射测试系统连接。本发明由以上试件模块、滚刀垂直荷载模块、滚刀水平切向力模块、数据采集分析 模块组成一种模拟隧道掘进机三维加载试验装置，它由连接试验机的球面垫、垂直荷载传 力柱、滚刀支架、滚刀、试件底部承压板、第一侧板、第二侧板、第三侧板、第四侧板、第一拉 杆、第二拉杆、第一水平千斤顶、第二水平千斤顶、第一水平荷载传力柱、第二水平荷载传力 柱、第一试件侧向承压板、第二试件侧向承压板、第三试件侧向承压板、第四试件侧向承压 板、试件、拉拔器、系统底座、滚轴、轴式荷载传感器、位移传感器、声发射传感器、数据采集 仪、声发射测试系统和计算机组成。其特征在于系统底座上布置滚轴，试件底部承压板设 置限位条并放置于滚轴上，拉拔器通过螺栓固定在系统底座的立面外侧，第三拉杆穿过系 统底座的立面与拉拔器和试件底部承压板的立面相连；第一侧板和第二侧板通过第一拉 杆连接，第三侧板和第四侧板通过第二拉杆连接，第一水平千斤顶通过内六角螺栓固定在 第一侧板外侧，活塞端部安放第一试件侧向承压板，第一水平荷载传力柱通过六角螺栓固 定在第二侧板的内侧，第一水平荷载传力柱前端放置第二试件侧向承压板；第二水平千斤 顶通过内六角螺栓固定在第三侧板外侧，活塞端部安放第三试件侧向承压板，第二水平荷 载传力柱通过六角螺栓固定在第四侧板的内侧，第二水平荷载传力柱的前端放置第四试件 侧向承压板；垂直荷载传力柱的上端设置球面垫，球面垫通过螺栓与压力机上横梁连接，轴 式荷载传感器安装在垂直荷载传力柱的中部，垂直荷载传力柱下端通过螺栓与滚刀支架连 接；在垂直荷载传力柱一侧安装第一位移传感器，在垂直荷载传力柱的另一侧安装第二位 移传感器，第一位移传感器、第二位移传感器和轴式荷载传感器通过电缆线与数据采集仪 连接，数据采集仪通过USB连线与计算机连接，声发射传感器通过电缆与声发射测试系统 连接。
系统底座呈L形，在系统底座下部设置两个限位脚，其间距恰能保证顺利套进试 验机底座。系统底座上平面中间布置9根滚轴，试件底部承压板设置限位条并放置于滚轴 上。拉拔器通过螺栓固定在系统底座立面的外侧，拉杆穿过系统底座立面与拉拔器和试件 底部承压板的立面相连。试件底部承压板横向和纵向分别设置两个凹槽，第一侧板、第二侧板、第三侧板、 第四侧板分别立于凹槽中。第一侧板、第二侧板通过第一拉杆连接，第三侧板、第四侧板通 过第二拉杆连接，组成侧压力支撑系统。第一水平千斤顶通过内六角螺栓固定在第一侧板 的外侧上，第一侧板中间设置一圆孔，第一水平千斤顶的活塞穿过圆孔，活塞端部安放第一 试件侧向承压板，第一水平荷载传力柱通过六角螺栓固定在第二侧板的内侧，第一水平荷 载传力柱前端放置第二试件侧向承压板；第二水平千斤顶通过内六角螺栓固定在第三侧板 的外侧上，第三侧板中间设置一圆孔，第二水平千斤顶的活塞穿过圆孔，活塞端部安放第三 试件侧向承压板，第二水平荷载传力柱通过六角螺栓固定在第四侧板的内侧，第二水平荷 载传力柱前端放置第四试件侧向承压板。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，轴式荷载传感器安装在垂直荷载传力柱中间，垂直荷载传力 柱下端通过螺栓与滚刀支架连接，滚刀支架内设置凹槽，滚刀通过轴承固定在凹槽内。垂直荷载传力柱左侧安装第一位移传感器，垂直荷载传力柱右侧安装第二位移传 感器，第一位移传感器和第二位移传感器的自由端与试件接触，测试加载支架和试件的相 对位移，亦即滚刀贯入试件的深度。第一位移传感器、第二位移传感器和轴式荷载传感器通 过电缆线与数据数据采集仪连接，数据采集仪通过USB连线与计算机连接。8个声发射传 感器布置在试件顶端，通过凡士林与试件接触耦合，沿纵向均勻分布在滚刀两侧，每侧各4 个，8个声发射传感器通过电缆与声发射测试系统的信号输入端连接。本发明与现有技术相比，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。虽然隧道掘进机二维模拟实验装置对研究岩体掘进破碎机理有所帮 助，但不能真实反映刀具运动对岩体掘进破裂的影响，且不能反映岩体实际三维受力状态。 本发明通过滚刀与试件的相对运动，模拟隧道掘进机的实际工作过程，并模拟岩体的三维 状态，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，有利于提高T B M的施工效率。其次，本发明通过声发射传感器对滚刀加载运动过 程中岩体损伤的声发射进行三维定位，为研究岩体三维动态破裂提可靠的试验数据。


图1为一种隧道掘进机三维加载模拟试验装置示意图。图2为一种隧道掘进机三维加载模拟试验装置局部剖面图。图3为一种隧道掘进机三维加载模拟试验装置系统底座4为一种隧道掘进机三维加载模拟试验装置系统底座侧示图 其中1 一试件底部承压板、2 —第一侧板、3 —第二侧板、4 一第三侧板、5 —第四侧板、 6 一第一拉杆、7 —第二拉杆、8 —第一水平千斤顶(型号YD-450)、9 一第二水平千斤顶(型 号YD-450)、10 —第一水平荷载传力柱、11 一第二水平荷载传力柱、12 —第一试件侧向承 压板、13 —第二试件侧向承压板、14 一第三试件侧向承压板、15 —第四试件侧向承压板、 16 一系统底座、17 —拉拔器(型号YD-100)、18 —第三拉杆3、19 一球面垫、20 —垂直荷载 传力柱、21—滚刀支架、22 —滚刀、23—轴式荷载传感器(型号=Interface WMC)、M—声发 射传感器(型号SR150S)、25 —第一位移传感器(型号WDB)、26 —第二位移传感器(型号 WDB),27 一试件、28 —试验机底座、29 —滚轴、30 —数据采集仪(型号⑶SP)、31 —计算机、 32 一声发射测试系统(型号DISP)。
具体实施例方式实施例1 下面根据附图对本发明作进一步详细描述一种隧道掘进机三维加载模拟试验装置，它由试件底部承压板1、第一侧板2、第二侧 板3、第三侧板4、第四侧板5、第一拉杆6、第二拉杆7、第一水平千斤顶8、第二水平千斤顶 9、第一水平荷载传力柱10、第二水平荷载传力柱11、第一试件侧向承压板12、第二试件侧 向承压板13、第三试件侧向承压板14、第四试件侧向承压板15、系统底座16、拉拔器17、第 三拉杆18、球面垫19、垂直荷载传力柱20、滚刀支架21、滚刀22、轴式荷载传感器23、声发 射传感器对、第一位移传感器25、第二位移传感器沈、试件27、试验机底座观、滚轴四、数 据采集仪30、计算机31及声发射测试系统32等组成。其特征在于系统底座16上布置滚轴四，试件底部承压板1设置限位条并放置于 滚轴四上，拉拔器17通过螺栓固定在系统底座16的立面外侧，第三拉杆18穿过系统底座 16的立面与拉拔器17和试件底部承压板1的立面相连；第一侧板2和第二侧板3通过第 一拉杆6连接，第三侧板4和第四侧板5通过第二拉杆7连接，第一水平千斤顶8通过内六 角螺栓固定在第一侧板2外侧，活塞端部安放第一试件侧向承压板12，第一水平荷载传力 柱10通过六角螺栓固定在第二侧板3的内侧，第一水平荷载传力柱10前端放置第二试件 侧向承压板13 ；第二水平千斤顶9通过内六角螺栓固定在第三侧板4外侧，活塞端部安放 第三试件侧向承压板14，第二水平荷载传力柱11通过六角螺栓固定在第四侧板5的内侧， 第二水平荷载传力柱11的前端放置第四试件侧向承压板15 ；垂直荷载传力柱20的上端设 置球面垫19，球面垫19通过螺栓与压力机上横梁连接，轴式荷载传感器23安装在垂直荷 载传力柱20的中部，垂直荷载传力柱20下端通过螺栓与滚刀支架21连接，在垂直荷载传 力柱20 —侧安装第一位移传感器25，在垂直荷载传力柱20的另一侧安装第二位移传感器 26，第一位移传感器25、第二位移传感器沈和轴式荷载传感器23通过电缆线与数据采集仪 30连接，数据采集仪30通过USB连线与计算机(31)连接，声发射传感器M通过电缆与声 发射测试系统32连接。所述的滚刀支架21内设置凹槽，滚刀22通过轴承固定在凹槽内。所述的声发射传感器M布置在试件27的顶端，声发射传感器M分布在滚刀22 两侧，沿纵向均勻排列。
所述的拉拔器17通过螺栓固定在系统底座16外侧，第三拉杆18穿过系统底座16 的立面与拉拔器17和试件底部承压板1的立面相连。所述的系统底座16呈L形，在系统底座16下部设置两个限位脚，其间距恰能保证 顺利套进试验机底座28。系统底座16上平面中间布置九根滚轴四，试件底部承压板1设 置限位条并放置于滚轴四上。拉拔器17通过螺栓固定在系统底座16立面的外侧，第三拉 杆18穿过系统底座16立面与拉拔器17和试件底部承压板1的立面相连。试件底部承压板1横向和纵向分别设置两个凹槽，第一侧板2、第二侧板3、第三侧 板4、第四侧板5分别立于凹槽中。第一侧板2和第二侧板3通过第一拉杆6连接，第三侧 板4和第四侧板5通过第二拉杆7连接。第一水平千斤顶8通过内六角螺栓固定在第一侧 板2的外侧上，第一侧板2中间设置一圆孔，第一水平千斤顶8的活塞穿过圆孔，活塞端部 安放第一试件侧向承压板12，第一水平荷载传力柱10通过六角螺栓固定在第二侧板3的内 侧，第一水平荷载传力柱10前端放置第二试件侧向承压板13 ；第二水平千斤顶9通过内六 角螺栓固定在第三侧板4的外侧上，第三侧板4中间设置一圆孔，第二水平千斤顶9的活塞 穿过圆孔，活塞端部安放第三试件侧向承压板14，第二水平荷载传力柱11通过六角螺栓固 定在第四侧板5的内侧，第二水平荷载传力柱11前端放置第四试件侧向承压板15。为保证试验加载始终处于垂直方向，垂直荷载传力柱20上端设置球面垫19，球面 垫19通过螺栓与压力机上横梁连接，轴式荷载传感器23安装在垂直荷载传力柱20中间， 垂直荷载传力柱20下端通过螺栓与滚刀支架21连接，滚刀支架21内设置凹槽，滚刀22通 过轴承固定在凹槽内。在垂直荷载传力柱20左侧安装第一位移传感器25，在垂直荷载传力柱20的右侧 安装第二位移传感器沈，第一位移传感器25的自由端和第二位移传感器沈的自由端分别 与试件27接触，测试加载支架和试件的相对位移，亦即滚刀22贯入试件27的深度。第一 位移传感器25、第二位移传感器沈和轴式荷载传感器23通过电缆线与数据采集仪30连 接，数据采集仪30通过USB连线与计算机31连接。八个声发射传感器M布置在试件27 的顶端，通过凡士林与试件27耦合接触，八个声发射传感器M分布在滚刀22两侧，每侧各 四个，沿纵向均勻排列，八个声发射传感器M通过电缆与声发射测试系统32的信号输入端 连接。权利要求
1.一种隧道掘进机三维加载模拟试验装置，它由试件底部承压板(1)、第一侧板(2)、 第一拉杆(6)、第一水平荷载传力柱(10)、第一试件侧向承压板(12)、系统底座(16)、拉拔 器(17)、垂直荷载传力柱(20)、滚刀支架(21)、轴式荷载传感器(23)、声发射传感器(24)、 第一位移传感器(25)、滚轴(29)、数据采集仪(30)、声发射测试系统(32)组成，其特征在 于系统底座(16)上布置滚轴(29)，试件底部承压板(1)设置限位条并放置于滚轴(29)上， 拉拔器(17)通过螺栓固定在系统底座(16)的立面外侧，第三拉杆(18)穿过系统底座(16) 的立面与拉拔器(17)和试件底部承压板(1)的立面相连；第一侧板(2)和第二侧板(3)通 过第一拉杆(6)连接，第三侧板(4)和第四侧板(5)通过第二拉杆(7)连接，第一水平千斤 顶(8)通过内六角螺栓固定在第一侧板(2)外侧，活塞端部安放第一试件侧向承压板(12)， 第一水平荷载传力柱(10)通过六角螺栓固定在第二侧板(3)的内侧，第一水平荷载传力柱 (10)前端放置第二试件侧向承压板(13)；第二水平千斤顶(9)通过内六角螺栓固定在第三 侧板(4)外侧，活塞端部安放第三试件侧向承压板(14)，第二水平荷载传力柱(11)通过六 角螺栓固定在第四侧板(5)的内侧，第二水平荷载传力柱(11)的前端放置第四试件侧向承 压板(15);垂直荷载传力柱(20)的上端设置球面垫(19)，球面垫(19)通过螺栓与压力机上 横梁连接，轴式荷载传感器(23)安装在垂直荷载传力柱(20)的中部，垂直荷载传力柱(20) 下端通过螺栓与滚刀支架(21)连接，在垂直荷载传力柱(20)—侧安装第一位移传感器 (25)，在垂直荷载传力柱(20)的另一侧安装第二位移传感器(26)，第一位移传感器(25)、 第二位移传感器(26)和轴式荷载传感器(23)通过电缆线与数据采集仪(30)连接，数据采 集仪(30)通过USB连线与计算机(31)连接，声发射传感器(24)通过电缆与声发射测试系 统(32)连接。
2.根据权利要求1所述的一种隧道掘进机三维加载模拟试验装置，其特征在于所述 的滚刀支架(21)内设置凹槽，滚刀(22)通过轴承固定在凹槽内。
3.根据权利要求1所述的一种隧道掘进机三维加载模拟试验装置，其特征在于所述 的声发射传感器(24)布置在试件(27)的顶端，声发射传感器(24)分布在滚刀(22)两侧。
4.根据权利要求1所述的一种隧道掘进机三维加载模拟试验装置，其特征在于所述 的拉拔器(17)通过螺栓固定在系统底座(16)外侧，第三拉杆(18)穿过系统底座(16)的立 面与拉拔器(17)和试件底部承压板(1)的立面相连。
全文摘要
本发明公开了一种隧道掘进机三维加载模拟试验装置，垂直荷载传力柱上端连接球面垫，下端连接滚刀支架，球面垫通过螺栓与压力机上横梁连接；拉拔器固定在系统底座立面外侧，拉杆穿过系统底座立面与拉拔器和试件底部承压板相连，试件底部承压板设置限位条并放置于系统底座的滚轴上；水平千斤顶固定在侧板外侧上，活塞端部安放试件侧向承压板，水平荷载传力柱固定在相对侧板的内侧；位移传感器和轴式荷载传感器通过电缆线与数据采集仪连接，数据采集仪通过USB连线与计算机连接，声发射传感器通过电缆与声发射测试系统连接。该装置结构简单，操作方便，试验数据丰富，测试结果全面、可靠性高。
文档编号G01N29/14GK102043018SQ201010528889
公开日2011年5月4日 申请日期2010年11月2日 优先权日2010年11月2日
发明者刘博 , 周青春, 李俊如, 李海波 申请人:中国科学院武汉岩土力学研究所