專利名稱：隧道掘進機二維加載模擬試驗裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型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) 二 維破巖過程的實驗裝置，通過該裝置可以研究隧道掘進機破巖機理，為長隧道的施工設備 和施工參數選擇提供依據，另外，本裝置亦可以為巖體斷裂研究提供一種新的實驗手段。
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，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)勢必須根據隧道的圍巖特性合理選擇相應的設備和施工參數。目前隧道掘進機機 型、刀頭的配置和施工參數的選取一般根據室內巖石力學試驗成果，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，據此選擇的設備和施工參數不一 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。本實用新型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 以得到含結構面的巖體在不同刀間距及地應力下的刀具荷載-侵入度關系及巖體破裂發(fā) 展過程實時圖像。通過對實驗數據的分析，研究各種工況條件下巖體破裂的影響因素，為隧 道掘進機選型和刀具配置甚至施工參數選擇提供直接依據。
發(fā)明內容本實用新型的目的在于提供了一種隧道掘進機(TBM) 二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 的平板試件，真實地模擬隧道掘進機的工作對象；通過側向加壓裝置，解決了地應力問題； 通過不同刀具的數量和間距的對比試驗，配合試件的非接觸式的全域實時變形觀測系統(tǒng)， 方便快捷地了解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。為了實現(xiàn)上述任務，本實用新型采用以下技術措施一種隧道掘進機二維加載模擬試驗裝置，它包括垂直加載系統(tǒng)、側壓系統(tǒng)、試件、 縱向荷載和位移記錄系統(tǒng)、試件變形過程記錄系統(tǒng)，其特征在于球面墊通過螺栓與壓力機 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刀具支架，刀具 通過螺栓固定在刀具支架上，刀具支架設有滑槽，楔形刀具通過內六角螺栓固定在滑槽中；右側板和左側板通過四根拉桿連接，左側板中間設置一圓孔，水平千斤頂活塞由左向右穿過圓孔，水平千斤頂通過內六角螺栓與左側板固定，水平荷載傳力柱通過六角螺栓固定在 右側板的左側；水平荷載傳力柱和水平千斤頂活塞分別安放試件左側承壓板和試件右側承 壓板；刀具支架左右兩端各安裝位移傳感器，位移傳感器自由端與試件接觸，位移傳感器和 軸式荷載傳感器通過數據線與數據采樣儀和計算機連接，裝有變焦鏡頭的高速CCD相機架 設在試件的前方，相機通過數據線與計算機連接。垂直加載系統(tǒng)包括連接試驗機的球面墊、垂直荷載傳力柱、軸式荷載傳感器(型 號=Interface WMC)、刀具支架、刀具。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刀具支架，刀具 通過螺栓固定在刀具支架上。設備專用加載刀具支架設有滑槽，楔形刀具通過內六角螺栓 固定在滑槽中，可根據需要在滑槽中設置單刀具、雙刀具甚至多刀具(刀具數量根據試驗 要求但必須考慮刀具和支架尺寸)，刀具通過在滑槽中移動從而實現(xiàn)刀間距的改變。為提高 刀具的硬度和耐磨性，刀具嵌入硬質合金鋼。本實用新型加載裝置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。側壓系統(tǒng)包括水平千斤頂(型號YD_450)、拉桿和左側板、右側板。通過拉桿連 接設備兩側的水平千斤頂和水平荷載傳力柱對試件施加側壓力，模擬巖體賦存環(huán)境中的地 應力。試件試件安裝在下承壓板、試件左承壓板和試件右承壓板之間。試驗采用平板試 件，保證試驗在平面應力狀態(tài)下進行。試件采用高強度水泥砂漿預制，根據需要試件可預置 不同間距和傾角的結構面，用以模擬隧道圍巖巖體。垂直荷載和位移記錄系統(tǒng)包括垂直荷載傳力柱間安裝的軸式荷載傳感器(型 號=Interface WMC)，支架兩端安裝的位移傳感器(型號WDB)和數據采集儀(型號 CDSP)。位移和荷載傳感器通過數據采集儀與計算機連接，同步記錄加載刀具受力和侵入試 件的深度。試件變形過程記錄系統(tǒng)包括帶有變焦鏡頭(型號尼康AF-S DX)的高速CXD相 機(型號BASLER A6411)、計算機。相機架設在試件正前方，通過數據線與計算機連接。由 于試件破壞時刻和破壞路徑具有不確定性，因此采用非接觸式全場變形觀測系統(tǒng)記錄加載 過程試件的變形情況，確保不遺漏任何變形信息。本實用新型由以上5個子系統(tǒng)組成一種模擬隧道掘進機二維加載試驗裝置，它由 連接試驗機的球面墊、垂直荷載傳力柱、軸式荷載傳感器、刀具支架、刀具、左側板、右側板、 拉桿、水平千斤頂、水平荷載傳力柱、試件左承壓板、試件右承壓板、試件、位移傳感器、試件 下承壓板、數據采樣儀、變焦鏡頭、高速CCD相機和計算機組成。其連接關系是右側板和左側板通過四根拉桿連接，組成側壓力支撐系統(tǒng)。左側板中間設置一圓 孔，水平千斤頂活塞由左向右穿過圓孔，水平千斤頂通過內六角螺栓與左側板固定，水平荷 載傳力柱通過六角螺栓固定在右側板的左側。水平荷載傳力柱和水平千斤頂活塞相對位置 分別安放試件右承壓板和試件左承壓板，為方便安裝和拆卸試件，承壓板處于活動狀態(tài)。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，安裝軸式荷載傳感器的垂直荷載傳力柱下端通過螺栓與加載刀架連接，刀架內設置滑槽，刀具通過螺栓固定在滑槽內。加載支架左右兩端各安裝一只位移傳感器，位移傳感器自由端與試件接觸，測試 加載支架和試件的相對位移，亦即刀具貫入試件的深度。位移傳感器和軸式荷載傳感器通 過數據線與數據采樣儀和計算機連接。連接變焦鏡頭的高速CCD相機架設在試件的正前 方，相機通過數據線與計算機連接，由專用軟件記錄加載過程中壓力、位移以及試件變形圖像。本實用新型與現(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。因此僅僅根據巖石力學特性選擇設備參數和施工參數不一定能夠發(fā) 揮隧道掘進機的最優(yōu)效率。本實用新型根據巖體的實際狀態(tài)，參考巖石力學特性(試件制 作時根據巖石力學特性配置砂漿)，通過模擬巖體的實際狀態(tài)(結構面和地應力)，研究不 同刀具布局和加載參數情況下巖體破裂機理，從而對設備參數和施工參數進行優(yōu)化，有利 于TBM施工效率的提高。其次，在研究巖體斷裂試驗方面，本方法試驗數據更加豐富、全面 可靠。由于巖體破裂主要是變形發(fā)展到一定程度的宏觀效應，裂紋演化跟蹤主要通過變形 測量實現(xiàn)。目前巖體斷裂試驗時測試試件變形主要采取接觸方法，如在試件可能破裂方向 黏貼有限數量的電阻片。由于巖石介質的非均勻性，巖體斷裂方向不易確定，裂紋可能不按 預先設置的路徑發(fā)展，另外受電阻片量程的限制，不能測量大變形。本實用新型采用全場非 接觸形式的數字散斑技術，可以不受變形大小和方位限制，得到全場變形數據。因此本實用 新型在試驗手段上比目前方法更可靠。

圖1為一種隧道掘進機二維加載模擬試驗裝置示意圖。圖2為一種隧道掘進機二維加載模擬試驗裝置局部剖面圖。其中1-球面墊、2-垂直荷載傳力柱、3-軸式荷載傳感器、4-刀具支架、5-刀具、 6-左側板、7-右側板、8-拉桿、9-水平千斤頂、10-水平荷載傳力柱、11-試件左側承壓板、 12-試件右側承壓板、13-試件、14-位移傳感器、15-試件下承壓板、16-數據采樣儀、17-變 焦鏡頭、18-高速CXD相機、19-計算機
具體實施方式
實施例1 下面根據附圖對本實用新型作進一步詳細描述一種隧道掘進機二維加載模擬試驗裝置，它由連接試驗機球面墊1、垂直荷載傳力 柱2、軸式荷載傳感器(型號=Interface WMC) 3、刀具支架4、刀具5、左側板6、右側板7、拉 桿8、水平千斤頂(型號YD-450)9、水平荷載傳力柱10、試件左側承壓板11、試件右側承壓 板12、試件13、位移傳感器(型號WDB) 14、試件下承壓板15、數據采樣儀(型號CDSP) 16、 變焦鏡頭(型號尼康AF-S DX) 17、高速CCD相機(型號BASLER A6411) 18、計算機19組成，可以分為5個子系統(tǒng)垂直加載系統(tǒng)包括連接試驗機的球面墊1、垂直荷載傳力柱2、軸式荷載傳感器3、刀具支架4、刀具5。球面墊1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3的垂直荷載傳力柱2兩端分別連接球面墊1和刀具支架4，刀具5通 過螺栓固定在刀具支架4上。設備專用加載刀具支架4設有滑槽，楔形刀具5通過內六角 螺栓固定在滑槽中，可根據需要在滑槽中設置單刀具、雙刀具甚至多刀具(刀具數量根據 試驗要求但必須考慮刀具和支架尺寸)，刀具5通過在滑槽中移動從而實現(xiàn)刀間距的改變。 為提高刀具5的硬度和耐磨性，刀具嵌入硬質合金鋼。側壓系統(tǒng)包括水平千斤頂9 (型號YD_450)、拉桿8和左側板6、右側板7。通過 拉桿8連接設備兩側的水平千斤頂和水平荷載傳力柱對試件施加側壓力，模擬巖體賦存環(huán) 境中的地應力。試件試件13安裝在試件下承壓板、試件左承壓板和試件右承壓板之間。試驗采 用平板試件，保證試驗在平面應力狀態(tài)下進行。試件13采用高強度水泥砂漿預制，根據需 要試件可預置不同間距和傾角的結構面，用以模擬隧道圍巖巖體。垂直荷載和位移記錄系統(tǒng)包括垂直荷載傳力柱間安裝的軸式荷載傳感器(型 號=Interface WMC)，刀具支架處安裝的位移傳感器14(型號WDB)和數據采集儀16 (型 號CDSP)。位移傳感器14和軸式荷載傳感器通過數據采集儀16與計算機19連接，同步記 錄加載刀具受力和侵入試件的深度。試件變形過程記錄系統(tǒng)包括帶有變焦鏡頭17 (型號尼康AF-S DX)的高速CXD 相機18(型號BASLER A6411)、計算機19。高速CXD相機18架設在試件13正前方，通過 數據線與計算機19連接。由于試件13破壞時刻和破壞路徑具有不確定性，因此采用非接 觸式全場變形觀測系統(tǒng)記錄加載過程試件的變形情況，確保不遺漏任何變形信息。本實用新型由以上5個子系統(tǒng)組成一種隧道掘進機二維模擬加載試驗裝置，它由 連接試驗機球面墊1、垂直荷載傳力柱2、軸式荷載傳感器3、刀具支架4、刀具5、左側板6、 右側板7、拉桿8、水平千斤頂9、水平荷載傳力柱10、試件左側承壓板11、試件右側承壓板 12、試件13、位移傳感器14、試件下承壓板15、數據采樣儀16、鏡頭17、高速C⑶相機18、計 算機19組成。其連接關系是右側板7和左側板6通過四根拉桿8連接，組成側壓力支撐系統(tǒng)。左側板6中間 設置一圓孔，水平千斤頂9活塞由左向右穿過圓孔，水平千斤頂9通過內六角螺栓與左側板 6固定。水平荷載傳力柱10通過六角螺栓固定在右側板7的左側；水平荷載傳力柱10和 水平千斤頂9活塞相對位置分別安放試件右承壓板12和試件左承壓板11，試件下承壓板 15起支撐試件左承壓板11、試件右承壓板12和試件13的作用。為方便安裝和拆卸試件， 試件左承壓板11和試件右承壓板12處于活動狀態(tài)。水平千斤頂9活塞推動試件左承壓板 11給試件13左側提供均勻壓力，試件右承壓板12通過反力為試件13右側提供與左側大小 相等，方向相反的側壓力。為保證試驗加載始終處于垂直方向，垂直荷載傳力柱2上端設置球面墊1，球面墊 1通過螺栓與壓力機上橫梁連接，安裝軸式荷載傳感器3的垂直荷載傳力柱2下端通過螺 栓與刀具支架4連接，刀具支架4內設置滑槽，刀具5通過螺栓固定在滑槽內，刀具5根據 需要可在滑槽中移動改變刀間距及改變刀具5數量。通過壓力機橫梁經過垂直荷載傳力柱2給刀具5施加荷載。刀具支架4左右兩端各安裝一只位移傳感器14，位移傳感器14自由端與試件13接觸，測試刀具支架4和試件13的相對位移，亦即刀具5貫入試件13的深度。 位移傳感器14和軸式荷載傳感器3通過數據線與數據采樣儀16和計算機19連接。連接 變焦鏡頭17的高速CCD相機18架設在試件13的正前方，相機18通過數據線與計算機19 連接。
權利要求一種隧道掘進機二維加載模擬試驗裝置，它包括垂直加載系統(tǒng)、側壓系統(tǒng)、試件(13)、縱向荷載和位移記錄系統(tǒng)、試件變形過程記錄系統(tǒng)，其特征在于球面墊(1)通過螺栓與壓力機橫梁相連，安裝軸式荷載傳感器(3)的垂直荷載傳力柱(2)兩端分別連接球面墊(1)和刀具支架(4)，刀具(5)通過螺栓固定在刀具支架(4)上，刀具支架(4)設有滑槽，楔形刀具(5)通過內六角螺栓固定在滑槽中；右側板(7)和左側板(6)通過四根拉桿(8)連接，左側板(6)中間設置一圓孔，水平千斤頂(9)活塞由左向右穿過圓孔，水平千斤頂(9)通過內六角螺栓與左側板(6)固定，水平荷載傳力柱(10)通過六角螺栓固定在右側板(7)的左側；水平荷載傳力柱(10)和水平千斤頂(9)活塞分別安放試件左側承壓板(11)和試件右側承壓板(12)；刀具支架(4)左右兩端各安裝位移傳感器(14)，位移傳感器(14)自由端與試件(13)接觸，位移傳感器(14)和軸式荷載傳感器(3)通過數據線與數據采樣儀(16)和計算機(19)連接，裝有變焦鏡頭(17)的高速CCD相機(18)架設在試件(13)的前方，高速CCD相機(18)通過數據線與計算機(19)連接。
2.根據權利要求1所述的一種隧道掘進機二維加載模擬試驗裝置，其特征在于所述 的試件(13)安裝在試件下承壓板(15)、試件左側承壓板(11)和試件右側承壓板(12)之 間。
3.根據權利要求1所述的一種隧道掘進機二維加載模擬試驗裝置，其特征在于所述 的楔形刀具(5)模擬隧道掘進機滾刀，刀具(5)嵌入硬質合金鋼。
專利摘要本實用新型公開了一種隧道掘進機二維加載模擬試驗裝置，該裝置利用球面墊通過螺栓與普通壓力機橫梁相連，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刀具支架，刀具通過螺栓固定在刀具支架上，加載支架左右兩端各安裝位移傳感器，位移傳感器和軸式荷載傳感器通過數據采樣儀和計算機連接；水平千斤頂通過螺栓與左側板固定，水平荷載傳力柱固定在右側板的左側，通過四根拉桿連接右側板和左側板，水平荷載傳力柱和水平千斤頂活塞端部分別安放試件右承壓板和試件左承壓板；高速CCD相機架設在試件的前方，通過數據線與計算機連接。該裝置具有結構簡單，操作方便，易于加工，成本低，試驗數據豐富，測試結果全面、可靠性高。
文檔編號G01N3/08GK201561897SQ20092026837
公開日2010年8月25日 申請日期2009年11月21日 優(yōu)先權日2009年11月21日
發(fā)明者劉亞群, 劉博 , 周青春, 夏祥, 李俊如, 李海波, 羅超文 申請人:中國科學院武漢巖土力學研究所