[實用新型]隧道掘進機三維加載模擬試驗裝置

無效

• 申請號: 201020588176.0
• 申請日: 2010-11-02
• 公開（公告）號: CN201859095U
• 公開（公告）日: 2011-06-08
• 發明（設計）人: 周青春;李海波;李俊如;劉博
• 申請（專利權）人: 中國科學院武漢巖土力學研究所
• 主分類號: G01N3/08
• 分類號: G01N3/08;G01N3/02
• 代理公司: 武漢宇晨專利事務所 42001
• 代理人: 王敏鋒

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）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選擇提供依據。

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：通過推力作用使滾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，因此要發揮隧道掘進機的優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揮隧道掘進機的最佳效率。因此有必要開發一種新的試驗方法，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選擇提供直接依據。

實用新型內容

本實用新型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，配合試件的聲發射系統，可以研究不同刀間距作用下巖體破裂規律，為隧道掘進機選型及刀頭的配置提供了依據。

為了實現上述任務，本實用新型采用以下技術措施：

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據采集分析模塊，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射傳感器通過電纜與數據采集分析模塊相連。

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。本實用新型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，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。

數據采集和分析模塊：包括聲發射傳感器（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）及數據采集儀(型號：CDSP)和聲發射測試系統（型號：DISP)組成。八個聲發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據采集儀連接，數據采集儀通過USB連線與計算機相連，聲發射傳感器通過電纜與聲發射測試系統連接。