本发明专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于岩石力学试验
，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。
技术介绍
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。本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术采用以下技术措施：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，为保证侧向力的均匀性，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。本专利技术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：CDSP)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，呈纵向均匀排列；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。本专利技术由以上试件模块、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，本文档来自技高网...
【技术保护点】
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）一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。...
【技术特征摘要】
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...
【专利技术属性】
技术研发人员：周青春，李海波，李俊如，刘博，
申请(专利权)人：中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]
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