[发明专利]隧道掘进机二维加载模拟试验装置

说明书

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)二维破岩过程的实验装置，通过该装置可以研究隧道掘进机破岩机理，为长隧道的施工设备和施工参数选择提供依据，另外，本装置亦可以为岩体断裂研究提供一种新的实验手段。

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，通过该装置可以得到含结构面的岩体在不同刀间距及地应力下的刀具荷载-侵入度关系及岩体破裂发展过程实时图像。通过对实验数据的分析，研究各种工况条件下岩体破裂的影响因素，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

本发明的目的在于提供了一种隧道掘进机(TBM)二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；通过含结构面的平板试件，真实地模拟隧道掘进机的工作对象；通过侧向加压装置，解决了地应力问题；通过不同刀具的数量和间距的对比试验，配合试件的非接触式的全域实时变形观测系统，方便快捷地了解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：

一种隧道掘进机二维加载模拟试验装置，它包括垂直加载系统、侧压系统、试件、纵向荷载和位移记录系统、试件变形过程记录系统，其特征在于：球面垫通过螺栓与压力机横梁相连，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刀具支架，刀具通过螺栓固定在刀具支架上，刀具支架设有滑槽，楔形刀具通过内六角螺栓固定在滑槽中；右侧板和左侧板通过四根拉杆连接，左侧板中间设置一圆孔，水平千斤顶活塞由左向右穿过圆孔，水平千斤顶通过内六角螺栓与左侧板固定，水平荷载传力柱通过六角螺栓固定在右侧板的左侧；水平荷载传力柱和水平千斤顶活塞分别安放试件左侧承压板和试件右侧承压板；刀具支架左右两端各安装位移传感器，位移传感器自由端与试件接触，位移传感器和轴式荷载传感器通过数据线与数据采样仪和计算机连接，装有变焦镜头的高速CCD相机架设在试件的前方，相机通过数据线与计算机连接。

垂直加载系统：包括连接试验机的球面垫、垂直荷载传力柱、轴式荷载传感器(型号：Interface WMC)、刀具支架、刀具。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刀具支架，刀具通过螺栓固定在刀具支架上。设备专用加载刀具支架设有滑槽，楔形刀具通过内六角螺栓固定在滑槽中，可根据需要在滑槽中设置单刀具、双刀具甚至多刀具(刀具数量根据试验要求但必须考虑刀具和支架尺寸)，刀具通过在滑槽中移动从而实现刀间距的改变。为提高刀具的硬度和耐磨性，刀具嵌入硬质合金钢。本发明加载装置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。

侧压系统：包括水平千斤顶(型号：YD-450)、拉杆和左侧板、右侧板。通过拉杆连接设备两侧的水平千斤顶和水平荷载传力柱对试件施加侧压力，模拟岩体赋存环境中的地应力。

试件：试件安装在下承压板、试件左承压板和试件右承压板之间。试验采用平板试件，保证试验在平面应力状态下进行。试件采用高强度水泥砂浆预制，根据需要试件可预置不同间距和倾角的结构面，用以模拟隧道围岩岩体。