楊延棟， 孫振川, *， 李鳳遠(yuǎn)， 張 兵， 許華國

(1. 盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河南 鄭州 450001； 2. 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司， 廣東 廣州 511458)

0 引言

隨著我國交通、水利、能源等領(lǐng)域基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的蓬勃發(fā)展，越來越多的山嶺隧道采用全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)(full face hard rock tunnel boring machine，簡稱TBM)修建[1]，目前我國已實(shí)現(xiàn)了TBM國產(chǎn)化，對于刀盤布置與刀具破巖開展了大量的理論研究和工程實(shí)踐，但現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置依然無法滿足科學(xué)研究與工程應(yīng)用的需要。

國內(nèi)外針對TBM掘進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置開展了大量的研究工作。在國外，美國科羅拉多礦業(yè)大學(xué)研制了全尺寸單滾刀線性切割試驗(yàn)機(jī)(linear cutting machine)和全尺寸單滾刀旋轉(zhuǎn)切割試驗(yàn)機(jī)(rotary cutting machine)；韓國施工技術(shù)研究所、土耳其伊斯坦布爾理工大學(xué)等機(jī)構(gòu)也研制了全尺寸單滾刀線性切割試驗(yàn)機(jī)。旋轉(zhuǎn)切割試驗(yàn)機(jī)比線性切割試驗(yàn)機(jī)多了回轉(zhuǎn)裝置，少了推進(jìn)巖樣水平運(yùn)動油缸，更符合滾刀真實(shí)運(yùn)動情況。針對多滾刀同時破巖，美國科羅拉多礦業(yè)大學(xué)研制了縮尺和全尺寸的掘進(jìn)機(jī)試驗(yàn)機(jī)，僅能獲取多把滾刀的整體受力，無法獲取單把滾刀載荷，單把滾刀的載荷僅能通過求平均值進(jìn)行估算。由于刀盤上滾刀載荷分布的不均勻性，預(yù)估載荷值往往與滾刀的實(shí)際載荷值存在較大差異，導(dǎo)致滾刀及刀座頻繁過載失效。在國內(nèi)，盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制了全尺寸三滾刀回轉(zhuǎn)式巖機(jī)作用綜合實(shí)驗(yàn)平臺[2]，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了四滾刀回轉(zhuǎn)式巖機(jī)作用綜合實(shí)驗(yàn)平臺[3-4]； 北京工業(yè)大學(xué)研制了具有線性和旋轉(zhuǎn)破巖功能的全尺寸滾刀試驗(yàn)平臺，可開展單滾刀、雙滾刀、雙刃滾刀以及刀具組合破巖試驗(yàn)[5]； 中南大學(xué)研制了縮尺三刀旋轉(zhuǎn)式實(shí)驗(yàn)臺、全尺寸單刀線性實(shí)驗(yàn)臺[6-7]。上述實(shí)驗(yàn)或試驗(yàn)平臺主要針對單把滾刀或幾把滾刀，采用了全尺寸或者縮尺的方式，可用于滾刀與圍巖相互作用研究，但無法研究多把滾刀破巖過程中滾刀載荷分布的不均勻性和載荷分布規(guī)律，且滾刀數(shù)量有限，無法反映多把滾刀協(xié)同破巖特性。

TBM掘進(jìn)現(xiàn)場的復(fù)雜工況導(dǎo)致單把滾刀載荷監(jiān)測很難實(shí)施，對于單把滾刀載荷監(jiān)測目前取得了一些研究成果。文獻(xiàn)[8]在掘進(jìn)機(jī)滾刀刀軸上粘貼應(yīng)變片，監(jiān)測到了時長20 min的垂直力數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[9]在正楔齒滾刀、邊楔齒滾刀刀軸上安裝應(yīng)變片，得出裂紋深度與受力間成正比關(guān)系。文獻(xiàn)[10-11]在固定滾刀的螺栓中裝入應(yīng)變片，監(jiān)測螺栓預(yù)緊力在滾刀受力時的變化情況計(jì)算得到滾刀破巖力。文獻(xiàn)[12]在C型塊中嵌入應(yīng)變計(jì)，采用試驗(yàn)標(biāo)定的方法監(jiān)測滾刀受力，通過滾刀回轉(zhuǎn)破巖試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)滾刀垂直載荷與推進(jìn)油缸載荷大小稍微有差異，但變化趨勢一致。文獻(xiàn)[13]通過在支撐墊塊側(cè)表面粘貼應(yīng)變片測量滾刀破巖力。上述研究大部分以滾刀刀軸作為對象，在其上粘貼應(yīng)變片，其優(yōu)點(diǎn)是能較容易地由監(jiān)測結(jié)果得到滾刀受力，但直接在其上粘貼應(yīng)變片容易破壞；在固定滾刀的螺栓中放入應(yīng)變片的缺點(diǎn)是應(yīng)變片引出線難以布置，滾刀更換過程中拆卸螺栓不利于導(dǎo)線的保護(hù)。

針對多滾刀協(xié)同破巖的問題，研制了直徑2.5 m的TBM掘進(jìn)模態(tài)綜合實(shí)驗(yàn)平臺，刀盤上可同時安裝11把全尺寸滾刀[14-16]。該實(shí)驗(yàn)平臺雖然能夠?qū)崿F(xiàn)多滾刀同時破巖，但僅能獲取多把滾刀的整體載荷，無法獲取單把滾刀載荷，因此，有必要開發(fā)單把滾刀載荷監(jiān)測系統(tǒng)，提升TBM掘進(jìn)模態(tài)綜合實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)驗(yàn)功能，為盾構(gòu)TBM刀盤刀具優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)支撐。

1 改造前TBM掘進(jìn)模態(tài)綜合實(shí)驗(yàn)平臺

TBM掘進(jìn)模態(tài)綜合實(shí)驗(yàn)平臺改造前結(jié)構(gòu)如圖1(a)、(b)所示；實(shí)驗(yàn)平臺可以在豎直和水平2種狀態(tài)下掘進(jìn)破巖，如圖1(c)所示；刀盤上可布置11把滾刀(其中，中心雙聯(lián)滾刀3把，單刃滾刀8把)，共14個刀刃，3把中心滾刀6個刀刃的刀刃間距為84 mm，8把單刃滾刀的刀座可沿刀梁滑動，通過螺釘緊固在刀梁上，可以實(shí)現(xiàn)刀間距調(diào)整，刀盤結(jié)構(gòu)如圖2所示。

(a) TBM掘進(jìn)模態(tài)綜合實(shí)驗(yàn)平臺平面圖

(b) TBM掘進(jìn)模態(tài)綜合實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)物圖

(c) TBM掘進(jìn)模態(tài)綜合實(shí)驗(yàn)平臺2種工作模式

圖2 TBM掘進(jìn)模態(tài)綜合實(shí)驗(yàn)平臺刀盤平面圖

TBM掘進(jìn)模態(tài)綜合實(shí)驗(yàn)平臺可以模擬11把滾刀(14個刀刃)聯(lián)合破巖工況，但無法實(shí)現(xiàn)每把滾刀載荷和轉(zhuǎn)速的實(shí)時監(jiān)測；雖然刀間距可以調(diào)整，但滾刀僅能在同一個平面上布置；推進(jìn)系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)通過旋轉(zhuǎn)電位計(jì)調(diào)整，破巖時推進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速難以精確控制；另外，該平臺經(jīng)過多年的使用，主驅(qū)動密封漏油嚴(yán)重，且破巖過程中揚(yáng)塵大。上述問題中單把滾刀載荷和轉(zhuǎn)速監(jiān)測是本次平臺升級改造的重點(diǎn)。

2 單把滾刀載荷測試方法

TBM掘進(jìn)模態(tài)綜合實(shí)驗(yàn)平臺滾刀安裝方式如圖3所示。單刃滾刀采用了前裝楔塊壓緊的安裝方式，中心雙聯(lián)滾刀采用了后裝楔塊拉緊的安裝方式。

(a) 單刃滾刀安裝方式

(b) 中心雙聯(lián)滾刀安裝方式

滾刀破巖過程中巖石對滾刀作用力主要包括垂直力、滾動力和側(cè)向力。垂直力是反映滾刀破巖的關(guān)鍵載荷，由于滾刀安裝空間的限制，TBM掘進(jìn)模態(tài)綜合實(shí)驗(yàn)平臺滾刀載荷測試僅考慮滾刀垂直力。測力傳感器按轉(zhuǎn)換方法一般分為光電式、液壓式、電磁力式、電容式、磁極變形式、振動式、陀螺儀式和電阻應(yīng)變式8大類，其中電阻應(yīng)變式應(yīng)用最廣。

電阻應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變片變形時其電阻也隨之改變的原理工作，主要由彈性元件、電阻應(yīng)變片、測量電路和傳輸電纜組成。采用電阻應(yīng)變式傳感器測力的實(shí)現(xiàn)方式有2種： 1)采用滾刀安裝結(jié)構(gòu)已有的零部件作為彈性元件，內(nèi)嵌電阻應(yīng)變計(jì)； 2)直接采用封裝好的傳感器。前一種方式節(jié)約空間，但精度很難保證；后一種準(zhǔn)確度高，但需預(yù)留足夠的安裝空間。電阻應(yīng)變計(jì)式傳感器測試電路采用惠更斯電橋電路，如圖4(a)所示，傳感器封裝時電阻的布置方法如圖4(b)所示。當(dāng)F>0時，R1、R3被拉伸，阻值增大；R2、R4被壓縮，阻值減小，則輸出電壓增大。通過獲取輸出電壓信號可獲取載荷F的大小。

(a) 惠更斯電橋測量電路

(b) 應(yīng)變電阻在彈性元件上的布置方式

對于單刃滾刀，刀座與刀軸之間安裝空間足夠，可通過改變刀座結(jié)構(gòu)來安裝封裝好的電阻應(yīng)變式測力傳感器，但還需具備安裝43.18 cm(17英寸)刀體(可安裝43.18 cm(17英寸)和45.72 cm(18英寸)刀圈)和48.26 cm(19英寸)刀體(可安裝48.26 cm(19英寸)和50.80 cm(20英寸)刀圈)不同尺寸滾刀的功能；對于中心雙聯(lián)滾刀，刀座與刀軸之間沒有足夠空間，若在刀座與刀軸之間安裝傳感器，則需采用自制內(nèi)嵌式應(yīng)變計(jì)的方式實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)上述思路，設(shè)計(jì)的單刃滾刀垂直力測試方案如圖5(a)所示，單刃滾刀刀箱尺寸按照48.26 cm(19英寸)刀體設(shè)計(jì)(可安裝48.26 cm(19英寸)和50.80 cm(20英寸)刀圈)； 通過在43.18 cm(17英寸)滾刀刀軸軸端安裝直角墊片，補(bǔ)償?shù)遁S長度及安裝高度，防止刀具軸向竄動，可實(shí)現(xiàn)43.18 cm(17英寸)單刃滾刀(可安裝43.18 cm(17英寸)和45.72 cm(18英寸)刀圈)在48.26 cm(19英寸)刀箱上的匹配安裝，如圖5(b)所示。

(a) 19英寸刀體與刀座安裝結(jié)構(gòu)

(b) 17英寸刀體與刀座安裝結(jié)構(gòu)

中心雙聯(lián)滾刀空間受限，滾刀載荷測試方法有2種方案： 一種是采用內(nèi)置應(yīng)變片方式，另一種是與單刃滾刀測試方法相同原理--采用封裝好的傳感器。前一種方法如圖6(a)所示，在墊塊內(nèi)置應(yīng)變片、標(biāo)定墊塊變形，通過力分解得到滾刀破巖過程中所受垂直力；后一種方法如圖6(b)所示，刀軸與刀座之間空間有限，在刀座與刀梁之間安裝封裝好的傳感器?？紤]到載荷測試的可靠性，實(shí)際實(shí)施時采用了第2種方式。

(a) 墊塊內(nèi)置應(yīng)變計(jì)方案

(b) 刀座與刀盤間布置封裝好的傳感器方案

3 滾刀轉(zhuǎn)速測試方法

單把滾刀轉(zhuǎn)速測量采用霍爾開關(guān)原理，霍爾開關(guān)屬于有源磁電轉(zhuǎn)換器件，它是在霍爾效應(yīng)原理的基礎(chǔ)上，利用集成封裝和組裝工藝制作而成，可方便地把磁輸入信號轉(zhuǎn)換成實(shí)際應(yīng)用中的電信號；霍爾效應(yīng)是當(dāng)一塊通有電流的金屬或半導(dǎo)體薄片垂直地放在磁場中時，薄片的兩端就會產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。利用上述原理，在滾刀刀轂上鉆孔安裝磁鋼。為了提高轉(zhuǎn)速測試的準(zhǔn)確性，在刀轂上180°對稱安裝2個磁鋼；在刀座上安裝霍爾電壓發(fā)生器，霍爾元件與滾刀刀轂非接觸感應(yīng)，滾刀轉(zhuǎn)動1周能檢測到2個脈沖信號，根據(jù)脈沖信號的周期計(jì)算滾刀實(shí)際轉(zhuǎn)速。滾刀轉(zhuǎn)速測試方案如圖7所示。

圖7 滾刀轉(zhuǎn)速測試方案

4 滾刀載荷和轉(zhuǎn)速監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)

滾刀載荷是反映滾刀工作狀態(tài)的重要指標(biāo)，另外，滾刀的轉(zhuǎn)速也能反映滾刀是否正常工作，因此，開發(fā)滾刀載荷監(jiān)測系統(tǒng)時，也考慮了滾刀轉(zhuǎn)速監(jiān)測功能。

對于TBM掘進(jìn)模態(tài)綜合實(shí)驗(yàn)平臺滾刀載荷和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，8把單刃滾刀設(shè)計(jì)了每把滾刀2路載荷測量和1路轉(zhuǎn)速測量；3把中心刀設(shè)計(jì)了6路載荷測量。設(shè)計(jì)了終端節(jié)點(diǎn)對傳感器測量信號進(jìn)行采集和打包處理并集中發(fā)送；研發(fā)了多節(jié)點(diǎn)對單一主節(jié)點(diǎn)的無線數(shù)據(jù)收發(fā)機(jī)制，開發(fā)了滾刀載荷和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件。滾刀載荷和轉(zhuǎn)速監(jiān)測通過無線Profibus通訊實(shí)現(xiàn)，刀盤背面安裝滾刀載荷和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)終端節(jié)點(diǎn)，滾刀傳感器的信號通過有線方式傳輸給終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集模塊，再由終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收發(fā)模塊通過無線方式將滾刀傳感器數(shù)據(jù)傳送給主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)收取的數(shù)據(jù)在滾刀載荷和轉(zhuǎn)速監(jiān)測軟件上顯示和存儲。滾刀載荷和轉(zhuǎn)速監(jiān)測系統(tǒng)主要由終端節(jié)點(diǎn)、主節(jié)點(diǎn)、室內(nèi)采集單元和上位機(jī)軟件系統(tǒng)組成，如圖8所示。

(a) 滾刀載荷和轉(zhuǎn)速監(jiān)測系統(tǒng)組成

(b) 滾刀載荷和轉(zhuǎn)速監(jiān)測系統(tǒng)方案框圖

滾刀載荷傳感器測試電路采用惠斯登電橋，輸入信號為24 V電壓，輸出信號也為電壓信號，變送器將滾刀載荷傳感器輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號，并通過鉗位電路將輸出的電流信號調(diào)整到4～20 mA，4 mA對應(yīng)的滾刀載荷為0，20 mA對應(yīng)的滾刀載荷傳感器的最大量程值為單刃滾刀500 kN，中心雙聯(lián)滾刀800 kN。轉(zhuǎn)速傳感器供電電壓3 V，信號輸出開關(guān)量為0 V或3 V。

滾刀數(shù)據(jù)傳輸終端節(jié)點(diǎn)的功能包括數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸，開發(fā)的滾刀數(shù)據(jù)傳輸終端節(jié)點(diǎn)有2種： 一種包括滾刀載荷和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)傳輸2種功能，如圖9(a)所示； 另一種是僅滾刀載荷數(shù)據(jù)傳輸功能，如圖9(b)所示。終端節(jié)點(diǎn)用在不同尺寸滾刀監(jiān)測時，通過加裝墊塊調(diào)整安裝支架位置來滿足不同尺寸滾刀的測量需求。在終端節(jié)點(diǎn)頂面留有連接載荷傳感器的接口，方便滾刀載荷傳感器和終端節(jié)點(diǎn)連接，同時更換滾刀時方便節(jié)點(diǎn)拆裝； 另外，在頂面留有用于電池充電的充電口，便于在終端節(jié)點(diǎn)需要充電時直接充電而無需拆裝電池。主節(jié)點(diǎn)無需安裝在旋轉(zhuǎn)的刀盤上，直接通過USB接口連接上位機(jī)，主節(jié)點(diǎn)通過無線方式接收終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，如圖9(c)所示。

(a) 具備載荷和轉(zhuǎn)速監(jiān)測功能的數(shù)據(jù)采集終端

(b) 僅監(jiān)測滾刀載荷的數(shù)據(jù)采集終端

(c) 滾刀載荷和轉(zhuǎn)速監(jiān)測系統(tǒng)主節(jié)點(diǎn)實(shí)物

開發(fā)的滾刀載荷和轉(zhuǎn)速監(jiān)測系統(tǒng)軟件主界面如圖10所示，主要包括系統(tǒng)設(shè)置、在線檢測、刀盤設(shè)置、自動采集和手動采集等功能。系統(tǒng)設(shè)置主要進(jìn)行主節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)、通訊方式、采樣頻率以及刀轂上安裝的用于轉(zhuǎn)速測試的磁鋼數(shù)量等參數(shù)設(shè)置；在線檢測主要對主節(jié)點(diǎn)是否已正常工作進(jìn)行檢測；手動采集和自動采集用于滾刀載荷和轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)采集。

圖10 滾刀載荷和轉(zhuǎn)速監(jiān)測系統(tǒng)軟件界面

5 刀盤新制及監(jiān)測系統(tǒng)安裝

原刀盤僅能安裝43.18 cm(17英寸)滾刀，無法滿足安裝大尺寸滾刀的需求； 滾刀刀軸與刀座之間需要安裝載荷傳感器，也需要加工新的刀座。新制刀盤主要由米字梁、圈梁、牛腿和安裝法蘭焊接而成。米字梁安裝刀座位置精加工，法蘭需要與刀盤驅(qū)動連接，接觸面精加工，并且加工安裝螺栓孔。為了防止刀盤米字梁焊接過程中變形而導(dǎo)致刀箱無法安裝，刀盤米字梁下料后采用了特殊工裝連接，采用工字鋼替代后期要安裝的刀箱，并通過螺栓與米字梁連接，既起到防止米字梁變形的目的，又可以保護(hù)已經(jīng)加工好的螺栓孔，如圖11(a)所示。刀盤圈梁采用2個半圓拼接成環(huán)方式，環(huán)形圈梁與米字梁套裝，通過焊接形成新制刀盤盤體，再通過牛腿將盤體與安裝法蘭連接，完成新制刀盤制造，如圖11(b)所示。

(a) 特殊工裝固定米字梁

(b) 牛腿連接盤體與法蘭

刀座在刀盤上的安裝采用了立體布置的思路，即在刀盤徑向刀間距可調(diào)，刀盤軸向刀高差可調(diào)。

滾刀刀座可在刀盤米字梁滑槽內(nèi)沿刀盤徑向移動，實(shí)現(xiàn)滾刀間距調(diào)整，刀座調(diào)整到位后通過螺釘與刀盤固定，可實(shí)現(xiàn)開展不同刀間距滾刀破巖實(shí)驗(yàn)；滾刀在刀座上安裝時通過增加或減少墊塊，可實(shí)現(xiàn)滾刀分層布置，如圖12所示。

圖12 滾刀分層布置示意圖

單刃滾刀載荷傳感器安裝在刀軸與刀座之間，每把滾刀安裝2個量程500 kN的電阻應(yīng)變式測力傳感器，如圖13(a)所示；中心雙聯(lián)滾刀載荷傳感器安裝在刀座與米字梁之間，3把雙聯(lián)滾刀安裝在一個整體可移動刀座上，刀座與刀梁之間安裝6個量程800 kN的電阻應(yīng)變式測力傳感器，如圖13(b)所示；中心雙聯(lián)滾刀僅測載荷，單刃滾刀既測載荷又測轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速傳感器與終端節(jié)點(diǎn)集成。終端節(jié)點(diǎn)通過螺栓固定在刀座背面，轉(zhuǎn)速傳感器伸出探頭監(jiān)測刀轂上的磁鋼實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測試；載荷傳感器通過變送器與終端節(jié)點(diǎn)有線連接。

(a) 單刃滾刀傳感器及終端節(jié)點(diǎn)安裝照片

(b) 中心雙聯(lián)滾刀傳感器及終端節(jié)點(diǎn)安裝照片

TBM掘進(jìn)模態(tài)綜合實(shí)驗(yàn)平臺滾刀載荷和轉(zhuǎn)速監(jiān)測系統(tǒng)通過主節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)無線通訊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，并將滾刀載荷和轉(zhuǎn)速實(shí)時數(shù)據(jù)顯示在監(jiān)測系統(tǒng)軟件界面上。TBM掘進(jìn)模態(tài)綜合實(shí)驗(yàn)平臺控制系統(tǒng)進(jìn)行了閉環(huán)控制優(yōu)化，控制系統(tǒng)可以在閉環(huán)控制和開環(huán)控制2種模式下工作。閉環(huán)控制模式下，推進(jìn)速度和刀盤轉(zhuǎn)速的大小通過上位機(jī)觸摸屏直接輸入控制參數(shù)；開環(huán)控制模式下，推進(jìn)速度和刀盤轉(zhuǎn)速通過控制面板上的電位計(jì)調(diào)節(jié)，如圖14所示。另外，主驅(qū)動密封系統(tǒng)增加油脂注入孔，加裝了油脂泵，實(shí)現(xiàn)了密封集中自動潤滑，解決了主驅(qū)動密封漏油問題；加裝了噴霧除塵系統(tǒng)，有效改善了實(shí)驗(yàn)平臺作業(yè)環(huán)境。

圖14 控制系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)照片

6 結(jié)論與討論

通過TBM掘進(jìn)模態(tài)綜合實(shí)驗(yàn)平臺升級改造，研發(fā)了單把滾刀載荷測試方法，開發(fā)了滾刀載荷和轉(zhuǎn)速監(jiān)測系統(tǒng)，制造了可立體布置的多功能刀盤，為TBM刀盤不同位置滾刀載荷分布規(guī)律的研究提供了實(shí)驗(yàn)工具。

1)研發(fā)的單把滾刀載荷測試方法實(shí)現(xiàn)了單刃滾刀、中心雙聯(lián)滾刀及不同規(guī)格滾刀載荷直接獲取。單刃滾刀刀軸與特殊加工的刀座之間安裝電阻應(yīng)變式測力傳感器，3把中心雙聯(lián)滾刀安裝在一個整體刀座上，整體刀座與刀盤米字梁之間安裝6個電阻應(yīng)變式測力傳感器；刀座結(jié)構(gòu)按照大尺寸滾刀設(shè)計(jì)，需要安裝小尺寸滾刀時，軸端安裝直角墊片，補(bǔ)償?shù)遁S長度及安裝高度。

2)開發(fā)的滾刀載荷和轉(zhuǎn)速監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了滾刀載荷和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的實(shí)時采集和無線傳輸。滾刀轉(zhuǎn)速通過霍爾磁敏開關(guān)傳感器感應(yīng)刀轂上的磁鋼實(shí)現(xiàn)，載荷傳感器通過變送器與終端節(jié)點(diǎn)有線連接，終端節(jié)點(diǎn)與主節(jié)點(diǎn)無線通訊。

3)制造的可立體布置的多功能刀盤實(shí)現(xiàn)了刀盤刀具多種布置方式，刀座不僅可沿刀盤徑向移動實(shí)現(xiàn)滾刀刀間距的調(diào)整，還可以通過增加或減少墊塊實(shí)現(xiàn)刀盤軸向不同刀高差的調(diào)整。

TBM掘進(jìn)模態(tài)綜合實(shí)驗(yàn)平臺的升級改造為多滾刀協(xié)同破巖研究提供了實(shí)驗(yàn)工具，下一步將利用升級改造后的實(shí)驗(yàn)平臺開展不同工況下的滾刀破巖實(shí)驗(yàn)，建立刀盤不同位置滾刀載荷分布規(guī)律；另外，實(shí)驗(yàn)平臺的升級改造實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)滾刀載荷的監(jiān)測，但要應(yīng)用于施工現(xiàn)場，還需要進(jìn)一步研究和優(yōu)化。