全断面岩石掘进机刀盘掘进载荷的确定方法技术

本发明专利技术公开了一种全断面岩石掘进机刀盘掘进载荷的确定方法，包括：确定刀盘掘进推力和确定刀盘掘进扭矩两部分内容，本发明专利技术中刀盘掘进推力和刀盘掘进扭矩随岩石单轴抗压强度按比例变化，随贯入度和刀盘直径按幂函数变化。对于刀盘掘进推力贯入度和刀盘直径的幂指数的加和为2；对于刀盘掘进扭矩，贯入度和刀盘直径的幂指数的加和为3。从本质上揭示了刀盘掘进载荷与各类参数的关系，可计算出整个掘进工程中全断面岩石掘进机在不同地质条件和操作状态下的刀盘掘进载荷；本发明专利技术为硬岩掘进装备驱动及传动系统的设计提供基础数据，同时也可为施工过程中推力参数、扭矩参数的设定和实时调整提供依据。

Method for determining the driving load of cutter head of full face rock tunnel boring machine

The invention discloses a TBM cutter method, determination of excavation load includes determining the cutter driving thrust and cutter driving torque to determine the content of the two part, the cutter driving force and the cutter driving torque with the uniaxial compressive strength of rock will change proportionally with the penetration and cutter the diameter change in a power function. For the cutterhead, the power exponent of the thrust penetration and the diameter of the cutter head is 2 plus; the power exponent of the driving torque, penetration and cutter diameter of the cutterhead is 3. Reveal the relationship between the cutter driving load and various parameters can be calculated from the essence of the tunneling excavation load in TBM under different geological conditions and operating conditions of the cutter head; to provide the basic data for the design of the hard rock excavation equipment drive and transmission system, but also can provide the basis for for the thrust construction process parameters, the torque parameter setting and real-time adjustment.

【技术实现步骤摘要】
全断面岩石掘进机刀盘掘进载荷的确定方法
本专利技术属于硬岩隧道掘进装备的设计制造与施工技术，具体涉及一种全断面岩石掘进机刀盘掘进载荷的确定方法。
技术介绍
全断面岩石掘进机(FullFaceRockTunnelBoringMachine，简记为TBM)是集机械、测控、液压、电工电子、计算机等高新技术于一体，用于开挖地下通道工程的大型专用工程装备。由于其快速、优质、安全、经济和环保的优点，TBM在我国市政、交通、矿山、水利水电等隧道工程中的应用迅猛增长。刀盘装配在装备的最前方，是TBM的直接掘进部件，刀盘掘进载荷的确定是TBM设计及施工环节的核心技术之一。一方面，在装备动力系统的正向设计中需要依据施工地质、隧道直径等给出刀盘掘进载荷的预估值；另一方面，在施工过程中需依据操作参数、施工环境等对刀盘掘进载荷进行实时调整，若载荷控制不当，则可能导致装备损坏、引发重大灾害事故。刀盘掘进载荷与地质条件、装备结构以及操作状态等因素均密切相关，不同工程间的载荷值差别很大。目前，全断面岩石掘进机刀盘掘进载荷的确定尚缺乏快速有效的手段，因此早已成为本行业之急需。
技术实现思路
本专利技术的目的是，提出一种全断面岩石掘进机刀盘掘进载荷的确定方法，为硬岩掘进装备的动力系统设计及现场施工控制提供依据。为了解决上述技术问题，本专利技术提出的一种全断面岩石掘进机刀盘掘进载荷的确定方法，包括：确定刀盘掘进推力F和确定刀盘掘进扭矩T两部分内容，其中，F＝0.147CPaDb，T＝8.733μCPcDd，C为岩石单轴抗压强度，P为贯入度，D为刀盘直径，μ为刀盘与岩石之间的摩擦系数，a＝0.0～1.0，b＝1.0～2.0，c＝0.0～1.5，d＝1.5～3.0，且a+b＝2，c+d＝3。优选的是：a＝0.73，b＝1.27，c＝1.39，d＝1.61。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术中各公式均采用无量纲形式，便于应用，且从本质上揭示了刀盘掘进载荷与各类参数的关系；应用此方法可快速准确的确定全断面岩石掘进机的刀盘掘进载荷。由于综合考虑了地质参数、操作参数和结构参数等核心因素对刀盘掘进载荷的影响，因而计算结果准确可靠。并且，能随时根据施工地质与操作状态的改变灵活调整掘进载荷参数，为全断面岩石掘进机动力系统的设计以及施工过程中操作参数的设定与实时调整提供了可靠的依据。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅仅对本专利技术进行解释说明，并不用以限制本专利技术。本专利技术的设计思路是：刀盘掘进载荷(包括刀盘掘进推力和刀盘掘进扭矩)随岩石单轴抗压强度按比例变化，随贯入度和刀盘直径按幂函数变化。本专利技术中，对于刀盘掘进推力，贯入度和刀盘直径的幂指数的加和为2；对于刀盘掘进扭矩，贯入度和刀盘直径的幂指数的加和为3。本专利技术提出的一种全断面岩石掘进机刀盘掘进载荷的确定方法，包括：(1)确定刀盘掘进推力F：F＝0.147CPaDb式中，F为刀盘掘进推力，C为岩石单轴抗压强度，P为贯入度，a＝0.0～1.0，D为刀盘直径，b＝1.0～2.0，且a+b＝2；(2)确定刀盘掘进扭矩T：T＝8.733μCPcDd式中：T为刀盘掘进扭矩，μ为刀盘与岩石之间的摩擦系数，根据刀盘与岩石之间主要摩擦形式的不同选择滚动或滑动摩擦系数，C为岩石单轴抗压强度，P为贯入度，c＝0.0～1.5，D为刀盘直径，d＝1.5～3.0，且c+d＝3。上述两个公式均采用无量纲形式，故无需指定各物理量的单位，计算时用户可依据实际需求设定各物理量的单位，计算结果均一致。实验材料1：某一隧道掘进工程所使用的全断面岩石掘进机的刀盘直径D＝8m，以工程掘进到第21198桩号时的地质条件与操作状态为例，由该隧道掘进工程所涉及的地质报告中获得地质参数，该工程第21198桩号处的岩石单轴抗压强度C＝120MPa。刀盘与岩石之间的摩擦以滚动摩擦为主，刀盘与岩石之间的滚动摩擦系数μ＝0.03。所涉及的操作参数均由装备自动记录，该隧道掘进工程掘进至第21198桩号时的贯入度P＝0.0085m。利用本专利技术提出的全断面岩石掘进机刀盘掘进载荷的确定方法计算刀盘掘进推力和刀盘掘进扭矩的具体步骤如下：(1)计算刀盘掘进推力，F＝0.147CPaDb，其中的幂指数a＝0.73，b＝1.27；即：F＝0.147CP0.73D1.27，代入各变量(包括数值和单位)，得到：F＝0.147×(120MPa)×(0.0085m)0.73×(8m)1.27＝0.147×(120MN·m-2)×(0.0085m)0.73×(8m)1.27＝7.619MN(2)计算刀盘掘进扭矩，T＝8.733μCPcDd，其中的幂指数c＝1.39，c＝1.61；即：T＝8.733μCP1.39D1.61，代入各变量(包括数值和单位)，得到：T＝8.733×0.03×(120MPa)×(0.0085m)1.39×(8m)1.61＝8.733×0.03×(120MN·m-2)×(0.0085m)1.39×(8m)1.61＝1.184MN·m至此，已计算出该工程中装备掘进至第21198桩号时的刀盘掘进载荷，其余各桩号均可按照相同方法确定。由此可计算出整个工程中全断面岩石掘进机在不同地质条件和操作状态下的刀盘掘进载荷。实验材料2：某一隧道掘进工程所使用的全断面岩石掘进机的刀盘直径D＝8m，以工程掘进到第967桩号时的地质条件与操作状态为例，由该隧道掘进工程所涉及的地质报告中获得地质参数，该工程第967桩号处的岩石单轴抗压强度C＝25MPa。刀盘与岩石之间的摩擦以滑动摩擦为主，刀盘与岩石之间的滑动摩擦系数μ＝0.03。所涉及的操作参数均由装备自动记录，该隧道掘进工程掘进至第967桩号时的贯入度P＝0.0102m。利用本专利技术提出的全断面岩石掘进机刀盘掘进载荷的确定方法进行计算刀盘掘进推力和刀盘掘进扭矩时，根据F＝0.147CPaDb，式中的a＝0.73，b＝1.27，c＝1.39，d＝1.61，代入各变量(包括数值和单位)后，得到该隧道掘进工程中装备掘进至第967桩号时的刀盘掘进载荷为：刀盘掘进推力F＝1.813MN，刀盘掘进扭矩T＝2.648MN·m。其余各桩号均可按照相同方法确定。本专利技术为硬岩掘进装备驱动及传动系统的设计提供基础数据，同时也可为施工过程中推力参数、扭矩参数的设定和实时调整提供依据。尽管上面对本专利技术进行了描述，但是本专利技术并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本专利技术的启示下，在不脱离本专利技术宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本专利技术的保护之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种全断面岩石掘进机刀盘掘进载荷的确定方法，其特征在于：包括：确定刀盘掘进推力F：F＝0.147CP

【技术特征摘要】
1.一种全断面岩石掘进机刀盘掘进载荷的确定方法，其特征在于：包括：确定刀盘掘进推力F：F＝0.147CPaDb式中，F为刀盘掘进推力，C为岩石单轴抗压强度，P为贯入度，a＝0.0～1.0，D为刀盘直径，b＝1.0～2.0，且a+b＝2；确定刀盘掘进扭矩T：T＝8.733μCPcDd式...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩美东，蔡宗熙，亢一澜，侯振德，曲传咏，张茜，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12