基于掘进参数的复合地层盾构滚刀磨损计算方法、设备及介质技术

本发明专利技术公开了一种基于掘进参数的复合地层盾构滚刀磨损计算方法、设备及介质，方法包括：S1：基于盾构滚刀的磨损机理，根据掘进参数、地质参数和刀盘刀具设计参数，实时计算滚刀在不同地层下与土体之间的摩擦因数；S2：根据摩擦因数，结合滚刀在掌子面的受力分析，基于能量法实时定量确定盾构滚刀的磨损量。本发明专利技术根据盾构掘进参数(刀盘扭矩、掘进速度和刀盘转速)反算出滚刀与土体之间的摩擦因数f，从而使得在盾构掘进过程中，可以实时计算出滚刀的磨损高度，根据以往工程施工经验设定磨损高度，当计算出的滚刀磨损高度大于预设定的磨损高度时，及时开仓换刀，保障盾构的安全高效掘进。进。进。

【技术实现步骤摘要】
基于掘进参数的复合地层盾构滚刀磨损计算方法、设备及介质


[0001]本专利技术适用于复杂多变地层盾构隧道工程施工，具体涉及一种基于掘进参数的复合地层盾构滚刀磨损计算方法、设备及介质。

技术介绍

[0002]盾构法已经成为地铁建设的主要工法之一。盾构在复杂多变地层中掘进时盾构滚刀磨损较为严重，滚刀磨损速度在前期往往较小，后期随着滚刀的磨粒磨损和疲劳磨损增大，滚刀的磨损速度大大增加，且可能出现滚刀断裂崩坏，严重影响了盾构的掘进效率和使用寿命。因此，及时判断滚刀的磨损情况，具有较好的工程意义。另一方面，盾构施工现场地层复杂多变，靠经验取刀盘与土体之间的摩擦因数往往不准确，导致计算出的滚刀磨损量误差较大。若能基于盾构掘进参数反算出滚刀与土体之间的摩擦因数，可及时反馈当前地质情况，进入对滚刀磨损较大的地层时，可以及时调整渣土改良参数，以减小滚刀磨损。
[0003]经对现有技术文献检索发现，授权号为CN 110509109 B公开了一种“基于多尺度深度卷积循环神经网络的刀具磨损监测方法”提出构造多尺度卷积神经网络，获取刀具磨损多尺度特征，计算的刀具磨损量误差较小，但该方法需要基于大量的刀具磨损样本，而在盾构施工中每次开仓都可能引起开挖面坍塌，给整个工程的工期、造价带来严重的影响，甚至威胁人的生命，且该方法基于人工智能算法，无明确的物理意义。
[0004]王凯(中南大学硕士论文，2011：34
‑
35)总结了盾构滚刀的失效形式，基于盾构滚刀磨损机理建立了盾构滚刀磨损计算方法，但是该方法认为滚刀与岩石间的摩擦因数是定值，在计算中按经验取值，这种取法虽然有利于简便计算出滚刀磨损量，但这种取法无疑增大了计算方法的误差，且无法适用于复杂多变地层的盾构滚刀磨损量的计算。

技术实现思路

[0005]基于盾构掘进过程中地层复杂多变，靠经验取得滚刀与土体之间的摩擦因数误差较大的技术问题，本专利技术提供一种基于掘进参数的复合地层盾构滚刀磨损计算方法、设备及介质，可以实时计算出盾构滚刀磨损情况，以便及时进行开仓换刀，有利于提高盾构掘进效率和盾构机使用寿命。
[0006]为实现上述技术目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种基于掘进参数的复合地层盾构滚刀磨损计算方法，包括：
[0008]S1：基于盾构滚刀的磨损机理，根据掘进参数、地质参数和刀盘刀具设计参数，实时计算滚刀在不同地层下与土体之间的摩擦因数；
[0009]S2：根据摩擦因数，结合滚刀在掌子面的受力分析，实时定量确定盾构滚刀的磨损量。
[0010]在计算过程中根据盾构掘进参数(刀盘扭矩、掘进速度和刀盘转速)反算出滚刀与土体之间的摩擦因数f，避免了以往计算方法中摩擦因数f靠经验取值，解决了现有技术中
因工程实践中地层复杂多变、靠经验取值往往误差较大的技术问题。本专利技术具有更加广泛的普适性。使得本专利技术在盾构掘进过程中，可以实时计算出滚刀的磨损高度，根据以往工程施工经验设定磨损高度，当计算出的滚刀磨损高度大于预设定的磨损高度时，及时开仓换刀，保障盾构的安全高效掘进。
[0011]进一步地，刀盘在各地层下与土体之间摩擦因数的实时计算方法为：
[0012]根据地勘资料，将盾构掘进线路依据地质情况划分为x个区间；
[0013]根据盾构刀盘滚刀的正面、侧面分别与土体之间的摩擦扭矩，滚刀切削土体时的地层抗力扭矩，再结合从盾构机实时获取的刀盘总扭矩T，得到滚刀与各区间土体之间的摩擦因数f：
[0014][0015][0016][0017]T＝T
11
+T
12
+T2[0018][0019]式中，T为刀盘总扭矩，T
11
为刀盘刀具正面与土体之间的摩擦扭矩，T
12
为侧面与土体之间的摩擦扭矩，T2为滚刀切削土体时的地层抗力扭矩；
[0020]K
s
为第s个区间的侧向土压力系数；f为滚刀与土体之间的摩擦因数；D为盾构掘进机外径；H为地面到盾构掘进机轴线的距离；γ
s
为第s个区间土体的重度，0<s≤x；η为刀盘开口率；
[0021]K
as
为第s个区间主动土压力系数；W为刀盘外沿的宽度；
[0022]w
i
为第i把滚刀的刀刃宽度；α
i
为第i把滚刀的前角；β
i
为第i把滚刀与相邻相同切削轨迹的滚刀之间的夹角；为第s个区间土的内摩擦角；c为第s个区间土的黏聚力；L
i
为第i把滚刀到刀盘中心的距离，θ
i
为第i把滚刀与刀盘中心连接线与水平的夹角；v为盾构推进速度，ω为刀盘转速。
[0023]进一步地，步骤S2包括：先根据摩擦因数确定滚刀磨损体积，然后根据滚刀形状确定滚刀磨损的高度；
[0024]其中，滚刀磨损体积的计算方法为：
[0025]V＝MA
f
[0026]A
f
＝ξfF
v
S
[0027][0028][0029]式中：V为滚刀磨损体积；M是与滚刀材料有关的系数，称为磨损强度；A
f
是摩擦功；
[0030]ξ为滚刀破岩过程中的相对滑动率；S为盾构掘进时间t时滚刀破岩距离；F
v
为滚刀受到的垂直力，采用科罗拉多矿业学院提出的力学模型；
[0031]C为无量纲系数；S
n
为刀间距；σ
c
为岩石抗压强度；σ
t
为岩石抗拉强度；φ为盘形滚刀与岩石的接触角；T
a
为滚刀刀尖宽度；r
i
为第i把滚刀的半径；ψ为刀尖压力分布系数，介于
‑
0.2至0.2；
[0032]R
i
为第i把滚刀的安装半径，t为盾构掘进时间。
[0033]本专利技术基于能量法与科罗拉多矿业学院提出的滚刀力学模型，利用反算出的滚刀与土体之间的摩擦因数f计算出滚刀磨损体积；再基于几何知识和滚刀设计参数，将计算出的滚刀磨损体积转化为滚刀磨损高度。
[0034]进一步地，所述根据滚刀形状确定刀具磨损的高度，具体为：
[0035]将滚刀的截面简化成梯形，忽略滚刀过渡圆弧，根据滚刀的刀刃半角α和刀刃宽度A，由几何知识可得平面内滚刀磨损的面积S
s
：
[0036][0037]再由S
s
与滚刀磨损体积V之间的关系式V＝S
s
×
l
圆周
＝S
s
(r
i
‑
h/2)2π，可得滚刀磨损的高度计算式为：
[0038][0039]式中，r
i
为第i把滚刀的半径，l
圆周
为滚刀磨损体积中心点以滚刀中心为圆心画圆的周长。
[0040]一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于掘进参数的复合地层盾构滚刀磨损计算方法，其特征在于，包括：S1：基于盾构滚刀的磨损机理，根据掘进参数、地质参数和刀盘刀具设计参数，实时计算滚刀在不同地层下与土体之间的摩擦因数；S2：根据摩擦因数，结合滚刀在掌子面的受力分析，实时定量确定盾构滚刀的磨损量。2.根据权利要求1所述的复合地层盾构滚刀磨损计算方法，其特征在于，滚刀在各地层下与土体之间摩擦因数的实时计算方法为：根据地勘资料，将盾构掘进线路依据地质情况划分为x个区间；根据盾构刀盘刀具正面、侧面分别与土体之间的摩擦扭矩，滚刀切削土体时的地层抗力扭矩，再结合从盾构机实时获取的刀盘总扭矩T，得到滚刀与各区间土体之间的摩擦因数f：f：f：T＝T
11
+T
12
+T2式中，T为刀盘总扭矩，T
11
为刀盘刀具正面与土体之间的摩擦扭矩，T
12
为侧面与土体之间的摩擦扭矩，T2为滚刀切削土体时的地层抗力扭矩；K
s
为第s个区间的侧向土压力系数；f为滚刀与土体之间的摩擦因数；D为盾构掘进机外径；H为地面到盾构掘进机轴线的距离；γ
s
为第s个区间土体的重度，0<s≤x；η为刀盘开口率；K
as
为第s个区间主动土压力系数；W为刀盘外沿的宽度；w
i
为第i把滚刀的刀刃宽度；α
i
为第i把滚刀的前角；β
i
为第i把滚刀与相邻相同切削轨迹的滚刀之间的夹角；为第s个区间土的内摩擦角；c为第s个区间土的黏聚力；L
i
为第i把滚刀到刀盘中心的距离，θ
i
为第i把滚刀与刀盘中心连接线与水平的夹角；v为盾构推进速度，ω为刀盘转速。3.根据权利要求1所述的复合地层盾构滚刀磨损计算方法，其特征在于，步骤S2包括：先根据摩擦因数确定滚刀磨损体积，然后根据滚刀形状确定滚刀磨损的高度；其中，滚刀磨损体积的计算方法为：V＝MA
f
A

【专利技术属性】
技术研发人员：龚振宇，朱国金，占永杰，张文涛，王树英，雷波，肖钢，黄青富，杜学才，向清茂，万宇，施峻峰，普恒，罗朋，冉江陵，武介彬，
申请(专利权)人：中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司中南大学云南省滇中引水工程建设管理局云南省滇中引水工程有限公司，
类型：发明
国别省市：