隧道掘进机刀盘驱动载荷计算方法技术

一种包含地质参数、操作参数以及刀盘结构参数对刀盘载荷影响的驱动载荷计算方法，可以为刀盘设计及施工参数调整提供准确的依据。隧道掘进机刀盘驱动载荷包括推力和扭矩，其计算方法为：(1)确定开挖面静止土压力F1；(2)确定刀盘掘进推力F2；(3)根据F1和F2和确定刀盘总的驱动推力；(4)确定刀盘侧面与周围土体间的摩擦扭矩T1；(5)确定密封舱内搅拌扭矩T2；(6)确定刀盘掘进扭矩T3；(7)由T1、T2、T3之和确定刀盘总的驱动扭矩。本方法可以快速计算出隧道掘进机刀盘驱动载荷，由于综合考虑了各核心要素对刀盘载荷的影响规律，因而计算结果更加准确，并能随时根据地质条件与操作状态的改变灵活调整载荷参数，实现了掘进机施工过程中载荷的科学设定与调整。

Method for calculating driving load of Cutterhead of tunnel boring machine

A method for calculating the driving load including the geological parameters, operation parameters, the structural parameters of cutterhead, and the influence of the load on the cutter plate can provide an accurate basis for the design of the cutterhead and the adjustment of the construction parameters. The driving load including the thrust and torque of TBM cutter, the calculation method is as follows: (1) to determine the excavation surface static earth pressure F1; (2) to determine the cutter driving thrust F2; (3) according to F1 and F2 and determine the cutter driving thrust in general; (4) to determine the cutter surface and surrounding soil the friction torque of T1; (5) determine the cabin stirring torque of T2; (6) to determine the cutter driving torque of T3; (7) the total cutter driving torque is determined by the T1, T2, and T3. This method can quickly calculate the driving load of TBM cutter, because of considering the influence of the core elements of the cutter load, so the result is more accurate, and can at any time according to the geological conditions and the change of operation state of flexible adjustment of load parameters, the load of TBM Construction in the process of scientific setting and adjustment.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于隧道掘进机械施工技术，具体涉及一种隧道掘进机刀盘驱动载荷的计 算方法。
技术介绍
近年来，随着我国城市地下交通的迅速发展，铁路、输运管道等隧道工程项目逐渐 增多，围绕隧道掘进机设计与施工的相关技术也得到快速发展。其中隧道掘进机刀盘驱动 载荷的确定是其设计及施工环节的核心技术之一。准确计算隧道掘进机在掘进过程中刀盘 所需要的驱动载荷值，是掘进机刀盘及动力系统设计的理论基础，也是施工过程中掘进状 态实时调整的重要依据。掘进机在隧道掘进过程中，刀盘与掘进界面土体所构成的复杂力 学系统包含法向挤压、旋转摩擦、切削破坏等多种形式耦合作用。因此，其驱动载荷(包括 推力与扭矩)与地质条件、刀盘结构以及操作状态等多种因素密切相关。目前实际工程中 的隧道掘进机载荷计算多采用经验公式，但其仅给出一个较大的载荷估算区间，且经验系 数缺乏明确的取值依据。国内外已有的刀盘载荷相关计算多为静态载荷分析，未考虑操作 参数对载荷的影响。因此提出一种对刀盘驱动载荷的计算方法，成为本行业之急需。
技术实现思路
本专利技术的目的是，提出一种包含地质参数、操作参数以及刀盘结构参数对刀盘载 荷影响的驱动载荷计算方法，为刀盘设计及施工参数调整提供准确的依据。本专利技术的目的是这样实现的隧道掘进机刀盘驱动载荷包括推力和扭矩，其计算 确定方法，主要分为以下几个步骤(1)确定开挖面静止土压力F1 ；(2)确定刀盘掘进推力F2 ；(3)根据F1和F2的和确定刀盘总的驱动推力；(4)确定刀盘侧面与周围土体间的摩擦扭矩T1 ；(5)确定密封舱内搅拌扭矩T2 ；(6)确定刀盘掘进扭矩T3 ；(7)根据1\、T2, T3之和确定刀盘总的驱动扭矩；其中所述步骤(1)中的开挖面静止土压力，是指掘进界面前方土体在自然状态下 由自身重力引起的土压力，与掘进过程无关，由如下公式确定权利要求1.，其特征在于计算分为以下几个步骤(1)确定开挖面静止土压力F1所述开挖面静止土压力是指掘进界面前方土体在自然状态下由自身重力引起的土压 力，由如下公式确定全文摘要一种包含地质参数、操作参数以及刀盘结构参数对刀盘载荷影响的驱动载荷计算方法，可以为刀盘设计及施工参数调整提供准确的依据。隧道掘进机刀盘驱动载荷包括推力和扭矩，其计算方法为(1)确定开挖面静止土压力F1；(2)确定刀盘掘进推力F2；(3)根据F1和F2和确定刀盘总的驱动推力；(4)确定刀盘侧面与周围土体间的摩擦扭矩T1；(5)确定密封舱内搅拌扭矩T2；(6)确定刀盘掘进扭矩T3；(7)由T1、T2、T3之和确定刀盘总的驱动扭矩。本方法可以快速计算出隧道掘进机刀盘驱动载荷，由于综合考虑了各核心要素对刀盘载荷的影响规律，因而计算结果更加准确，并能随时根据地质条件与操作状态的改变灵活调整载荷参数，实现了掘进机施工过程中载荷的科学设定与调整。文档编号G06F17/50GK102129499SQ201110061650公开日2011年7月20日 申请日期2011年3月15日 优先权日2011年3月15日专利技术者亢一澜, 仇巍, 张茜, 蔡宗熙, 黄干云 申请人:天津大学本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．隧道掘进机刀盘驱动载荷计算方法，其特征在于计算分为以下几个步骤：（１）确定开挖面静止土压力Ｆ１所述开挖面静止土压力是指掘进界面前方土体在自然状态下由自身重力引起的土压力，由如下公式确定：（ｍａｔｈ）??（ｍｒｏｗ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）Ｆ（／ｍｉ）?（ｍｎ）１（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｏ）＝（／ｍｏ）?（ｍｆｒａｃ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｉ）＆ｐｉ；（／ｍｉ）?（ｍｓｕｐ）?（ｍｉ）Ｄ（／ｍｉ）?（ｍｎ）２（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｐ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｎ）４（／ｍｎ）?（／ｍｆｒａｃ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）Ｋ（／ｍｉ）?（ｍｎ）０（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）＆ｇａｍｍａ；Ｈ（／ｍｉ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍａｔｈ）式中，Ｄ（ｍ）为刀盘直径，Ｋ０为开挖面静止土压力系数，γ（ｋＮ／ｍ３）为土体容重，Ｈ（ｍ）为地表至掘进机中心线埋深；（２）确定刀盘掘进推力Ｆ２所述刀盘掘进推力是指掘进过程中，由刀盘挤压土体引起的，用以维持掘进机推进及开挖面稳定的推进载荷，由如下公式确定：（ｍａｔｈ）??（ｍｒｏｗ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）Ｆ（／ｍｉ）?（ｍｎ）２（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｏ）＝（／ｍｏ）?（ｍｆｒａｃ）?（ｍｉ）Ｅ（／ｍｉ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｎ）１（／ｍｎ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｓｕｐ）?（ｍｉ）＆ｍｕ；（／ｍｉ）?（ｍｎ）２（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｐ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍｆｒａｃ）?（ｍｉ）＆ｄｅｌｔａ；Ｄ（／ｍｉ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍａｔｈ）式中，Ｅ（ｋＰａ）为土体弹性模量，μ为土体泊松比，δ（ｍ／ｒ）为刀盘每转切入深度；（３）根据Ｆ１和Ｆ２的和确定刀盘总的驱动推力Ｆ１＋Ｆ２（４）确定刀盘侧面与周围土体间的摩擦扭矩Ｔ１所述摩擦扭矩Ｔ１由如下公式确定：Ｔ１＝π·Ｄ·ｔ·ｆ１·Ｐｍ式中，ｔ（ｍ）为刀盘厚度，ｆ１为刀盘与土体间摩擦系数，Ｐｍ（ｋＰａ）为作用在刀盘侧面上的平均土压力；（５）确定密封舱内搅拌扭矩Ｔ２所述密封舱内搅拌扭矩是指刀盘后方密封舱内搅拌土体产生的扭矩，Ｔ２由如下公式确定：Ｔ２＝ｍ·πＤａ·Ｌａ·ｂ·ｆ２·ｐｍ式中，ｍ为搅拌棒个数，Ｄａ（ｍ）为搅拌棒直径，Ｌａ（ｍ）为搅拌棒长度；ｂ（ｍ）为搅拌棒与刀盘中心轴线之间的平均距离；ｆ２为搅拌棒与土体间摩擦系数；ｐｍ（ｋＰａ）为密封舱平均土压力；（６）确定刀盘掘进扭矩Ｔ３所述刀盘掘进扭矩是指在掘进界面上由刀盘旋转摩擦以及切削破坏土体所引起的扭转载荷，Ｔ３由如下公式确定：（ｍａｔｈ）??（ｍｒｏｗ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）Ｔ（／ｍｉ）?（ｍｎ）３（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｏ）＝（／ｍｏ）?（ｍｆｒａｃ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｉ）Ｅ＆ｐｉ；（／ｍｉ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）ｆ（／ｍｉ）?（ｍｎ）１（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）＆ｅｔａ；（／ｍｉ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｎ）８（／ｍｎ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｎ）１（／ｍｎ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｓｕｐ）?（ｍｉ）＆ｍｕ；（／ｍｉ）?（ｍｎ）２（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｐ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍｆｒａｃ）?（ｍｉ）＆ｄｅｌｔａ；（／ｍｉ）?（ｍｓｕｐ）?（ｍｉ）Ｄ（／ｍｉ）?（ｍｎ）２（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｐ）?（ｍｏ）＋（／ｍｏ）?（ｍｆｒａｃ）?（ｍｎ）１（／ｍｎ）?（ｍｎ）１２（／ｍｎ）?（／ｍｆｒａｃ）?（ｍｉ）＆ｐｉ；＆ｅｔａ；ｃ（／ｍｉ）?（ｍｓｕｐ）?（ｍｉ）Ｄ（／ｍｉ）?（ｍｎ）３（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｐ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍａｔｈ）式中，η为刀盘开口率，ｃ（ｋＰａ）为土体内聚力；（７）由所述步骤（４）、（５）和（６）将Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３之和，确定为刀盘总的驱动扭矩。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：亢一澜，张茜，蔡宗熙，黄干云，仇巍，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：12