CN102129499B - 隧道掘进机刀盘驱动载荷计算方法 - Google Patents

Abstract

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)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。

Description

隧道掘进机刀盘驱动载荷计算方法

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明的目的是，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。

本发明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T₁、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：

$F_1=\frac{\mathrm{\π}{D}^2}{4}{K}_0\mathrm{\γH}$

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。

其中所述步骤(2)中的刀盘掘进推力，是指掘进过程中由于刀盘挤压土体引起的，用以保证掘进机推进以及维持开挖面稳定的推进载荷，由如下公式确定：

$F_2=\frac{E}{1-{\mathrm{\μ}}^2}\mathrm{\δD}$

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。

然后根据所述步骤(1)、(2)将F₁与F₂之和确定为刀盘总的驱动推力。

其中所述步骤(4)中刀盘侧面与周围土体间的摩擦扭矩由如下公式确定：

T₁＝π·D·t·f₁·P_m

式中，t(m)为刀盘厚度，f₁为刀盘与土体间摩擦系数，P_m(kPa)为作用在刀盘侧面上的平均土压力。

其中所述步骤(5)中的密封舱内搅拌扭矩指刀盘后方密封舱内搅拌土体产生的扭矩，由如下公式确定：

T₂＝m·πD_a·L_a·b·f₂·p_m

式中，m为搅拌棒个数，D_a(m)为搅拌棒直径，L_a(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；p_m(kPa)为密封舱平均土压力。

其中所述步骤(6)中的掘进扭矩指在掘进界面上由于刀盘旋转摩擦土体及切削破坏土体所引起的扭转载荷，由如下公式确定：

$T_3=\frac{\mathrm{E\π}{f}_1\mathrm{\η}}{8(1-{\mathrm{\μ}}^2)}\mathrm{\δ}{D}^2+\frac{1}{12}\mathrm{\π\ηc}{D}^3$

式中，η为刀盘开口率，c(kPa)为土体内聚力。

最后根据所述步骤(4)、(5)、(6)将T₁、T₂、T₃之和确定为刀盘总的驱动扭矩。

本发明的特点以及产生的有益效果是，可以快速计算出隧道掘进机刀盘驱动载荷，由于综合考虑了地质条件、操作状态以及刀盘结构等核心要素对刀盘载荷的影响规律，因而计算结果比较准确，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，为掘进机的刀盘设计以及施工过程中载荷参数的设定与实时调整提供科学依据。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明的计算过程作进一步的说明，需要说明的是本实施例是叙述性的，不以此限定本发明的保护范围。

本实施例结合某地铁工程施工过程。该工程所使用的掘进机刀盘结构参数如下：刀盘直径D＝6.34m，刀盘厚度t＝0.475m，刀盘开口率η＝44％，搅拌棒直径D_a＝0.162m，搅拌棒长度L_a＝0.538m，搅拌棒个数m＝4，搅拌棒与刀盘中心轴线之间的平均距离b＝0.7m。以下将以该工程掘进到第50环的地质条件与操作状态为例，给出计算掘进到该环时掘进机刀盘所需驱动载荷值的详细步骤，其他各环均可按照相同的方法进行计算。

第一步确定开挖面静止土压力F₁

由地质报告获取所需地质参数。根据该地铁工程第50环处的地质条件可知：开挖面静止土压力系数K₀＝0.5，土体容重γ＝18.2kN/m³，地表至掘进机中心线埋深H＝144m，

由得到F₁＝4134.78kN。

第二步确定刀盘掘进推力F₂

由掘进机上附带传感器获取操作参数。当掘进机掘进到第50环处时，刀盘每转切入深度δ＝0.035m/r，土体弹性模量E＝8200kPa，土体泊松比μ＝0.35，

由

得到F₂＝2073.60kN。

第三步根据F₁和F₂的和确定刀盘总的驱动推力，该工程隧道掘进机在掘进至第50环时所需的驱动推力值为F＝F₁+F₂＝6208.38kN。

第四步确定刀盘侧面与周围土体间的摩擦扭矩T₁

刀盘厚度t＝0.475m，刀盘与土体间摩擦系数f₁＝0.25，刀盘侧面平均土压力P_m＝197.2kPa

由T₁＝π·D·t·f₁·P_m，得到T₁＝466.19kN·m。

第五步确定密封舱内搅拌扭矩T₂

搅拌棒个数m＝4，搅拌棒直径D_a＝0.162m，搅拌棒长度L_a＝0.538m，搅拌棒与土体间摩擦系数f₂＝0.2，密封舱平均土压力p_m＝230kPa；搅拌棒与刀盘中心轴线之间的平均距离b＝0.7m

由T₂＝m·πD_a·L_a·b·f₂·p_m，得到T₂＝35.25kN·m。

第六步确定刀盘掘进扭矩T₃

刀盘开口率η＝44％，内聚力c＝10kPa，其它参数同前，

由

得到T₃＝861.01kN·m。

第七步求和，掘进至第50环时所需的驱动扭矩值为T＝T₁+T₂+T₃＝1362.45kN·m。至此，已计算出此隧道工程第50环处掘进机所需驱动载荷值，其余各环均可按照相同方法确定，由此可获得掘进机在整个施工过程中在不同地质条件和操作状态下所需的驱动载荷值。

Claims (1)

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：

$F_1=\frac{{\mathrm{\πD}}^2}{4}{K}_0\mathrm{\γH}$

式中，D为刀盘直径，K₀为开挖面静止土压力系数，γ为土体容重，H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：

$F_2=\frac{E}{1-{\mathrm{\μ}}^2}\mathrm{\δD}$

式中，E为土体弹性模量，μ为土体泊松比，δ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为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·P_m

式中，t为刀盘厚度，f₁为刀盘与土体间摩擦系数，P_m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·πD_a·L_a·b·f₂·p_m

式中，m为搅拌棒个数，D_a为搅拌棒直径，L_a为搅拌棒长度；b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；p_m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：

$T_3=\frac{\mathrm{E\π}{f}_1\mathrm{\η}}{8(1-{\mathrm{\μ}}^2)}\mathrm{\δ}{D}^2+\frac{1}{12}\mathrm{\π\ηc}{D}^3$

式中，η为刀盘开口率，c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。