CN106383931A - 基于csm模型的隧道掘进机刀盘有效推力和扭矩计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CSM模型的隧道掘进机刀盘有效推力和扭矩计算方法，包括：在复合地层中建立全局坐标系来对隧道掘进断面地层进行简化，并在建立的全局坐标系中确定掘进机的刀位参数；根据建立的全局坐标系和掘进机的刀位参数采用CSM模型进行盘形滚刀受力计算；根据盘形滚刀受力计算的结果在复合地层中对隧道掘进机刀盘的有效推力和有效扭矩进行计算；根据隧道掘进机刀盘的有效推力和有效扭矩的计算结果，绘制刀盘旋转掘进一周过程中滚刀受力、刀盘有效推力以及有效扭矩的变化曲线。本发明为隧道掘进机开挖施工过程中刀盘推力与扭矩的合理选择及监控提供了理论依据，更加科学、客观和可靠。本发明可广泛应用于隧道施工领域。

Description

基于CSM模型的隧道掘进机刀盘有效推力和扭矩计算方法

技术领域

本发明涉及隧道施工领域，尤其是一种基于CSM模型的隧道掘进机刀盘有效推力和扭矩计算方法。

背景技术

名词解释：

隧道掘进机：一种高智能化，集机、电、液、光、计算机技术为一体的隧道施工重大技术装备，包含盾构和TBM。

盾构：Shield Machine，一般指适用于软土地层的隧道掘进机。

TBM：Tunnel Boring Machine，一般指适用于岩石地层的隧道掘进机，其与盾构的主要区别在于不具备泥水压、土压等维护掌子面稳定的功能。

刀盘有效推力：指推动隧道掘进机刀盘上盘形滚刀破岩所需的合力，不含克服掘进机前进的各种摩擦力和土舱压力产生的反推力。

刀盘有效扭矩：指隧道掘进机刀盘上盘形滚刀切向滚动力对刀盘旋转轴产生的合力矩。

CSM模型：是指科罗拉多矿业学院(Colorado School of Mines，CSM)Rostami等人提出的，一种较为成熟并应用于盘形滚刀破力计算的综合计算模型。

随着隧道及地下空间的大发展，隧道掘进机在工程实践中得到广泛引用。隧道掘进机一般分为盾构机和全断面岩石掘进机(简称TBM)两大类，盾构机主要用于土质地层施工，全断面岩石掘进机主要用于岩质地层施工。随着技术的发展，硬岩掘进机技术与软土盾构技术相互融合，形成复合式盾构机，以适应软硬地层的隧道施工。但在复合地层中施工时，隧道掘进机仍将面临刀盘刀具异常磨损、盾构姿态难控制、结泥饼、喷涌等施工风险或困难。因此，选择合适的掘进参数以适应地层要求就显得尤为突出，其中，推力和扭矩是隧道掘进机施工的两个主要掘进参数，而刀盘的有效推力和有效扭矩的计算是合理设定刀盘推力和扭矩的基础。

然而，目前在复合地层的施工过程中，隧道掘进机刀盘的有效推力和有效扭矩往往需要依靠施工经验来估算，无法为隧道掘进机开挖施工过程中刀盘推力与扭矩的合理选择及监控提供理论依据，不能正确指导掘进施工和减少安全事故(如因刀盘推力设置不合理而导致滚刀受荷超载而损坏，进而引起系列施工事故等)的发生，不够科学、客观和可靠。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种能为隧道掘进机开挖施工过程中刀盘推力与扭矩的合理选择及监控提供理论依据，科学、客观和可靠的，基于CSM模型的隧道掘进机刀盘有效推力和扭矩计算方法。

本发明所采取的技术方案是：

基于CSM模型的隧道掘进机刀盘有效推力和扭矩计算方法，包括以下步骤：

在复合地层中建立全局坐标系来对隧道掘进断面地层进行简化，并在建立的全局坐标系中确定掘进机的刀位参数；

根据建立的全局坐标系和掘进机的刀位参数采用CSM模型进行盘形滚刀受力计算；

根据盘形滚刀受力计算的结果在复合地层中对隧道掘进机刀盘的有效推力和有效扭矩进行计算；

根据隧道掘进机刀盘的有效推力和有效扭矩的计算结果，绘制刀盘旋转掘进一周过程中滚刀受力、刀盘有效推力以及有效扭矩的变化曲线。

进一步，所述在复合地层中建立全局坐标系来对隧道掘进断面地层进行简化，并在建立的全局坐标系中确定掘进机的刀位参数这一步骤，其包括：

以掘进断面的中心为坐标原点o、掘进方向为z轴正向和竖向为y轴正向，建立oxyz全局坐标系，其中，x轴正向由右手法则确定；

在oxyz全局坐标系中将隧道掘进断面地层简化为K类地层，并得出这K类地层的位置参数，其中，地层的位置参数为地层底面的y坐标值，这K类地层从上至下的编号依次为1，2，…，j，…，K，相应的地层的位置参数为y₁、y₂、…、y_j、…、y_K，其中，j和y_j分别为这K类地层中第j类地层的编号和位置参数，y_K＝D_e/2，D_e为隧道的开挖直径；

确定掘进机刀盘上盘形滚刀的位置表征参数，所述盘形滚刀的位置表征参数包括但不限于安装极径、安装极角、安装倾角及边缘安装半径；

以隧道掘进机刀盘上仿形刀在底部与oy轴一致时的位置作为初始位置，得到刀盘旋转掘进过程中t时刻时刀盘上第i把盘形滚刀破岩点在oxyz全局坐标系中的位置坐标(x_it,y_it,z_it)，所述位置坐标(x_it,y_it,z_it)的表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{it}=({\mathrm{\ρ}}_i+R_i{\mathrm{sin\β}}_i)\cos ({\mathrm{\θ}}_i+\mathrm{\ω}t)\\ y_{it}=({\mathrm{\ρ}}_i+R_i{\mathrm{sin\β}}_i)\sin ({\mathrm{\θ}}_i+\mathrm{\ω}t)\\ z_{it}=-R_i{\mathrm{cos\β}}_i+vt\end{array}\right.,$

其中，ρ_i、θ_i和β_i分别为刀盘上第i把盘形滚刀的安装极径、安装极角和安装倾角，x_it、y_it和z_it分别为t时刻时刀盘上第i把盘形滚刀破岩点的x轴位置坐标分量、y轴位置坐标分量和z轴位置坐标分量，R_i为刀盘上第i把盘形滚刀的半径，ω为掘进机刀盘的旋转角速度，v为掘进机刀盘的推进速度。

进一步，所述根据建立的全局坐标系和掘进机的刀位参数采用CSM模型进行盘形滚刀受力计算这一步骤，其包括：

根据建立的全局坐标系和掘进机的刀位参数准备CSM模型所需的计算数据，所述CSM模型所需的计算数据包括地层参数、刀具参数和掘进参数，所述地层参数包括地层的位置参数、地层的岩石单轴抗压强度和地层的岩石抗拉强度，所述刀具参数包括盘形滚刀的位置表征参数、盘形滚刀的半径和盘形滚刀的刃端宽度，所述掘进参数包括相邻盘形滚刀的刀刃间距、刀盘旋转速度和刀盘每转侵入深度；

根据准备好的计算数据采用CSM模型计算盘形滚刀的受力、盘形滚刀的法向拉力和盘形滚刀的切向滚动力。

进一步，所述根据准备好的计算数据采用CSM模型计算盘形滚刀的受力、盘形滚刀的法向拉力和盘形滚刀的切向滚动力这一步骤，其具体为：

根据准备好的计算数据采用CSM模型计算盘形滚刀的受力、盘形滚刀的法向推力和盘形滚刀的切向滚动力，所述隧道掘进机t时刻时刀盘上第i把盘形滚刀的受力F_ti、法向推力F_vi和切向滚动力F_ri的计算公式分别为： 其中，C为给定的无量纲系数，T_i为刀盘上第i把盘形滚刀的刃端宽度，为刀盘上第i把盘形滚刀刀刃与岩石的接触角，且 h为刀盘每转侵入深度，ψ为盘形滚刀的刃端压力分布系数，s_i为第i把盘形滚刀与相邻盘形滚刀的刀刃间距，σ_cj为第j地层的岩石单轴抗压强度，σ_tj为第j地层的岩石抗拉强度。

进一步，所述根据盘形滚刀受力计算的结果在复合地层中对隧道掘进机刀盘的有效推力和有效扭矩进行计算这一步骤，其具体为：

根据盾构刀盘安装的滚刀总数N以及隧道掘进机t时刻时刀盘上第i把盘形滚刀的法向推力F_vi、安装极径ρ_i、安装倾角β_i和切向滚动力F_ri，在复合地层中计算隧道掘进机刀盘的有效推力F_z和有效扭矩M_z，所述隧道掘进机刀盘的有效推力F_z和有效扭矩M_z的计算公式分别为：

进一步，所述无量纲系数C＝2.12，刃端压力分布系数ψ的取值范围为(-0.2)～0.2。

进一步，所述第j地层的岩石单轴抗压强度σ_cj和岩石抗拉强度σ_tj对应的y_it值需满足：y_j-1≤y_it＜y_j。

本发明的有益效果是：基于CSM模型提出了一种专门针对复合地层的隧道掘进机刀盘的有效推力和有效扭矩计算方法，依次通过掘进断面地层简化、盘形滚刀受力计算以及有效推力和有效扭矩计算来得出隧道掘进机刀盘的有效推力和有效扭矩，并根据计算结果绘制了刀盘旋转掘进一周过程中滚刀受力、刀盘有效推力以及有效扭矩的变化曲线，不再依赖于施工经验来估算掘进机刀盘的有效推力和有效扭矩，能预估刀盘上盘形滚刀在复合地层中不同旋转位置滚压破岩时的受力情况，方便了掘进机操作者及时掌握刀具的受力变化，从而为隧道掘进机开挖施工过程中刀盘推力与扭矩的合理选择及监控提供了理论依据，以更好地指导掘进施工和减少安全事故的发生，更加科学、客观和可靠。

附图说明

图1为本发明基于CSM模型的隧道掘进机刀盘有效推力和扭矩计算方法的整体流程图；

图2为本发明隧道掘进断面地层简化模型及滚刀位置表征参数示意图；

图3为本发明刀盘滚刀的布置图；

图4为本发明盘形滚刀受力计算的CSM模型示意图；

图5为本发明刀盘旋转角度为135°时不同刀位滚刀的有效推力示意图；

图6为本发明刀盘旋转角度为135°时不同刀位滚刀的有效扭矩示意图；

图7为本发明刀盘旋转掘进一周过程中刀盘有效推力的变化示意图；

图8为本发明刀盘旋转掘进一周过程中刀盘有效扭矩的变化示意图。

具体实施方式

参照图1，基于CSM模型的隧道掘进机刀盘有效推力和扭矩计算方法，包括以下步骤：

在复合地层中建立全局坐标系来对隧道掘进断面地层进行简化，并在建立的全局坐标系中确定掘进机的刀位参数；

根据建立的全局坐标系和掘进机的刀位参数采用CSM模型进行盘形滚刀受力计算；

根据盘形滚刀受力计算的结果在复合地层中对隧道掘进机刀盘的有效推力和有效扭矩进行计算；

根据隧道掘进机刀盘的有效推力和有效扭矩的计算结果，绘制刀盘旋转掘进一周过程中滚刀受力、刀盘有效推力以及有效扭矩的变化曲线。

参照图2，进一步作为优选的实施方式，所述在复合地层中建立全局坐标系来对隧道掘进断面地层进行简化，并在建立的全局坐标系中确定掘进机的刀位参数这一步骤，其包括：

以掘进断面的中心为坐标原点o、掘进方向为z轴正向和竖向为y轴正向，建立oxyz全局坐标系，其中，x轴正向由右手法则确定；

在oxyz全局坐标系中将隧道掘进断面地层简化为K类地层，并得出这K类地层的位置参数，其中，地层的位置参数为地层底面的y坐标值，这K类地层从上至下的编号依次为1，2，…，j，…，K，相应的地层的位置参数为y₁、y₂、…、y_j、…、y_K，其中，j和y_j分别为这K类地层中第j类地层的编号和位置参数，y_K＝D_e/2，D_e为隧道的开挖直径；

确定掘进机刀盘上盘形滚刀的位置表征参数，所述盘形滚刀的位置表征参数包括但不限于安装极径、安装极角、安装倾角及边缘安装半径；

以隧道掘进机刀盘上仿形刀在底部与oy轴一致时的位置作为初始位置，得到刀盘旋转掘进过程中t时刻时刀盘上第i把盘形滚刀破岩点在oxyz全局坐标系中的位置坐标(x_it,y_it,z_it)，所述位置坐标(x_it,y_it,z_it)的表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{it}=({\mathrm{\ρ}}_i+R_i{\mathrm{sin\β}}_i)\cos ({\mathrm{\θ}}_i+\mathrm{\ω}t)\\ y_{it}=({\mathrm{\ρ}}_i+R_i{\mathrm{sin\β}}_i)\sin ({\mathrm{\θ}}_i+\mathrm{\ω}t)\\ z_{it}=-R_i{\mathrm{cos\β}}_i+vt\end{array}\right.,$

其中，ρ_i、θ_i和β_i分别为刀盘上第i把盘形滚刀的安装极径、安装极角和安装倾角，x_it、y_it和z_it分别为t时刻时刀盘上第i把盘形滚刀破岩点的x轴位置坐标分量、y轴位置坐标分量和z轴位置坐标分量，R_i为刀盘上第i把盘形滚刀的半径，ω为掘进机刀盘的旋转角速度，v为掘进机刀盘的推进速度。

进一步作为优选的实施方式，所述根据建立的全局坐标系和掘进机的刀位参数采用CSM模型进行盘形滚刀受力计算这一步骤，其包括：

根据建立的全局坐标系和掘进机的刀位参数准备CSM模型所需的计算数据，所述CSM模型所需的计算数据包括地层参数、刀具参数和掘进参数，所述地层参数包括地层的位置参数、地层的岩石单轴抗压强度和地层的岩石抗拉强度，所述刀具参数包括盘形滚刀的位置表征参数、盘形滚刀的半径和盘形滚刀的刃端宽度，所述掘进参数包括相邻盘形滚刀的刀刃间距、刀盘旋转速度和刀盘每转侵入深度；

根据准备好的计算数据采用CSM模型计算盘形滚刀的受力、盘形滚刀的法向拉力和盘形滚刀的切向滚动力。

进一步作为优选的实施方式，所述根据准备好的计算数据采用CSM模型计算盘形滚刀的受力、盘形滚刀的法向拉力和盘形滚刀的切向滚动力这一步骤，其具体为：

根据准备好的计算数据采用CSM模型计算盘形滚刀的受力、盘形滚刀的法向推力和盘形滚刀的切向滚动力，所述隧道掘进机t时刻时刀盘上第i把盘形滚刀的受力F_ti、法向推力F_vi和切向滚动力F_ri的计算公式分别为： 其中，C为给定的无量纲系数，T_i为刀盘上第i把盘形滚刀的刃端宽度，为刀盘上第i把盘形滚刀刀刃与岩石的接触角，且 h为刀盘每转侵入深度，ψ为盘形滚刀的刃端压力分布系数，s_i为第i把盘形滚刀与相邻盘形滚刀的刀刃间距，σ_cj为第j地层的岩石单轴抗压强度，σ_tj为第j地层的岩石抗拉强度。

进一步作为优选的实施方式，所述根据盘形滚刀受力计算的结果在复合地层中对隧道掘进机刀盘的有效推力和有效扭矩进行计算这一步骤，其具体为：

根据盾构刀盘安装的滚刀总数N以及隧道掘进机t时刻时刀盘上第i把盘形滚刀的法向推力F_vi、安装极径ρ_i、安装倾角β_i和切向滚动力F_ri，在复合地层中计算隧道掘进机刀盘的有效推力F_z和有效扭矩M_z，所述隧道掘进机刀盘的有效推力F_z和有效扭矩M_z的计算公式分别为：

进一步作为优选的实施方式，所述无量纲系数C＝2.12，刃端压力分布系数ψ的取值范围为(-0.2)～0.2。

进一步作为优选的实施方式，所述第j地层的岩石单轴抗压强度σ_cj和岩石抗拉强度σ_tj对应的y_it值需满足：y_j-1≤y_it＜y_j。

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步解释和说明。

实施例一

参照图2、3和4，本发明的第一实施例：

针对现有技术在在复合地层的施工过程中需要依靠施工经验来估算掘进机刀盘的有效推力和有效扭矩的问题，本发明提出了一种全新的基于CSM模型的隧道掘进机刀盘有效推力和扭矩计算方法，可为隧道掘进机在复合地层中施工时掘进参数的合理选择及监控提供理论依据，更好地指导掘进施工。该计算方法具体包括以下步骤：

一、复合地层中隧道掘进断面地层简化及掘进机刀位参数的表征。

首先建立oxyz全局固定坐标系：以掘进断面中心为坐标原点、掘进方向为z轴正向、竖向为y轴正向，oxyz全局坐标系符合右手法则，如图2所示。

假定隧道掘进断面内具有K类地层，地层编号从上至下依次为1，2，…，j，…，K。以地层底面的y坐标值作为地层的位置参数，则从上而下隧道掘进断面内地层底面的y坐标值依次为y₁、y₂、…、y_j、…、y_K，其中，y_K＝D_e/2，D_e为隧道的开挖直径。

刀盘上盘形滚刀的位置以其质心坐标来表示，其可采用安装极径、安装极角、安装倾角及边缘安装半径这4个参数来表征。在oxyz坐标系中，令刀盘上第i把盘形滚刀的安装极径为ρ_i、安装极角为θ_i、安装倾角为β_i及边缘安装半径为R_0i，如图2所示。

以隧道掘进机刀盘上仿形刀(用于局部扩大隧道断面)在底部与oy轴一致时的位置作为初始位置，则刀盘旋转掘进过程中，t时刻时刀盘上第i把盘形滚刀破岩点在oxyz固定坐标系中的位置坐标(x_it,y_it,z_it)可表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{it}=({\mathrm{\ρ}}_i+R_i{\mathrm{sin\β}}_i)\cos ({\mathrm{\θ}}_i+\mathrm{\ω}t)\\ y_{it}=({\mathrm{\ρ}}_i+R_i{\mathrm{sin\β}}_i)\sin ({\mathrm{\θ}}_i+\mathrm{\ω}t)\\ z_{it}=-R_i{\mathrm{cos\β}}_i+vt\end{array}\right.$

上式中，R_i为刀盘上第i把盘形滚刀的半径；ω为掘进机刀盘旋转角速度；v为掘进机刀盘的推进速度。

二、采用CSM模型进行盘形滚刀受力计算。

本发明的滚刀切削力计算采用科罗拉多矿业学院(Colorado School of Mines)Rostami等人提出的综合计算模型，简称CSM模型。CSM模型基于工程实践中广泛使用的常截面盘形滚刀，其所考虑的因素较全面，预测的精度也较高，同时计算参数也容易获取。因此，本发明中盘形滚刀受力计算是基于CSM模型的。

而CSM模型需先准备好如下三大类数据：

(1)地层参数：y_j，σ_cj，σ_tj；

(2)刀具参数：ρ_i、θ_i，β_i，R_0i，R_i，T_i；

(3)掘进参数：s_i，h，n。

而根据CSM模型，隧道掘进机刀盘上第i把盘形滚刀的受力计算公式如下：

(1)滚刀受力：

(2)滚刀法向推力：

(3)滚刀切向滚动力：

以上各式中，T_i为第i把盘形滚刀的刃端宽度；为第i把盘形滚刀刀刃与岩石的接触角，h为刀盘每转侵入深度；s_i为第i把盘形滚刀与相邻盘形滚刀的刀刃间距；n为刀盘旋转速度；σ_cj为第j地层的岩石单轴抗压强度；σ_tj为第j地层的岩石抗拉强度；ψ为盘形滚刀刃端的压力分布系数，一般取(-0.2)～0.2；C为无量纲系数，取值约为2.12。

三、复合地层中隧道掘进机刀盘的有效推力和有效扭矩计算。

在本发明中，隧道掘进机刀盘的有效推力指推动刀具破岩所需的合力，不含克服掘进机前进的各种摩擦力和土舱压力产生的反推力；隧道掘进机刀盘的有效扭矩指滚刀切向滚动力对刀盘旋转轴产生的合力矩，具体的计算公式如下：

式中，N为盾构刀盘安装的滚刀总数；而σ_tj、σ_cj应根据y_it值选取相应地层的数值，如满足y_j-1≤y_it＜y_j时，则取第j地层的参数值。

与现有技术相比，本实施例具有以下优点：

(1)能计算出复合地层中隧道掘进机刀盘的有效推力和有效扭矩，不再需要依据施工经验进行刀盘推力与扭矩的参数设置，为隧道掘进机开挖施工过程中刀盘推力与扭矩的合理选择及监控提供了理论依据，可更好地指导掘进施工。

(2)可以预估刀盘上盘形滚刀在复合地层中不同旋转位置滚压破岩时的受力情况，方便了掘进机操作者及时掌握刀具的受力变化，从而避免了滚刀受荷超限。

(3)原理清晰，数据的准备简单有序，容易进行程序化。

(4)可根据本实施例的计算结果进一步估算隧道掘进机刀盘的不平衡力，从而分析出复合地层中刀盘旋转掘进时所产生的偏心和震动，能为刀盘设计提供更好的建议。

实施例二

参照图5-8，本发明的第二实施例：

本实施例的复合地层为典型的软硬地层，可简化为二层，即K＝2，而地层参数如表1所示；本实施例的隧道掘进机为土压平衡式掘进机，开挖直径D_e为6280mm，刀盘上共安装了39把17寸的盘形滚刀，滚刀半径R_i＝216mm、刃宽T_i＝17.8mm、边缘安装半径R_0i＝284mm，刀位参数如表2所示；掘进机在掘进施工时，刀盘每转侵入深度h＝5mm/r，刀盘转速n＝1.2r/min。

表1地层参数

表2刀位参数

则本实施例隧道掘进机刀盘有效推力和扭矩计算方法的具体过程如下：

第一步：建立全局坐标系及准备计算数据。

以掘进断面中心为坐标原点o、掘进方向为z轴正向、竖向为y轴正向，建立oxyz全局固定坐标系，oxyz坐标系正向符合右手法则。

根据前述可知，该实施例为典型的软硬地层，隧道掘进断面地层简化为二层，地层参数如表1所示；

隧道掘进机为土压平衡式，相关的参数如下：

开挖直径：D_e＝6280mm；

盘形滚刀数量：N＝39把；

盘形滚刀半径：R_i＝216mm；

盘形滚刀刃宽：T_i＝17.8mm；

刀位参数：详见表2所示；

掘进参数则如下：

刀盘每转侵入深度：h＝5mm/r；

刀盘转速：n＝1.2r/min；

则刀盘旋转角速度：ω＝1.2×2π＝7.54rad/min；

刀盘的推进速度：v＝1.2×5＝6.0mm/min。

第二步：盘形滚刀受力计算。

以隧道掘进机刀盘上仿形刀在底部与oy轴一致时的位置作为初始位置，则刀盘旋转掘进过程中，经过t时刻时隧道掘进机刀盘上第i把盘形滚刀破岩点的位置坐标(x_it,y_it,z_it)为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{it}=({\mathrm{\ρ}}_i+R_i{\mathrm{sin\β}}_i)\cos ({\mathrm{\θ}}_i+\mathrm{\ω}t)=({\mathrm{\ρ}}_i+0.216{\mathrm{sin\β}}_i)\cos ({\mathrm{\θ}}_i+7.54t)\\ y_{it}=({\mathrm{\ρ}}_i+R_i{\mathrm{sin\β}}_i)\sin ({\mathrm{\θ}}_i+\mathrm{\ω}t)=({\mathrm{\ρ}}_i+0.216{\mathrm{sin\β}}_i)\cos ({\mathrm{\θ}}_i+7.54t)\\ z_{it}=-R_i{\mathrm{cos\β}}_i+vt=-0.216{\mathrm{cos\β}}_i+6.0t\end{array}\right.$

根据y_it值判断盘形滚刀破岩点所在的地层，选择相应的地层参数，然后依据CSM模型计算滚刀受力，相关的计算如下：

滚刀受力：

滚刀法向推力：

滚刀切向滚动力：

式中，盘形滚刀半径R_i＝216mm；盘形滚刀刃宽T_i＝17.8mm；盘形滚刀刃端的压力分布系数ψ＝0.1；无量纲系数C＝2.12。

第三步：计算复合地层中隧道掘进机刀盘的有效推力和有效扭矩。

在本实施例中，隧道掘进机刀盘的有效推力指推动刀具破岩所需的合力，不含克服掘进机前进的各种摩擦力和土舱压力产生的反推力；隧道掘进机刀盘的有效扭矩指滚刀切向滚动力对刀盘旋转轴产生的合力矩，具体的计算如下：

隧道掘进机旋转掘进过程中，在t时刻时，通过式y_it＝(ρ_i+0.216sinβ_i)cos(θ_i+7.54t)计算刀盘上第i把盘形滚刀位置y坐标，若计算的y坐标满足y_j-1≤y_it＜y_j时，则滚刀受力计算公式中的σ_cj、σ_tj取第j地层的参数值，这样就可计算出刀盘旋转掘进至任一位置的滚刀受力、刀盘有效推力及扭矩。

第四步：整理计算结果，绘制刀盘旋转掘进一周过程中滚刀受力、刀盘有效推力及扭矩的变化曲线，如图5-8所示。

根据上述的步骤可方便地计算出复合地层中刀盘的有效推力与有效扭矩，得到刀盘旋转至不同位置时刀盘有效推力与扭矩的变化，从而为刀盘推力与扭矩的设置及监控提供理论依据。

本发明提出了一种计算方法，可以对复合地层中隧道掘进机刀盘的有效推力和有效扭矩进行计算，为隧道掘进机掘进参数的优化选择与监控对照提供了一种依据，也可为隧道掘进机刀盘刀具设计的荷载计算提供参考。本发明的方法在施工过程中，通过地层的相关参数及时计算出刀盘的有效推力和有效扭矩，并可与掘进总推力进行比较，分析和判断掘进是否正常，从而正确指导施工，减少不必要的事故。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.基于CSM模型的隧道掘进机刀盘有效推力和扭矩计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

在复合地层中建立全局坐标系来对隧道掘进断面地层进行简化，并在建立的全局坐标系中确定掘进机的刀位参数；

根据建立的全局坐标系和掘进机的刀位参数采用CSM模型进行盘形滚刀受力计算；

根据盘形滚刀受力计算的结果在复合地层中对隧道掘进机刀盘的有效推力和有效扭矩进行计算；

根据隧道掘进机刀盘的有效推力和有效扭矩的计算结果，绘制刀盘旋转掘进一周过程中滚刀受力、刀盘有效推力以及有效扭矩的变化曲线。

2.根据权利要求1所述的基于CSM模型的隧道掘进机刀盘有效推力和扭矩计算方法，其特征在于：所述在复合地层中建立全局坐标系来对隧道掘进断面地层进行简化，并在建立的全局坐标系中确定掘进机的刀位参数这一步骤，其包括：

以掘进断面的中心为坐标原点o、掘进方向为z轴正向和竖向为y轴正向，建立oxyz全局坐标系，其中，x轴正向由右手法则确定；

在oxyz全局坐标系中将隧道掘进断面地层简化为K类地层，并得出这K类地层的位置参数，其中，地层的位置参数为地层底面的y坐标值，这K类地层从上至下的编号依次为1，2，…，j，…，K，相应的地层的位置参数为y₁、y₂、…、y_j、…、y_K，其中，j和y_j分别为这K类地层中第j类地层的编号和位置参数，y_K＝D_e/2，D_e为隧道的开挖直径；

确定掘进机刀盘上盘形滚刀的位置表征参数，所述盘形滚刀的位置表征参数包括但不限于安装极径、安装极角、安装倾角及边缘安装半径；

以隧道掘进机刀盘上仿形刀在底部与oy轴一致时的位置作为初始位置，得到刀盘旋转掘进过程中t时刻时刀盘上第i把盘形滚刀破岩点在oxyz全局坐标系中的位置坐标(x_it,y_it,z_it)，所述位置坐标(x_it,y_it,z_it)的表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{it}=({\mathrm{\ρ}}_i+R_i{\mathrm{sin\β}}_i)\cos ({\mathrm{\θ}}_i+\mathrm{\ω}t)\\ y_{it}=({\mathrm{\ρ}}_i+R_i{\mathrm{sin\β}}_i)\sin ({\mathrm{\θ}}_i+\mathrm{\ω}t)\\ z_{it}=-R_i{\mathrm{cos\β}}_i+vt\end{array}\right.,$

其中，ρ_i、θ_i和β_i分别为刀盘上第i把盘形滚刀的安装极径、安装极角和安装倾角，x_it、y_it和z_it分别为t时刻时刀盘上第i把盘形滚刀破岩点的x轴位置坐标分量、y轴位置坐标分量和z轴位置坐标分量，R_i为刀盘上第i把盘形滚刀的半径，ω为掘进机刀盘的旋转角速度，v为掘进机刀盘的推进速度。

3.根据权利要求2所述的基于CSM模型的隧道掘进机刀盘有效推力和扭矩计算方法，其特征在于：所述根据建立的全局坐标系和掘进机的刀位参数采用CSM模型进行盘形滚刀受力计算这一步骤，其包括：

根据建立的全局坐标系和掘进机的刀位参数准备CSM模型所需的计算数据，所述CSM模型所需的计算数据包括地层参数、刀具参数和掘进参数，所述地层参数包括地层的位置参数、地层的岩石单轴抗压强度和地层的岩石抗拉强度，所述刀具参数包括盘形滚刀的位置表征参数、盘形滚刀的半径和盘形滚刀的刃端宽度，所述掘进参数包括相邻盘形滚刀的刀刃间距、刀盘旋转速度和刀盘每转侵入深度；

根据准备好的计算数据采用CSM模型计算盘形滚刀的受力、盘形滚刀的法向拉力和盘形滚刀的切向滚动力。

4.根据权利要求3所述的基于CSM模型的隧道掘进机刀盘有效推力和扭矩计算方法，其特征在于：所述根据准备好的计算数据采用CSM模型计算盘形滚刀的受力、盘形滚刀的法向拉力和盘形滚刀的切向滚动力这一步骤，其具体为：

根据准备好的计算数据采用CSM模型计算盘形滚刀的受力、盘形滚刀的法向推力和盘形滚刀的切向滚动力，所述隧道掘进机t时刻时刀盘上第i把盘形滚刀的受力F_ti、法向推力F_vi和切向滚动力F_ri的计算公式分别为： 其中，C为给定的无量纲系数，T_i为刀盘上第i把盘形滚刀的刃端宽度，为刀盘上第i把盘形滚刀刀刃与岩石的接触角，且R_i)，h为刀盘每转侵入深度，ψ为盘形滚刀的刃端压力分布系数，s_i为第i把盘形滚刀与相邻盘形滚刀的刀刃间距，σ_cj为第j地层的岩石单轴抗压强度，σ_tj为第j地层的岩石抗拉强度。

5.根据权利要求4所述的基于CSM模型的隧道掘进机刀盘有效推力和扭矩计算方法，其特征在于：所述根据盘形滚刀受力计算的结果在复合地层中对隧道掘进机刀盘的有效推力和有效扭矩进行计算这一步骤，其具体为：

根据盾构刀盘安装的滚刀总数N以及隧道掘进机t时刻时刀盘上第i把盘形滚刀的法向推力F_vi、安装极径ρ_i、安装倾角β_i和切向滚动力F_ri，在复合地层中计算隧道掘进机刀盘的有效推力F_z和有效扭矩M_z，所述隧道掘进机刀盘的有效推力F_z和有效扭矩M_z的计算公式分别为：

6.根据权利要求4或5所述的基于CSM模型的隧道掘进机刀盘有效推力和扭矩计算方法，其特征在于：所述无量纲系数C＝2.12，刃端压力分布系数ψ的取值范围为(-0.2)～0.2。

7.根据权利要求4或5所述的基于CSM模型的隧道掘进机刀盘有效推力和扭矩计算方法，其特征在于：所述第j地层的岩石单轴抗压强度σ_cj和岩石抗拉强度σ_tj对应的y_it值需满足：y_j-1≤y_it＜y_j。