CN109063354A - 一种盾构刀盘刀具分区切削性能的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构刀盘刀具分区切削性能的预测方法,采用刀具系统切削性能可靠度的减损来表征刀盘分区切削性能的降低程度，以结合退化思想的可靠性理论为思路，利用合理的数学统计模型，并考虑盾构的推进环境，提出刀具分区切削性能可靠度随盾构推进距离的变化函数,结合工程实践绘制考虑盾构推进环境、刀具分区系统可靠度、盾构推进距离的空间直角坐标系下的参考曲面组，为各类环境下盾构刀盘分区切削性能随盾构推进距离变化的关系提供预测与参考。本专利可为盾构隧道施工方案编制过程中开仓换刀位置的主动预测与选取提供科学方法，考虑到了盾构推进的环境因素使得最终刀具系统切削性能的预测更加真实有效。

Description

一种盾构刀盘刀具分区切削性能的预测方法

技术领域

本发明属于盾构隧道工程施工技术领域，尤其涉及一种盾构刀盘刀具分区切削性能的预测方法。

背景技术

盾构工法作为软土地层隧道开挖的重要工法之一，普遍应用于国内外各大城市的地铁建设中。然而因盾构推进刀具磨损而导致刀盘切削性能降低严重影响推进效率的情况时有发生，现阶段仍然缺乏一类行之有效的评价刀盘切削性能随推进距离变化的方法。

刀盘切削性能的降低很大程度上源于刀具磨损，而现阶段对刀具磨损的研究主要围绕两个方面展开：1)基于经验分析和理论推导等方法，建立单个刀具磨损量或磨损速率随推进距离的变化模型；2)采集大量刀具磨损样本，通过统计学分析(如回归分析等)建立刀具磨损随各掘进参数的变化函数，从而预测刀具磨损量和刀盘切削性能的变化。现如今各类盾构刀具系统上一般都配备有刀具磨损检测刀以评估刀盘的切削性能，但通过检测刀数据只能实现被动换刀，不能在盾构掘进前对盾构所处地层刀具磨损情况进行先期评估，无法做到主动换刀点的预测，另外由于检测刀数量有限，不能反映刀盘刀具系统整体磨损情况。

董汉军等(中国港湾建设，2013(04)：11-14)采用张凤祥(2004)提出的公式计算刀具磨损量，该公式考虑了推进距离、地层磨损系数、刀盘转速、刀具轨迹直径、推进速度对刀具磨损的影响，得到工程界较高认可，但该模型仅以单个刀具磨损量来评价整个刀盘的切削能力，然而刀盘是若干把刀具集合而成的工作系统，仅以单个刀具来考量整个刀盘的工作能力难免以偏概全。

吴俊等(土木工程学报，2015,48(S1)：250-255)采用偏最小二乘法对样本磨损量进行分析，最终得出了刀具磨损量随各项推进参数的化函数，该方法集多元线性回归分析、典型相关分析及主成分分析为一体，可有效地防止输入变量过多对所建模型的影响，然而依旧没有考虑到全盘刀具各类磨损状况对整个刀盘切削性的综合影响，另外该方法需较多样本数据，在实际工程中难以获得足够多刀盘磨损数据，当地层条件变化时需要重新收集数据进行计算，才能得到新的预测公式。

发明内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的之一在于提供一种过程简单、逻辑清晰、实用性高的盾构刀盘刀具分区切削性能的预测方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种盾构刀盘刀具分区切削性能的预测方法，包括如下步骤

步骤S1：对研究区间盾构推进的环境进行考量，确定环境评估值；

步骤S2：统计研究区间环境下盾构刀具在不同推进里程的刀具磨损情况，认为每次刀具系统磨损量符合正态分布(公式1)，认为刀具系统失效符合Weibull分布(公式2)；

其中：j表示刀盘的不同分区，i表示同一分区内不同的刀具，z_ij为某一推进距离下某分区某一刀具的磨损量，μ_j为该距离下特定刀盘区域上刀具磨损量的均值，σ_j该区域刀具磨损量的方差；

其中：x为盾构的推进距离，β、λ为两个特征参数；

步骤S3：对盾构刀盘按径向进行同心圆分区，切削长度近似的刀具归为同一区域(一般分为5个区域)，并对刀具位置进行动态微调；

步骤S4：研究刀盘上某一特定同心圆分区，统计该区域在某相邻两次换刀之间刀具系统磨损量，计算分区内各刀具磨损量的均值与方差；

其中：为该区域内刀具磨损量的方差，为该区域内刀具磨损量的均值，z_ij为该区域内某刀具的磨损量，m为该区域内的刀具数量；

步骤S5：参照相关工程经验选取刀具失效阈值d(一般地d＝20mm)，在正态分布函数中计算盾构刀盘选取研究区域不同推进距离下的可靠度R；

步骤S6：根据步骤S5中计算得到的不同推进距离下的刀具系统切削性能可靠度值，可利用数学方法求解刀具切削性能可靠度随推进距离变化的计算公式；

其中：x为盾构的推进距离，λ、β为需要求解的刀具系统切削性能可靠度随推进距离变化公式中的两个特征参数；

步骤S7：求解刀盘其他分区刀具系统切削性能可靠度随推进距离的变化公式，最终得到一表征某一环境下同一刀盘不同分区不同刀具可靠度变化的函数曲线组；

步骤S8：绘制考虑推进距离、刀具系统切削性能可靠度的平面直角坐标系，将刀盘各分区的可靠度函数曲线绘入坐标系；

步骤S9：收集不同工地现场刀具磨损数据，并对每个现场进行环境评估，按步骤S1至步骤S8求解各类环境评估值下的刀具系统磨损可靠度函数组，将这一系类函数绘入空间直角坐标系，同类函数连接成面得到一曲面组；

步骤S10：针对某一现场计算其环境评估值，在步骤S9所绘制的曲面组中对应出相应曲线组，由该曲线组即可推导出盾构不同推进距离下刀盘各区域刀具系统切削性能可靠度的变化情况，从而评价刀盘的切削性能。

求解出刀具系统切削性能可靠度即可预知刀盘的切削性，若希望进一步求解刀盘各分区刀具磨损的具体情况，可采用步骤S11、步骤S12推荐的“真假阈值法”进行求解：

步骤S11对于某一具体工程，在刀盘磨损真实的失效阈值d之外再取一虚假的失效阈值d’，该虚假阈值仅作为推算分区刀具磨损具体状况的辅助计算值，没有实际意义。重复步骤S1至步骤S9分别计算刀盘各分区在d和d’下的可靠度函数曲线组；

步骤S12对于盾构刀盘某一分区，在某推进距离下可在步骤S11中所求得的两套可靠度函数曲线组中对应出两个可靠度，将两个失效阈值及其对应的刀盘分区可靠度带入公式(5)反解出该推进距离下研究分区刀具磨损量的均值和方差以定量表征此推进距离下的刀具磨损情况。

进一步的，步骤S1中盾构推进环境评估值S采用公式如下公式进行计算；

S＝0.8S_r+0.2S_p (8)

其中：S_r为地层磨蚀性环境评估值，S_p为盾构司机素质环境评估值。

进一步的，地层磨蚀性环境评估值S_r通过岩石磨蚀性指数RAI来确定，岩石磨蚀性指数RAI计算公式如下所示：

其中：UCS为岩体无侧限单轴抗压强度，A_i为特定矿物含量，S_i为矿物的罗西瓦尔研磨硬度。

进一步的，在步骤S1中对地层硬度的讨论中可能会遇到研究区间盾构跨越多个不同硬度的地层，面对此情况可采取先单独对各穿越地层硬度进行评分，然后再根据各穿越地层长度对各地层的评分进行加权求和，计算得到地层磨蚀性的综合评分；

进一步的，步骤S4刀具系统磨损量的多次统计，磨损量作如下确定：首先确定上一次测量换刀后刀盘上各刀具的磨损值，再根据本次测量得到的各刀具磨损值，作差得到两次测量间由于盾构掘进而造成的刀具磨损量。

与现有技术相比，本发明的技术优势在于：

优势(1)：采用可靠性理论来研究刀具系统磨损，从统计概率的角度全盘考虑刀具磨损从而避免了以单个刀具磨损情况来表征刀盘切削性的弊端；

优势(2)：对刀具系统进行分区，切削里程近似的刀具归为一类，提高刀盘不同刀具的区分度，结果更加真实，同时可实现刀具系统切削性能可靠度变化的分区监测；

优势(3)：在研究刀盘切削性能建立可靠度模型的过程中考虑了盾构推进的环境因素，使得推导出的模型更加具有真实性；

优势(4)：本发明建立的是刀具系统切削性能可靠度随盾构推进距离变化的一一对应关系，则可通过监测推进距离根据本发明实现对盾构推进刀盘切削性降低的实时监测与更新。

综上本发明提供的盾构刀盘刀具分区切削性能的预测方法切入点新颖，能实现各种工况、各种要求下刀盘切削性能的预测，且在模型建立过程中考虑了众多关键因素使得模型真实有效，最终提出了刀具系统切削性能可靠度与盾构推进距离的函数关系。

附图说明

图1为盾构刀具系统分区示意图；

图2为某一环境评估值下刀盘各分区可靠度随推进距离变化函数图；

图3为已知某工程环境评估值由推进距离推知各分区可靠度的示意图。

具体实施方式

下面将结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

参见图1-图3，一种盾构刀盘刀具分区切削性能的预测方法，包括如下步骤：

步骤(1)：首先讨论盾构推进的各类环境因素，包括：地层磨蚀性和人为因素两大指标，对各项指标进行打分，各自按其对刀具磨损影响的大小分配以权重，累加各项得分，最终计算出一个考虑盾构推进各项环境因素的环境评估值S，下面详述之：

a、地层磨蚀性

利用Plinninger于2002年提出的岩石磨蚀性指数(RAI)来表征地层对于刀盘的磨蚀性，该指标考虑了地层岩体的无侧限单轴抗压强度(UCS)及等效石英含量(EQC)两大因素，采用公式(1)进行计算：

其中：UCS为岩体无侧限单轴抗压强度(MPa)，A_i为特定矿物含量(％)，S_i为矿物的罗西瓦尔研磨硬度(见表1，罗西瓦尔研磨硬度是以石英作为100的相对值)；

根据岩石磨蚀性指数RAI来确定地层磨蚀性条件影响下的环境评估值Sr,见表2。

b、人为因素

盾构司机作为盾构的操纵者其专业素质对于刀盘磨耗有着很大影响，而盾构司机的工龄在一定程度上可代表盾构司机操纵盾构的熟练度(推进参数的合理设置、渣土改良参数的选取、突发情况的应急等)。盾构司机素质按其操纵盾构工龄可分为表3所示几类，相应的环境评分S_p列于表中。

表1几类基本矿物的S_i值对照表

表2地层不同岩石磨蚀性指数评分表

表3盾构司机素质环境评分表

基于以上论述的两类影响盾构刀具系统磨损的主要环境因素，认为上述环境指标对刀具磨损的影响权重比为地层磨蚀性：人为因素＝8:2，则最终的盾构推进环境评估值S可采用公式(2)进行计算；

S＝0.8S_r+0.2S_p (2)

说明：环境评估值S∈[0,5]，其中分值越高说明环境因素对磨损的影响越严重。

步骤(2)：针对某一特定环境评估值S条件，统计盾构刀具在不同推进里程的刀具磨损量至少5次。对于每次统计的刀具系统磨损量认为磨损量分布符合正态分布，其密度函数见公式(3)；对于每次统计的刀具系统失效情况认为刀具失效分布符合Weibull分布，其密度函数见公式(4)；

其中：j表示刀盘的不同分区，i表示同一分区内不同的刀具，z_ij为某一推进距离下某分区某一刀具的磨损量，μ_j为该距离下特定刀盘区域上刀具磨损量的均值，σ_j该区域刀具磨损量的方差；

其中：x为盾构的推进距离，β、λ为两个特征参数；

步骤(3)：由于刀盘同一径向距离上刀具的切削里程相同，将刀盘按径向分为由内而外的5个同心圆区。因刀盘全断面切削的结构需要，刀盘上刀具并未按严格的同心圆进行布置，而是采用阿基米德螺线的布置方式，因此在刀盘分区之时对刀盘上的刀具布置位置进行微调，保证径向距离相近的刀具落入同一个同心圆区域内，如附图1所示；

步骤(4)：研究刀盘上某一特定同心圆分区，取其在某两次统计刀具磨损之间推进距离下的磨损量数据，计算分区内各刀具磨损量的均值，见公式(5)，计算其方差，见公式(6)；

其中：为该区域内刀具磨损量的方差，为该区域内刀具磨损量的均值，z_ij为该区域内某刀具的磨损量，m为该区域内的刀具数量；

步骤(5)：参照相关工程经验选取刀具失效阈值d(一般地d＝20mm)，将公式(5)、公式(6)的计算结果代入公式(3)，利用公式(7)计算盾构刀盘选取研究区域各个推进距离下的可靠度R；

步骤(6)：根据步骤(5)求出研究区域各个推进距离x下的可靠度R，可求解刀具可靠度计算公式(8)中的特征参数λ、β；

步骤(7)：由于公式(8)为一双指数函数，为便于求解特征参数λ、β，将公式(8)取两次自然对数得到公式(9)，采用变量及参数替代法转化为线性函数；

ln(-ln(R))＝βlnx-βlnλ (9)

令y_i＝ln(-ln(R))，x_i＝lnx，a＝β，b＝βlnλ，则公式(9)转化为公式(10)：

y_i＝ax_i+b(i＝1,2,3,4,5) (10)

用最小二乘法对替换变量x_i、y_i进行散点拟合(测量了至少5次刀具磨损情况，故共有至少5个点)，如公式(11)、公式(12)；

其中：i为该研究分区内不同的刀具，x_i、y_i为不同推进里程经过线性转化的转化变量，a、b为经过转化的线性函数待定参数， 为x_i、y_i对应各推进里程下的平均值；则β＝a，可求得完整的刀具系统切削性能可靠度计算公式(8)；

步骤(8)：重复步骤(2)至步骤(7)同理计算刀盘其他分区内的刀具系统切削性能可靠度计算公式，由于刀盘具有5个分区，因此最终可以求得5个可靠度计算公式，如公式(13)；

步骤(9)：以盾构推进里程x为x轴，以刀盘各分区刀具可靠度R_j为y轴绘制平面直角坐标系，将公式(13)绘入空间直角坐标系得到在该环境评估值下的刀具系统切削性能可靠度函数图像，分别获得5个刀盘分区内刀具系统切削性能可靠度函数曲线，如附图2；

步骤(10):收集不同工地现场刀具磨损数据，对每个现场进行环境评估，按步骤(1)至步骤(9)求解各类环境评估值下的刀具磨损可靠度函数组，分别以盾构的推进距离、刀具系统的可靠度、该盾构推进的环境评估值为空间直角坐标系的三轴。将得到的众多函数组绘入空间坐标系，将空间直角坐标系内同一刀盘分区不同环境评估值下的函数曲线平滑连接成曲面，得到含有5个三维曲面的曲面组，此曲面组即为不同环境评估值下刀具可靠度随推进距离变化的参考曲面组。

步骤(11)针对某一具体工程可计算得知其环境评估值S，在步骤(10)中绘制的空间坐标系中对应出环境评估值S下的可靠度函数曲线组，即可在该曲线组中对应地找到各个推进距离下刀盘各分区的可靠度，评估刀盘各分区的切削性能，进而综合评价刀盘整体的切削性能，如附图3所示。

求解出刀具系统切削性能可靠度即可预知刀盘的切削性，若希望进一步求解刀盘各分区刀具磨损的具体情况，可采用步骤(12)、步骤(13)推荐的“真假阈值法”进行求解：

步骤(12)：对于某一具体工程，在刀盘磨损真实的失效阈值d之外再取一虚假的失效阈值d’，该虚假阈值仅作为推算分区刀具磨损具体状况的辅助计算值，没有实际意义。重复步骤(1)至步骤(9)分别计算刀盘各分区在d和d’下的可靠度函数曲线组；

步骤(13)：对于盾构刀盘某一分区，在某推进距离下可在步骤(12)中所求得的两套可靠度函数曲线组中对应出两个可靠度，将两个失效阈值及其对应的刀盘分区可靠度带入公式(7)反解出该推进距离下研究分区的刀具磨损量的均值和方差以定量表征此推进距离下的刀具磨损情况。

对于上述基于可靠性理论的盾构刀盘刀具分区切削性能的预测方法的计算步骤需要作如下几点说明：

说明(1)：在步骤(1)对地层硬度的讨论中可能会遇到研究区间盾构跨越多个不同硬度的地层，面对此情况可采取先单独对各穿越地层硬度进行评分，然后再根据各穿越地层长度对各地层的评分进行加权求和，计算得到地层磨蚀性的综合评分；

说明(2)：对于步骤(2)刀具系统磨损量的多次统计，磨损量应作如下确定：首先确定上一次测量换刀后刀盘上各刀具的磨损值，再根据本次测量得到的各刀具磨损值，作差得到两次测量间由于盾构掘进而造成的刀具磨损量(即退化量，服从正态分布)。例如：某刀盘上#27号刀具在第一次开舱时测量的刀具磨损量为9mm，在第二次开舱过程中测得#27号刀具的磨损量为15mm，该研究区间内刀具磨损量为6mm；

采用上述方案的盾构刀盘刀具分区切削性能的预测方法，与现有技术相比，本发明的技术优势在于：

优势(1)：采用可靠性理论来研究刀具系统磨损，从统计概率的角度全盘考虑刀具磨损从而避免了以单个刀具磨损情况来表征刀盘切削性的弊端；

优势(2)：对刀具系统进行分区，切削里程近似的刀具归为一类，提高刀盘不同刀具的区分度，结果更加真实，同时可实现刀具系统切削性能可靠度变化的分区监测；

优势(3)：在研究刀盘切削性能建立可靠度模型的过程中考虑了盾构推进的环境因素，使得推导出的模型更加具有真实性；

优势(4)：本发明建立的是刀具系统切削性能可靠度随盾构推进距离变化的一一对应关系，则可通过监测推进距离根据本发明实现对盾构推进刀盘切削性降低的实时监测与更新。

综上本发明提供的盾构刀盘刀具分区切削性能的预测方法切入点新颖，能实现各种工况、各种要求下刀盘切削性能的预测，且在模型建立过程中考虑了众多关键因素使得模型真实有效，最终提出了刀具系统切削性能可靠度与盾构推进距离的函数关系。

上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种盾构刀盘刀具分区切削性能的预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：对研究区间盾构推进的环境进行考量，确定环境评估值；

步骤S2：统计该环境下盾构刀具在不同推进距离的刀具磨损量情况，每次统计的刀盘刀具磨损量分布和刀具失效分布分别符合正态分布和Weibull分布，计算公式如下所示；

其中：j表示刀盘的不同分区，i表示同一分区内不同的刀具，z_ij为某一推进距离下某分区某一刀具的磨损量，μ_j为该距离下特定刀盘区域上刀具磨损量的均值，σ_j为该距离下特定刀盘区域上刀具磨损量的方差；

其中：x为盾构的推进距离，β、λ为两个特征参数；

步骤S3：对盾构刀盘按径向进行同心圆分区，并对刀具位置进行动态微调；

步骤S4：研究刀盘上某一特定同心圆分区，统计该区域在某两次刀具磨损情况调查之间的磨损量，采用如下公式计算分区内各刀具磨损量的均值与方差；

其中：为该区域内刀具磨损量的方差，为该区域内刀具磨损量的均值，z_ij为该区域内某一刀具的磨损量，m为该区域内的刀具数量；

步骤S5：参照相关工程经验选取刀具失效阈值d，在正态分布函数中计算盾构刀盘选取研究区域在不同推进距离下的可靠度R；

其中：z_ij为某一推进距离下刀盘上某分区某一刀具的磨损量；

步骤S6：根据步骤S5中计算得到不同推进距离下分区刀具系统切削性能可靠度值，可求解分区刀具可靠度随推进距离变化的计算公式；

其中：x为盾构的推进距离，λ、β为需要求解的刀具系统切削性能可靠度随推进距离变化公式中的两个特征参数；

步骤S7：求解刀盘其他分区刀具系统切削性能可靠度随推进距离的变化公式，最终得到表征某一环境下同一刀盘不同分区不同刀具可靠度变化的函数曲线组；

其中：j表示刀盘的不同分区；

步骤S8：绘制考虑推进距离、分区刀具可靠度、环境评估值的空间直角坐标系，将刀盘各分区的可靠度函数曲线绘入坐标系；

步骤S9：收集不同工地现场刀具磨损数据并对每个现场进行环境评估，按步骤S1至步骤S8求解各类环境评估值下的刀具磨损可靠度函数组，将这一系列函数绘入空间直角坐标系，同类函数连接成面得到一曲面组；

步骤S10：针对某一现场计算其环境评估值，根据该评估值在步骤S9所绘制的曲面组中对应出相应曲线组，即可在曲线组中对应出各个推进里程下刀盘各分区的刀具系统切削性能可靠度，进而评价刀盘的切削性能。

2.根据权利要求1所述的盾构刀盘刀具分区切削性能的预测方法，其特征在于：还包括如下步骤：

步骤S11：对于某一具体工程，在刀盘磨损真实的失效阈值d之外再取一虚假的失效阈值d’，重复步骤S1至步骤S9分别计算刀盘各分区在d和d’下的可靠度函数曲线组；

步骤S12：对于盾构刀盘某一分区，在某推进距离下可在步骤S11中所求得的两套可靠度函数曲线组中对应出两个可靠度，将两个失效阈值及其对应的刀盘分区可靠度带入步骤S5可靠度计算公式中反解出该推进距离下研究分区刀具磨损量的均值和方差以定量表征此推进距离下的刀具磨损情况。

3.根据权利要求1所述的盾构刀盘刀具分区切削性能的预测方法，其特征在于：步骤S1中盾构推进环境评估值S采用公式如下公式进行计算；

S＝0.8S_r+0.2S_p

其中：S_r为地层磨蚀性环境评估值，S_p为盾构司机素质环境评估值。

4.根据权利要求3所述的盾构刀盘刀具分区切削性能的预测方法，其特征在于：地层磨蚀性环境评估值S_r通过岩石磨蚀性指数RAI来确定，岩石磨蚀性指数RAI计算公式如下所示：

其中：UCS为岩体无侧限单轴抗压强度，A_i为特定矿物含量，S_i为矿物的罗西瓦尔研磨硬度。

5.根据权利要求4所述的盾构刀盘刀具分区切削性能的预测方法，其特征在于：在步骤S1中对地层硬度的讨论中可能会遇到研究区间盾构跨越多个不同硬度的地层，面对此情况可采取先单独对各穿越地层硬度进行评分，然后再根据各穿越地层长度对各地层的评分进行加权求和，计算得到地层磨蚀性的综合评分。

6.根据权利要求1所述的盾构刀盘刀具分区切削性能的预测方法，其特征在于：步骤S2刀具系统磨损量的多次统计，磨损量作如下确定：首先确定上一次测量换刀后刀盘上各刀具的磨损值，再根据本次测量得到的各刀具磨损值，作差得到两次测量间由于盾构掘进而造成的刀具磨损量。