CN109946962A - Tbm掘进参数优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种TBM掘进参数优化方法，建立TBM掘进能耗公式：推力所做的功由积分公式表示为：；扭矩所做的功由积分公式表示为：；TBM掘进过程所做的功表示为，；TBM掘进能耗表示为，；比能耗；TBM掘进参数优化：TBM平均贯入度为，刀盘转动的圈数，根据实测数据拟合出推力‑贯入度及刀盘扭矩‑贯入度的关系式为，，；得到；将不同的贯入度值代入公式绘制比能耗‑贯入度关系曲线，即得最小比能耗对应的贯入度值，求出TBM掘进推力和刀盘扭矩值，即为优化后的掘进参数值。本发明优点在于实现对不同地质条件下，TBM能耗对于TBM供电设备配备、施工成本预算及掘进参数进行优化。

Description

TBM掘进参数优化方法

技术领域

本发明涉及TBM掘进方法，尤其是涉及TBM掘进参数优化方法。

背景技术

目前，国内、外的TBM掘进均以电能为主要能源，如推进系统采用电机驱动液压系统推动主机及刀盘前进，刀盘转动主要采用多台电机驱动。因此在TBM掘进过程中需要消耗一定的电能。根据功能原理，TBM掘进系统做的功与消耗的能量相等，而TBM掘进一定距离所做的功与围岩的地质条件密切相关，如在完整硬岩条件下，推力较大而贯入度较小，在破碎围岩条件下，较小的推力即可获得较大的贯入度，这就决定了在不同地质条件下TBM掘进消耗的能量有所差别。因此，研究不同地质条件下TBM的能耗对于TBM供电设备配备、施工成本预算及掘进参数优化等具有重要的意义。

发明内容

本发明目的在于提供一种TBM掘进参数优化方法。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：

本发明所述的TBM掘进参数优化方法，包括下述步骤：

步骤1、建立TBM掘进能耗公式：

所述TBM掘进过程中，消耗的能量转化为设备做功包含两方面：一方面是推进油缸推动主机前进、同时将滚刀贯入岩石，通过推力克服TBM护盾与围岩的摩擦阻力和滚刀贯入岩石的阻力，设推力为，掘进距离为，则推力所做的功表示为：

公式1；

实际掘进过程中，由于围岩的非均质性，所述推力具有一定的波动性，因此，根据典型的TBM推力-掘进距离关系曲线图，推力所做的功由积分公式表示为：

公式2；

另一方面，滚刀压入岩石的同时，刀盘在电机的驱动下旋转，电机对刀盘的作用以扭矩的形式体现出来；设刀盘扭矩为，刀盘转动的角度为，则刀盘扭矩做功表示为，

公式3；

由于刀盘运行过程中扭矩是波动的，因此，扭矩所做的功由积分公式表示为：

公式4；

则TBM掘进过程所做的功表示为，

公式5；

根据功-能互等原理，则TBM掘进能耗表示为，

公式6；

为便于数据的统计和分析，采用比能耗的概念，定义比能耗为TBM掘进单位体积岩体所消耗的能量，设隧洞半径为，则，

公式7；

TBM掘进过程中，对推力、扭矩、贯入度参数实时采集和存储以便于分析，根据采集的数据代入公式7即可计算出不同地质条件下TBM掘进能耗；

步骤2、TBM掘进参数优化：

所述TBM掘进能耗与TBM的掘进参数密切相关，在一定的地质条件下，可基于最低能耗对掘进参数进行优化。

设TBM掘进过程中的平均贯入度为，当掘进距离为时，刀盘转动的圈数，根据实测数据拟合出推力-贯入度及刀盘扭矩-贯入度的关系式为，

公式8；

代入公式7得，

公式9；

将不同的贯入度值代入公8和公式9，绘制比能耗-贯入度关系曲线，即得出最小比能耗对应的贯入度值，再根据公式8求出TBM掘进推力和刀盘扭矩值，即为优化后的掘进参数值。

本发明优点在于通过掘进能耗进行掘进参数优化，理论基础明确，实现对不同地质条件下TBM的能耗对于TBM供电设备配备、施工成本预算及掘进参数进行优化。不同类别围岩条件下的掘进参数可通过TBM的控制计算机上实时读取，贯入度-推力及扭矩-推力拟合曲线可由TBM掘进试验统计分析获取，实际操作简单易行。

附图说明

图1是本发明所述的典型TBM推力-掘进距离关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

如图1所示，本发明所述的TBM掘进参数优化方法，包括下述步骤：

步骤1、建立TBM掘进能耗公式：

步骤1、建立TBM掘进能耗公式：

所述TBM掘进过程中，消耗的能量转化为设备做功包含两方面：一方面是推进油缸推动主机前进、同时将滚刀贯入岩石，通过推力克服TBM护盾与围岩的摩擦阻力和滚刀贯入岩石的阻力，设推力为，掘进距离为，则推力所做的功表示为：

公式1；

实际掘进过程中，由于围岩的非均质性，所述推力具有一定的波动性，因此，根据典型的TBM推力-掘进距离关系曲线图，推力所做的功由积分公式表示为：

公式2；

另一方面，滚刀压入岩石的同时，刀盘在电机的驱动下旋转，电机对刀盘的作用以扭矩的形式体现出来；设刀盘扭矩为，刀盘转动的角度为，则刀盘扭矩做功表示为，

公式3；

由于刀盘运行过程中扭矩是波动的，因此，扭矩所做的功由积分公式表示为：

公式4；

则TBM掘进过程所做的功表示为，

公式5；

根据功-能互等原理，则TBM掘进能耗表示为，

公式6；

为便于数据的统计和分析，采用比能耗的概念，定义比能耗为TBM掘进单位体积岩体所消耗的能量，设隧洞半径为，则，

公式7；

TBM掘进过程中，对推力、扭矩、贯入度参数实时采集和存储以便于分析，根据采集的数据代入公式7即可计算出不同地质条件下TBM掘进能耗；

步骤2、TBM掘进参数优化：

所述TBM掘进能耗与TBM的掘进参数密切相关，在一定的地质条件下，可基于最低能耗对掘进参数进行优化。

设TBM掘进过程中的平均贯入度为，当掘进距离为时，刀盘转动的圈数，根据实测数据拟合出推力-贯入度及刀盘扭矩-贯入度的关系式为，

公式8；

代入公式7得，

公式9；

将不同的贯入度值代入公8和公式9，绘制比能耗-贯入度关系曲线，即得出最小比能耗对应的贯入度值，再根据公式8求出TBM掘进推力和刀盘扭矩值，即为优化后的掘进参数值。

Claims (1)

1.一种TBM掘进参数优化方法，其特征在于：包括下述步骤：

步骤1、建立TBM掘进能耗公式：

所述TBM掘进过程中，消耗的能量转化为设备做功包含两方面：一方面是推进油缸推动主机前进、同时将滚刀贯入岩石，通过推力克服TBM护盾与围岩的摩擦阻力和滚刀贯入岩石的阻力，设推力为，掘进距离为，则推力所做的功表示为：

公式1；

实际掘进过程中，由于围岩的非均质性，所述推力具有一定的波动性，因此，根据典型的TBM推力-掘进距离关系曲线图，推力所做的功由积分公式表示为：

公式2；

另一方面，滚刀压入岩石的同时，刀盘在电机的驱动下旋转，电机对刀盘的作用以扭矩的形式体现出来；设刀盘扭矩为，刀盘转动的角度为，则刀盘扭矩做功表示为，

公式3；

由于刀盘运行过程中扭矩是波动的，因此，扭矩所做的功由积分公式表示为：

公式4；

则TBM掘进过程所做的功表示为，

公式5；

根据功-能互等原理，则TBM掘进能耗表示为，

公式6；

为便于数据的统计和分析，采用比能耗的概念，定义比能耗为TBM掘进单位体积岩体所消耗的能量，设隧洞半径为，则，

公式7；

TBM掘进过程中，对推力、扭矩、贯入度参数实时采集和存储以便于分析，根据采集的数据代入公式7即可计算出不同地质条件下TBM掘进能耗；

步骤2、TBM掘进参数优化：

所述掘进能耗与TBM的刀间距参数、掘进参数及地质条件密切相关，TBM刀盘制造完成后，其刀间距已经确定；因此，在一定的地质条件下，通过调整掘进参数使得掘进能耗最低，即在设备性能、围岩稳定性允许的范围内，寻求最优的掘进参数，使得掘进能耗最低；根据已有的研究成果，掘进推力、刀盘扭矩与贯入度存在明显的相关性，因此可以根据最低比能耗对掘进参数进行优化；设TBM掘进过程中的平均贯入度为，当掘进距离为时，刀盘转动的圈数，根据实测数据拟合出推力-贯入度及刀盘扭矩-贯入度的关系式为，

公式8；

代入公式7得，

公式9；

将不同的贯入度值代入公8和公式9，绘制比能耗-贯入度关系曲线，即得出最小比能耗对应的贯入度值，再根据公式8求出TBM掘进推力和刀盘扭矩值,即为优化后的掘进参数值。