CN113704862B - 一种基于楔犁刀松动剥落砂卵石地层的盾构优化设计方法 - Google Patents

一种基于楔犁刀松动剥落砂卵石地层的盾构优化设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于楔犁刀松动剥落砂卵石地层的盾构优化设计方法，包括如下步骤：确定松动剥落砂卵石地层的盾构楔犁刀形式，采用贝壳型楔犁刀；计算楔犁刀在松动剥落地层时刀具不同位置所受极限荷载，确定合金块的布置方式；依据地层磨蚀性及区间特征，确定合金块高度；根据刀具所受极限荷载，计算刀具楔犁所需切削力、顶进力，优选刀具外型特征参数设计方案；对楔犁刀进行针对性优化设计；计算楔犁刀松动剥落砂卵石地层所需动力，并根据计算得到的所需动力，配置盾构机的动力驱动系统。本发明研究了一种盾构楔犁刀对中小粒径卵砾石地层的松动剥落方法，填补了对楔犁刀受力研究的空白，为盾构选型及盾构动力系统设计提供理论基础。

Description

一种基于楔犁刀松动剥落砂卵石地层的盾构优化设计方法
技术领域
本发明涉及盾构施工技术领域，尤其是盾构系统的优化设计，具体是一种基于楔犁刀松动剥落砂卵石地层的盾构优化设计方法。
背景技术
在城市地铁的建设过程中，盾构因其开挖速度快、安全性高、对地面交通影响小等优势而普遍应用。砂卵石地层在北京、沈阳、兰州、成都等地区分布较广，盾构在砂卵石地层掘进，刀具磨损十分严重，刀具的寿命直接决定着施工工期和工程造价。
砂卵石地层是一种磨蚀性强，由不同粒径离散卵石咬合胶结在一起的地层。原状土强度高，但受扰动后极易自行崩塌。盾构在砂卵石地层中掘进，面临以下难题：1、刀具磨损快；2、受冲击荷载后易断齿；3、盾构掘进所需推力扭矩高，掘进速度慢，施工效率低；4、渣土改良效果差，土压建立困难，掘进对周围地层扰动大。
因此，研究盾构刀具与砂卵石地层的相互作用尤为重要。但是，现有研究大部分聚焦在刮刀切削软土地层与滚刀破岩时这两种刀具的作用机理及受力情况，而砂卵石地层具有磨蚀性强及离散型强的特点，实际工程经验表明，盾构常用的刮刀、滚刀两种刀具在磨蚀性强及离散型强的砂卵石地层中使用效果不佳：刮刀作为主切削刀时，刀具磨损快，切削所需推力扭矩高；滚刀作为主切削刀时，滚刀自转受阻，容易造成偏磨失效，且配置滚刀的复合式刀盘开口率小，不利于卵砾石的疏排。
因此，鉴于现有的研究以及实际工程经验都表明，刮刀、滚刀这两种刀具在砂卵石地层这种特殊地层中并不适用，需要研发一种新的切削地层的方法，以及这种切削地层方法的适用刀具设计、盾构系统优化配置。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提出一种基于楔犁刀松动剥落砂卵石地层的盾构优化设计方法，可以有效解决上述一个或多个难题。
本发明是这样实现的：
一种基于楔犁刀松动剥落砂卵石地层的盾构优化设计方法，包括如下步骤：
步骤一，确定松动剥落砂卵石地层的盾构楔犁刀形式，采用贝壳型楔犁刀；
步骤二：根据所确定的楔犁刀形式，计算楔犁刀在松动剥落地层时刀具不同位置所受极限荷载，确定合金块的布置方式；
步骤三：依据地层磨蚀性及区间特征，确定合金块高度；
步骤四：根据刀具所受极限荷载，计算刀具楔犁所需切削力、顶进力，优选刀具外型特征参数设计方案；
步骤五：对由步骤一~四设计得到的楔犁刀进行针对性优化设计；
步骤六：计算楔犁刀松动剥落砂卵石地层所需动力，并根据计算得到的所需动力，配置盾构机的动力驱动系统。
在一个优选实施例中，步骤二具体包括：
（1）确定刀具不同位置所受极限荷载：
楔犁刀在松动剥落地层时包含楔犁刀刀头的挤压作用与楔犁刀刀身的楔犁作用，刀具不同位置所受极限荷载包括：刀头挤压地层反力F 1、刀身楔犁原状地层反力F 2、刀身切削犁松土反力F 3、刀侧侧向土压力F 4 ；
（2）计算楔犁刀刀头挤压极限荷载；
（3）计算楔犁刀刀身楔犁极限荷载；
（4）根据计算得到的刀头挤压极限荷载与刀身楔犁极限荷载，确定合金块的布置方式。
在一个优选实施例中，（2）楔犁刀刀头挤压极限荷载计算如下：
定义松动剥落砂卵石地层时的刀头挤压极限荷载p u1，静力平衡条件为：
Figure 457000DEST_PATH_IMAGE001
式中，
Figure 749572DEST_PATH_IMAGE002
为刚性核与松动区域界面黏聚力在刀运动方向上的分量，E p 为刚性核两个侧面上的被动土压力，被动土压力E p 由滑动面上砂卵石土咬合力c产生的抗力E p1 及土压力p产生的抗力E p2 构成，因此
Figure 983107DEST_PATH_IMAGE003
得刀头挤压极限荷载：
Figure 79239DEST_PATH_IMAGE004
式中，N 1与N 2仅取决于砂卵石土的内摩擦角
Figure 790843DEST_PATH_IMAGE005
，计算公式为
Figure 921610DEST_PATH_IMAGE006
Figure 326047DEST_PATH_IMAGE007
土压力p由盾构埋深、刀具在刀盘上的位置所决定，按下式计算
Figure 909475DEST_PATH_IMAGE008
式中，p 0为盾构中心处静止土压力，k为侧压力系数，γ为土体重度，R i 为刀具轨迹半径，α为刀具旋转角度。
在一个优选实施例中，（3）楔犁刀刀身楔犁极限荷载计算如下：
Figure 690349DEST_PATH_IMAGE009
Figure 675623DEST_PATH_IMAGE010
Figure 250960DEST_PATH_IMAGE011
Figure 587264DEST_PATH_IMAGE012
式中，γ为土体重度，h 2为刀身切入原状土深度，c为砂卵石土咬合力，p为刀具所在位置的土压力，b为刀具有效切削宽度，β为失效面破坏角，依据郎肯被动土压理论
Figure 640671DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 762341DEST_PATH_IMAGE005
为砂卵石土内摩擦角，
Figure 243001DEST_PATH_IMAGE014
为刀面与原状土表面所成角度，r为半月形失效区半径，
Figure 801022DEST_PATH_IMAGE015
；
得刀身楔犁极限荷载：
Figure 658119DEST_PATH_IMAGE016
。
在一个优选实施例中，合金块的布置方式为：在刀具上共布置5块合金块，包括3块中部合金块和2块侧部合金块，5块合金块与4块刀具母体交错排列，并在刀具母体上堆焊耐磨材料涂层。
在一个优选实施例中，步骤三中，合金块高度按下式计算：
Figure 617985DEST_PATH_IMAGE017
式中：δ为合金块高度（mm），r为刀具切削轨迹半径（m），k n 为同轨迹布置n把刀时刀具的单位距离磨损系数（mm/km），L为掘进距离（km），n为刀盘转速（r/min），v为推进速度（mm/min）；
同一轨迹布置n把刀时磨损系数k n 与单把刀具的实际磨损系数k的关系为：
Figure 269546DEST_PATH_IMAGE018
当合金块高度大于其设计值时，认为盾构在掘进距离不超过L时，不需要换刀。
在一个优选实施例中，步骤四具体包括：
（1）确定刀具楔犁地层所需的环向切屑力、轴向顶进力：
将楔犁刀松动剥落砂卵石地层时所受的各部分力沿X（环向）、Y（轴向）方向分解，得楔犁刀松动剥落原状土的环向阻力F x 和楔犁刀松动剥落原状土的轴向阻力F y ；环向阻力F x 包括刀头挤压原状土荷载p 1产生的土抗力在X方向上的分量F x1、刀身楔犁原状土荷载p 2产生的土抗力F x2、刀身切削犁松土荷载p 3产生的土抗力F x3以及楔犁刀抵抗摩擦荷载p 4 产生的侧面摩擦阻力F x4；轴向阻力F y 主要为刀头挤压原状土荷载p 1产生的土抗力在Y方向上的分量F y1；即
Figure 580442DEST_PATH_IMAGE019
（2）楔犁刀松动剥落原状土的环向阻力F x 即刀具楔犁所需的环向切削力，楔犁刀松动剥落原状土的轴向阻力F y 即刀具楔犁所需的轴向顶进力；
（3）对刀具外形特征参数进行设计优化，包括楔犁刀宽度L、楔犁刀厚度b、刀头弧面半径R，采用不同的刀具外形特征参数计算得到不同设计方案刀具楔犁地层所需的环向切削力F x 与轴向顶进力F y ，经比较后优选得到所需力最小的外形特征参数设计方案。
在一个优选实施例中，各部分力计算如下：
1）刀头挤压原状土环向阻力F x1
Figure 506809DEST_PATH_IMAGE020
2）刀头挤压原状土轴向阻力F y1
Figure 55602DEST_PATH_IMAGE021
3）刀身楔犁原状土环向阻力F x2
Figure 409223DEST_PATH_IMAGE022
4）刀身切削犁松土环向阻力F x3
Figure 676257DEST_PATH_IMAGE023
5）刀侧环向摩擦阻力F x4
Figure 622960DEST_PATH_IMAGE024
式中，h 1为刀头切入原状土深度，h 2为刀身切入原状土深度，h 3为刀身切入犁松土深度；p u1为刀头挤压原状土极限荷载，p u2为刀身楔犁原状土极限荷载，p r 为楔犁后地层的残余荷载；Ψ为刀土摩擦角，μ为刀土摩擦系数，
Figure 291838DEST_PATH_IMAGE025
，
Figure 81940DEST_PATH_IMAGE026
；L为楔犁刀宽度、b为楔犁刀厚度、R为刀头弧面半径；α为楔犁常数，Δh为切削深度，p为土压力。
在一个优选实施例中，步骤五中，楔犁刀针对性优化设计包括：
（1）增加侧部合金块厚度；
（2）侧部合金块采用大圆角过渡，同时棱边倒圆角；
（3）适当增加中部合金块高度使其高出刀具母体；
（4）增加侧部合金块高度，使其高度大于中部合金块。
在一个优选实施例中，步骤六包括：
（1）根据计算得到的刀具楔犁所需切削力、顶进力，计算得到每把刀所需扭矩，依据刀盘刀具布置方式，计算得到整盘楔犁刀松动剥落砂卵石地层所需扭矩：
Figure 836269DEST_PATH_IMAGE027
（2）获得盾构机刀盘总扭矩；
（3）根据盾构机刀盘总扭矩配置盾构的动力驱动系统。
本发明相对于现有技术的有益效果是：
1、本发明研究了一种盾构楔犁刀对中小粒径卵砾石地层的松动剥落方法，该方法解决了在中小粒径卵砾石地层盾构掘进推力扭矩高、频繁换刀、掘进对周围地层扰动大的工程问题。
2、建立了楔犁刀松动剥落砂卵石地层的力学模型，得到了楔犁刀与砂卵石地层相互作用时所受的极限荷载；刀具所受极限荷载决定了刀具的磨损速率，为刀具磨损及寿命预测提供理论依据，可以指导盾构掘进时换刀井的设置。
3、提出了楔犁刀楔犁地层所需顶进力及切削力的计算方法，填补了对楔犁刀受力研究的空白，为盾构选型及盾构动力系统设计提供理论基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内。
图1为本发明一个实施例的超高耐磨高强楔犁刀设计示意图；
图2为本发明一个实施例的楔犁刀犁松地层时的受力情况示意图；
图3为本发明一个实施例的楔犁刀刀头松动剥落砂卵石地层示意图；
图4为本发明一个实施例的楔犁刀位置土压力计算模型示意图；
图5为本发明一个实施例的楔犁刀刀身楔犁砂卵石地层示意图；
图6为本发明一个实施例的楔犁刀刀身楔犁地层计算模型示意图；
图7为本发明一个实施例的楔犁刀松动剥落砂卵石地层受力计算模型示意图；
图8为本发明一个实施例的楔犁刀松动剥落砂卵石地层沿X、Y方向的受力分解示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括/包含”、“由……组成”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的产品、设备、过程或方法不仅包括那些要素，而且需要时还可以包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种产品、设备、过程或方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括/包含……”、“由……组成”限定的要素，并不排除在包括所述要素的产品、设备、过程或方法中还存在另外的相同要素。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
还需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置、部件或结构必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
以下结合较佳的实施方式对本发明的实现进行详细的描述。
楔犁刀松动剥落作用机理为：楔犁刀通过刀头的挤压作用和刀身的楔犁作用，使得被开挖土体的应力超过土体强度。原状土中卵石间的咬合作用经楔犁后被破坏，成为松散结构，沿滑移面向刀身两侧运动。刀具楔犁地层后会在刀身背土面附近形成空隙，渣土改良剂可流入空隙中，与松动土充分混合，随后经刮刀切削剥落后流入土仓。
楔犁刀的适用性主要体现在以下三个方面：1、楔犁刀具有强大的搭载大体积、大高度硬质合金块的能力，增加了刀具的有效寿命；2、楔犁刀通过刀身的楔犁作用和刀头的挤压作用破坏卵石间的咬合结构，刀头与刀身均有大合金块保护，受力均匀，不会产生明显的应力集中的情况，在与卵石碰撞时受冲击荷载条件下不易发生断齿；3、楔犁刀刀身厚度薄，楔入地层时所需顶进力及切削力均较小，又由于砂卵石土易自行崩塌的特性，楔犁刀可对地层起到明显的松动作用，当多把楔犁刀共同切削地层时，使其刀间距小于松动范围，即可实现大范围的地层松动作用；4、楔犁刀松动地层后进入渣土改良剂，渣土改良材料与原状土混合，在楔犁刀反复楔犁的过程中砂卵石地层被充分改良，成为流塑性好的渣土，充分的渣土改良是砂卵石地层土压建立的必要条件。
基于砂卵石地层中楔犁刀对地层的松动剥落特性，本发明提出一种基于楔犁刀松动剥落砂卵石地层的盾构优化设计方法，包括如下步骤：
步骤一，确定松动剥落砂卵石地层的盾构楔犁刀形式，采用贝壳型楔犁刀；
步骤二：根据所确定的楔犁刀形式，计算楔犁刀在松动剥落地层时刀具不同位置所受极限荷载，确定合金块的布置方式；
步骤三：依据地层磨蚀性及区间特征，确定合金块高度；
步骤四：根据刀具所受极限荷载，计算刀具楔犁所需切削力、顶进力，优选刀具外型特征参数设计方案；
步骤五：楔犁刀针对性设计及优化；
步骤六：计算楔犁刀松动剥落砂卵石地层所需动力，并根据计算得到的所需动力，配置盾构机的动力驱动系统。
在一个具体实施例中，如图1，本发明选择贝壳型楔犁刀，贝壳型楔犁刀能够通过刀头的挤压作用和刀身的楔犁作用，使得被开挖土体的应力超过土体强度。原状土中卵石间的咬合作用经楔犁后被破坏，成为松散结构，沿滑移面向刀身两侧运动，实现松动剥落地层的作用。贝壳型楔犁刀具有如下优点：1、合金块与刀具母材焊接处几何结构简单，易焊接；2、具有强大的搭载大体积、大高度硬质合金块的能力；3、楔犁刀作用于地层的刀头与刀身均有大合金块保护，受力均匀，不会产生明显的应力集中的情况，在与卵石碰撞时受冲击荷载条件下不易发生断齿。
根据步骤一设计得到的刀具形式，确定了刀头的挤压作用及刀身的楔犁作用，本步骤计算不同地层条件下，楔犁刀不同位置在切削卵砾石土时所受荷载。
在一个具体实施例中，楔犁刀松动剥落地层时的受力情况如图2所示，楔犁刀在松动剥落地层时包含楔犁刀刀头的挤压作用与楔犁刀刀身的楔犁作用，刀具不同位置所受极限荷载包括：刀头挤压地层反力F 1、刀身楔犁原状地层反力F 2、刀身切削犁松土反力F 3、刀侧侧向土压力F 4 共同作用；其中F 1可分解为作用在刀头的法向力F 11及切向摩阻力F 12，楔犁刀前后两侧均受F 3作用，故仅需考虑抵抗F 3产生侧摩阻力F 31。
在研究楔犁刀对地层的松动剥落作用时，应分别研究楔犁刀刀头的挤压作用与楔犁刀刀身的楔犁作用。
l 楔犁刀刀头挤压极限荷载
楔犁刀刀头划过区域的砂卵石土的破坏机理与地基土整体剪切破坏相近，其力学行为表现为：楔犁刀在荷载作用下沿规定方向楔犁砂卵石地层时，刀头迎土面形成一个刚性核，即未达到极限平衡，仍处于弹性工作状态的土体，与刀具组成整体一起移动。移动的刚性核挤压两侧土体，使得被开挖土体的应力超过土体强度，原状土中卵石间的咬合作用被破坏，成为松散结构，沿滑移面向刀身两侧运动，如图3所示。
具体计算如下：
定义松动剥落砂卵石地层时的刀头挤压极限荷载p u1，静力平衡条件为：
Figure 838860DEST_PATH_IMAGE028
式中，
Figure 627825DEST_PATH_IMAGE002
为刚性核与松动区域界面黏聚力在刀运动方向上的分量，E p 为刚性核两个侧面上的被动土压力，被动土压力E p 由滑动面上砂卵石土咬合力c产生的抗力E p1 及土压力p产生的抗力E p2 构成，因此
Figure 792090DEST_PATH_IMAGE003
得刀头挤压原状土极限荷载：
Figure 299295DEST_PATH_IMAGE004
式中，N 1与N 2仅取决于砂卵石土的内摩擦角
Figure 839997DEST_PATH_IMAGE005
，计算公式为
Figure 749047DEST_PATH_IMAGE029
Figure 349793DEST_PATH_IMAGE007
土压力p由盾构埋深、刀具在刀盘上的位置所决定，按下式计算
Figure 829447DEST_PATH_IMAGE008
式中，p 0为盾构中心处静止土压力，k为侧压力系数，γ为土体重度，R i 为刀具轨迹半径，α为刀具旋转角度，如图4所示。
l 楔犁刀刀身楔犁极限荷载
基于楔犁刀的作用机理，楔犁刀作用时地层的潜在破坏面与半月形失效区，如图5所示。刀身在楔犁地层过程中的受力状态，以楔犁刀刀身楔犁原状土部分为例，计算模型如图6所示。
具体计算如下：
Figure 173841DEST_PATH_IMAGE009
Figure 937397DEST_PATH_IMAGE010
Figure 443465DEST_PATH_IMAGE030
Figure 925262DEST_PATH_IMAGE031
式中，γ为土体重度，h 2为刀身切入原状土深度，c为砂卵石土咬合力，p为刀具所在位置的土压力，b为刀具有效切削宽度，β为失效面破坏角，依据郎肯被动土压理论
Figure 338926DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 691410DEST_PATH_IMAGE005
为砂卵石土内摩擦角，
Figure 633958DEST_PATH_IMAGE014
为刀面与原状土表面所成角度，r为半月形失效区半径，
Figure 71893DEST_PATH_IMAGE015
；
得刀身楔犁原状土极限荷载：
Figure 23668DEST_PATH_IMAGE032
。
根据上述计算可知，刀具的刀头所受荷载最大，然后依次为刀身前部、刀身后部及刀身侧部所受荷载最小。
合金块及耐磨材料的布置原则为：从功能性角度，应尽可能覆盖刀具所受高荷载部位，可能受冲击荷载的部位尽可能采用大体积合金块保护；从经济性角度，尽可能控制合金块的用量。
基于上述布置原则，在刀具上共布置5个合金块，包括3个中部合金块及2个侧部合金块，将W-Co硬质合金块采用银钎焊的手段焊接在铸铁材质的母体上，5个合金块与4个刀具母体交错排列。在这种布置方法下，刀头部分共受5块合金块保护，与4块母体交错排列，兼具耐磨性及经济性。刀身部分可能受冲击荷载影响，采用大块的侧部合金块保护。刀具母材部分受较小荷载，但考虑到砂卵石地层磨蚀性高，在刀具母体上堆焊耐磨材料涂层进行保护。这种刀具具有刀体超高、大体积合金耐磨、高强耐冲击的特点。
合金块的布置方式确定后，依据地层磨蚀性及区间特征计算所需合金块的高度，区间特征主要包括掘进距离、断面大小、计划采用的掘进贯入度，目的是估算刀具的轨迹长度。
在一个具体实施例中，合金块高度按下式计算：
Figure 230658DEST_PATH_IMAGE017
式中：δ为合金块高度（mm），r为刀具切削轨迹半径（m），k n 为同轨迹布置n把刀时刀具的单位距离磨损系数（mm/km），L为掘进距离（km），n为刀盘转速（r/min），v为推进速度（mm/min）；
同一轨迹布置n把刀时磨损系数k n 与单把刀具的实际磨损系数k的关系为：
Figure 625999DEST_PATH_IMAGE033
当合金块高度大于其设计值时，即实际使用的刀具合金块高度已经超过其设计值，可以认为盾构在掘进距离不超过L时，不需要进行换刀作业。
在一个具体实施例中，基于步骤二中计算得到的极限荷载，计算刀具楔犁地层所需的水平力及垂直力。
将楔犁刀松动砂卵石地层时所受的各部分力沿X（环向）、Y（轴向）方向分解：
(a)楔犁刀刀头挤压原状土荷载p 1（可分解为p11、p12）产生的土抗力在X方向上的分量F x1；
(b)楔犁刀刀头挤压原状土荷载p 1产生的土抗力在Y方向上的分量F y1；
(c)楔犁刀刀身楔犁原状土荷载p 2产生的土抗力F x2；
(d)楔犁刀刀身切削犁松土荷载p 3产生的土抗力F x3；
(e)楔犁刀抵抗摩擦荷载p 4 产生的侧面摩擦阻力F x4。
刀具受力计算模型及力沿XY方向的分解如图7及图8所示。
由以上分解，得楔犁刀松动剥落原状土的环向阻力F x 和楔犁刀松动剥落原状土的轴向阻力F y ，环向阻力F x 包括刀头挤压原状土荷载p 1产生的土抗力在X方向上的分量F x1、刀身楔犁原状土荷载p 2产生的土抗力F x2、刀身切削犁松土荷载p 3产生的土抗力F x3以及楔犁刀抵抗摩擦荷载p 4 产生的侧面摩擦阻力F x4；轴向阻力F y 主要为刀头挤压原状土荷载p 1产生的土抗力在Y方向上的分量F y1；即
Figure 551230DEST_PATH_IMAGE019
刀头挤压原状土荷载p 1产生的土抗力在X方向上的分量F x1即刀头挤压原状土环向阻力F x1，按如下公式计算：
Figure 41117DEST_PATH_IMAGE020
刀头挤压原状土荷载p 1产生的土抗力在Y方向上的分量F y1即刀头挤压原状土轴向阻力F y1，按如下公式计算：
Figure 633772DEST_PATH_IMAGE021
刀身楔犁原状土荷载p 2产生的土抗力F x2即刀身楔犁原状土环向阻力F x2，按如下公式计算：
Figure 918123DEST_PATH_IMAGE022
刀身切削犁松土荷载p 3产生的土抗力F x3即刀身切削犁松土环向阻力F x3，按如下公式计算：
Figure 330650DEST_PATH_IMAGE023
楔犁刀抵抗摩擦荷载p 4 产生的侧面摩擦阻力F x4即刀侧环向摩擦阻力F x4，按如下公式计算：
Figure 358649DEST_PATH_IMAGE024
以上各式中，h 1为刀头切入原状土深度，h 2为刀身切入原状土深度，h 3为刀身切入犁松土深度；p u1为刀头挤压原状土极限荷载，p u2为刀身楔犁原状土极限荷载，p r 为楔犁后地层的残余荷载；Ψ为刀土摩擦角，μ为刀土摩擦系数，
Figure 71390DEST_PATH_IMAGE025
，
Figure 526642DEST_PATH_IMAGE034
；L为楔犁刀宽度、b为楔犁刀厚度、R为刀头弧面半径；α为楔犁常数，Δh为切削深度，p为土压力。
由楔犁刀松动剥落原状土的环向阻力F x 等价于刀具楔犁所需的环向切削力，楔犁刀松动剥落原状土的轴向阻力F y 等价于刀具楔犁所需的轴向顶进力。
基于不同工程的特点，根据环向切削力F x 与轴向顶进力F y 的计算结果对刀具外形特征参数进行设计优化，影响刀具外形特征参数的因素包括：1、地质条件：埋深、内摩擦角、咬合力、刀土摩擦力等；2、施工参数：切深、渣土改良降磨效果等。需优化的刀具外形特征参数包括：楔犁刀宽度L、楔犁刀厚度b、刀头弧面半径R。
具体优化方法可以依据现有工程案例，提出几种刀具外形特征参数的备选方案，例如：方案A中的楔犁刀宽度、楔犁刀厚度、刀头弧面半径分别为L A 、b A ，R A ；方案B中的楔犁刀宽度、楔犁刀厚度、刀头弧面半径分别为L B 、b B ，R B ；方案C中的楔犁刀宽度、楔犁刀厚度、刀头弧面半径分别为L C 、b C ，R C ；以此类推。
将不同方案中的刀具外形特征参数代入公式中，计算得到不同方案刀具楔犁地层所需的环向切削力F x 与轴向顶进力F y ，经比较后优选得到所需力最小的外形特征参数设计方案。
本发明进一步对步骤一~四设计得到的楔犁刀进行针对性优化设计。
在一个具体实施例中，针对性优化设计包括：
（1）增加侧部合金块厚度，增强其耐磨性及耐撞击性能；
（2）侧部合金块采用大圆角过渡，同时棱边倒圆角，增加合金的耐撞击性能；
（3）适当增加中部合金块高度使其高出刀具母体，对刀具母材形成保护作用，增强其耐磨性；
（4）增加侧部合金块高度，使其高度大于中部合金块，增大其对楔犁刀后部母材的保护作用，避免母材侧磨导致合金块脱落。
在一个具体实施例中，计算楔犁刀松动剥落砂卵石地层所需动力具体为：
根据刀具楔犁所需切削力、顶进力，计算得到每把刀所需扭矩，依据刀盘刀具布置方式，计算得到整盘楔犁刀松动剥落砂卵石地层所需扭矩：
Figure 692044DEST_PATH_IMAGE035
盾构机刀盘扭矩要考虑围岩条件、盾构机型式、盾构机构造和盾构机直径等因素来确定，总扭矩T d 认为由8部分构成，分别为刀盘切削扭矩T 1、刀盘自重形成的轴承旋转反力矩T 2、刀盘轴向推力荷载形成的旋转阻力矩T 3、主轴承密封与钢的摩擦力矩T 4、刀盘前表面摩擦扭矩T 5、刀盘圆周面的摩擦反力矩T 6、刀盘背面摩擦力矩T 7、刀盘开口槽的剪切力矩T 8，刀盘切削扭矩T 1由上式计算可得，T 2~T 8可由盾构机参数、实测值、理论计算或工程经验值获取，不作为本发明的关注点，在此不作详细阐述。
得到盾构机刀盘总扭矩后，根据盾构机刀盘总扭矩配置盾构的动力驱动系统，如此基于楔犁刀松动剥落砂卵石地层的作用机理优化设计出的盾构系统，所需推力扭矩计算的准确度更高，可以为盾构连续掘进提供更可靠的动力保证，避免由于动力不足的原因产生的切削困难、卡死等问题，提高了盾构掘进效率。
本领域技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于楔犁刀松动剥落砂卵石地层的盾构优化设计方法，包括如下步骤：
步骤一，确定松动剥落砂卵石地层的盾构楔犁刀形式，采用贝壳型楔犁刀；
步骤二：根据所确定的楔犁刀形式，计算楔犁刀在松动剥落地层时刀具不同位置所受极限荷载，确定合金块的布置方式；
步骤三：依据地层磨蚀性及区间特征，确定合金块高度，其中区间特征包括掘进距离、断面大小以及掘进贯入度；
步骤四：根据刀具所受极限荷载，计算刀具楔犁所需切削力、顶进力，优选刀具外型特征参数设计方案；
步骤五：对由步骤一~四设计得到的楔犁刀进行针对性优化设计；
步骤六：计算楔犁刀松动剥落砂卵石地层所需动力，并根据计算得到的所需动力，配置盾构机的动力驱动系统。
2.根据权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于：
步骤二具体包括：
（1）确定刀具不同位置所受极限荷载：
楔犁刀在松动剥落地层时包含楔犁刀刀头的挤压作用与楔犁刀刀身的楔犁作用，刀具不同位置所受极限荷载包括：刀头挤压地层反力F 1、刀身楔犁原状地层反力F 2、刀身切削犁松土反力F 3、刀侧侧向土压力F 4 ；
（2）计算楔犁刀刀头挤压极限荷载；
（3）计算楔犁刀刀身楔犁极限荷载；
（4）根据计算得到的刀头挤压极限荷载与刀身楔犁极限荷载，确定合金块的布置方式。
3.根据权利要求2所述的优化设计方法，其特征在于：
（2）楔犁刀刀头挤压极限荷载计算如下：
定义松动剥落砂卵石地层时的刀头挤压极限荷载p u1，静力平衡条件为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
式中，
Figure 722892DEST_PATH_IMAGE002
为刚性核与松动区域界面黏聚力在刀运动方向上的分量，E p 为刚性核两个侧面上的被动土压力，被动土压力E p 由滑动面上砂卵石土咬合力c产生的抗力E p1 及土压力p产生的抗力E p2 构成，因此
Figure DEST_PATH_IMAGE003
得刀头挤压极限荷载：
Figure 581258DEST_PATH_IMAGE004
式中，N 1与N 2仅取决于砂卵石土的内摩擦角
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，计算公式为
Figure 914150DEST_PATH_IMAGE006
Figure DEST_PATH_IMAGE007
土压力p由盾构埋深、刀具在刀盘上的位置所决定，按下式计算
Figure 872398DEST_PATH_IMAGE008
式中，p 0为盾构中心处静止土压力，k为侧压力系数，γ为土体重度，R i 为刀具轨迹半径，α为刀具旋转角度。
4.根据权利要求3所述的优化设计方法，其特征在于：
（3）楔犁刀刀身楔犁极限荷载计算如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
Figure 773489DEST_PATH_IMAGE010
Figure DEST_PATH_IMAGE011
Figure 915888DEST_PATH_IMAGE012
式中，γ为土体重度，h 2为刀身切入原状土深度，c为砂卵石土咬合力，p为刀具所在位置的土压力，b为刀具有效切削宽度，β为失效面破坏角，依据郎肯被动土压理论
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 458996DEST_PATH_IMAGE005
为砂卵石土内摩擦角，
Figure 455771DEST_PATH_IMAGE014
为刀面与原状土表面所成角度，r为半月形失效区半径，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
；
得刀身楔犁极限荷载：
Figure 524834DEST_PATH_IMAGE016
。
5.根据权利要求4所述的优化设计方法，其特征在于：
合金块的布置方式为：在刀具上共布置5块合金块，包括3块中部合金块和2块侧部合金块，5块合金块与4块刀具母体交错排列，并在刀具母体上堆焊耐磨材料涂层。
6.根据权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于：
步骤三中，合金块高度按下式计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE017
式中：δ为合金块高度（mm），r为刀具切削轨迹半径（m），k n 为同轨迹布置n把刀时刀具的单位距离磨损系数（mm/km），L为掘进距离（km），n为刀盘转速（r/min），v为推进速度（mm/min）；
同一轨迹布置n把刀时磨损系数k n 与单把刀具的实际磨损系数k的关系为：
Figure 420109DEST_PATH_IMAGE018
当合金块高度大于其设计值时，认为盾构在掘进距离不超过L时，不需要换刀。
7.根据权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于：
步骤四具体包括：
（1）确定刀具楔犁地层所需的环向切屑力、轴向顶进力：
将楔犁刀松动剥落砂卵石地层时所受的各部分力沿X（环向）、Y（轴向）方向分解，得楔犁刀松动剥落原状土的环向阻力F x 和楔犁刀松动剥落原状土的轴向阻力F y ；环向阻力F x 包括刀头挤压原状土荷载p 1产生的土抗力在X方向上的分量F x1、刀身楔犁原状土荷载p 2产生的土抗力F x2、刀身切削犁松土荷载p 3产生的土抗力F x3以及楔犁刀抵抗摩擦荷载p 4 产生的侧面摩擦阻力F x4；轴向阻力F y 主要为刀头挤压原状土荷载p 1产生的土抗力在Y方向上的分量F y1；即
Figure DEST_PATH_IMAGE019
（2）楔犁刀松动剥落原状土的环向阻力F x 即刀具楔犁所需的环向切削力，楔犁刀松动剥落原状土的轴向阻力F y 即刀具楔犁所需的轴向顶进力；
（3）对刀具外形特征参数进行设计优化，包括楔犁刀宽度L、楔犁刀厚度b、刀头弧面半径R，采用不同的刀具外形特征参数计算得到不同设计方案刀具楔犁地层所需的环向切削力F x 与轴向顶进力F y ，经比较后优选得到所需力最小的外形特征参数设计方案。
8.根据权利要求7所述的优化设计方法，其特征在于：
各部分力计算如下：
1）刀头挤压原状土环向阻力F x1
Figure 235749DEST_PATH_IMAGE020
2）刀头挤压原状土轴向阻力F y1
Figure DEST_PATH_IMAGE021
3）刀身楔犁原状土环向阻力F x2
Figure 900080DEST_PATH_IMAGE022
4）刀身切削犁松土环向阻力F x3
Figure DEST_PATH_IMAGE023
5）刀侧环向摩擦阻力F x4
Figure 923399DEST_PATH_IMAGE024
式中，h 1为刀头切入原状土深度，h 2为刀身切入原状土深度，h 3为刀身切入犁松土深度；p u1为刀头挤压原状土极限荷载，p u2为刀身楔犁原状土极限荷载，p r 为楔犁后地层的残余荷载；y为刀土摩擦角，μ为刀土摩擦系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE025
，
Figure 313493DEST_PATH_IMAGE026
；L为楔犁刀宽度、b为楔犁刀厚度、R为刀头弧面半径；α为楔犁常数，Δh为切削深度，p为土压力。
9.根据权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于：
步骤五中，楔犁刀针对性优化设计包括：
（1）增加侧部合金块厚度；
（2）侧部合金块采用大圆角过渡，同时棱边倒圆角；
（3）适当增加中部合金块高度使其高出刀具母体；
（4）增加侧部合金块高度，使其高度大于中部合金块。
10.根据权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于：
步骤六包括：
（1）根据计算得到的刀具楔犁所需切削力、顶进力，计算得到每把刀所需扭矩，依据刀盘刀具布置方式，计算得到整盘楔犁刀松动剥落砂卵石地层所需扭矩：
Figure DEST_PATH_IMAGE027
（2）获得盾构机刀盘总扭矩；
（3）根据盾构机刀盘总扭矩配置盾构的动力驱动系统。
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