CN115062428A - 基于掘进参数的复合地层盾构滚刀磨损计算方法、设备及介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于掘进参数的复合地层盾构滚刀磨损计算方法、设备及介质，方法包括：S1：基于盾构滚刀的磨损机理，根据掘进参数、地质参数和刀盘刀具设计参数，实时计算滚刀在不同地层下与土体之间的摩擦因数；S2：根据摩擦因数，结合滚刀在掌子面的受力分析，基于能量法实时定量确定盾构滚刀的磨损量。本发明根据盾构掘进参数(刀盘扭矩、掘进速度和刀盘转速)反算出滚刀与土体之间的摩擦因数f，从而使得在盾构掘进过程中，可以实时计算出滚刀的磨损高度，根据以往工程施工经验设定磨损高度，当计算出的滚刀磨损高度大于预设定的磨损高度时，及时开仓换刀，保障盾构的安全高效掘进。

Description

基于掘进参数的复合地层盾构滚刀磨损计算方法、设备及 介质

技术领域

本发明适用于复杂多变地层盾构隧道工程施工，具体涉及一种基于掘进参数的复合地层盾构滚刀磨损计算方法、设备及介质。

背景技术

盾构法已经成为地铁建设的主要工法之一。盾构在复杂多变地层中掘进时盾构滚刀磨损较为严重，滚刀磨损速度在前期往往较小，后期随着滚刀的磨粒磨损和疲劳磨损增大，滚刀的磨损速度大大增加，且可能出现滚刀断裂崩坏，严重影响了盾构的掘进效率和使用寿命。因此，及时判断滚刀的磨损情况，具有较好的工程意义。另一方面，盾构施工现场地层复杂多变，靠经验取刀盘与土体之间的摩擦因数往往不准确，导致计算出的滚刀磨损量误差较大。若能基于盾构掘进参数反算出滚刀与土体之间的摩擦因数，可及时反馈当前地质情况，进入对滚刀磨损较大的地层时，可以及时调整渣土改良参数，以减小滚刀磨损。

经对现有技术文献检索发现，授权号为CN 110509109 B公开了一种“基于多尺度深度卷积循环神经网络的刀具磨损监测方法”提出构造多尺度卷积神经网络，获取刀具磨损多尺度特征，计算的刀具磨损量误差较小，但该方法需要基于大量的刀具磨损样本，而在盾构施工中每次开仓都可能引起开挖面坍塌，给整个工程的工期、造价带来严重的影响，甚至威胁人的生命，且该方法基于人工智能算法，无明确的物理意义。

王凯(中南大学硕士论文，2011：34-35)总结了盾构滚刀的失效形式，基于盾构滚刀磨损机理建立了盾构滚刀磨损计算方法，但是该方法认为滚刀与岩石间的摩擦因数是定值，在计算中按经验取值，这种取法虽然有利于简便计算出滚刀磨损量，但这种取法无疑增大了计算方法的误差，且无法适用于复杂多变地层的盾构滚刀磨损量的计算。

发明内容

基于盾构掘进过程中地层复杂多变，靠经验取得滚刀与土体之间的摩擦因数误差较大的技术问题，本发明提供一种基于掘进参数的复合地层盾构滚刀磨损计算方法、设备及介质，可以实时计算出盾构滚刀磨损情况，以便及时进行开仓换刀，有利于提高盾构掘进效率和盾构机使用寿命。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于掘进参数的复合地层盾构滚刀磨损计算方法，包括：

S1：基于盾构滚刀的磨损机理，根据掘进参数、地质参数和刀盘刀具设计参数，实时计算滚刀在不同地层下与土体之间的摩擦因数；

S2：根据摩擦因数，结合滚刀在掌子面的受力分析，实时定量确定盾构滚刀的磨损量。

在计算过程中根据盾构掘进参数(刀盘扭矩、掘进速度和刀盘转速)反算出滚刀与土体之间的摩擦因数f，避免了以往计算方法中摩擦因数f靠经验取值，解决了现有技术中因工程实践中地层复杂多变、靠经验取值往往误差较大的技术问题。本发明具有更加广泛的普适性。使得本发明在盾构掘进过程中，可以实时计算出滚刀的磨损高度，根据以往工程施工经验设定磨损高度，当计算出的滚刀磨损高度大于预设定的磨损高度时，及时开仓换刀，保障盾构的安全高效掘进。

进一步地，刀盘在各地层下与土体之间摩擦因数的实时计算方法为：

根据地勘资料，将盾构掘进线路依据地质情况划分为x个区间；

根据盾构刀盘滚刀的正面、侧面分别与土体之间的摩擦扭矩，滚刀切削土体时的地层抗力扭矩，再结合从盾构机实时获取的刀盘总扭矩T，得到滚刀与各区间土体之间的摩擦因数f：

T＝T₁₁+T₁₂+T₂

式中，T为刀盘总扭矩，T₁₁为刀盘刀具正面与土体之间的摩擦扭矩，T₁₂为侧面与土体之间的摩擦扭矩，T₂为滚刀切削土体时的地层抗力扭矩；

K_s为第s个区间的侧向土压力系数；f为滚刀与土体之间的摩擦因数；D为盾构掘进机外径；H为地面到盾构掘进机轴线的距离；γ_s为第s个区间土体的重度，0<s≤x；η为刀盘开口率；

K_as为第s个区间主动土压力系数；W为刀盘外沿的宽度；

w_i为第i把滚刀的刀刃宽度；α_i为第i把滚刀的前角；β_i为第i把滚刀与相邻相同切削轨迹的滚刀之间的夹角；

为第s个区间土的内摩擦角；c为第s个区间土的黏聚力；L_i为第i把滚刀到刀盘中心的距离，θ_i为第i把滚刀与刀盘中心连接线与水平的夹角；v为盾构推进速度，ω为刀盘转速。

进一步地，步骤S2包括：先根据摩擦因数确定滚刀磨损体积，然后根据滚刀形状确定滚刀磨损的高度；

其中，滚刀磨损体积的计算方法为：

V＝MA_f

A_f＝ξfF_vS

式中：V为滚刀磨损体积；M是与滚刀材料有关的系数，称为磨损强度；A_f是摩擦功；

ξ为滚刀破岩过程中的相对滑动率；S为盾构掘进时间t时滚刀破岩距离；F_v为滚刀受到的垂直力，采用科罗拉多矿业学院提出的力学模型；

C为无量纲系数；S_n为刀间距；σ_c为岩石抗压强度；σ_t为岩石抗拉强度；φ为盘形滚刀与岩石的接触角；T_a为滚刀刀尖宽度；r_i为第i把滚刀的半径；ψ为刀尖压力分布系数，介于-0.2至0.2；

R_i为第i把滚刀的安装半径，t为盾构掘进时间。

本发明基于能量法与科罗拉多矿业学院提出的滚刀力学模型，利用反算出的滚刀与土体之间的摩擦因数f计算出滚刀磨损体积；再基于几何知识和滚刀设计参数，将计算出的滚刀磨损体积转化为滚刀磨损高度。

进一步地，所述根据滚刀形状确定刀具磨损的高度，具体为：

将滚刀的截面简化成梯形，忽略滚刀过渡圆弧，根据滚刀的刀刃半角α和刀刃宽度A，由几何知识可得平面内滚刀磨损的面积S_s：

再由S_s与滚刀磨损体积V之间的关系式V＝S_s×l_圆周＝S_s(r_i-h/2)2π，可得滚刀磨损的高度计算式为：

式中，r_i为第i把滚刀的半径，l_圆周为滚刀磨损体积中心点以滚刀中心为圆心画圆的周长。

一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器实现上述任一项所述的复合地层盾构滚刀磨损计算方法。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述的复合地层盾构滚刀磨损计算方法。

有益效果

本发明盾构掘进刀盘不断旋转切削掌子面前方土体，刀盘在切削土体的过程中产生的刀盘扭矩T主要由刀盘刀具正面、侧面与土体之间的摩擦扭矩T₁、刀具切削土体时的地层抗力扭矩T₂组成，刀盘扭矩T与滚刀与土体之间的摩擦因数的值息息相关，刀盘扭矩可从盾构机中实时读取，由此可实现盾构在不同地层中掘进获取不同的摩擦因数。基于能量守恒原理，采用科罗拉多矿业学院提出的力学模型，利用获取的摩擦因素计算滚刀磨损体积，具有更高的精确度。最后，基于几何知识，将滚刀磨损体积转化为滚刀磨损高度。盾构滚刀磨损过大将导致盾构掘进困难，影响盾构机的使用寿命，而且往往盾构滚刀后期磨损速度远大于初期磨损速度，通过本发明可实时计算出盾构滚刀磨损情况，及时进行开仓换刀，有利于提高盾构掘进效率和盾构机使用寿命。

附图说明

图1是本发明实施例的盾构滚刀磨损计算流程图。

图2为滚刀磨损高度计算示意图；其中：1、盾构滚刀。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明的技术方案为依据开展，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，对本发明的技术方案作进一步解释说明。

参考图1所示，本实施例提供一种基于掘进参数的复合地层盾构滚刀磨损计算方法，包括以下步骤：

S1：基于盾构滚刀的磨损机理，根据掘进参数、地质参数和刀盘刀具设计参数，实时计算刀盘在不同地层下与土体之间的摩擦因数。

S11，根据地勘资料，将盾构掘进线路依据地质情况划分为x个区间；

S12，首先根据盾构机实时获取刀盘总扭矩T；然后分析影响刀盘扭矩的因素有：刀盘刀具正面、侧面与土体之间的摩擦、滚刀切削土体时的地层抗力、刀盘和搅拌叶片的搅拌等，其中最主要的影响因素为刀盘刀具正面、侧面与土体之间的摩擦扭矩T₁、滚刀切削土体时的地层抗力扭矩T₂，达到刀盘总扭矩的90％以上，本发明着重从T₁和T₂开始分析。

①已知：

T＝T₁+T₂ (1)

②假设刀盘刀具正面与土体之间的摩擦扭矩T₁由刀盘刀具正面与土体之间的摩阻力扭矩T₁₁和刀盘刀具侧面与土体之间的摩阻力扭矩T₁₂组成，由盾构开挖面受力分析可得：

式中：K_s为第s个区间的侧向土压力系数；f为滚刀与土体之间的摩擦因数；D为盾构掘进机外径；H为地面到盾构掘进机轴线的距离；γ_s为第s个区间土体的重度(0<s≤x)。

当考虑盾构开口率，将式(2)转化为：

式中：η为刀盘开口率。

考虑垂直土压力与和侧向土压力对刀盘侧面产生的扭矩可得：

式中：K_as为第s个区间主动土压力系数；W为刀盘外沿的宽度。

所以：

滚刀切削土体时的地层抗力扭矩T₂为n个滚刀切削土体产生的地层抗力扭矩之和，可得：

式中：w_i为第i把滚刀的刀刃宽度；α_i为第i把滚刀的前角；β_i为第i把滚刀与相邻相同切削轨迹的滚刀之间的夹角；

为第s个区间土的内摩擦角；c为第s个区间土的黏聚力；L_i为第i把滚刀到刀盘中心的距离，θ_i为第i把滚刀与刀盘中心连接线与水平的夹角；v为盾构推进速度，ω为刀盘转速。

对于无黏性土，c取0。其中v与ω都是盾构掘进参数的一种，可由盾构机实时读出。

由此，联立式(5)和式(6)，即可根据典型盾构掘进参数(刀盘扭矩、推进速度、刀盘转速)实时计算出滚刀与土体之间的摩擦因数f，如式(7)所示：

式(7)中所需计算参数可概括为三部分组成，一部分是盾构机刀盘刀具设计参数，一部分是地质参数，一部分是盾构掘进参数，这三部分参数均可从盾构机选型资料、地勘资料以及盾构机导出的掘进参数得到，实现复合地层摩擦因数的实时计算。

S2：根据摩擦因数，结合滚刀在掌子面的受力分析，实时定量确定盾构滚刀的磨损量。

先根据摩擦因数确定滚刀磨损体积，然后根据滚刀形状确定滚刀磨损的高度。

滚刀磨损体积与受到的荷载、滚刀与土体的摩擦、滚刀材料和土体性质有关，可由式(8)计算而得：

V＝MA_f (8)

式中：A_f是摩擦功；M是与滚刀材料有关的系数，称为磨损强度。

下面求解滚刀摩擦功。由摩擦做功的计算公式可得：

A_f＝ξfF_vS (9)

式中:ξ为滚刀破岩过程中的相对滑动率；S为盾构掘进时间t时滚刀破岩距离；F_v为滚刀受到的垂直力，采用科罗拉多矿业学院提出的力学模型，如式(10)所示：

式中：C为无量纲系数，约等于2.12；S_n为刀间距；σ_c为岩石抗压强度；σ_t为岩石抗拉强度；φ为盘形滚刀与岩石的接触角；T_a为滚刀刀尖宽度；r_i为滚刀的半径；ψ为刀尖压力分布系数，介于-0.2至0.2。

引入刀盘转速至公式(9)中，盾构掘进时间t时滚刀破岩距离S为：

式中：R_i为滚刀的安装半径

所以摩擦功可由下式计算：

所以滚刀磨损体积为：

由步骤1计算出的刀盘与土体之间的摩擦因数f，代入上式即可计算出滚刀磨损体积。

在工程实践中，一般是使用滚刀卡尺量测滚刀的磨损高度，仅计算滚刀磨损体积难以应用在工程建设中，下面开始推导滚刀磨损高度。

将滚刀的截面简化成梯形，忽略滚刀过渡圆弧，已知滚刀的刀刃半角α和滚刀刀刃宽度A，如图2所示，由几何知识可得：

式中：S_s为平面内滚刀磨损的面积；h为滚刀磨损的高度。

与此同时，S_s与滚刀磨损体积V存在关系式：

V＝S_s×l_圆周＝S_s(r_i-h/2)2π (15)

联立式(14)和式(15)可得：

式(16)实现了根据滚刀设计参数、盾构掘进参数和地质参数计算出盾构滚刀磨损高度，有利于施工现场判断滚刀磨损程度。

本发明还提供一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器实现上述实施例所述的复合地层盾构滚刀磨损计算方法。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述实施例所述的复合地层盾构滚刀磨损计算方法。

以上实施例为本申请的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本申请总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本申请要求保护的范围之内。

Claims (7)

1.一种基于掘进参数的复合地层盾构滚刀磨损计算方法，其特征在于，包括：

S1：基于盾构滚刀的磨损机理，根据掘进参数、地质参数和刀盘刀具设计参数，实时计算滚刀在不同地层下与土体之间的摩擦因数；

S2：根据摩擦因数，结合滚刀在掌子面的受力分析，实时定量确定盾构滚刀的磨损量。

2.根据权利要求1所述的复合地层盾构滚刀磨损计算方法，其特征在于，滚刀在各地层下与土体之间摩擦因数的实时计算方法为：

根据地勘资料，将盾构掘进线路依据地质情况划分为x个区间；

根据盾构刀盘刀具正面、侧面分别与土体之间的摩擦扭矩，滚刀切削土体时的地层抗力扭矩，再结合从盾构机实时获取的刀盘总扭矩T，得到滚刀与各区间土体之间的摩擦因数f：

T＝T₁₁+T₁₂+T₂

式中，T为刀盘总扭矩，T₁₁为刀盘刀具正面与土体之间的摩擦扭矩，T₁₂为侧面与土体之间的摩擦扭矩，T₂为滚刀切削土体时的地层抗力扭矩；

K_s为第s个区间的侧向土压力系数；f为滚刀与土体之间的摩擦因数；D为盾构掘进机外径；H为地面到盾构掘进机轴线的距离；γ_s为第s个区间土体的重度，0<s≤x；η为刀盘开口率；

K_as为第s个区间主动土压力系数；W为刀盘外沿的宽度；

w_i为第i把滚刀的刀刃宽度；α_i为第i把滚刀的前角；β_i为第i把滚刀与相邻相同切削轨迹的滚刀之间的夹角；

为第s个区间土的内摩擦角；c为第s个区间土的黏聚力；L_i为第i把滚刀到刀盘中心的距离，θ_i为第i把滚刀与刀盘中心连接线与水平的夹角；v为盾构推进速度，ω为刀盘转速。

3.根据权利要求1所述的复合地层盾构滚刀磨损计算方法，其特征在于，步骤S2包括：先根据摩擦因数确定滚刀磨损体积，然后根据滚刀形状确定滚刀磨损的高度；

其中，滚刀磨损体积的计算方法为：

V＝MA_f

A_f＝ξfF_vS

式中：V为滚刀磨损体积；M是与滚刀材料有关的系数，称为磨损强度；A_f是摩擦功；

ξ为滚刀破岩过程中的相对滑动率；S为盾构掘进时间t时滚刀破岩距离；F_v为滚刀受到的垂直力，采用科罗拉多矿业学院提出的力学模型；

C为无量纲系数；S_n为刀间距；σ_c为岩石抗压强度；σ_t为岩石抗拉强度；φ为滚刀与岩石的接触角；T_a为滚刀刀尖宽度；r_i为第i把滚刀的半径；ψ为刀尖压力分布系数；

R_i为第i把滚刀的安装半径，t为盾构掘进时间。

4.根据权利要求3所述的复合地层盾构滚刀磨损计算方法，其特征在于，刀尖压力分布系数ψ，介于-0.2至0.2。

5.根据权利要求1所述的复合地层盾构滚刀磨损计算方法，其特征在于，所述根据滚刀形状确定滚刀磨损的高度，具体为：

将滚刀的截面简化成梯形，忽略滚刀过渡圆弧，根据滚刀的刀刃半角α和刀刃宽度A，由几何知识可得平面内滚刀磨损的面积S_s：

再由S_s与滚刀磨损体积V之间的关系式V＝S_s×l_圆周＝S_s(r_i-h/2)2π，可得滚刀磨损的高度计算式为：

式中，r_i为第i把滚刀的半径，l_圆周为滚刀磨损体积中心点以滚刀中心为圆心画圆的周长。

6.一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器中存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器实现如权利要求1～5中任一项所述的方法。

7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1～5中任一项所述的方法。

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