CN117077393A - 一种滚刀正常使用寿命的预测方法 - Google Patents

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舒计城
曹成勇
陈一凡
路芸芸
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Abstract

本发明提供了一种滚刀正常使用寿命的预测方法，该方法基于地层特性以及盾构掘进参数变化规律，得到了盾构刀盘刀具在切削过程中的磨损规律，并且考虑了考虑推力分布和能量转换系数。另一方面，针对盾构滚刀正常磨损的状况并充分考虑了盾构掘进环境，结合大量的工程数据，得到推力转换系数以及能量转换系数的计算流程，进而计算出工程中滚刀损坏之前最长的掘进距离，从而对正常使用寿命进行预测。本发明的技术方案可以通过预测盾构滚刀正常磨损量，进而预测其最长掘进距离，可为盾构隧道施工中预测滚刀换刀时间和换刀位置提供科学方法。

Description

一种滚刀正常使用寿命的预测方法
技术领域
本发明涉及盾构隧道施工技术领域，尤其涉及一种滚刀正常使用寿命的预测方法。
背景技术
近年来，地下空间在我国得到了快速发展，与此同时盾构法在隧道施工中发挥着越来越重要的作用。与其他施工方法相比，盾构法具有安全、高效、对环境影响小的优点。尽管如此，盾构掘进过程中刀具磨损是无法避免的。滚刀作为盾构破岩的主要刀具，其切削产生的磨损受盾构的类型、刀盘的形式、刀具的种类、地层条件等多种因素的影响。目前，随着大直径盾构的广泛应用，滚刀切削的线速度也随之增大，切削断面的地质复杂性也随之增加，在掘进过程中刀具磨损的不确定性也相应增加，如何可以较为精确地预测滚刀磨损值是目前盾构施工中的主要难题之一。传统的滚刀磨损预测模型未考虑盾构推力不均匀分布的影响，造成预测的结果与实际工程情况存在较大差异。目前亟需一种考虑推力分布和能量转换系数的滚刀正常使用寿命的预测方法，以便适时、合理评估盾构隧道施工期滚刀切削状态，为滚刀更换及开舱位置选择提供参考，指导盾构掘进施工过程中采取有效的防控措施。
发明内容
针对以上技术问题，本发明公开了一种滚刀正常使用寿命的预测方法，考虑了推力分布和能量转换系数，可以全面、简便、准确对滚刀正常使用寿命进行预测。
对此，本发明采用的技术方案为：
一种滚刀正常使用寿命的预测方法，其包括如下步骤：
步骤S1，确定盾构机和管片几何尺寸参数、岩层的无侧限抗压强度、盾构掘进参数、刀盘刀具配置参数、一段已知区间滚刀正常磨损数据、盾构掘进参数；
步骤S2，根据已知盾构区间(有若干环)的刀具磨损情况，对掘进推力F进行修正，得到修正后的掘进推力F’如下式(1)：
F'＝f(r)F (1)，
其中，F为步骤S1中获得的盾构掘进推力，修正系数f(r)的计算公式为：
其中，r为滚刀的安装半径，b为推力分布系数，rw为最外工作刀具的安装半径；
步骤S3，根据步骤S1中获得的相关参数和步骤S2得到的修正后的掘进推力，构建滚刀正常磨损计算模型，得到如下式(3)所示的单个滚刀一环的磨损预测值：
其中，qi为单个滚刀第i环的磨损预测值，ωc为盾构掘进过程中的刀盘转速，r为滚刀的安装半径，ls为管片宽度，F’为修正后的掘进推力，σc为岩样的无侧限抗压强度，v为推进速度，T为刀盘扭矩，k是能量分布系数；
所述滚刀在待测区间的总磨损量可由下式(6)计算得到；
其中，n为待测区间的总环数；
步骤S4，根据一段已知区间滚刀正常磨损数据，结合公式(1)～(3)，通过待定系数的拟合的方法，得到能量转换系数k和推力分布系数b，作为预测后续滚刀磨损量的输入参数；
步骤S5，根据步骤S4得到的能量转换系数k和推力分布系数b，结合公式(3)，得到相应的磨损预测值q，采用下式计算得到每把滚刀损坏之前最长的掘进距离DT，预测未掘进段滚刀正常使用寿命；
其中，q为单个滚刀一环的磨损预测量，wa为滚刀的正常磨损量极限值，ls为管片宽度。
作为本发明的进一步改进，所述岩样的无侧限抗压强度σc为在隧道沿线获取地层岩样，对岩样进行无侧限抗压强度试验确定。
作为本发明的进一步改进，步骤S4包括：
采用一段已知区间滚刀正常磨损数据，假定b值，不断带入不同的能量转换系数k，通过公式(3)计算得到磨损预测值，计算磨损预测值与步骤S1获得已知的刀具磨损实测值之间的决定系数R2，取决定系数R2最高时的能量转换系数k和推力分布系数b作为预测后续滚刀磨损量的输入参数；
其中，决定系数R2采用如下公式计算得到：
其中，j代表刀具的编号，yj代表编号为j的刀具的实际磨损量，N为配置刀具的数量，是采用公式(3)计算得到的滚刀磨损的磨损预测值，即q。
更进一步的，步骤S4包括：
步骤S41，先假定b为定值，根据公式(3)，不断带入不同的能量转换系数k，得到相应的磨损预测值，计算各个磨损预测值与步骤S1获得已知的刀具磨损实测值之间的决定系数R2，得到决定系数R2取最大值时的能量转换系数kmax；
步骤S42，根据获得的决定系数R2取最大值时的能量转换系数k，结合公式(3)，不断带入不同的推力分布系数b，得到相应的磨损预测值，计算各个磨损预测值与步骤S1获得已知的刀具磨损实测值之间的决定系数R2，得到决定系数R2取最大值时的能量转换系数bmax；将kmax和bmax作为预测后续滚刀磨损量的输入的能量转换系数k和推力分布系数b。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
采用本发明的技术方案，对滚刀正常磨损预测理论进行了完善，引入了推力分布和能量转换系数，考虑了盾构推力的不均匀性的影响，建立盾构滚刀正常磨损预测模型，可预测硬岩地层盾构滚刀正常磨损的变化趋势，以便适时、合理评估盾构隧道施工期滚刀切削状态，并指导实际工程中开舱换刀位置的选择。相较于传统的计算方法，本发明技术方案计算所得盾构滚刀正常磨损使用寿命预测数据精确度更高，并可指导盾构刀盘扭矩等掘进数据的调整，使盾构掘进处于高效的切削状态，保障盾构隧道施工高效、安全。而且，该预测方法简单、实用，便于推广。
附图说明
图1为本发明实施例的一种考虑推力分布和能量转换系数的滚刀正常使用寿命的预测方法流程图。
图2为本发明实施例的推力分布系数和能量转换系数的计算流程图。
图3为本发明实施例的滚刀的损坏前最长掘进距离预测结果和实测结果对比。
图4为本发明实施例的滚刀的配置图。
具体实施方式
下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
如图1和图2所示，一种考虑推力分布和能量转换系数的滚刀正常使用寿命的预测方法，所述方法包括如下步骤：
步骤S1：确定盾构机和管片几何尺寸参数、岩层无侧限抗压强度、盾构掘进参数、刀盘刀具配置参数、一段已知区间滚刀正常磨损数据、盾构掘进参数；
步骤S2：根据已知区间刀具磨损情况，对掘进推力进行修正；
步骤S3：根据获得的相关参数建立滚刀正常磨损计算模型；
步骤S4：根据已知区间刀具磨损值，确定能量转换系数和推力分布系数；
步骤S5：计算得到每把滚刀损坏之前最长的掘进距离，预测未掘进段滚刀正常使用寿命。
具体而言，所述S1包括：
根据盾构隧道设计、施工方案以及滚刀出厂报告，确定盾构盾构直径D、管片宽度ls和滚刀的正常磨损量极限值wa；在隧道沿线获取地层岩样，对岩样进行无侧限抗压强度试验，以确定岩样的无侧限抗压强度σc；获取盾构已掘进段的滚刀正常磨损数据，以确定能量转换系数和推力分布系数；同时获取盾构掘进过程中的刀盘转速ωc、掘进推力F、刀盘扭矩T、推进速度v。
所述S2包括：
根据刀具磨损状况，建立掘进推力修正模型，掘进推力的修正值计算公式为：
F′＝f(r)F (1)
其中F为步骤S1中获得的盾构掘进推力，F’为修正推力。
修正系数f(r)假设与安装半径r存在线性关系，修正系数f(r)的计算公式为：
其中b为推力分布系数，rw为最外工作刀具的安装半径。
磨损数据中，中心滚刀的磨损量与其安装半径的比值，远大于边缘刀具磨损量与其安装半径的比值。这表明为了获得更高的预测精度，用于预测中心滚刀磨损的F应该大于边缘刀具的F。除F外的所有参数都与滚刀的安装半径无关。可以推断，F与盘形刀具的安装半径呈负相关。因此，需要修正F。修正系数f(r)假设与安装半径r存在如上式(1)和(2)的线性关系，而且：
根据现场数据，并非所有刀具都处于切削状态，因此rw应根据实际情况确定。
根据如下公式：
W＝f·s＝α·F'·ωc·r·t
W＝k·Q
其中，W为摩擦能，Q是滚刀磨损，f是摩擦力，s是摩擦距离，α是摩擦系数，F是盾构推力，t是时间，k是常系数，用来表征摩擦能与刀具磨损之间的经验系数。
联立可得单个滚刀一环的磨损预测量的计算公式为：
其中，qi为单个滚刀第i环的磨损预测值，σc是无侧限抗压强度，k是能量分布系数。
所述滚刀在待测区间的总磨损量可由下式(6)计算得到；
其中，n为待测区间的总环数。
所述步骤S4包括：
采用一段已知区间的滚刀磨损数据，不断输入不同的能量转换系数k和推力分布系数b，计算预测磨损值和实测磨损值之间的决定系数R2，取决定系数最高时的能量转换系数k和推力分布系数b作为预测后续滚刀磨损量的输入参数。
决定系数R2的计算公式为：
其中j代表刀具的编号，yj代表编号为j的刀具的实际磨损量，N为配置刀具的数量，是滚刀磨损的预测值，即采用公式(6)计算得到的q。
优选的，所述S5包括：
刀具损坏之前最长的掘进距离可用以下公式计算为：
其中DT是指刀具损坏之前最长的掘进距离。
下面结合具体的实施例进行详细说明。
一种考虑推力分布和能量转换系数的滚刀正常使用寿命的预测方法，包括以下步骤：
步骤一、根据盾构隧道设计、施工方案，确定盾构直径D＝8.65m、管片宽度ls＝1.60m；根据滚刀出厂报告可以获得不同安装位置滚刀的正常磨损量极限值wa，如表1所示。本实施例中滚刀的配置图如图4所示。
表1
滚刀编号 #01 #02 #03 #04 #05 #06 #07 #08 #09
wa 30 30 30 30 30 30 30 30 30
滚刀编号 #10 #11 #12 #13 #14 #15 #16 #17 #18
wa 30 30 30 30 30 30 30 30 30
滚刀编号 #19 #20 #21 #22 #23 #24 #25 #26 #27
wa 30 30 30 30 30 30 30 30 30
滚刀编号 #28 #29 #30 #31 #32 #33 #34 #35 #36
wa 30 30 30 30 30 30 30 30 30
滚刀编号 #37 #38 #39 #40 #41 #42 #43 #44 #45
wa 30 30 30 30 30 30 25 25 25
滚刀编号 #46 #47 #48 #49 #50 #51 #52A #52B
wa 25 25 25 20 20 10 10 10
在隧道沿线获取地层岩样，对岩样进行无侧限抗压强度试验，以确定岩样的无侧限抗压强度σc＝20Mpa。
进一步的，获取盾构已掘进段的滚刀正常磨损数据，如表2所示：
表2
滚刀编号 #01 #02 #03 #04 #05 #06 #07 #08 #09
wa 7 6 7 7 6 7 5 7 7
滚刀编号 #10 #11 #12 #13 #14 #15 #16 #17 #18
wa 5 5 8 6 7 8 9 13 5
滚刀编号 #19 #20 #21 #22 #23 #24 #25 #26 #27
wa 15 10 9 10 11 10 10 10 10
滚刀编号 #28 #29 #30 #31 #32 #33 #34 #35 #36
wa 11 12 11 12 13 11 13 12 11
滚刀编号 #37 #38 #39 #40 #41 #42 #43 #44 #45
wa 13 11 11 13 13 13 16 16 17
滚刀编号 #46 #47 #48 #49 #50 #51 #52A #52B
wa 17 18 20 18 17 12 12 13
进一步的，获取盾构掘进过程中的刀盘转速ωc＝1.87rpm、掘进推力F＝26545kN、刀盘扭矩T＝1.669MN·m、推进速度v＝3×10-4m/s。
步骤二、确定最外工作刀具的安装半径rw＝4.305m，计算得到任意安装半径r处的推力修正系数f(r)为：
步骤三、将步骤一相关参数和步骤二所得的结果带入，建立得到单个滚刀一环的磨损预测量的计算公式为：
步骤四、基于步骤三得到的刀具磨损的计算公式，假设b＝1，不断带入不同的能量转换系数k，可得到相应的磨损预测值，并计算预测值与步骤一获得已知的刀具磨损实测值之间的决定系数R2，可获得预测精度数据表(k，R2)，如表3所示。
表3
k(1011) 3.50 4.10 4.30 4.50 4.72 4.90 5.10 5.30 5.50
R2 0.8174 0.8938 0.9336 0.9398 0.9400 0.9398 0.9392 0.9382 0.9369
根据计算获得的能量转换系数k与决定系数R2的数据表可知，当k＝4.72×1011时，决定系数R2取得最大值。
根据计算获得的能量转换系数k，再基于步骤三得到的刀具磨损的计算公式，不断带入不同的推力分布系数b，可得到相应的磨损预测值，并计算预测值与步骤一获得已知的刀具磨损实测值之间的决定系数R2，可获得预测精度数据表(b，R2)，如下表4所示：
表4
b 0.5 0.7 0.9 1.09 1.12 1.15 1.18 1.3 1.5
R2 0.7655 0.8601 0.9183 0.9396 0.9400 0.9395 0.9382 0.9249 0.8734
根据计算获得的能量转换系数b与决定系数R2的数据表可知，当b＝1.12时，决定系数R2取得最大值。
步骤五、将步骤四所得结果带入计算得到刀具损坏之前最长的掘进距离，如表5。
表5
滚刀编号 #01 #02 #03 #04 #05 #06 #07 #08 #09
DT(m) 34352 12719 7699 5720 4772 3809 3407 2838 2601
滚刀编号 #10 #11 #12 #13 #14 #15 #16 #17 #18
DT(m) 2414 2199 2017 1900 1756 1657 1588 1472 1426
滚刀编号 #19 #20 #21 #22 #23 #24 #25 #26 #27
DT(m) 1377 1287 1256 1215 1163 1118 1087 1038 1013
滚刀编号 #28 #29 #30 #31 #32 #33 #34 #35 #36
DT(m) 988 957 928 896 864 859 845 817 803
滚刀编号 #37 #38 #39 #40 #41 #42 #43 #44 #45
DT(m) 787 769 749 742 722 712 585 568 558
滚刀编号 #46 #47 #48 #49 #50 #51 #52A #52B
DT(m) 551 538 535 426 421 210 208 208
根据上述实验得到的刀具损坏之前最长的掘进距离，通过实际开舱换刀对刀具的使用状态进行验证和检测，实际工程案例的验证结果如图3所示，可见预测的精确度可达到80％以上，目前尚没有可实时监控刀具磨损状态的监测技术，本发明提出的方法可以在一定程度上对此工程问题提供了技术支撑。
综上所述，本发明实施例提供的一种考虑推力分布和能量转换系数的滚刀正常使用寿命的预测方法对硬岩地层盾构掘进过程中滚刀的正常磨损进行了描述，计算预测了硬岩地层中盾构滚刀正常使用寿命，以便适时、合理评估盾构隧道施工期滚刀切削状态，为滚刀更换及开舱位置选择提供参考。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种滚刀正常使用寿命的预测方法，其特征在于：其包括如下步骤：
步骤S1，确定盾构机和管片几何尺寸参数、岩层的无侧限抗压强度、盾构掘进参数、刀盘刀具配置参数、一段已知区间滚刀正常磨损数据、盾构掘进参数；
步骤S2，根据已知区间的刀具磨损情况，对掘进推力F进行修正，得到修正后的掘进推力F’如式(1)：
F'＝f(r)F (1)，
其中，F为步骤S1中获得的盾构掘进推力，修正系数f(r)的计算公式为：
其中，r为滚刀的安装半径，b为推力分布系数，rw为最外工作刀具的安装半径；
步骤S3，根据步骤S1中获得的相关参数和步骤S2得到的修正后的掘进推力，构建滚刀正常磨损计算模型，得到如下式(3)所示的单个滚刀一环的磨损预测值：
其中，qi为单个滚刀第i环的磨损预测值，ωc为盾构掘进过程中的刀盘转速，r为滚刀的安装半径，ls为管片宽度，F’为修正后的掘进推力，σc为岩样的无侧限抗压强度，v为推进速度，T为刀盘扭矩，k是能量分布系数；
所述滚刀在待测区间的总磨损量可由下式(6)计算得到；
其中，n为待测区间的总环数；
步骤S4，根据一段已知区间滚刀正常磨损数据，结合公式(1)～(3)，通过待定系数的拟合的方法，得到能量转换系数k和推力分布系数b，作为预测后续滚刀磨损量的输入参数；
步骤S5，根据步骤S4得到的能量转换系数k和推力分布系数b，结合公式(3)，得到相应的磨损预测值q，采用下式计算得到每把滚刀损坏之前最长的掘进距离DT，预测未掘进段滚刀正常使用寿命；
其中，q为单个滚刀一环的磨损预测量，wa为滚刀的正常磨损量极限值，ls为管片宽度。
2.根据权利要求1所述的滚刀正常使用寿命的预测方法，其特征在于：所述岩样的无侧限抗压强度σc为在隧道沿线获取地层岩样，对岩样进行无侧限抗压强度试验确定。
3.根据权利要求1所述的滚刀正常使用寿命的预测方法，其特征在于：步骤S4包括：采用一段已知区间滚刀正常磨损数据，假定b值，不断带入不同的能量转换系数k，通过公式(3)计算得到磨损预测值，计算磨损预测值与步骤S1获得已知的刀具磨损实测值之间的决定系数R2，取决定系数R2最高时的能量转换系数k和推力分布系数b作为预测后续滚刀磨损量的输入参数；
其中，决定系数R2采用如下公式计算得到：
其中，j代表刀具的编号，yj代表编号为j的刀具的实际磨损量，N为配置刀具的数量，是采用公式(3)计算得到的滚刀磨损的磨损预测值，即q。
4.根据权利要求3所述的滚刀正常使用寿命的预测方法，其特征在于：步骤S4包括：
步骤S41，先假定b为定值，根据公式(3)，不断带入不同的能量转换系数k，得到相应的磨损预测值，计算各个磨损预测值与步骤S1获得已知的刀具磨损实测值之间的决定系数R2，得到决定系数R2取最大值时的能量转换系数kmax；
步骤S42，根据获得的决定系数R2取最大值时的能量转换系数k，结合公式(3)，不断带入不同的推力分布系数b，得到相应的磨损预测值，计算各个磨损预测值与步骤S1获得已知的刀具磨损实测值之间的决定系数R2，得到决定系数R2取最大值时的能量转换系数bmax；将kmax和bmax作为预测后续滚刀磨损量的输入的能量转换系数k和推力分布系数b。
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