專利名稱：應(yīng)用于盾構(gòu)機(jī)在隧道掘進(jìn)過程中減少滾刀異常損壞的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及盾構(gòu)機(jī)的隧道掘進(jìn)技術(shù)，特別針對(duì)影響滾刀破巖荷載和影響臨界貫入 度的各種因素進(jìn)行了分析，提出一種有效減少滾刀在掘進(jìn)過程中異常損壞的方法。
背景技術(shù)：
隨著盾構(gòu)機(jī)制造技術(shù)的發(fā)展，盾構(gòu)機(jī)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。特別是隨著世界各地 城市地鐵建設(shè)的高速發(fā)展，使盾構(gòu)隧道遇到的地層越來(lái)越復(fù)雜，往往同一條隧道不僅要穿 越土層，同時(shí)也要穿越硬巖。為了滿足這種日益增長(zhǎng)的需要，出現(xiàn)了復(fù)合型盾構(gòu)機(jī)，將傳統(tǒng) 盾構(gòu)機(jī)只適用于土層，擴(kuò)大到了也能應(yīng)用于硬巖地層。但是，大量的工程實(shí)踐證明，盾構(gòu) 機(jī)應(yīng)用于硬巖或復(fù)合地層遇到了很多困難，造成刀具異常損壞嚴(yán)重(刀圈偏磨、軸承損壞 等)，刀具消耗量大，掘進(jìn)效率低下等問題，極大地制約了盾構(gòu)機(jī)在硬巖中的應(yīng)用。因此，如何有效減少滾刀損壞、提高滾刀破巖效率是盾構(gòu)機(jī)在硬巖掘進(jìn)中面臨的 主要難題。

發(fā)明內(nèi)容
基于上述情況，本發(fā)明通過對(duì)硬巖中盾構(gòu)滾刀的損壞情況進(jìn)行大量調(diào)查分析，深 入研究滾刀損壞的主要形式及力學(xué)機(jī)理，目的在于提供一種減少滾刀在掘進(jìn)過程中異常損 壞的方法，以實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)在硬巖中有效減少滾刀損壞、提高滾刀破巖效率、改進(jìn)刀具設(shè)計(jì)與 布置、優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)等。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案一種應(yīng)用于盾構(gòu)機(jī)在隧道掘進(jìn)過程中減少滾刀異常損 壞的方法，包括以下步驟(1)采集滾刀和地層巖石的相關(guān)參數(shù)，包括滾刀半徑、滾刀刀尖寬度、刀尖距、刀尖 壓力分布系數(shù)、滾刀的額定荷載、巖石單軸抗壓強(qiáng)度和巖石抗拉強(qiáng)度；(2)利用上述采集到的相關(guān)參數(shù)計(jì)算滾刀轉(zhuǎn)動(dòng)過程受到的總阻力矩；(3)結(jié)合上述步驟⑴、(2)獲得的相關(guān)參數(shù)計(jì)算出滾刀的臨界最小貫入度和臨界 最大貫入度；(4)調(diào)整盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中的推力，使其實(shí)際貫入度控制在臨界最小貫入度和 臨界最大貫入度的取值范圍之內(nèi)。上述步驟(3)中臨界最小貫入度hmin的計(jì)算公式如下 式中C——無(wú)量綱系數(shù)；R——滾刀半徑；T——滾刀刀尖寬度；
ψ——刀尖壓力分布系數(shù)； S——刀尖距；σ。一巖石單軸抗壓強(qiáng)度；Ot—巖石抗拉強(qiáng)度；Tf——滾刀轉(zhuǎn)動(dòng)過程受到的總阻力矩。上述步驟(3)中臨界最大貫入度hmax的計(jì)算公式如下式中C——無(wú)量綱系數(shù)；R——滾刀半徑；T——滾刀刀尖寬度；ψ——刀尖壓力分布系數(shù)；S——刀尖距；σ。一巖石單軸抗壓強(qiáng)度；σ t—巖石抗拉強(qiáng)度；Fm——滾刀的額定荷載。本發(fā)明所述應(yīng)用于盾構(gòu)機(jī)在隧道掘進(jìn)過程中減少滾刀異常損壞的方法，可以通過 以下具體的步驟實(shí)現(xiàn)(1)采集掘進(jìn)參數(shù)以及滾刀的相關(guān)參數(shù)，包括土艙平均壓力、渣土摩擦系數(shù)、巖石 抗壓強(qiáng)度和滾刀的額定荷載；(2)根據(jù)土艙平均壓力和摩擦阻力矩的關(guān)系曲線圖，查表獲得在上述步驟(1)中 采集的渣土摩擦系數(shù)時(shí)滾刀轉(zhuǎn)動(dòng)過程受到的總阻力矩，即摩擦阻力矩；(3)根據(jù)臨界最小貫入度和摩擦阻力矩的關(guān)系曲線圖，查表獲得在上述步驟(1) 中采集的巖石抗壓強(qiáng)度下滾刀的臨界最小貫入度；(4)根據(jù)臨界最大貫入度和巖石抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線圖，查表獲得在上述步驟 (1)中采集的滾刀的額定荷載下滾刀的臨界最大貫入度；(5)調(diào)整盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中的推力，使其實(shí)際貫入度控制在臨界最小貫入度和 臨界最大貫入度的取值范圍之內(nèi)。此外，本發(fā)明所述應(yīng)用于盾構(gòu)機(jī)在隧道掘進(jìn)過程中減少滾刀異常損壞的方法，也 可以通過以下具體的步驟實(shí)現(xiàn)(1)采集掘進(jìn)參數(shù)以及滾刀的相關(guān)參數(shù)，包括土艙平均壓力、渣土摩擦系數(shù)、巖石 抗壓強(qiáng)度和滾刀的刀尖寬度；(2)根據(jù)土艙平均壓力和摩擦阻力矩的關(guān)系曲線圖，查表獲得在上述步驟(1)中 采集的渣土摩擦系數(shù)時(shí)滾刀轉(zhuǎn)動(dòng)過程受到的總阻力矩，即摩擦阻力矩；(3)根據(jù)臨界最小貫入度和摩擦阻力矩的關(guān)系曲線圖，查表獲得在上述步驟(1) 中采集的巖石抗壓強(qiáng)度下滾刀的臨界最小貫入度；(4)根據(jù)臨界最大貫入度和巖石抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線圖，查表獲得在上述步驟(1)中采集的滾刀的刀尖寬度下滾刀的臨界最大貫入度；(5)調(diào)整盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中的推力，使其實(shí)際貫入度控制在臨界最小貫入度和 臨界最大貫入度的取值范圍之內(nèi)。其中，上述述步驟(3)的臨界最小貫入度和摩擦阻力矩的關(guān)系曲線圖中，如果沒 有采集到的摩擦系數(shù)或巖石抗壓強(qiáng)度的曲線，首先查找相鄰的曲線值，然后通過插值法估 算相應(yīng)參數(shù)值的摩擦阻力矩或臨界最小貫入度。步驟(4)的臨界最大貫入度和巖石抗壓強(qiáng) 度的關(guān)系曲線圖中，如果沒有采集到的滾刀的額定荷載或刀尖寬度的曲線，首先查找相鄰 的曲線值，然后通過插值法估算相應(yīng)參數(shù)值的臨界最大貫入度。本發(fā)明通過對(duì)盾構(gòu)機(jī)滾刀的損壞情況進(jìn)行調(diào)查分析，通過對(duì)滾刀損壞的力學(xué)機(jī)理 進(jìn)行研究，應(yīng)用CSM模型對(duì)滾刀破巖荷載進(jìn)行求解，得到了滾刀損壞的臨界最大貫入度和 滾刀不能轉(zhuǎn)動(dòng)(偏磨)的臨界最小貫入度計(jì)算方式，并對(duì)影響滾刀破巖荷載和影響臨界貫 入度的各種因素進(jìn)行了分析，提出一種減少滾刀在掘進(jìn)過程中異常損壞的方法，根據(jù)掘進(jìn) 過程的巖石強(qiáng)度和刀具磨損情況的變化調(diào)整貫入度范圍，使其控制在臨界最小貫入度和臨 界最大貫入度之間，從而減少了盾構(gòu)機(jī)在硬巖中的滾刀異常損壞、提高了滾刀破巖效率、改 進(jìn)刀具設(shè)計(jì)與布置、優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)等。


圖1(a)、圖1(b)為滾刀的受力分析示意圖；圖2為本發(fā)明所述接觸角φ與貫入度h的關(guān)系曲線圖；圖3為本發(fā)明所述沒《(一2)與貫入度h的關(guān)系曲線圖；圖4為本發(fā)明所述滾刀的結(jié)構(gòu)尺寸示意圖；圖5為本發(fā)明所述滾刀摩擦阻力矩與土艙平均壓力的關(guān)系曲線圖；圖6為本發(fā)明所述臨界最小貫入度與滾刀摩擦阻力矩的關(guān)系曲線圖；圖7為本發(fā)明所述臨界最大貫入度與巖石單軸抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線圖之一(刀尖 寬度為2Omm)；圖8為本發(fā)明所述臨界最大貫入度與巖石單軸抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線圖之二(額定 荷載為250kN)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。1.滾刀損壞的主要形式及原因經(jīng)過大量調(diào)查分析，硬巖中滾刀損壞形式雖有多種多樣，但歸納起來(lái)可以分為刀 圈損壞、軸承損壞、油封損壞以及其它損壞等四類，其中刀圈偏磨、軸承損壞是最常見的損 壞形式。2.滾刀損壞機(jī)理的力學(xué)分析2. 1.滾刀受力分析如圖1(a)、圖1(b)所示，破巖過程中滾刀受到的外力包括巖石對(duì)刀刃的作用力、 巖渣對(duì)刀具表面的摩擦力、軸承等阻力矩等。其中巖石對(duì)刀刃的作用力Ft可以分解為垂 直于巖石開挖面的法向力Fru平行于巖面的切削力Fr以及平行于刀軸的側(cè)向力Fs。一般地，滾刀側(cè)向力較小，計(jì)算時(shí)略去不記。巖渣對(duì)刀具表面的摩阻力對(duì)滾刀的作用可以用阻力 矩表示，包括刀圈阻力矩Tq和刀體阻力矩Tt。滾刀自身轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力矩一般稱作起動(dòng)扭矩 To02. 2.滾刀破巖切削力模型有關(guān)盤形滾刀破巖切削力的計(jì)算模型經(jīng)歷了由單因素預(yù)測(cè)模型到多因素預(yù)測(cè)模 型的變化，其中CSM模型是最著名、應(yīng)用最廣的模型之一。2. 2. 1.切削力模型——CSM模型CSM模型是根據(jù)滾刀的切削破巖試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的，經(jīng)過多次完善形成的一個(gè)比較 成熟的模型，其計(jì)算公式如下

式中Ft——滾刀所受合力，kN
R——滾刀半徑，mm ；
T——滾刀刀尖寬度，mm; ψ—刀尖壓力分布系數(shù)，隨刀尖寬度增加而減小，Ψ = 0. 2 -0. 2 ；φ——滾刀刀刃與巖石接觸角度(弧度) h——刀盤旋轉(zhuǎn)一周切入深度，即貫入度，mm ；P0——破碎區(qū)壓力，與巖石強(qiáng)度、滾刀尺寸、刀刃形狀有關(guān)

式中_巖石單軸抗壓強(qiáng)度，MPa; -巖石抗拉強(qiáng)度，MPa ；S--刀尖距，mm；C-_類似于Φ角的無(wú)量綱系數(shù)，C ≈ 2. 12。式(1)是滾刀所受合力的計(jì)算公式，垂直力和水平力根據(jù)下式計(jì)算 式中
Fr——滾刀水平(切向)切削力； Fn~滾刀垂直(法向)推力。該模型來(lái)源于室內(nèi)巖石切削試驗(yàn)數(shù)據(jù)，考慮了巖石強(qiáng)度、刀具結(jié)構(gòu)尺寸以及掘進(jìn) 貫入度等的影響，考慮因素比較全面，在很多工程中得到驗(yàn)證，計(jì)算準(zhǔn)確率較高。2. 2. 2. CSM切削力模型的簡(jiǎn)化可以看出將式(2)、(3)代入式(1)后得到的滾刀合力表達(dá)式非常復(fù)雜，且是關(guān)于滾刀貫入度的超越方程，無(wú)法直接求解，不便于應(yīng)用，為此需對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化。在硬巖中，貫入度一般較小(一般小于30mm)，對(duì)于常用的17”滾刀(Φ432πιπι)，根 據(jù)式(2)得到的滾刀刀刃與巖石接觸角度Φ與貫入度h的關(guān)系曲線如圖2所示。經(jīng)回歸處理，得到的兩者關(guān)系為Φ = 0. 0958h°·504( 5)回歸方程式的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.998，此式的平均誤差僅-0.05%，最大誤差 0. 27%，滿足工程應(yīng)用要求。同樣，對(duì) (I)進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到^^與貫入度h的關(guān)系曲線如圖3所示，經(jīng)回歸處 理，得到的兩者關(guān)系為 上式的平均誤差僅-0. 026%，故這種簡(jiǎn)化是合理的。將式(5)、(6)代入式(1)、(4)，整理得 2. 3.滾刀破巖過程轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算2. 3. 1.滾刀轉(zhuǎn)動(dòng)阻力矩計(jì)算滾刀破巖過程受到的轉(zhuǎn)動(dòng)阻力矩包括巖渣對(duì)刀圈表面和刀體表面摩擦力產(chǎn)生的 阻力矩以及滾刀本身的轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩(即起動(dòng)扭矩)。刀圈表面受到巖渣的摩擦阻力矩為Tq = μ AqpRq(9)式中Tq——刀圈表面所受到巖渣的摩擦阻力矩，N. m ；μ——漁土與滾刀表面摩擦系數(shù)，無(wú)量綱；P——巖渣對(duì)刀圈表面的平均壓力(土艙平均壓力)，kg/cm2 ；Aq——滾刀刀圈表面積，mm2 ；Rq——刀圈到滾刀中心的平均半徑，mm。刀體表面受到巖渣的摩擦阻力矩為Tt= μ AtpRt(10)式中Tt——刀體表面所受到巖渣的摩擦阻力矩，N. m ；At——滾刀刀體表面積，mm2 ；Rt——刀體表面到滾刀中心的平均半徑，mm。則滾刀破巖過程受到的轉(zhuǎn)動(dòng)總阻力矩為Tf = Tq+Tt+T0(11)轉(zhuǎn)，即產(chǎn)生偏磨。故滾刀偏磨的臨界條件可以表達(dá)為
0130]Ta = Tf
0131]將式(12)代入得
CR2T
式中
Tf——滾刀轉(zhuǎn)動(dòng)過程受到的總阻力矩，N. m
0117]
0118]
0119]
0120]
0121]驅(qū)動(dòng)滾刀自轉(zhuǎn)的主動(dòng)力矩Ta是由滾刀破巖過程所受到的切削力提供的
0122]Ta = Fr-R
0123]將式(8)代入上式得
T0——滾刀的起動(dòng)扭矩，N. m ； 2. 3. 2.滾刀破巖驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算
0124] Te =
CRtT
S
99.3(1+
-<τ, σ, χ
0.S3S
(12)
0125]
0126]
0127]
0128] 0129]
式中 Ta—
-滾刀切削力所產(chǎn)生的主動(dòng)力矩，N. m ；其它符號(hào)同前,
3.滾刀不轉(zhuǎn)或過載的臨界貫入度計(jì)算 3. 1.滾刀不轉(zhuǎn)(偏磨)的臨界貫入度
當(dāng)驅(qū)動(dòng)滾刀自轉(zhuǎn)的主動(dòng)力矩Ta小于滾刀所受到的轉(zhuǎn)動(dòng)阻力矩Tf時(shí)，滾刀無(wú)法自
(13)
0132]
0133]
0134]
0135]
0136]
移項(xiàng)整理得
Y
式中Fm—滾刀的額定荷載，kN ； 將式(J)代入得
(16)
式即是防止?jié)L刀偏磨的臨界最小貫入度hmin的計(jì)算公式。 3.2.滾刀過載(損壞)的臨界貫入度
滾刀所受荷載(合力)與貫入度成正比，當(dāng)貫入度太大時(shí)，將導(dǎo)致滾刀過載(即滾 刀所受荷載Ft大于額定荷載Fm)，使刀圈或軸承損壞。故滾刀過載(損壞)的臨界條件可 以表達(dá)為
0138]
0139]
0140]
0141]
0142]
0143]
移項(xiàng)整理得
上式即是防止?jié)L刀過載損壞的臨界最大貫入度hmax的計(jì)算公式,
4.計(jì)算結(jié)果及應(yīng)用示例4. 1.計(jì)算參數(shù)及結(jié)果(1)計(jì)算參數(shù)以目前直徑6米左右盾構(gòu)機(jī)上最常用的17”滾刀為例，相關(guān)計(jì)算參數(shù)取值如下(滾 刀結(jié)構(gòu)見圖4)，其中滾刀半徑R = 216匪滾刀刀尖寬度T = 20_刀尖距S= IOOmm滾刀額定荷載Fm = 250kN滾刀刀體表面積At = 146000mm2滾刀刀體到中心的平均半徑為Rt = 150mm滾刀刀圈表面積Aq = 187000mm2刀圈到中心的平均半徑為Rq = 190mm刀尖壓力分布系數(shù)Ψ = 0. 15巖渣與滾刀表面摩擦系數(shù)μ =0.1巖石抗壓強(qiáng)度σ c = IOOMpa巖石抗拉強(qiáng)度σ t = IOMpa滾刀貫入度h= 10mm/rev滾刀的起動(dòng)扭矩T。= 30Ν. m ；土艙平均壓力(作為巖渣對(duì)刀圈表面的平均壓力)p = 1. Okg/cm2(2)計(jì)算結(jié)果根據(jù)式(7) (18)，相關(guān)參數(shù)計(jì)算結(jié)果如下滾刀所受合力Ft = 192. 8kN滾刀所受切削力Fr = 29. 3kN刀刃與巖石接觸角Φ = 17. 7度刀圈表面所受到巖渣的摩擦阻力矩Tq = 355. 3N. m ；刀體表面所受到巖渣的摩擦阻力矩Tt = 219N. m ；滾刀轉(zhuǎn)動(dòng)過程受到的總阻力矩Tf = 604. 3N. m ；滾刀切削力所產(chǎn)生的主動(dòng)力矩Ta = 6337N. m ；臨界最小貫入度hmin = 0. 6mm臨界最大貫入度hmax = 21. 6mm根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，在該類地層中掘進(jìn)過程滾刀貫入度h應(yīng)控制在0. 6mm 21. 6mm范圍，這樣可保證滾刀既不會(huì)因不轉(zhuǎn)而偏磨，也不會(huì)因過載而損壞。4. 2.應(yīng)用說明及示例上述計(jì)算公式過于繁雜，為便于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，將計(jì)算公式制成曲線圖(見圖5 8)。4. 2. 1.臨界最小貫入度圖表使用示例例如土艙平均壓力(作為巖渣對(duì)刀圈表面的平均壓力)p = 1. Okg/cm2，渣土摩 擦系數(shù)(渣土與滾刀表面摩擦系數(shù))μ = 0. 2，巖石抗壓強(qiáng)度(巖石單軸抗壓強(qiáng)度)σ c = 30Mpa，從圖5、圖6分兩步可查出臨界最小貫入度值
11
第1步根據(jù)土艙平均壓力p=l. Okg/cm2和渣土摩擦系數(shù)μ = 0. 2，由圖5可查 出滾刀摩擦阻力矩(滾刀轉(zhuǎn)動(dòng)過程受到的總阻力矩)Tf 1170N.m;第2步根據(jù)摩擦阻力矩Tf = 1170N.m和巖石抗壓強(qiáng)度σ c = 30Mpa，可由圖6查 出滾刀臨界最小貫入度hmin ^ 5. 5mm/rev,即貫入度h必須大于5. 5mm/rev才能防止?jié)L刀偏磨。在使用圖5、6時(shí)，需要說明①對(duì)于圖表中沒有的摩擦系數(shù)和巖石抗壓強(qiáng)度曲線，可先查找相鄰曲線值，然后 采用插值法估算。②渣土摩擦系數(shù)可由試驗(yàn)測(cè)定，一般可取μ =0. 15 0.35，巖石抗壓強(qiáng)度oc可 參照巖土工程勘察報(bào)告給出。4.2.2.臨界最大貫入度圖表使用示例例1 巖石抗壓強(qiáng)度σ c = lOOMpa，刀尖寬度為20mm，滾刀最大許用承載力(滾刀 的額定荷載)Fmax分別為200kN和250kN，則由圖7可查出滾刀臨界最大貫入度hmax分別為 Ilmm和21mm，即貫入度h必須小于相應(yīng)值才能防止?jié)L刀過載破壞?？梢姖L刀額定荷載對(duì)滾 刀臨界最大貫入度有很大影響。例2 巖石抗壓強(qiáng)度σ c = lOOMpa，滾刀最大許用承載力Fmax = 250kN，刀尖寬度 分別為20mm和30mm，則由圖8可查出滾刀臨界最大貫入度hmax分別為21mm和8mm，可見刀 尖寬度增加時(shí)，臨界最大貫入度顯著減小。故滾刀磨損后應(yīng)減小貫入度或及時(shí)更換刀具。在使用圖7、8時(shí)，需要說明①對(duì)于圖表中未出現(xiàn)的滾刀最大許用承載力曲線，可先查找相鄰曲線值，然后采 用插值法估算。②17〃滾刀(直徑Φ 432mm)的最大許用承載力一般不超過250kN，正常情況下可 取 Fmax = 200kN 250kN。③根據(jù)以上各圖求出臨界最小貫入度hmin和臨界最大貫入度hmax后，掘進(jìn)過程中 應(yīng)調(diào)整推力，使實(shí)際貫入度h控制在以下范圍hmin < h < hmax。5.結(jié)論如何有效減少滾刀損壞、提高滾刀破巖效率是盾構(gòu)機(jī)在硬巖中掘進(jìn)面臨的主要難 題。本發(fā)明通過對(duì)滾刀破巖過程的受力進(jìn)行分析，應(yīng)用CSM模型對(duì)滾刀破巖荷載進(jìn)行計(jì)算， 由此得到了滾刀損壞的臨界最大貫入度；根據(jù)滾刀的切削力計(jì)算了驅(qū)動(dòng)滾刀自轉(zhuǎn)的主動(dòng)力 矩，又根據(jù)巖渣對(duì)滾刀表面的摩擦阻力計(jì)算出滾刀轉(zhuǎn)動(dòng)阻力矩，利用兩者的平衡關(guān)系得到 了滾刀不轉(zhuǎn)(偏磨)的臨界最小貫入度。為了便于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，將上述計(jì)算公式制成了曲線 圖，并給出了應(yīng)用示例。本發(fā)明對(duì)影響滾刀破巖荷載的各種因素以及影響臨界貫入度的各種因素進(jìn)行了 分析，得到以下結(jié)論(1)驅(qū)動(dòng)滾刀自轉(zhuǎn)的主動(dòng)力矩是由滾刀破巖過程所受到的切削力產(chǎn)生的，當(dāng)主動(dòng) 力矩小于滾刀所受到的轉(zhuǎn)動(dòng)阻力矩時(shí)，滾刀無(wú)法自轉(zhuǎn)，即產(chǎn)生偏磨。(2)滾刀所受荷載與貫入度成正比，當(dāng)貫入度太大時(shí)，將導(dǎo)致滾刀過載，使刀圈或 軸承損壞，掘進(jìn)過程應(yīng)保證滾刀所受的荷載小于其額定荷載。(3)其它條件相同情況下，滾刀荷載隨刀尖寬度增加近似成線性增加，隨著刀刃磨損，滾刀荷載急劇增長(zhǎng)，故硬巖掘進(jìn)中應(yīng)及時(shí)更換磨損刀具。(4)滾刀荷載隨巖石單軸抗壓強(qiáng)度增加而增加，硬巖掘進(jìn)過程應(yīng)注意根據(jù)巖石強(qiáng) 度的變化調(diào)整掘進(jìn)貫入度。(5)臨界最大貫入度隨巖石抗壓強(qiáng)度增加而急劇減小，在硬巖中應(yīng)降低貫入度，并 以貫入度來(lái)控制推力，以免滾刀過載而破壞。
權(quán)利要求
一種應(yīng)用于盾構(gòu)機(jī)在隧道掘進(jìn)過程中減少滾刀異常損壞的方法，其特征在于，包括以下步驟(1)采集滾刀和地層巖石的相關(guān)參數(shù)，包括滾刀半徑、滾刀刀尖寬度、刀尖距、刀尖壓力分布系數(shù)、滾刀的額定荷載、巖石單軸抗壓強(qiáng)度和巖石抗拉強(qiáng)度；(2)利用上述采集到的相關(guān)參數(shù)計(jì)算滾刀轉(zhuǎn)動(dòng)過程受到的總阻力矩；(3)結(jié)合上述步驟(1)、(2)獲得的相關(guān)參數(shù)計(jì)算出盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中的臨界最小貫入度和臨界最大貫入度；(4)調(diào)整盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中的推力，使其實(shí)際貫入度控制在臨界最小貫入度和臨界最大貫入度的取值范圍之內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述應(yīng)用于盾構(gòu)機(jī)在隧道掘進(jìn)過程中減少滾刀異常損壞的方法，其 特征在于，所述步驟(3)中臨界最小貫入度hmin的計(jì)算公式如下 式中C——無(wú)量綱系數(shù)；R——滾刀半徑；T——滾刀刀尖寬度；ψ——刀尖壓力分布系數(shù)；S——刀尖距；σ?！獛r石單軸抗壓強(qiáng)度；ο t——巖石抗拉強(qiáng)度；Tf——滾刀轉(zhuǎn)動(dòng)過程受到的總阻力矩。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述應(yīng)用于盾構(gòu)機(jī)在隧道掘進(jìn)過程中減少滾刀異常損壞的方法，其 特征在于，所述滾刀轉(zhuǎn)動(dòng)過程受到的總阻力矩Tf的計(jì)算公式為Tf = Tq+Tt+T0 式中Tq——刀圈表面所受到巖渣的摩擦阻力矩； Tt——刀體表面所受到巖渣的摩擦阻力矩； T0——滾刀的起動(dòng)扭矩。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述應(yīng)用于盾構(gòu)機(jī)在隧道掘進(jìn)過程中減少滾刀異常損壞的方法，其 特征在于，所述刀圈表面所受到巖渣的摩擦阻力矩Tq的計(jì)算公式為Tq= U AqpRq 式中μ——漁土與滾刀表面摩擦系數(shù)； P——巖渣對(duì)刀圈表面的平均壓力； Aq——滾刀刀圈表面積； Rq——刀圈到滾刀中心的平均半徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述應(yīng)用于盾構(gòu)機(jī)在隧道掘進(jìn)過程中減少滾刀異常損壞的方法，其特征在于，所述刀體表面所受到巖渣的摩擦阻力矩Tt的計(jì)算公式為 Tt = μ AtpRt 式中μ——漁土與滾刀表面摩擦系數(shù)； P——巖渣對(duì)刀圈表面的平均壓力； At——滾刀刀體表面積； Rt——刀體表面到滾刀中心的平均半徑。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述應(yīng)用于盾構(gòu)機(jī)在隧道掘進(jìn)過程中減少滾刀異常損壞的方法，其 特征在于，所述步驟(3)中臨界最大貫入度hmax的計(jì)算公式如下式中 C——無(wú)量綱系數(shù)； R——滾刀半徑； T——滾刀刀尖寬度； ψ——刀尖壓力分布系數(shù)； S——刀尖距； σ?！獛r石單軸抗壓強(qiáng)度； ο t——巖石抗拉強(qiáng)度； Fm——滾刀的額定荷載。
7.一種應(yīng)用于盾構(gòu)機(jī)在隧道掘進(jìn)過程中減少滾刀異常損壞的方法，其特征在于，包括 以下具體步驟(1)采集滾刀和地層巖石的相關(guān)參數(shù)，包括土艙平均壓力、渣土摩擦系數(shù)、巖石抗壓強(qiáng) 度和滾刀的額定荷載；(2)根據(jù)土艙平均壓力和摩擦阻力矩的關(guān)系曲線圖，查表獲得在上述步驟(1)中采集 的渣土摩擦系數(shù)時(shí)滾刀轉(zhuǎn)動(dòng)過程受到的總阻力矩，即摩擦阻力矩；(3)根據(jù)臨界最小貫入度和摩擦阻力矩的關(guān)系曲線圖，查表獲得在上述步驟(1)中采 集的巖石抗壓強(qiáng)度下滾刀的臨界最小貫入度；(4)根據(jù)臨界最大貫入度和巖石抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線圖，查表獲得在上述步驟(1)中 采集的滾刀的額定荷載下滾刀的臨界最大貫入度；(5)調(diào)整盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中的推力，使其實(shí)際貫入度控制在臨界最小貫入度和臨界 最大貫入度的取值范圍之內(nèi)。
8.一種應(yīng)用于盾構(gòu)機(jī)在隧道掘進(jìn)過程中減少滾刀異常損壞的方法，其特征在于，包括 以下具體步驟(1)采集滾刀和地層巖石的相關(guān)參數(shù)，包括土艙平均壓力、渣土摩擦系數(shù)、巖石抗壓強(qiáng) 度和滾刀的刀尖寬度；(2)根據(jù)土艙平均壓力和摩擦阻力矩的關(guān)系曲線圖，查表獲得在上述步驟(1)中采集 的渣土摩擦系數(shù)時(shí)滾刀轉(zhuǎn)動(dòng)過程受到的總阻力矩，即摩擦阻力矩；(3)根據(jù)臨界最小貫入度和摩擦阻力矩的關(guān)系曲線圖，查表獲得在上述步驟(1)中采 集的巖石抗壓強(qiáng)度下滾刀的臨界最小貫入度；(4)根據(jù)臨界最大貫入度和巖石抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線圖，查表獲得在上述步驟(1)中 采集的滾刀的刀尖寬度下滾刀的臨界最大貫入度；(5)調(diào)整盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中的推力，使其實(shí)際貫入度控制在臨界最小貫入度和臨界 最大貫入度的取值范圍之內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述應(yīng)用于盾構(gòu)機(jī)在隧道掘進(jìn)過程中減少滾刀異常損壞的方 法，其特征在于，所述步驟(3)的臨界最小貫入度和摩擦阻力矩的關(guān)系曲線圖中，如果沒有 采集到的摩擦系數(shù)或巖石抗壓強(qiáng)度的曲線，首先查找相鄰的曲線值，然后通過插值法估算 相應(yīng)參數(shù)值的摩擦阻力矩或臨界最小貫入度。
10.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述應(yīng)用于盾構(gòu)機(jī)在隧道掘進(jìn)過程中減少滾刀異常損壞的方 法，其特征在于，所述步驟(4)的臨界最大貫入度和巖石抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線圖中，如果沒 有采集到的滾刀的額定荷載或刀尖寬度的曲線，首先查找相鄰的曲線值，然后通過插值法 估算相應(yīng)參數(shù)值的臨界最大貫入度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于盾構(gòu)機(jī)在隧道掘進(jìn)過程中減少滾刀異常損壞的方法，通過采集滾刀和地層巖石的相關(guān)參數(shù)，計(jì)算得出盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中的臨界最小貫入度和臨界最大貫入度，進(jìn)而調(diào)整盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中的推力，使其實(shí)際貫入度控制在臨界最小貫入度和臨界最大貫入度的取值范圍之內(nèi)。該方法可以根據(jù)掘進(jìn)過程的巖石強(qiáng)度和刀具磨損情況的變化調(diào)整貫入度范圍，使其控制在臨界最小和最大貫入度之間，從而減少了盾構(gòu)機(jī)在硬巖掘進(jìn)中的滾刀異常損壞、提高了滾刀破巖效率、改進(jìn)刀具設(shè)計(jì)與布置、優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)等。
文檔編號(hào)E21D9/08GK101899981SQ20101025160
公開日2010年12月1日 申請(qǐng)日期2010年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月10日
發(fā)明者張厚美 申請(qǐng)人:廣州市盾建地下工程有限公司