本發(fā)明為一種隧道工程預切槽設(shè)備的布刀方法，涉及不同地質(zhì)條件下多目標的隧道預切槽設(shè)備的鏈刀布置方法。
背景技術(shù)：
：預切槽法是一種獨特的隧道施工技術(shù)，是利用刀梁上的鏈刀沿隧道斷面外輪廓超前于掌子面切出周邊槽,同時灌注混凝土形成超前支護結(jié)構(gòu)的施工工法。隨著我國軟弱地層隧道工程項目越來越多，對預切槽設(shè)備的需求量逐漸增加。目前國內(nèi)外隧道預切槽設(shè)備都處于起步階段，因此，加大對預切槽設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)力度勢在必行。鏈式切刀是預切槽設(shè)備上進行巖槽開挖的關(guān)鍵部件，鏈刀在鏈條上不同的布置方式會對預切槽設(shè)備的切削效率、排渣性、鏈刀的載荷分布產(chǎn)生不同的影響，進而影響整體的外載特性。目前有關(guān)預切槽設(shè)備鏈刀布刀的設(shè)計方法多依賴經(jīng)驗且無法對預切槽設(shè)備鏈刀的切削性能進行系統(tǒng)評估，導致其地質(zhì)適應性差、渣土排出性能不好。關(guān)于鏈刀布置方式的研究，在國外文獻中，主要針對其破巖機理展開研究，而沒有涉及鏈條上鏈刀布置方法的研究。中國專利“循環(huán)鏈刀”(專利號9411925.3)，設(shè)計出了一種上面設(shè)有若干組用來在地面中開溝的刀件的一種循環(huán)鏈刀，給出了鏈刀布置的基本原則，但未給出在本原則下衡量不同種布置方式的指標以及具體的設(shè)計方法，未研究如何針對不同的地質(zhì)條件和施工參數(shù)對鏈條上的鏈刀布刀。本發(fā)明的目的是提出一種針對具體地質(zhì)條件，能夠?qū)崿F(xiàn)高效開挖切槽、排渣性能好、具備地質(zhì)適應性的隧道工程用預切槽設(shè)備鏈刀的布刀方法。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明目的為研究一種隧道預切槽設(shè)備的布刀方法，提供一種考慮地質(zhì)條件、破巖效率、刀具壽命的刀具布置正向設(shè)計方法，以及提供一套完整科學的評價指標和評價方法。本
發(fā)明內(nèi)容采用的技術(shù)方案：給出了一種隧道預切槽設(shè)備鏈刀布置的設(shè)計方法，其特征是，首先確定鏈刀布置的相關(guān)參數(shù)，包括鏈刀的前后刀間距、鏈刀組數(shù)、每組鏈刀個數(shù)、每組鏈刀布置形式，然后建立預切槽設(shè)備鏈刀布置模型，最后根據(jù)預切槽設(shè)備鏈刀布置評定指標采用多模塊數(shù)值模擬仿真分析對預切槽設(shè)備鏈刀布置模型進行評價。如上所述的鏈刀的前后刀間距，其特征是，根據(jù)預切槽設(shè)備鏈條截距尺寸確定刀間距，分為以下幾步進行：1)根據(jù)預切槽設(shè)備鏈刀模型、切削速度、切削深度、巖土種類，建立預切槽設(shè)備鏈刀切削巖土受力模型，由如下公式確定：Fx＝η·σs·h·B·sinδ式中:σs為巖土屈服極限、h為切削深度、B為切削寬度、δ為切削角、η為無量綱系數(shù)，取決于鏈刀結(jié)構(gòu)參數(shù)和切削速度；2)根據(jù)預切槽設(shè)備鏈刀切削巖土受力模型和預切槽設(shè)備設(shè)計目標進行鏈條的選型計算，確定鏈條截距L0，從而確定鏈刀的前后刀間距。如上所述的每組鏈刀個數(shù)，其特征是，要保證每組鏈刀能夠覆蓋到整個切削寬度，分為以下幾步進行：1)根據(jù)如上所述的預切槽設(shè)備鏈刀切削巖土受力模型進行鏈刀截面尺寸計算，確定鏈刀寬度尺寸；2)根據(jù)每組刀具能夠覆蓋到整個切削寬度，得到每組鏈刀個數(shù)，由如下公式確定：式中：n表示每組鏈刀個數(shù)，D表示切槽寬度，d表示鏈刀寬度尺寸。如上所述的每組鏈刀布置形式，其特征是分為鏈刀組件種類、沿鏈條方向每組鏈刀的布置原則、每組鏈刀組件個數(shù)、附加組件四個部分，具體如下：1)鏈刀組件種類有單把直鏈刀，雙把直鏈刀，雙把斜鏈刀三種；增大刀座寬度，可以布置三把鏈刀，具體包括三把直鏈刀，中間直鏈刀兩側(cè)斜鏈刀兩種；2)沿鏈條方向每組鏈刀的布置原則包括從單刀到雙刀布刀、從中間向兩側(cè)布刀、反向從中間向兩側(cè)布刀、交錯布刀、雙刀在前布刀五種原則；3)每組鏈刀組件個數(shù)由所選布置原則以及鏈刀種類決定，至少布置3個以上刀座以保證刀具壽命：n0＝n1+n2+n3式中:n0表示每組鏈刀組件個數(shù)，n1表示每組鏈刀組件中單把鏈刀組件的個數(shù)，n2表示每組鏈刀中雙把鏈刀組件的個數(shù)，n3表示每組鏈刀中三把鏈刀組件的個數(shù)；4)根據(jù)已確定的每組鏈刀個數(shù)、每組鏈刀組件個數(shù)、鏈刀組件種類、沿鏈條方向每組鏈刀的布置原則，可以確定每把鏈刀的布置位置。5)每兩組鏈刀后布置刮土板作為附加組件。如上所述的鏈刀組數(shù)，其特征是由鏈條總長、每組鏈刀布置形式、每組鏈刀個數(shù)綜合考慮確定的，具體公式如下：式中：N表示鏈刀組數(shù)，L表示鏈條總長。如上所述的預切槽設(shè)備鏈刀布置模型，其特征是利用計算機輔助設(shè)計軟件將預切槽設(shè)備鏈刀布置的布置參數(shù)整合，生成的三維實體模型。如上所述的預切槽設(shè)備鏈刀布置評定指標，其特征是要在初步設(shè)計后，對已確立的方案進行評定，生成預切槽設(shè)備鏈刀布置方案報告，具體包括：1)切槽完成度ω，指實際切削后切槽寬度與計劃切槽寬度的比值的百分數(shù)，具體公式如下：ω＝DS/D×100％式中:DS為實際切削后的切槽寬度，ω值反映了刀具布置的實際切削效果能否達到預計效果；2)鏈刀受力均勻度Л，包括單刀受力均勻度Л1和鏈刀分布受力均勻度Л2，其中Л1反映每把刀在切削過程中的受力是否均勻，Л2反映了每組鏈刀內(nèi)部每個鏈刀的受力是否均勻，其具體計算公式如下：式中:Fi(t)為每組鏈刀中第i把鏈刀在切削過程中的切削力函數(shù)，為第i把刀在切削過程中的平均切削力，為每組內(nèi)鏈刀的平均切削力；3)切削比能耗SE，SE值反映了鏈刀切削巖土的切削效率，其計算公式如下：式中：V表示被切削下來的巖土體積；4)排渣性能η，反映了預切槽設(shè)備鏈刀排出渣土的能力，其計算公式如下：η＝VS/(VS+VP)×100％式中：VS為刀組內(nèi)殘余渣土體積，VP為排出渣土的體積。如上所述的多模塊數(shù)值模擬仿真分析，其特征是通過計算機輔助工程軟件對預切槽設(shè)備鏈刀切削巖土的過程進行簡化模擬，得到鏈刀布置評定指標參數(shù)，具體包括：1)LS-DYNA預切槽設(shè)備單組鏈刀破巖仿真模塊；2)EDEM預切槽設(shè)備單組鏈刀排渣仿真模塊。如上所述的LS-DYNA預切槽設(shè)備單組鏈刀破巖仿真模塊，其特征是，建立不同種布置方式的單組鏈刀破巖模型，其中巖石模型的材料參數(shù)可以根據(jù)實際工況確定，保證了所設(shè)計刀具的地質(zhì)適應性，并且能夠得到組內(nèi)每把鏈刀的切削力和破巖量，由此計算切削比能耗。具體實施步驟如下：1)導入預切槽設(shè)備鏈刀布置模型，建立預切槽設(shè)備鏈刀破巖模型；2)指定邊界條件；3)求解輸出，得到鏈刀切削力、破巖量，計算比能耗。如上所述的EDEM預切槽設(shè)備單組鏈刀排渣仿真模塊，其特征是能夠模擬不同種布置方式的單組鏈刀在渣土中移動的過程，得到排出渣土的量和殘留在鏈刀之間的渣土量，具體實施步驟如下：1)導入預切槽設(shè)備鏈刀布置模型，建立預切槽設(shè)備單組鏈刀排渣模型；2)在渣土腔中生成模擬渣土；3)將鏈刀模型從渣土腔中移動出，統(tǒng)計排渣量與渣土殘留量。附圖說明本發(fā)明可從下面結(jié)合附圖所作的限用舉例的描述獲得進一步理解，在附圖中：圖1為隧道預切槽設(shè)備布刀方法流程圖；圖2為預切槽設(shè)備鏈刀切削巖土受力模型；圖3為預切槽設(shè)備的環(huán)形鏈刀的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖4a為預切槽設(shè)備鏈刀布置的主視圖；圖4b為鏈刀組件種類的說明圖；圖5為預切槽設(shè)備鏈刀沿鏈條方向的布置原則說明圖；圖6為LS-DYNA預切槽設(shè)備單組鏈刀破巖仿真模型圖；圖7為EDEM預切槽設(shè)備單組鏈刀排渣仿真模型圖；圖8為LS-DYNA預切槽設(shè)備單組鏈刀破巖仿真中直鏈刀切削力變化曲線；圖9為LS-DYNA預切槽設(shè)備單組鏈刀破巖仿真中各個鏈刀平均水平載荷；圖10為LS-DYNA預切槽設(shè)備單組鏈刀破巖仿真比能耗曲線；具體實施方式結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明的實施過程，本發(fā)明以預切槽設(shè)備切削砂巖為例，可以針對不同地質(zhì)條件選擇不同的地質(zhì)參數(shù)。圖1布刀方法流程圖，首先確定單把鏈刀的切削力，已知條件如下：①巖石參數(shù)：單軸抗壓強度20MPa；②切削參數(shù)：切削深度選擇為6mm，環(huán)切速度vy為220mm/min，鏈切速度vx為45000mm/min，切槽寬度D為172mm。圖2示意了鏈刀切削巖土的模型，切刀201厚度d為22mm，切削角為81°，η取值為0.4～0.7之間。根據(jù)鏈刀切削巖土受力公式計算得到單把鏈刀水平載荷：Fx＝η·σs·h·B·sinδ＝0.55×20×106×6×10-3×22×10-3×sin81°≈1.4kN(B≈d)根據(jù)機械設(shè)計手冊進行鏈條選型計算，得到鏈條1截距L0為88.9mm。依據(jù)預切槽設(shè)備的設(shè)計要求，鏈條1總長L為20m。圖3所示為實施例預切槽設(shè)備的環(huán)形鏈刀的整體結(jié)構(gòu)示意圖。計算鏈刀組2每組鏈刀個數(shù)n≥D/d＝172/22≈8。圖4a為切槽設(shè)備鏈刀布置的主視圖，鏈刀201在刀座202上的布置的橫向?qū)挾葷M足了切槽寬度D。下面對鏈刀組組內(nèi)鏈刀布置形式的具體實施過程進行說明：如圖4b所示為鏈刀201在刀座202上的不同布置方式，鏈刀組件21、22為單把鏈刀豎直布置，主要參數(shù)有邊距Lc；鏈刀組件23為雙把鏈刀豎直布置，主要參數(shù)有鏈刀偏心距LD，中心邊距Lc；鏈刀組件24、25為雙把鏈刀傾斜布置，主要參數(shù)有鏈刀偏心距LD，中心邊距Lc，夾角α；鏈刀組件26為中間直鏈刀兩側(cè)斜鏈刀布置，具體參數(shù)有鏈刀偏心距LD，中心邊距Lc，夾角α。根據(jù)上述以確定每組鏈刀個數(shù)為8，刀座個數(shù)大于3，參照圖4b選取鏈刀組件21、22、23、24、25，共5個鏈刀組件，8把鏈刀，保證了切槽寬度要求。具體鏈刀在刀座上的布置參數(shù)如表1所示。表1本發(fā)明實施例鏈刀在刀座上的布置參數(shù)邊距Lc/mm中心距LD/mm夾角α/°鏈刀組件2170--鏈刀組件2250--鏈刀組件2360.530.5-鏈刀組件24753450鏈刀組件2549.53450根據(jù)上述所確定的鏈刀組件個數(shù)以及鏈刀組件種類，根據(jù)鏈刀組內(nèi)沿鏈條方向鏈刀的布置原則有4種布置方式，如圖5所示從中間向兩側(cè)布刀鏈刀組A、反向從中間向兩側(cè)布刀鏈刀組B、交錯布刀鏈刀組C、雙刀在前布刀鏈刀組D。箭頭方向為鏈條運動的方向。上述參數(shù)及布置形式確定后，計算鏈刀組數(shù)N：完成上述鏈刀布刀方案后，利用計算機輔助設(shè)計軟件將預切槽設(shè)備鏈刀布置的參數(shù)整合生成三維實體模型。將該模型導入LS-DYNA，建立預切槽設(shè)備單組鏈刀破巖仿真模型，各個鏈刀組進行貫入度在4mm、6mm、8mm下的破巖仿真計算。如圖6所示為從中間向兩側(cè)布刀鏈刀組A切削巖土的模型?；贚S-DYNA仿真模型得到圖8的LS-DYNA預切槽設(shè)備單組鏈刀破巖仿真中直鏈刀切削力變化曲線；圖9的LS-DYNA預切槽設(shè)備單組鏈刀破巖仿真中各個鏈刀平均水平載荷；圖10的LS-DYNA預切槽設(shè)備單組鏈刀破巖仿真比能耗曲線。根據(jù)數(shù)值仿真結(jié)果，按照預切槽設(shè)備鏈刀布置評定指標計算不同種布置方案的切槽完成度，刀具受力均勻度，切削比能耗。將上述的不同種布置方案的三維實體模型導入EDEM軟件，建立EDEM預切槽設(shè)備單組鏈刀排渣仿真模型，如圖7所示。在渣土腔4中生成模擬渣土，隨后鏈刀組2沿箭頭方向運動，模擬不同種布置方案下單組鏈刀在渣土中的移動過程，統(tǒng)計排出渣土量和殘留渣土量，按照預切槽設(shè)備鏈刀布置評定指標計算鏈刀組的排渣性能。經(jīng)過上述過程，本發(fā)明得到了在一定工況下不同種布刀方案的各個評價參數(shù)指標。根據(jù)該指標和實際工況優(yōu)選出最適合的最終方案。本發(fā)明的實施保證了預切槽設(shè)備高效開挖切槽，滿足施工要求，并且具備地質(zhì)適應性，保證了鏈刀的排渣性能。當前第1頁1 2 3