r>[0046] γ為常數(shù)，且
[0047] ω為刀盤固有振動圓頻率；
[0048] :石為刀盤單位面積的質(zhì)量；
[0049] D為刀盤彎曲剛度，且：
[0050] Ε為刀盤材料彈性模量，Ε = 210 X 109Pa ;
[0051] t為刀盤厚度；
[0052] μ為刀盤材料泊松比，μ =0· 3。
[0053] 設(shè)X = γ r，則上述方程可化為：
[0055] 其通解為：
[0058] r。是刀盤的支撐半徑，所以有：
[0063] 因常數(shù)(；、(：2不能全為0,所以有
[0065] 求解，得：
[0066] 因此，
[0067] 從而
[0068] 由
，得到刀盤的縱向振動自然頻率為：

[0070] 2、全斷面隧道掘進機的刀盤扭轉(zhuǎn)振動自然頻率：
[0071] 設(shè)刀盤扭轉(zhuǎn)單位弧度所需扭矩為I，則根據(jù)材料力學(xué)理論可求得
[0072] 設(shè)刀盤對其旋轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量為Jz，則，
[0073] 因此，根據(jù)力學(xué)理論可以得到刀盤扭轉(zhuǎn)振動自然頻率：
[0075] 3、刀盤縱向和扭轉(zhuǎn)聯(lián)合振動自然頻率：
[0077] 下面以一個具體的實施例對本發(fā)明做進一步說明：
[0078] 圖1為本發(fā)明實施例提供的全斷面隧道掘進機的刀盤及刀盤支撐的主視圖；圖2 為圖1所示的全斷面隧道掘進機的刀盤及刀盤支撐的左視圖。
[0079] 在某工程中，已知隧道（洞）的開挖直徑為5. 75m (即刀盤直徑為5. 75m)，根據(jù)開 挖地質(zhì)特點（如巖石強度、硬度等）確定的刀盤重量為58噸，則： 因此，得該刀盤的縱向振動自然頻率為：
[0081] 以刀盤的第一階縱向振動自然頻率為例，令N = 0、η = 1，則：
[0083] 由刀盤材料（本實施例中為鋼）的扭轉(zhuǎn)彈性模量G = 8 X lO'a，m=2.mx:1Q3kg/m2， 得該刀盤的扭轉(zhuǎn)振動自然頻率為：
[0085] 以刀盤厚度為橫坐標(biāo)（單位為米）、振動頻率為縱坐標(biāo)繪制全斷面隧道掘進機的 刀盤厚度與刀盤縱向振動自然頻率、刀盤扭轉(zhuǎn)振動自然頻率以及刀盤縱向扭轉(zhuǎn)聯(lián)合振動自 然頻率之間的關(guān)系曲線，如圖3所示。
[0086] 在本實施例中，根據(jù)實際測定及已施工類似地質(zhì)記錄，外界對全斷面隧道掘進機 刀盤的干擾頻率在5000Hz左右，上下誤差在10%左右，因此，需避開的干擾頻率范圍為 4500Hz~5500Hz，即圖3中兩雙點劃線所界定的區(qū)域。
[0087]曲線1為刀盤的扭轉(zhuǎn)振動自然頻率與刀盤厚度的關(guān)系曲線，可以看到，在刀盤厚 度為1. 1米以下時，刀盤的扭轉(zhuǎn)振動自然頻率均不在外界對刀盤的干擾頻率范圍之內(nèi)。隨 著曲線1的延伸，當(dāng)?shù)侗P厚度為1. 1~1. 5米時，刀盤的扭轉(zhuǎn)振動自然頻率處于外界對刀盤 的干擾頻率范圍之內(nèi)，當(dāng)?shù)侗P厚度為1. 5米以上時，刀盤的扭轉(zhuǎn)振動自然頻率均不在外界 對刀盤的干擾頻率范圍之內(nèi)。由于曲線過長，因此圖中沒有進行標(biāo)示。另外，刀盤厚度一般 不宜太厚（一般不超過1. 5米），也不宜過薄（一般不低于0. 5米），因此，本實施例中僅以 刀盤厚度在〇. 5~1. 1米之間的情況進行說明。
[0088] 曲線2、3、4、5分別為不同支撐半徑時，刀盤的縱向振動自然頻率與刀盤厚度的關(guān) 系曲線。
[0089] 通常情況下，刀盤的支撐半徑為刀盤半徑的0. 4~0. 8倍，先確定刀盤的支撐半徑 后，再繪制曲線。
[0090] 以曲線2為例進行詳細說明。曲線2為刀盤支撐半徑為0. 4倍刀盤半徑時，刀盤 的縱向振動自然頻率與刀盤厚度的關(guān)系曲線?？梢钥闯?，當(dāng)?shù)侗P厚度在0. 8米以下或0. 92 米以上時，刀盤的縱向振動自然頻率不在外界對刀盤的干擾頻率范圍之內(nèi)。
[0091] 而對于本實施例來說，不論刀盤厚度如何取值，刀盤縱向扭轉(zhuǎn)聯(lián)合自然振動頻率 均不在外界對刀盤的干擾頻率范圍之內(nèi)。
[0092] 因此，當(dāng)?shù)侗P支撐半徑為0. 4倍刀盤半徑時，刀盤厚度應(yīng)在0. 5~0. 8米以及 0. 92~1. 1米兩個區(qū)間進行取值。然后可以再根據(jù)其他設(shè)計理論和要求，進一步確定刀盤 的厚度。
[0093] 曲線3、4、5以同樣的方式處理即可。
[0094] 最后應(yīng)說明的是：以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制； 盡管參照前述各實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其 依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征 進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技 術(shù)方案的范圍。
【主權(quán)項】
1. 通過改變刀盤厚度和支撐半徑降低TBM施工振動的方法，其特征在于，包括以下步 驟： 根據(jù)實際測定，確定外界對刀盤的干擾頻率，并確定外界對刀盤的干擾頻率范圍； 確定全斷面隧道掘進機的刀盤厚度以及支撐半徑與刀盤的縱向振動自然頻率、扭轉(zhuǎn)振 動自然頻率以及縱向扭轉(zhuǎn)聯(lián)合振動自然頻率之間的關(guān)系； 調(diào)整全斷面隧道掘進機的刀盤厚度以及支撐半徑的取值，使刀盤的縱向振動自然頻 率、扭轉(zhuǎn)振動自然頻率以及縱向扭轉(zhuǎn)聯(lián)合振動自然頻率均避開外界對刀盤的干擾頻率范 圍。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過改變刀盤厚度和支撐半徑降低TBM施工振動的方法，其 特征在于，所述外界對刀盤的干擾頻率根據(jù)待施工地區(qū)的地質(zhì)條件、刀盤參數(shù)以及已有施 工記錄計算或?qū)嶋H測量得到。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過改變刀盤厚度和支撐半徑降低TBM施工振動的方法，其 特征在于，所述外界對刀盤的干擾頻率范圍為在外界對刀盤的干擾頻率的基礎(chǔ)上± 10%。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過改變刀盤厚度和支撐半徑降低TBM施工振動的方法，其 特征在于，所述刀盤的縱向振動自然頻率為，式中，：為刀盤單位面積 的質(zhì)量，r。為刀盤的支撐半徑，η為大于等于1的整數(shù)，N為大于等于0的整數(shù)，D為刀盤的 彎曲剛度。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過改變刀盤厚度和支撐半徑降低ΤΒΜ施工振動的方法，其 特征在于，所述的扭轉(zhuǎn)振動自然頻率為、式中，&為刀盤單位面積的質(zhì)量，G為刀 盤材料的扭轉(zhuǎn)彈性模量，t為刀盤厚度。6. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的通過改變刀盤厚度和支撐半徑降低TBM施工振動的方 法，其特征在于，所述刀盤的彎曲剛度，式中，E為刀盤材料的彈性模量，t為 刀盤厚度；μ為刀盤材料的泊松比。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過改變刀盤厚度和支撐半徑降低ΤΒΜ施工振動的方法，其 特征在于，所述刀盤的縱向扭轉(zhuǎn)聯(lián)合振動自然頻率為刀盤的縱向振動自然頻率與刀盤的扭 轉(zhuǎn)振動自然頻率之和。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的通過改變刀盤厚度和支撐半徑降低ΤΒΜ施工振動的方法，其 特征在于，所述支撐半徑為全斷面隧道掘進機的刀盤半徑的0. 4~0. 8倍。9. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的通過改變刀盤厚度和支撐半徑降低ΤΒΜ施工振動的方法，其 特征在于，所述刀盤的縱向振動自然頻率是指刀盤的第一階縱向振動自然頻率，即η和Ν均 取最小值，得到10. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的通過改變刀盤厚度和支撐半徑降低ΤΒΜ施工振動的方法，其 特征在于，所述刀盤單位面積的質(zhì)量由刀盤質(zhì)量除以刀盤面積得到，其中，刀盤質(zhì)量根據(jù)待 施工地質(zhì)的特點及性質(zhì)確定。
【專利摘要】本發(fā)明涉及全斷面隧道掘進機技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種通過改變刀盤厚度和支撐半徑降低TBM施工振動的方法。包括以下步驟：根據(jù)實際測定，確定外界對刀盤的干擾頻率，并確定外界對刀盤的干擾頻率范圍；確定全斷面隧道掘進機的刀盤厚度以及支撐半徑與刀盤的縱向振動自然頻率、扭轉(zhuǎn)振動自然頻率以及縱向扭轉(zhuǎn)聯(lián)合振動自然頻率之間的關(guān)系；調(diào)整全斷面隧道掘進機的刀盤厚度以及支撐半徑的取值，使刀盤的縱向振動自然頻率、扭轉(zhuǎn)振動自然頻率以及縱向扭轉(zhuǎn)聯(lián)合振動自然頻率均避開外界對刀盤的干擾頻率范圍。本發(fā)明可以在設(shè)計刀盤的時候，有選擇性的避開外界對刀盤的干擾頻率范圍，從而降低施工過程中全斷面隧道掘進機的振動，提高刀盤的使用壽命和掘進效率。
【IPC分類】E21D9/11, E21D9/08
【公開號】CN105332715
【申請?zhí)枴緾N201510920988
【發(fā)明人】張照煌, 龔國芳, 高青風(fēng), 孫飛
【申請人】華北電力大學(xué)
【公開日】2016年2月17日
【申請日】2015年12月11日