一种钻爆法隧道机-岩耦合钻头构型优化设计方法

本发明涉及隧道及地下工程机械化钻探，尤其是涉及一种钻爆法隧道机-岩耦合钻头构型优化设计方法。

背景技术：

1、随着隧道工程建设规模的持续扩大与施工复杂性的不断提升，钻爆法作为隧道施工的主流工法，对钻孔精度、钻进效率及围岩扰动控制提出了日益严苛的要求。凿岩台车是实现隧道机械化高效钻孔的核心装备，其钻头与围岩之间的动态相互作用机制直接决定了钻孔施工的安全性、作业效率与工程质量。

2、目前工程实践中广泛采用圆锥形齿与球形齿钻头进行钻探作业，但针对钻头构型参数与破岩性能之间内在关联性的系统性研究仍较为匮乏。现有钻头选型与设计多依赖工程经验与现场试错，难以根据不同围岩的地质特性精准匹配最优的钻齿构型参数组合，无法充分发挥凿岩台车的作业效能。同时，现有研究多聚焦于单因素对破岩效果的影响，未能全面揭示多参数耦合作用下的钻头-围岩相互作用机理；破岩模式判定多基于理论假设而非实际破岩特征，评价体系采用固定权重无法适配不同破岩机理的性能需求，且普遍忽视施工工艺可行性对钻头实际应用效果的影响，严重制约了凿岩台车钻孔效率与隧道智能施工水平的进一步提升。因此，亟需建立一种兼顾破岩机理准确性、评价体系科学性与工程实用性的凿岩台车钻头优化设计方法。

技术实现思路

1、本发明提供一种钻爆法隧道机-岩耦合钻头构型优化设计方法，通过精细化数值模拟与多维度动态综合评价相结合的技术路线，基于实际破岩损伤特征识别破岩拓扑模式，构建适配不同破岩机理的动态权重评价体系，并纳入工程施工可行性约束，实现适配特定围岩条件的钻头构型精准优化，从而提升凿岩台车的钻进效率，降低施工成本，保障钻爆法隧道施工的安全性与工程质量。

2、为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、一种钻爆法隧道机-岩耦合钻头构型优化设计方法，包括：

4、s1：确定凿岩台车钻头的可变设计参数；

5、s2：基于所述可变设计参数，采用全因子设计方法结合正交表缩减技术，系统设置多组钻齿构型对比工况；

6、s3：针对每一组钻齿构型对比工况，建立钻头三维几何模型，并构建包含钻头与围岩核心钻探区域的精细化有限元耦合模型；

7、s4：从所述精细化有限元耦合模型的数值模拟结果中，提取并分析各工况下的围岩力学响应指标、钻进关键参数以及钻头响应指标；

8、s5：基于提取的围岩力学响应指标、钻进关键参数以及钻头响应指标，计算并分析各工况下的定量评价指标；

9、s6：分析所述数值模拟结果的云图损伤区域，提取并计算损伤区的连通域形状特征，基于实际破岩损伤形态判定各工况对应的点-线-面的破岩拓扑模式；

10、s7：以计算得到的定量评价指标和判定得到的破岩拓扑模式为输入，结合工程经验，构建基于破岩拓扑模式动态调整定量评价指标权重的综合评价模型；

11、s8：利用所述综合评价模型对各工况进行初步评分，结合排屑流畅度、抗堵性能两项工程实施可行性因素引入惩罚因子对初步评分进行修正，根据修正后的综合评分进行排序，输出目标围岩条件下兼顾破岩性能与工程实用性的最优钻齿构型参数组合。

12、本说明书中，s1中，可变设计参数包括钻齿形状、外齿数量、内齿数量、齿径及内外齿空间布局；其中钻齿形状根据目标围岩特性选择球形齿或圆锥形齿，各个参数根据工程经验取三至五个水平，内外齿布局方式包括内齿中心均布和外齿圆周均布。

13、本说明书中，s2中，综合考虑钻齿形状、外齿数量、内齿数量、齿径以及内外齿空间布局所有因素的交互作用进行钻齿构型的工况设计；采用正交表对全因子设计生成的工况进行缩减，在保证各因子及因子间交互作用可被完整分析的前提下降低计算量。

14、本说明书中，s3中，所述精细化有限元耦合模型中的所有模型组件均采用实体元素进行模拟，并对所述精细化有限元耦合模型中的核心钻探区域实施局部网格细化以提高应力计算精度；所述精细化有限元耦合模型的所有外部边界均施加固定约束，所述精细化有限元耦合模型中的钻头被定义为刚体，同时施加与实际施工一致的钻探压力和旋转速度，以再现真实的动态钻进加载条件。

15、本说明书中，s4中，围岩力学响应指标包括塑性应变、应力以及剪切破坏；钻进关键参数包括钻进加速度、钻进位移以及钻进速度；钻头响应指标包括反作用力以及反作用扭矩；上述三类指标共同表征钻头与围岩的动态相互作用过程。

16、本说明书中，s5中，定量评价指标包括围岩损伤体积比例、平均钻进扭矩以及平均比能；其中围岩损伤体积比例通过对所述数值模拟结果进行后处理统计获得，平均钻进扭矩是截取钻头在稳态钻进阶段的钻向扭矩时程曲线计算得到的算术平均值，所述稳态钻进阶段为扭矩时程曲线中波动幅度小于平均值百分之十的时段。

17、本说明书中，s6中，点-线-面的破岩拓扑模式的判定规则为：当损伤区连通域呈现圆点状独立分布特征时，判定为点状破岩模式；当损伤区连通域呈现连续线状分布特征时，判定为线状破岩模式；当损伤区连通域呈现交叉网状分布特征时，判定为面状破岩模式。

18、本说明书中，s7中，综合评价模型采用加权评分法，根据不同破岩拓扑模式对各定量评价指标的敏感程度差异，预先通过工程经验确定对应的权重调整系数；当判定某一工况为特定破岩拓扑模式时，加权评分函数中对应定量评价指标的权重自动乘以相应的调整系数。

19、本说明书中，s8中，针对面状破岩模式的工况，由于其钻齿布局密集易导致排屑通道狭窄、岩屑排出困难，根据其排屑难度等级和抗堵性能等级设置相应的评分惩罚因子，对该工况的初步综合评分进行扣减。

20、本说明书中，s8中，输出的最优钻齿构型参数组合包括钻齿形状、外齿数量、内齿数量、齿径以及内外齿空间布局方式，同时附带该参数组合对应的预期比能范围和平均扭矩范围，为现场钻头制造与施工参数调整提供直接依据。

21、综上所述，本发明至少具有以下有益效果：

22、本发明能够有效克服现有技术中钻头设计依赖经验试错、破岩模式判定脱离实际、评价体系僵化及忽视工程可行性的缺陷，实现凿岩台车钻头构型的科学化、精准化与实用化优化设计。通过构建精细化的机-岩耦合动力学模型，能够准确复现钻头与围岩的动态相互作用全过程，全面揭示不同钻头构型下的岩石破碎机理。

23、本发明创新性地提出基于数值模拟损伤区连通域特征的破岩拓扑模式识别方法，从实际破岩结果出发建立钻头构型与破岩性能的内在联系，大幅提升了破岩模式判定的准确性与可靠性。采用拓扑模式动态调整定量指标权重的综合评价方法，能够适配不同破岩机理下的性能敏感特性，使评价结果更贴合工程实际需求。

24、本发明首次将工程实施可行性纳入钻头优化评价体系，通过引入施工工艺惩罚因子，有效平衡了理论破岩性能与现场施工需求，避免了理论最优构型因排屑不畅、易堵塞等问题无法实际应用的弊端。本发明大幅缩短了钻头研发周期，降低了现场试验成本与施工风险，显著提升了凿岩台车的钻进效率与作业稳定性，保障了钻爆法隧道施工的可靠性与经济性，为隧道工程智能化施工提供了重要的技术支撑。