基于岩石刚度的盾构隧道掘进机刀盘厚度确定方法与流程

1.本发明涉及轨道交通领域，具体为基于岩石刚度的盾构隧道掘进机刀盘厚度确定方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.盾构隧道掘进机是用于隧道掘进的工程机械，掘进过程中盾构隧道掘进机达到刀盘会接触到强度大且硬度高的岩体，在刀盘与岩体相互作用过程中，一旦刀盘刚度不足极易引起刀盘变形，进而影响硬岩盾构或tbm掘进效率。
4.岩质隧道刀盘的开口率和材质差别不大，而刀盘的厚度是影响刀盘刚度的关键。目前，针对刀盘厚度的选型多采用经验确定，缺乏相应的理论支撑。


技术实现要素：

5.为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明提供基于岩石刚度的盾构隧道掘进机刀盘厚度确定方法，在刀盘与岩石的协调变形的基础上以反映岩石刚度的弹性模量和泊松比作为指标建立刀盘厚度计算方法，基于刀盘与岩石的协调变形关系，推导了刀盘厚度与围岩刚度的对应关系，在该对应关系的基础上，提出了半经验的计算方法，大大缩减了计算工作量。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.本发明的第一个方面提供基于岩石刚度的盾构隧道掘进机刀盘厚度确定方法，包括以下步骤：
8.基于与施工场地同类地层条件的工程案例，获取地质参数和相应的刀盘厚度；
9.依据地质参数和相应刀盘厚度拟合获得二者的对应关系；
10.获取施工场地岩石的刚度参数和当前刀盘半径，基于地质参数和相应刀盘厚度之间的对应关系，获取当前刀盘的厚度参数。
11.获取施工场地岩石的刚度参数和当前刀盘半径，基于地质参数和相应刀盘厚度之间的对应关系，获取当前刀盘的厚度参数的过程包括：
12.基于下式获得刀盘厚度参数：
[0013][0014]
式中，d为刀盘厚度，r为刀盘半径，e
r
为岩体弹性模量，v
r
为岩体泊松比，c为系数。
[0015]
系数c的获取过程包括，利用与施工场地同类地层条件的工程案例，获取地质参数和刀盘厚度，拟合得出与刀盘厚度的对应关系，确定系数c。
[0016]
获取施工场地岩石的刚度参数和当前刀盘半径，基于地质参数和相应刀盘厚度之间的对应关系，获取当前刀盘的厚度参数的过程还包括，基于施工场地地质参数和隧道参
数，获取刀盘承受岩石均布荷载q，刀盘的弯曲刚度d，刀盘上任一点到圆心的半径r和刀盘位移w，建立刀盘受力弯曲的常微分方程。
[0017]
将围岩掌子面受力简化为空间半无限体表面圆形区域内受均匀分布压力作用的模型。
[0018]
依据经典弹性力学构建半无限体表面位移表达式。
[0019]
将刀盘上任一点到圆心的半径r与刀盘半径r为比值带入已构建的表面位移表达式中，获取刀盘与围岩对应的变形关系。
[0020]
基于刀盘受力弯曲的常微分方程和刀盘与围岩对应的变形关系获取刀盘载荷相对位置的函数与刀盘弯曲刚度d、刀盘半径r、岩体弹性模量e
r
和岩体泊松比v
r
之间的函数关系，基于该函数关系构建刀盘厚度与刀盘半径、岩体弹性模量和岩体泊松比的表达式。
[0021]
基于该表达式确定满足岩石刚度的刀盘厚度。
[0022]
与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
[0023]
1、隧道掘进过程是盾构机刀盘与岩体的相互作用过程，基于该相互作用的过程，以刀盘与围岩的协调变形关系建立刀盘与地质条件对应关系从而确定刀盘厚度，方法简便。
[0024]
2、刀盘与围岩的协调变形中，岩石刚度越大，刀盘变形越大，硬岩盾构或tbm的施工效率越低。刀盘厚度选择与岩石刚度成正比，在刀盘与岩石的协调变形的基础上以反映岩石刚度的弹性模量和泊松比作为指标建立刀盘厚度计算方法，更加符合工程实际。
[0025]
3、刀盘厚度与围岩刚度的对应关系较为复杂，理论推导难度大，且应用不方便。对此，在该对应关系的基础上，利用半经验的计算方式确定了刀盘厚度，在符合工程实际的基础上，大大缩减了计算工作量。
附图说明
[0026]
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0027]
图1是本发明一个或多个实施例提供的刀盘与围岩相互作用示意图；
[0028]
图2是本发明一个或多个实施例提供的刀盘受力变形示意图；
[0029]
图3是本发明一个或多个实施例提供的围岩受力变形示意图；
[0030]
图4是本发明一个或多个实施例提供的与刀盘厚度关系拟合曲线；
[0031]
图中：1、掌子面，2、刀盘。
具体实施方式
[0032]
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0033]
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0034]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式
也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0035]
以下实施例给出了基于岩石刚度的盾构隧道掘进机刀盘厚度确定方法，在刀盘与岩石的协调变形的基础上以反映岩石刚度的弹性模量和泊松比作为指标建立刀盘厚度计算方法，基于刀盘与岩石的协调变形关系，推导了刀盘厚度与围岩刚度的对应关系，在该对应关系的基础上，提出了半经验的计算方法，大大缩减了计算工作量。
[0036]
实施例一：
[0037]
如图1
‑
4所示，本实施例的目的是提供基于岩石刚度的盾构隧道掘进机刀盘厚度确定方法，包括以下步骤：
[0038]
基于与施工场地同类地层条件的工程案例，获取地质参数和相应的刀盘厚度；
[0039]
依据地质参数和相应刀盘厚度拟合获得二者的对应关系；
[0040]
获取施工场地岩石的刚度参数和当前刀盘半径，基于地质参数和相应刀盘厚度之间的对应关系，获取当前刀盘的厚度参数。
[0041]
基于下式获得满足岩石刚度的刀盘厚度参数：
[0042][0043]
式中，d为刀盘厚度，r为刀盘半径，e
r
为岩体弹性模量，v
r
为岩体泊松比，c为系数。
[0044]
具体过程如下：
[0045]
(1)整体技术思路
[0046]
硬岩盾构或tbm破岩过程是刀盘与围岩相互作用的过程，该过程中刀盘与围岩协调变形。刀盘的变形与刀盘的刚度有关，围岩变形则与围岩刚度有关。对此，基于刀盘与围岩的相互作用，求解刀盘变形与围岩变形，随后在刀盘与围岩协调变形的基础上，建立刀盘厚度与地质条件的关系，以此开展刀头设计。本实施例中，刀盘1朝向掌子面1给进。
[0047]
如图2所示的刀盘受力变形示意。
[0048]
(2)刀盘变形计算公式
[0049]
将全断面岩石掘进机刀盘假想为弹性薄板，刀盘承受岩石均布荷载q。刀盘位移w仅是r的函数，刀盘中弹性曲面微分方程可写为：
[0050][0051]
式中，d为刀盘的弯曲刚度，r为刀盘上任一点到圆心的半径。
[0052]
刀盘变形方程解为：
[0053]
w＝c
1 lnr c2r
2 lnr c3r2 c4 w1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0054]
其中，w1为微分方程的任意特解，对受均布荷载q的薄板，考虑刀盘中心一般设置中心滚刀和箱形刀盘后面设置刀盘轴承安装座孔，因此：
[0055]
c1＝c2＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0056]
刀盘受力后，其中刀盘弯曲的常微分方程可写为：
[0057][0058]
①
刀盘轴承与刀盘联结关系为夹支时，则有：
[0059][0060]
其中，刀盘轴承支撑半径为r0[0061]
因此可求得：
[0062][0063]
②
刀盘轴承与刀盘的联结关系为简支时，则有：
[0064][0065]
可求得：
[0066][0067]
r为刀盘实际半径，r0/r为一定值，u为泊松比，变化较小，其视为一常数。
[0068]
r/r为相对位置，设k1＝r/r，那么可将上述(6)、(8)式综合考虑为以下表达式：
[0069][0070]
(3)岩石变形计算公式
[0071]
如图3所示，围岩受力变形示意，刀盘推力引起的盘形滚刀在掌子面上产生的荷载集度定为均布荷载q。将掌子面受力简化为空间半体表面圆形区域内受均匀分布压力作用的模型。刀盘作用圆形区域的半径为r，按照经典弹性力学解可以得到半无限体表面位移表达式为：
[0072][0073]
上式中，e
r
、v
r
分别为岩体弹性模量、岩体泊松比。
[0074]
将k1＝r/r带入(10)式可得：
[0075][0076]
(4)刀盘厚度计算公式
[0077]
根据刀盘与围岩协调变形，联立(9)、(11)式，消去w(k1)和q，可得：
[0078]
[0079]
d为刀盘的弯曲刚度，其表达式为：
[0080][0081]
上式中，e、u分别为刀盘的弹性模量和泊松比，可视为常数；d为刀盘厚度。将(13)式带入(11)式中，可得：
[0082][0083]
上式中，f1(k1)、f2(k1)是相对位置的函数。
[0084]
硬岩盾构或tbm刀盘材料差距较小，将与刀盘材料性质相关的弹性模量、泊松比可视为常量；刀盘厚度、刀盘半径与设计相关，视为变量；地质条件的变异性较大，与刀盘设计相关，因此将其弹性模量、泊松比视为变量。将所有变量放在等式左边，常量放置在等式右边，可得：
[0085][0086]
将等号右边用一常数c3表示，可得：
[0087][0088]
(5)计算系数c确定
[0089]
为确定出系数c，采用统计回归的方法。通过调研整理得到典型tbm刀盘参数及岩体刚度参数，并拟合得出刀盘厚度与的拟合关系式，进而确定计算常数c，从而形成半经验的方式。如图4所示。
[0090]
可以得到与刀盘重量p
d
的拟合关系式，确定计算常数。
[0091]
确定刀盘的计算常数时，选取的典型工程不一致，确定的计算常数会存在一定的差异。
[0092]
利用确定的刀盘厚度进行刀盘设计的过程如下：
[0093]
收集施工场地地质参数及隧道设计参数，确定各类围岩弹性模量、泊松比及刀盘的半径；
[0094]
收集同类地层条件的地铁工程案例，获取地质参数、刀盘厚度，并拟合得出刀盘厚度与的对应关系，确定刀盘的计算常数c；
[0095]
根据公式(16)，计算得出满足岩石刚度的刀盘厚度；
[0096]
根据地质条件特征确定刀盘选型时的安全系数，考虑该安全系数进行刀盘设计。
[0097]
刀盘厚度确定考虑刀盘与岩石的协调变形：掘进过程是刀盘与岩体的相互作用过程，该过程中，一旦刀盘刚度不足极易引起刀盘变形，进而影响硬岩盾构或tbm掘进效率。刀盘设计应考虑刀盘与围岩相互作用过程中两者的协调变形关系，因此上述过程以刀盘与围岩的协调变形关系建立刀盘与地质条件对应关系。
[0098]
基于岩石刚度的刀盘厚度计算：刀盘与围岩的协调变形中，岩石刚度越大，刀盘变
形越大，硬岩盾构或tbm的施工效率越低。刀盘厚度选择与岩石刚度成正比，对此，上述过程在刀盘与岩石的协调变形的基础上以反映岩石刚度的弹性模量和泊松比作为指标建立刀盘厚度计算方法。
[0099]
本实施例形成了刀盘厚度半经验计算方法：基于刀盘与岩石的协调变形关系，上述过程推导了刀盘厚度与围岩刚度的对应关系，由于该对应关系较为复杂，理论推导难度大，且应用不方便。对此，在该对应关系的基础上，进一步提出了半经验的计算方法，大大缩减了计算工作量。
[0100]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。