盾构辐条式刀盘先行刀与切刀相对位置优化方法与流程

1.本公开一般地涉及盾构施工技术领域，尤其是盾构施工中的刀具布置，具体是一种盾构辐条式刀盘先行刀与切刀相对位置优化方法。


背景技术：

2.在目前关于盾构刀具布置的相关研究和分析中，主要的方向集中于滚刀的破岩机理、切刀在软岩地层中的切削机理以及各种不同类型盾构在不同地层中的土层适应性研究。鉴于砂卵石地层的物理力学特性，砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层，石英含量高，强度大，尽管在小尺寸砂卵石居多的北京地区中盾构以犁松疏排为主，但高强度的砂卵石仍然会对刀具造成崩坏，并且盾构在砂卵石地层中刀具的均匀磨损也极其严重。以北京的地铁隧道建设为例，由于北京市地上及地下水的分布情况导致砂卵石地层成为了地铁隧道建设中的主要开挖地层，而随着隧道工程开挖深度的不断增加，大面积的富水砂卵石地层也对工程造成了新的考验与挑战，砂卵石地层中的诸多隧道工程盾构换刀频繁，一次性不换刀掘进距离短，都会导致工程成本的骤增以及工期的延误。
3.因此，为了保证地铁隧道建设中盾构的顺利掘进，对于砂卵石地层中刀具磨损研究及刀具布置情况选型是十分必要的。盾构在此类地层掘进时建议在刀盘选型阶段采用开口率较大的辐条式刀盘，刀具切削机理以切刀配合先行刀的犁松疏排为主，同时刀具进行针对性合金加固，防止断齿过多大幅度影响刀具切削效率及刀盘整体寿命。
4.但现在针对盾构在砂卵石地层中盾构刀具布置的相关技术主要集中在先行刀或者切刀各自的尺寸及布置研究，以及耐磨块的设计，关于不同刀高差布置形式下切刀配合先行刀的组合切削机理研究较少，二者的相对关系对于切削和耐磨效果的影响也很少关注，但显然这是同等重要甚至更为重要的一个技术问题。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本公开的目的在于提出一种盾构辐条式刀盘先行刀与切刀相对位置优化方法，将组合刀具切削机理与刀具宏观磨损数据相联系，针对砂卵石地层中先行刀配合切刀的组合刀具做出优化布置，提高组合刀具楔犁-松动-剥落效率，在掘进的过程中尽可能保持刀具的切削能力，减少非正常磨损，增加盾构一次不换刀掘进距离，满足砂卵石地层长距离、高效率盾构掘进施工要求。
6.本公开是这样实现的：一种盾构辐条式刀盘先行刀与切刀相对位置优化方法，用于砂卵石地层盾构中，包括如下步骤：s100，确定先行刀与切刀的相对布置模式：分析先行刀与切刀的相对位置关系，对各种相对位置进行分类，得到先行刀与切刀相对布置模式；s200，确定切刀剥落效率最高的区域：根据先行刀与切刀在砂卵石地层中的楔犁-松动-剥落机理，由先行刀与切刀的相对位置关系，得到切刀剥落效率最高的区域；s300，确定切刀剥落效率最高的布置模式：测量并记录切刀耐磨块磨损值，对不同布置模式下的切刀耐磨块磨损值进行统计分析，
确定切刀剥落效率最高的布置模式；s400，确定切刀剥落效率最高的布置模式下先行刀的犁松区：定义先行刀的犁松影响范围和犁松区，犁松影响范围为犁松区 先行刀刀宽，并由切刀耐磨块磨损值统计分析结果，得到切刀剥落效率最高的布置模式下先行刀的犁松区；s500，计算犁松影响角：由先行刀的犁松区计算出犁松影响角；s600，得到先行刀与切刀的最优相对位置：根据犁松影响角，对先行刀与切刀的相对位置进行优化布置，得到先行刀与切刀的最优相对位置。本公开分析先行刀与切刀的组合切削机理，将切削机理与刀具宏观磨损数据相联系，分析刀具相对位置对磨损的影响，确定切刀剥落效率最高的布置模式，提出犁松影响范围和犁松区的概念，定量分析组合刀具中相对位置所影响的犁松效果，计算犁松影响角以及据此进行刀具布置优化，以提高刀具的切削效率。
7.较佳的，步骤s100中，先行刀与切刀相对布置模式包括：模式一、先行刀中心线与切刀中心线完全重合；模式二、相邻两把先行刀中心线与切刀中心线的距离相等；模式三、相邻两把先行刀中心线与切刀中心线的距离不等。本步骤中，分析先行刀与切刀的布置位置，并对各种相对位置进行归类，确定三种布置模式。
8.较佳的，步骤s200中，切刀剥落效率最高的区域为切刀剥落与先行刀楔犁-松动相互重叠的位置。本步骤中，基于组合刀具的切削机理，得到切刀剥落效率最高的区域。
9.较佳的，步骤s300中，切刀耐磨块至少包括左、右边缘耐磨块和中央耐磨块，由统计分析结果得到模式一、模式二的切刀上左、右边缘耐磨块的磨损值最大，模式三的切刀上中央耐磨块的磨损值最大，确定模式一、模式二切刀剥落效率最高。本步骤中，通过对三种布置模式下的磨损值统计分析，结合实际工程效果，获知切刀上中央耐磨块的磨损值最大时为不利工况，确定模式一、模式二切刀剥落效率最高。
10.较佳的，步骤s400中，先行刀的犁松区满足如下关系：tanθ=l/d
t
，式中，l为盾构贯入度，d
t
为犁松区宽度，θ为犁松影响角。本步骤中，结合犁松区定义，确定犁松区宽度、盾构贯入度与犁松影响角之间的相互关系，为后面确定犁松区宽度以及进一步计算犁松影响角奠定基础。
11.较佳的，步骤s400中，由统计分析结果得到切刀剥落效率最高的布置模式下犁松区内耐磨块数量及耐磨块宽度，从而得到犁松区宽度d
t
为犁松区内耐磨块数量与耐磨块宽度的乘积。本步骤中，给出如何确定犁松区宽度的具体方式。
12.较佳的，步骤s500中，由犁松区宽度d
t
结合盾构贯入度l，计算出犁松影响角θ。本步骤中，给出如何确定犁松影响角的具体方式。
13.较佳的，步骤s600中，犁松影响角θ还应当满足：45
°‑
φ/2≤θ≤45
°
φ/2，式中，φ为砂卵石内摩擦角，由地质勘察报告得到。本步骤中，进一步给出犁松影响角的附加条件，以确保其在合理范围内，确保优化结果的准确性。
14.较佳的，步骤s600中，对先行刀与切刀的相对位置进行优化布置具体为：（1）由犁松影响角θ，结合盾构贯入度l，计算犁松区宽度d
t
；（2）对于各种布置模式下的切刀与相邻两把先行刀，判断犁松区宽度d
t
是否落在切刀的中央耐磨块，若是，则对先行刀与切刀相对位置进行优化布置，避免犁松区宽度d
t
落在切刀的中央耐磨块。本步骤中，通过前期的计算，判断切刀与相邻两把先行刀的相对位置是否处于最优位置，若不是，则判定为需要优化布置设计，为工程应用提供了具体可行的参考。
15.较佳的，对先行刀与切刀相对位置进行优化布置包括：调整相邻两把先行刀的间
距，和/或，加高先行刀的刀高。本步骤中，给出优化布置在工程上的具体实现方式，为工程应用提供了具体可行的参考。
16.本公开相对于现有技术的有益效果是：本公开首先分析先行刀与切刀的切削机理，将切削机理与刀具宏观磨损数据相联系，收集具体工程不同阶段的刀具磨损原位照片，分析刀具相对位置的重要性及对磨损的影响，确定切刀剥落效率最高的布置模式，提出犁松影响范围和犁松区的概念，结合原位统计分析结果得到切刀剥落效率最高的布置模式下的犁松区，以刀具磨损值为中心，定量分析组合刀具中相对位置所影响的犁松效果，如何计算犁松影响角以及据此进行刀具布置优化，确保犁松区的边界应该尽可能避免处于中央耐磨块上。本方法可以用在阶段性换刀或者其他类似砂卵石地层盾构工程的刀盘设计阶段，通过犁松影响角估算犁松区边界所处位置，如果处于中央耐磨块，则应更改先行刀或者切刀的刀间距，以改变犁松区边界位置；或者在刀具设计上适当提高先行刀设计高度，以保证对切刀的保护作用。
附图说明
17.为了更清楚地说明本公开的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
18.本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本公开可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本公开所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本公开所揭示的技术内容涵盖的范围内。
19.图1示例性示出一种实施方式先行刀与切刀布置相对位置示意图；图2示例性示出一种实施方式先行刀与切刀布置模式示意图；图3（a）示例性示出某工程盾构刀盘0
°
辐条刀具布置示意图（模式一、模式二）；图3（b）示例性示出某工程盾构刀盘60
°
辐条刀具布置示意图（模式三）；图4（a）示例性示出图3（a）所示盾构刀盘中切刀的实物磨损图；图4（b）示例性示出图3（b）所示盾构刀盘中切刀的实物磨损图；图5示例性示出0
°
辐条模式一、模式二左、右切刀磨损统计图；图6示例性示出60
°
辐条模式三左、右切刀磨损统计图。
具体实施方式
20.为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本公开做进一步详细说明。在此，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，但并不作为对本公开的限定。
21.在本公开的描述中，术语“包括/包含”、“由
……
组成”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的产品、设备、过程或方法不仅包括那些要素，而且需要时还可以包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种产品、设备、过程或方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括/包含
……”
、“由
……
组
成”限定的要素，并不排除在包括所述要素的产品、设备、过程或方法中还存在另外的相同要素。
22.需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中心”、“中央”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置、部件或结构必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，不能理解为对本公开的限制。
23.此外，术语“第一”、“第二”、“步骤一”、“步骤二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者对先后顺序的限制或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
24.以下结合较佳的实施方式对本公开盾构辐条式刀盘先行刀与切刀相对位置优化方法的实现进行详细的描述。
25.砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层，石英含量高，强度大，尽管在小尺寸砂卵石居多的北京地区中盾构以犁松疏排为主，但高强度的砂卵石仍然会对刀具造成崩坏，并且盾构在砂卵石地层中刀具的均匀磨损也极其严重。盾构在此类地层掘进时选择大开口率的辐条式刀盘，配置先行刀结合切刀的组合刀具。
26.确定先行刀与切刀相对布置模式：基于大开口率的辐条式刀盘，首先分析先行刀与切刀的相对位置关系，对各种相对位置进行分类，确定先行刀与切刀相对布置模式。如图1所示，刀盘中先行刀与切刀存在以下三种不同的相对位置：（1）先行刀中心线与切刀中心线完全重合，一把先行刀在左右两切刀中心线上，本公开中将其定义为模式一；图中为190-先行刀；（2）相邻两把先行刀中心线与切刀中心线的距离相等，先行刀不在左右两切刀中心线上，但上下两把先行刀距左右两切刀中心线距离相等，本公开中将其定义为模式二；图中190-先行刀、155-先行刀中心线距切刀中心线的距离皆为150mm；（3）相邻两把先行刀中心线与切刀中心线的距离不等，本公开中将其定义为模式三；图中190-先行刀距切刀中心线225mm，155-先行刀距切刀中心线75mm。
27.确定切刀剥落效率最高的区域：与滚刀破岩机理不同，根据对隧道渣土的观察发现盾构刀具切削后只有少数砂卵石被直接破碎，这代表先行刀在砂卵石地层中的主要作用是楔犁原状砂卵石土体，通过不同刀高的先行刀松动土体并形成深度不一的犁沟，利用砂卵石地层受扰动后容易产生崩塌的特性降低被切削地层强度。切刀随着刀盘的转动持续对先行刀犁松后的土体进行剥落并带入土仓。本公开将砂卵石地层组合刀具切削机理定义为“楔犁-松动-剥落”原理，即：以先行刀楔犁并松动原状土层为主，切刀剥落并将渣土带入土仓为辅。不同先行刀的高度差及间距决定着犁沟的深度及数量，切刀的宽度决定着与被犁松砂卵石接触的面积，而组合刀具的相对位置则决定着切刀剥落范围与先行刀犁松范围相互重叠的位置，即切刀剥落与先行刀楔犁-松动相互重叠的位置，如图2所示，这也是切刀剥落效率最高的区域。
28.确定切刀剥落效率最高的布置模式：对不同布置模式下的切刀耐磨块磨损值进行统计分析，确定切刀剥落效率最高的
布置模式。本公开中，切刀耐磨块至少包括左、右边缘耐磨块和中央耐磨块，具体耐磨块的布置数量根据实际设计要求定。
29.如图3（a）、3（b）以及图4（a）、4（b）所示，图3（a）显示了某工程盾构刀盘0
°
辐条刀具布置示意图，图3（b）展示了60
°
辐条刀具布置示意图，以五块合金耐磨块的布置设计为例，图4（a）展示了模式一、模式二的切刀一般以边缘合金耐磨块1、5磨损最严重，所有切刀随着切削轨迹长度的增加而波状磨损更为明显，表现在中央耐磨块剩余高度远高于其余合金耐磨块；而图4（b）展示了模式三的切刀中央合金耐磨块3磨损严重，除了停机换新的切刀以外，其余六把切刀随着安装半径的增大，形状完全区别于切刀初始形状，剥落能力显著下降。
30.对图4（a）、4（b）所展示的不同布置模式下切刀磨损值进行统计分析，得到如图5、图6所示的结果，分析图5、图6的统计结果，可得出：（1）无论是模式一、模式二还是模式三，切刀磨损值都随着安装半径的增大而增加，这是因为切刀在承担剥落砂卵石功能的同时会造成均匀磨损；（2）模式一、模式二上的切刀中1、2、4、5号耐磨块的磨损量比3号耐磨块的磨损值大；相反，模式三的切刀中3号耐磨块的磨损量最大，表明模式一、模式二的切刀上左、右边缘耐磨块的磨损值最大，模式三的切刀上中央耐磨块的磨损值最大；（3）与模式一、模式二切刀相比，模式三切刀的整体磨损明显更低，这表明模式一、模式二的切刀剥落效率更高，同样的盾构掘进距离下对先行刀犁松后的砂卵石剥落效果更好，而模式三初始形状没保持，且相同半径下磨损更低，说明其未能发挥应有的作用，无法承担更多的剥落责任，“中看不中用”，与模式一、模式二相比相同掘进距离下更先失效，切削效率下降的更快。
31.因此，本公开通过分析能够得出结论：模式一、模式二的切刀上左、右边缘耐磨块的磨损值最大，模式三的切刀上中央耐磨块的磨损值最大，模式一、模式二切刀剥落效率最高。因此在刀具布置阶段应该避免模式三，这种布置模式不仅改变了初始形状，并且剥落效率更差。
32.确定切刀剥落效率最高的布置模式下先行刀的犁松区：既已得到刀具布置阶段应该采用模式一、模式二、避免模式三的布置模式，本公开定义先行刀的犁松影响范围，即先行刀的犁松影响区域，定义为先行刀的犁松区宽度d
t
先行刀刀宽b，犁松区宽度d
t
与先行刀侧面组成的直角三角形具有夹角，定义为θ，犁松区满足如下关系：l=d
t
*tanθ式中，l为盾构贯入度，d
t
为犁松区宽度；θ为犁松影响角。
33.犁松影响范围为2d
t
b，说明犁松影响范围与b有关，增加先行刀宽度也可以起到增加犁松影响范围的作用。
34.借助上述定义，由切刀耐磨块磨损值统计分析结果，得到切刀剥落效率最高的布置模式下犁松区，即模式一、模式二下犁松区内耐磨块数量及耐磨块宽度，即根据布置模式统计分析结果，获取模式一、模式二下犁松区涵盖了几块耐磨块，由耐磨块宽度即可知晓犁松区宽度d
t
为犁松区内耐磨块数量与耐磨块宽度的乘积。
35.计算犁松影响角：
由切刀耐磨块磨损值统计分析结果，得到犁松区宽度d
t
，进一步由犁松区宽度d
t
结合盾构贯入度l，计算出犁松影响角θ：θ=arctanl/d
t
另外，由于θ主要受刀具组合形式，地质条件以及掘进参数影响，且其中地质条件为主要影响因素，在内摩擦角的作用下，岩土体材料的破坏既不发生在最大主应力作用面，也不发生在最大剪应力作用面，因此犁松影响角θ还应当满足：45
°‑
φ/2≤θ≤45
°
φ/2式中，φ为砂卵石内摩擦角，由地质勘察报告得到。本次工程砂卵石地层φ为40
°
，因此犁松影响角θ处于25
°
与65
°
之间。
36.得到先行刀与切刀的最优相对位置：最后，根据犁松影响角，对先行刀与切刀的相对位置进行优化布置，以降低磨损。具体为：（1）由犁松影响角θ，结合盾构贯入度，计算犁松区宽度d
t
，d
t
=l/tanθ；（2）对于各种布置模式下的切刀与相邻两把先行刀，判断犁松区宽度d
t
是否落在切刀的中央耐磨块，若是，则对先行刀与切刀相对位置进行优化布置，避免犁松区宽度d
t
落在切刀的中央耐磨块，从而得到组合刀具最优相对位置，即模式一、模式二的布置方式。
37.例如在某阶段的盾构掘进过程中，切刀宽230mm，每个合金耐磨块宽46mm，需要换刀时采用本公开的优化方法，根据此前一阶段切刀的磨损量数据，例如主要磨损在3或4个耐磨块宽度，则犁松区宽度d
t
在138mm或184mm，而已知贯入度为40mm（为本区间盾构设定的参数），则能够据此计算出犁松影响角θ，通过犁松影响角θ，即可计算出犁松区宽度d
t
，判断是否落在新更换或待更换切刀的中央耐磨块上，视情况对组合刀具的布置进行优化。
38.另外，本公开的优化设计方法也可作为参照，指导其它盾构工程组合刀具中先行刀与切刀的相对位置优化布置。对于类似盾构工程可以通过地质条件计算θ范围，结合盾构贯入度l求出犁松区边界，避免其处于中央耐磨块的位置而影响掘进效率，并提出相应的刀具布置优化以增加不换刀掘进长度。
39.对先行刀与切刀相对位置进行优化布置，具体而言，可以采用：调整相邻两把先行刀的间距，使得切刀与相邻两把先行刀的相对位置关系避免出现模式三。
40.当然，由犁松区宽度d
t
的计算公式可知，其与盾构贯入度有直接关联，即与先行刀的刀高成正比，因此可以适当提高贯入度来保证掘进效率，即加高先行刀的刀高，这在砂卵石地层也是有效的掘进优化手段。
41.通过本公开的研究得出：（1）切刀的磨损形式受与相邻先行刀相对位置的影响，犁松区的边界应该尽可能避免处于中央耐磨块上，否则这会影响切刀的剥落效率，类似砂卵石地层盾构工程在刀盘设计阶段应通过本工程的θ估算犁松区边界所处位置，如果处于中央耐磨块，则应更改先行刀或者切刀的刀间距，以改变犁松区边界位置；（2）先行刀的犁松影响角θ与盾构贯入度l有关，而相同贯入度下掘进效率受先行刀与切刀的剩余高度差影响，剩余高度差越大，犁松区影响范围越大，所以在刀具设计上应适当提高先行刀设计高度，以保证对切刀的保护作用。
42.本领域技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地
组合、叠加。
43.以上所述仅为本公开的较佳实施方式而已，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。