通过改变刀盘厚度和支撑半径降低tbm施工振动的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及全断面隧道掘进机技术领域，尤其是涉及一种通过改变刀盘厚度和支 撑半径降低TBM施工振动的方法。
【背景技术】
[0002] 全断面隧道掘进机（即TBM，包括全断岩石掘进机和盾构），能够实现掘进、支护、 出渣等施工工序并行连续作业，是机、电、液、光、气等系统集成的工厂化流水线隧道施工装 备，具有掘进速度快、利于环保、综合效益高等优点，可实现传统钻爆法难以实现的复杂地 质地层深埋长隧洞的施工，在中国铁道、水电、交通、矿山、市政等隧洞（道）工程中的应用 正在迅猛增长。
[0003] 目前，全断面隧道掘进机施工过程中，设备振动已成为严重影响施工进度、工程成 本甚至威胁设备安全的实际难题。全断面隧道掘进机已施工的隧道工程中，刀盘断裂、大轴 承过度点蚀等关键部件失效时有发生；据某工程实际统计，盘形滚刀的非正常磨损消耗已 达刀具消耗量的40%。
[0004] 通过实际工程测量和理论研究分析发现，一般全断面隧道掘进机施工中，刀盘固 有振动频率与外界对刀盘的干扰频率较接近，是造成上述现象的主要原因。
[0005] 如何降低或改变全断面隧道掘进机刀盘的固有振动频率，使其避开外界的干扰频 率，这是目前全断面隧道掘进机施工中亟待解决的难题。
[0006] 全断面隧道掘进机的设计过程中，刀盘厚度和支撑半径是两个重要参数，而目前 对于刀盘厚度的确定只考虑功能上能否满足要求（如出碴、强度等），基本不涉及振动方面 的考虑，更没涉及考虑刀盘厚度、刀盘支撑半径与刀盘振动三者之间的关系。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种通过改变刀盘厚度和支撑半径降低TBM施工振动的 方法，从而改变全断面隧道掘进机刀盘在施工中的固有振动频率，使其避开外界对刀盘的 干扰频率，以解决现有技术中存在的全断面隧道掘进机因振动而引起的设备损坏的技术问 题。
[0008] 本发明提供的通过改变刀盘厚度和支撑半径降低全断面隧道掘进机施工振动的 方法，包括以下步骤：
[0009] 根据实际测定，确定外界对刀盘的干扰频率，并确定外界对刀盘的干扰频率范 围；
[0010] 确定全断面隧道掘进机的刀盘厚度以及支撑半径与刀盘的纵向振动自然频率、扭 转振动自然频率以及纵向扭转联合振动自然频率之间的关系；
[0011] 调整全断面隧道掘进机的刀盘厚度以及支撑半径的取值，使刀盘的纵向振动自然 频率、扭转振动自然频率以及纵向扭转联合振动自然频率均避开外界对刀盘的干扰频率范 围。
[0012] 进一步的，所述外界对刀盘的干扰频率根据待施工地区的地质条件、刀盘参数以 及已有类似地质掘进施工记录计算或实际测量得到。
[0013] 进一步的，所述外界对刀盘的干扰频率范围为在外界对刀盘的干扰频率的基础上 ±10%〇
[0014] 进一步的，所述刀盘的纵向振动自然频率为
式中为刀盘
单位面积的质量，r。为刀盘的支撑半径，η为大于等于1的整数，N为大于等于0的整数，D 为刀盘的弯曲刚度。
[0015] 进一步的，所述的扭转振动自然频率为 式中，G为刀盘单位面积的质 量，G为刀盘材料的扭转弹性模量，t为刀盘厚度。
[0016] 进一步的，所述刀盘的弯曲刚度
，式中，E为刀盘材料的弹性模量， t为刀盘厚度；μ为刀盘材料的泊松比。
[0017] 进一步的，所述刀盘的纵向扭转联合振动自然频率为刀盘的纵向振动自然频率与 刀盘的扭转振动自然频率之和。
[0018] 进一步的，所述支撑半径为全断面隧道掘进机的刀盘半径的0. 4~0. 8倍。
[0019] 进一步的，所述刀盘的纵向振动自然频率是指刀盘的第一阶纵向振动自然频率， 即η和Ν均取最小值，得到
[0020] 进一步的，所述刀盘单位面积的质量由刀盘质量除以刀盘面积得到，其中，刀盘质 量根据待施工地质的特点及性质确定。
[0021] 本发明的有益效果为：
[0022] 通过建立全断面隧道掘进机的刀盘厚度以及支撑半径与刀盘的纵向振动自然频 率、扭转振动自然频率以及纵向扭转联合振动自然频率之间的关系，从而可以在设计刀盘 的时候，有选择性的避开外界对刀盘的干扰频率范围，从而避免施工过程中全断面隧道掘 进机的刀盘共振，提尚刀盘的使用寿命和掘进效率。
【附图说明】
[0023] 为了更清楚地说明本发明【具体实施方式】或现有技术中的技术方案，下面将对具体 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 附图是本发明的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0024] 图1为本发明实施例提供的全断面隧道掘进机的刀盘及刀盘支撑的主视图；
[0025] 图2为图1所示的全断面隧道掘进机的刀盘及刀盘支撑的左视图；
[0026] 图3为本发明实施例提供的全断面隧道掘进机的刀盘厚度与刀盘纵向振动自然 频率、刀盘扭转振动自然频率以及刀盘纵向扭转联合振动自然频率之间的关系曲线。
[0027] 附图标记：
[0028] 1-刀盘支撑；2-刀盘。
【具体实施方式】
[0029] 下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施 例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术 人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0030] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语"中心"、"上"、"下"、"左"、"右"、"竖直"、 "水平"、"内"、"外"等指示的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 便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、 以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"、 "第三"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0031] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相 连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可 以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是 两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本 发明中的具体含义。
[0032] 本发明提供的通过改变刀盘厚度和支撑半径降低TBM施工振动的方法，包括以下 步骤：
[0033] 根据实际测定，确定外界对刀盘的干扰频率，并确定外界对刀盘的干扰频率范 围；
[0034] 确定全断面隧道掘进机的刀盘厚度以及支撑半径与刀盘的纵向振动自然频率、扭 转振动自然频率以及纵向扭转联合振动自然频率之间的关系；
[0035] 调整全断面隧道掘进机的刀盘厚度以及支撑半径的取值，使刀盘的纵向振动自然 频率、扭转振动自然频率以及纵向扭转联合振动自然频率均避开外界对刀盘的干扰频率范 围。
[0036] 其中，所述外界对刀盘的干扰频率根据待施工地区的地质条件、刀盘参数以及已 有类似地质掘进施工记录计算或实际测量得到（外界对刀盘的干扰频率为行业内惯用的 名称和参数，本领域技术人员在实际工程中均可得到）。所述外界对刀盘的干扰频率范围为 在外界对刀盘的干扰频率的基础上±10%。
[0037] 下面分别介绍刀盘的纵向振动自然频率、扭转振动自然频率以及纵向扭转联合振 动自然频率的计算方法。
[0038] 1、全断面隧道掘进机刀盘的纵向振动自然频率：
[0039] 全断面隧道掘进机刀盘上刀具布置基本对称，因此，全断面隧道掘进机刀盘的振 型函数可取为：
[0040] W = F(r) cos ηθ，式中：n = 0，l，2，......。
[0041] η = 0,刀盘振形是轴对称的。η = 1及η = 2,刀盘的环向围线将分别有一个及两 个波，即：刀盘中面分别有一根和两根径向节线，其余类推。
[0042] 通过理论建模和求解，其振型的常微分方程为：
[0044] 式中：
[0045] r为振动点距刀盘中心的距离；