r>[0046] γ为常数，且
[0047] ω为刀盘固有振动圆频率；
[0048] :石为刀盘单位面积的质量；
[0049] D为刀盘弯曲刚度，且：
[0050] Ε为刀盘材料弹性模量，Ε = 210 X 109Pa ;
[0051] t为刀盘厚度；
[0052] μ为刀盘材料泊松比，μ =0· 3。
[0053] 设X = γ r，则上述方程可化为：
[0055] 其通解为：
[0058] r。是刀盘的支撑半径，所以有：
[0063] 因常数(；、(：2不能全为0,所以有
[0065] 求解，得：
[0066] 因此，
[0067] 从而
[0068] 由
，得到刀盘的纵向振动自然频率为：
[0070] 2、全断面隧道掘进机的刀盘扭转振动自然频率：
[0071] 设刀盘扭转单位弧度所需扭矩为I，则根据材料力学理论可求得
[0072] 设刀盘对其旋转轴线的转动惯量为Jz，则，
[0073] 因此，根据力学理论可以得到刀盘扭转振动自然频率：
[0075] 3、刀盘纵向和扭转联合振动自然频率：
[0077] 下面以一个具体的实施例对本发明做进一步说明：
[0078] 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；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。
[0079] 在某工程中，已知隧道（洞）的开挖直径为5. 75m (即刀盘直径为5. 75m)，根据开 挖地质特点（如岩石强度、硬度等）确定的刀盘重量为58吨，则： 因此，得该刀盘的纵向振动自然频率为：
[0081] 以刀盘的第一阶纵向振动自然频率为例，令N = 0、η = 1，则：
[0083] 由刀盘材料（本实施例中为钢）的扭转弹性模量G = 8 X lO'a，m=2.mx:1Q3kg/m2， 得该刀盘的扭转振动自然频率为：
[0085] 以刀盘厚度为横坐标（单位为米）、振动频率为纵坐标绘制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，如图3所示。
[0086] 在本实施例中，根据实际测定及已施工类似地质记录，外界对全断面隧道掘进机 刀盘的干扰频率在5000Hz左右，上下误差在10%左右，因此，需避开的干扰频率范围为 4500Hz~5500Hz，即图3中两双点划线所界定的区域。
[0087]曲线1为刀盘的扭转振动自然频率与刀盘厚度的关系曲线，可以看到，在刀盘厚 度为1. 1米以下时，刀盘的扭转振动自然频率均不在外界对刀盘的干扰频率范围之内。随 着曲线1的延伸，当刀盘厚度为1. 1~1. 5米时，刀盘的扭转振动自然频率处于外界对刀盘 的干扰频率范围之内，当刀盘厚度为1. 5米以上时，刀盘的扭转振动自然频率均不在外界 对刀盘的干扰频率范围之内。由于曲线过长，因此图中没有进行标示。另外，刀盘厚度一般 不宜太厚（一般不超过1. 5米），也不宜过薄（一般不低于0. 5米），因此，本实施例中仅以 刀盘厚度在〇. 5~1. 1米之间的情况进行说明。
[0088] 曲线2、3、4、5分别为不同支撑半径时，刀盘的纵向振动自然频率与刀盘厚度的关 系曲线。
[0089] 通常情况下，刀盘的支撑半径为刀盘半径的0. 4~0. 8倍，先确定刀盘的支撑半径 后，再绘制曲线。
[0090] 以曲线2为例进行详细说明。曲线2为刀盘支撑半径为0. 4倍刀盘半径时，刀盘 的纵向振动自然频率与刀盘厚度的关系曲线。可以看出，当刀盘厚度在0. 8米以下或0. 92 米以上时，刀盘的纵向振动自然频率不在外界对刀盘的干扰频率范围之内。
[0091] 而对于本实施例来说，不论刀盘厚度如何取值，刀盘纵向扭转联合自然振动频率 均不在外界对刀盘的干扰频率范围之内。
[0092] 因此，当刀盘支撑半径为0. 4倍刀盘半径时，刀盘厚度应在0. 5~0. 8米以及 0. 92~1. 1米两个区间进行取值。然后可以再根据其他设计理论和要求，进一步确定刀盘 的厚度。
[0093] 曲线3、4、5以同样的方式处理即可。
[0094] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制； 尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其 依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征 进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技 术方案的范围。
【主权项】
1. 通过改变刀盘厚度和支撑半径降低TBM施工振动的方法，其特征在于，包括以下步 骤： 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； 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； 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。2. 根据权利要求1所述的通过改变刀盘厚度和支撑半径降低TBM施工振动的方法，其 特征在于，所述外界对刀盘的干扰频率根据待施工地区的地质条件、刀盘参数以及已有施 工记录计算或实际测量得到。3. 根据权利要求1所述的通过改变刀盘厚度和支撑半径降低TBM施工振动的方法，其 特征在于，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%。4. 根据权利要求1所述的通过改变刀盘厚度和支撑半径降低TBM施工振动的方法，其 特征在于，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。5. 根据权利要求1所述的通过改变刀盘厚度和支撑半径降低ΤΒΜ施工振动的方法，其 特征在于，所述的扭转振动自然频率为、式中，&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。6. 根据权利要求4或5所述的通过改变刀盘厚度和支撑半径降低TBM施工振动的方 法，其特征在于，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。7. 根据权利要求1所述的通过改变刀盘厚度和支撑半径降低ΤΒΜ施工振动的方法，其 特征在于，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。8. 根据权利要求1所述的通过改变刀盘厚度和支撑半径降低ΤΒΜ施工振动的方法，其 特征在于，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。9. 根据权利要求4所述的通过改变刀盘厚度和支撑半径降低ΤΒΜ施工振动的方法，其 特征在于，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10. 根据权利要求4所述的通过改变刀盘厚度和支撑半径降低ΤΒΜ施工振动的方法，其 特征在于，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。
【专利摘要】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。包括以下步骤：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；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；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。本发明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，从而降低施工过程中全断面隧道掘进机的振动，提高刀盘的使用寿命和掘进效率。
【IPC分类】E21D9/11, E21D9/08
【公开号】CN105332715
【申请号】CN201510920988
【发明人】张照煌, 龚国芳, 高青风, 孙飞
【申请人】华北电力大学
【公开日】2016年2月17日
【申请日】2015年12月11日