本发明涉及隧道施工的技术领域，尤其涉及一种tbm正滚刀间距的设计方法。
背景技术：
tbm工法是一种经济、快速、安全、高效且机械化程度很高的隧道施工方法，已经成为近年来国内外隧道施工中的一种主要施工方法。滚刀间距是影响tbm掘进性能的决定性因素之一，是衡量tbm刀盘设计质量的关键参数之一，滚刀间距布置合理与否直接影响tbm破岩效率、刀具损耗等参数。合理的滚刀间距设计可提高滚刀破岩能力、tbm开挖效率，减小刀具磨损，降低开挖能耗、成本。
目前，国内外学者主要通过离散元、有限元等数值模拟方法和室内试验等手段研究分析不同滚刀间距对破岩效率的影响，这些研究只针对某一类完整岩石进行参数优化，与岩体本身赋有各种结构面的实际工况不符，也无法解决tbm施工中固定刀盘切削多类岩性的适应性问题。当前针对某具体工程而提出刀间距设计方法鲜有公开。
技术实现要素：
针对现有滚刀间距研究与岩体本身赋有各种结构面的实际工况不符，也无法解决tbm施工中固定刀盘切削多类岩性的适应性问题的技术问题，本发明提出一种tbm正滚刀间距的设计方法，可以计算不同地层、不同贯入度条件下的最优刀间距，应用于tbm刀盘滚刀布置及优化设计，可指导tbm在不同地层中高效掘进时的贯入度、刀盘推力等参数的设定，对tbm刀盘设计和实际工程施工有着重要意义。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种tbm正滚刀间距的设计方法，其步骤如下：
步骤一、确定滚刀破岩承载力f的范围，建立单刀推力与贯入度的对应关系式；
步骤二、建立滚刀间距与贯入度的对应关系式；
步骤三、确定正滚刀间距设计值s：
(1)在工程各地层条件下单刀推力与贯入度的对应关系中，依据tbm在不同地层中处于高效合理状态下的滚刀破岩承载力f范围查找掘进的贯入度区间；
(2)在滚刀间距s与贯入度p的对应关系中确定不同地层中滚刀高效破岩时的贯入度区间对应的最佳刀间距范围；
(3)以各地层的最佳刀间距范围的重合部分作为刀盘滚刀间距设计值。
所述步骤一中确定滚刀破岩承载力f的范围的方法为：滚刀破岩承载力f的范围由滚刀额定承载力f1和滚刀高效破岩最小承载力f2确定，即：f2≤f≤f1；
所述滚刀额定承载力f1是指滚刀在正常工作状态下所允许的承载范围，由下式确定：
f1＝c1fu(1)
其中，c1为滚刀承载力安全系数；fu为滚刀极限承载力；
所述滚刀高效破岩最小承载力f2是滚刀在高效破岩时所需的最小推力，由下式确定：
f2＝c2f1(2)
式中c2为滚刀高效破岩系数。
所述步骤一中建立单刀推力与贯入度的对应关系式的方法为：
a.确定滚刀与岩石的接触面积a：接触面积a是指滚刀贯入岩石一定深度时，滚刀与岩石接触面投影面积，由下式确定：
其中，l为滚刀与岩石的接触弧长，t为滚刀刀刃宽度，α为滚刀刀刃角；p为滚刀贯入度；r为滚刀半径；
b.建立单刀推力fn与贯入度p的对应关系式系由下式确定：
其中，σn为岩石压入强度，σc为岩石抗压强度，kd为滚刀压入强度系数，且
滚刀间距s是tbm刀盘在某贯入度下运行时，相邻两把滚刀协同破岩产生的裂纹恰好相互贯通的距离，建立滚刀间距与岩石破碎角的对应关系如下式：
式中，n为裂纹扩展系数，ψ为岩石破碎角。
本发明的特点以及有益效果在于：
(1)与目前tbm滚刀间距设计方法相比，本发明具有数据计算简单的特点，只要从地勘资料中获取岩石参数，明确选用的滚刀形状参数，可直接计算滚刀高效破岩时的贯入度和滚刀间距。
(2)在计算方法上，通过分析滚刀破岩时的单刀推力与滚刀形状参数、贯入度的关系，根据已知的岩石性能参数抗压强度、破碎角等，建立了单刀推力、贯入度及滚刀间距之间的对应关系，建立了单刀推力和贯入度计算模型，依据岩石破碎角几何关系计算推导出不同贯入度下的刀间距计算公式，明确了相邻滚刀协同破岩时的合理刀间距设计方法。
(3)明确了相邻滚刀协同破岩的合理刀间距，充分考虑了岩体力学性质、刀具尺寸、滚刀受力等多方面因素，解决了tbm在不同地层高效掘进的滚刀间距设计的问题。
(4)在理论方面，提出根据合理滚刀推力和贯入度运行区间查找对应刀间距的设计方法，对tbm刀盘设计、改造优化具有指导意义，对tbm在不同地层中高效破岩时的贯入度、刀盘推力等设备运行参数的设定提供依据。
(5)在应用方面，可根据地层条件进行tbm刀盘合理的刀具选择、滚刀间距设计，施工中选用适应当前地质条件的最优贯入度、刀盘推力等tbm设备运行参数，有利于tbm高效掘进，提高施工速度，节约施工成本，解决了不同地层tbm滚刀间距的适应性问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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本发明的一些实施例，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。
图1为本发明的滚刀贯入岩石示意图。
图2为本发明的滚刀贯入岩石剖面图。
图3为本发明的滚刀与岩石接触投影面示意图。
图4为本发明合理的滚刀刀间距计算示意图。
图5为本发明正滚刀间距设计流程图。
图6为单刀推力fn与贯入度p的关系曲线图。
图7为滚刀间距s与贯入度p的关系曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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付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。
一种tbm正滚刀间距的设计方法，其步骤如下：
步骤一、建立单刀推力与贯入度的对应关系式。
(1)确定滚刀破岩承载力f的范围
所述滚刀破岩承载力f的范围由滚刀额定承载力f1和滚刀高效破岩最小承载力f2确定，即：f2≤f≤f1。
所述滚刀额定承载力f1是指滚刀在正常工作状态下所允许的承载范围，由下式确定：
f1＝c1fu(1)
其中，c1为滚刀承载力安全系数；fu为滚刀极限承载力，是指滚刀所能承受的最大荷载，滚刀的承载能力主要由滚刀轴承的承载能力决定。
所述滚刀高效破岩最小承载力f2是滚刀在高效破岩时所需的最小推力，滚刀推力越大，破岩能力越强，破岩效果越好，tbm掘进速度越快，因此在滚刀安全工作的状态下尽可能增大推力能够提高滚刀破岩效率。滚刀高效破岩最小承载力f2可由下式确定：
f2＝c2f1(2)
式中c2为滚刀高效破岩系数。
(2)确定滚刀与岩石的接触面积a
所述接触面积a是指滚刀贯入岩石一定深度时，滚刀与岩石接触面投影面积，如图1-3所示，由下式确定：
其中，l为滚刀与岩石的接触弧长，t为滚刀刀刃宽度，α为滚刀刀刃角；p为滚刀贯入度；r为滚刀半径。
(3)建立单刀推力fn与贯入度p的对应关系式，在滚刀破岩承载力的范围内确定滚刀贯入度的范围
所述单刀推力fn是指滚刀贯入岩石一定深度时所承受的正推力。滚刀侵入荷载和接触面积的比例关系定义为岩石压入强度σn，滚刀压入强度系数kd与岩石抗压强度σc存在如下关系：
单刀推力fn与贯入度p的对应关系由下式确定：
其中，σn为岩石压入强度，σc为岩石抗压强度，σn和σc的单位均为mpa，kd取值范围为1.5～2.5。
根据公式(5)建立单刀推力fn与贯入度p的关系曲线，在滚刀破岩承载力f的范围确定滚刀贯入度的范围。
步骤二、建立滚刀间距与贯入度的对应关系式
合理的滚刀间距s是tbm刀盘在某贯入度下运行时，相邻两把滚刀协同破岩产生的裂纹恰好相互贯通的距离，如图4所示，由此建立滚刀间距与岩石破碎角的对应关系如下式：
式中n为裂纹扩展系数，ψ为岩石破碎角。
三、确定正滚刀间距设计值s
(1)在工程各地层条件下单刀推力fn与贯入度p的对应关系中，依据tbm在不同地层中处于高效合理状态下的滚刀破岩承载力f范围查找相应的掘进贯入度区间；
(2)在滚刀间距s与贯入度p的对应关系中确定不同地层中滚刀高效破岩时的贯入度对应的最佳刀间距范围；
(3)以各地层的最佳刀间距范围的重合部分作为刀盘滚刀间距设计值。
通过上述三个步骤，分析工程岩石强度、破碎角和滚刀形状参数、单刀推力得到不同地层tbm高效掘进时的贯入度范围，从而得到不同地层的滚刀间距，由此得到适用于该工程的设计滚刀间距，如图5所示。
具体实例
某tbm工程地层参数如下：花岗岩抗压强度为112mpa，破碎角ψ＝140°；石灰岩抗压强度为90mpa，破碎角ψ＝130°；砂岩抗压强度为60mpa，破碎角ψ＝120°；裂纹扩展系数取n＝1.5。选用19寸盘形滚刀，结构参数如下：刀圈半径241.5mm，刀刃宽度20mm，刀刃角10°，滚刀压入强度系数2.0；19寸滚刀的极限承载能力fu＝350kn，承载力安全系数c1＝0.85，高效破岩系数c2＝0.85。考虑刀盘进渣口和皮带机输渣能力，贯入度设定值不大于15mm/r。以下将以此作为计算样本进行tbm刀盘正滚刀刀间距设计计算，其他不同地层或不同滚刀可按照相同的方法进行计算。
步骤一、建立单刀推力与贯入度关系曲线
(1)确定滚刀破岩承载力范围
由已知条件：滚刀极限承载力fu＝350kn，承载力安全系数c1＝0.85，高效破岩系数c2＝0.85，根据式f1＝c1fu和f2＝c2f1，可得f＝260～300kn。
(2)确定滚刀与岩石的接触面积
由已知条件：滚刀半径r＝241.5mm，刀刃宽度t＝10mm，刀刃角α＝10°，可得接触面积
(3)建立单刀推力与贯入度关系曲线
根据所述结果，由式：
滚刀推力在260～300kn区间工作时，112mpa花岗岩地层掘进的滚刀贯入度p＝6～8mm/r，90mpa石灰岩地层掘进的滚刀贯入度p＝9～12mm/r。考虑刀盘进渣口和皮带机输渣能力，贯入度设定值≯15mm/r。在60mpa砂岩地层最大贯入度范围p＝11～15mm/r，滚刀推力在200～230kn区间工作。三种工况分别对应图6中斜上、中部和斜下区域。
二、建立滚刀间距s与贯入度p关系曲线
由已知条件：裂纹扩展系数n＝1.5，刀刃宽度t＝15mm，刀刃角α＝10°，根据式
三、确定正滚刀间距设计值s
根据tbm在三种地层高效合理运行的贯入度，查询各自对应的最优刀间距，并以三者重合部分所对应的刀间距作为设计值。三种岩体在每转贯入度为8、10和13mm运行时，选取设计刀间距88～98mm为宜，即图7中矩形重合区域所对应的刀间距。
以此方法可以计算不同地层条件、不同掘进能力tbm的设计滚刀间距，为tbm高效掘进提供设计依据。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。