一种滚刀正常使用寿命的预测方法

本发明涉及盾构隧道施工，尤其涉及一种滚刀正常使用寿命的预测方法。

背景技术：

1、近年来，地下空间在我国得到了快速发展，与此同时盾构法在隧道施工中发挥着越来越重要的作用。与其他施工方法相比，盾构法具有安全、高效、对环境影响小的优点。尽管如此，盾构掘进过程中刀具磨损是无法避免的。滚刀作为盾构破岩的主要刀具，其切削产生的磨损受盾构的类型、刀盘的形式、刀具的种类、地层条件等多种因素的影响。目前，随着大直径盾构的广泛应用，滚刀切削的线速度也随之增大，切削断面的地质复杂性也随之增加，在掘进过程中刀具磨损的不确定性也相应增加，如何可以较为精确地预测滚刀磨损值是目前盾构施工中的主要难题之一。传统的滚刀磨损预测模型未考虑盾构推力不均匀分布的影响，造成预测的结果与实际工程情况存在较大差异。目前亟需一种考虑推力分布和能量转换系数的滚刀正常使用寿命的预测方法，以便适时、合理评估盾构隧道施工期滚刀切削状态，为滚刀更换及开舱位置选择提供参考，指导盾构掘进施工过程中采取有效的防控措施。

技术实现思路

1、针对以上技术问题，本发明公开了一种滚刀正常使用寿命的预测方法，考虑了推力分布和能量转换系数，可以全面、简便、准确对滚刀正常使用寿命进行预测。

2、对此，本发明采用的技术方案为：

3、一种滚刀正常使用寿命的预测方法，其包括如下步骤：

4、步骤s1，确定盾构机和管片几何尺寸参数、岩层的无侧限抗压强度、盾构掘进参数、刀盘刀具配置参数、一段已知区间滚刀正常磨损数据、盾构掘进参数；

5、步骤s2，根据已知盾构区间(有若干环)的刀具磨损情况，对掘进推力f进行修正，得到修正后的掘进推力f’如下式(1)：

6、f'＝f(r)f       (1)，

7、其中，f为步骤s1中获得的盾构掘进推力，修正系数f(r)的计算公式为：

8、

9、其中，r为滚刀的安装半径，b为推力分布系数，rw为最外工作刀具的安装半径；

10、步骤s3，根据步骤s1中获得的相关参数和步骤s2得到的修正后的掘进推力，构建滚刀正常磨损计算模型，得到如下式(3)所示的单个滚刀一环的磨损预测值：

11、

12、其中，qi为单个滚刀第i环的磨损预测值，ωc为盾构掘进过程中的刀盘转速，r为滚刀的安装半径，ls为管片宽度，f’为修正后的掘进推力，σc为岩样的无侧限抗压强度，v为推进速度，t为刀盘扭矩，k是能量分布系数；

13、所述滚刀在待测区间的总磨损量可由下式(6)计算得到；

14、其中，n为待测区间的总环数；

15、步骤s4，根据一段已知区间滚刀正常磨损数据，结合公式(1)～(3)，通过待定系数的拟合的方法，得到能量转换系数k和推力分布系数b，作为预测后续滚刀磨损量的输入参数；

16、步骤s5，根据步骤s4得到的能量转换系数k和推力分布系数b，结合公式(3)，得到相应的磨损预测值q，采用下式计算得到每把滚刀损坏之前最长的掘进距离dt，预测未掘进段滚刀正常使用寿命；

17、

18、其中，q为单个滚刀一环的磨损预测量，wa为滚刀的正常磨损量极限值，ls为管片宽度。

19、作为本发明的进一步改进，所述岩样的无侧限抗压强度σc为在隧道沿线获取地层岩样，对岩样进行无侧限抗压强度试验确定。

20、作为本发明的进一步改进，步骤s4包括：

21、采用一段已知区间滚刀正常磨损数据，假定b值，不断带入不同的能量转换系数k，通过公式(3)计算得到磨损预测值，计算磨损预测值与步骤s1获得已知的刀具磨损实测值之间的决定系数r2，取决定系数r2最高时的能量转换系数k和推力分布系数b作为预测后续滚刀磨损量的输入参数；

22、其中，决定系数r2采用如下公式计算得到：

23、

24、其中，j代表刀具的编号，yj代表编号为j的刀具的实际磨损量，n为配置刀具的数量，是采用公式(3)计算得到的滚刀磨损的磨损预测值，即q。

25、更进一步的，步骤s4包括：

26、步骤s41，先假定b为定值，根据公式(3)，不断带入不同的能量转换系数k，得到相应的磨损预测值，计算各个磨损预测值与步骤s1获得已知的刀具磨损实测值之间的决定系数r2，得到决定系数r2取最大值时的能量转换系数kmax；

27、步骤s42，根据获得的决定系数r2取最大值时的能量转换系数k，结合公式(3)，不断带入不同的推力分布系数b，得到相应的磨损预测值，计算各个磨损预测值与步骤s1获得已知的刀具磨损实测值之间的决定系数r2，得到决定系数r2取最大值时的能量转换系数bmax；将kmax和bmax作为预测后续滚刀磨损量的输入的能量转换系数k和推力分布系数b。

28、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

29、采用本发明的技术方案，对滚刀正常磨损预测理论进行了完善，引入了推力分布和能量转换系数，考虑了盾构推力的不均匀性的影响，建立盾构滚刀正常磨损预测模型，可预测硬岩地层盾构滚刀正常磨损的变化趋势，以便适时、合理评估盾构隧道施工期滚刀切削状态，并指导实际工程中开舱换刀位置的选择。相较于传统的计算方法，本发明技术方案计算所得盾构滚刀正常磨损使用寿命预测数据精确度更高，并可指导盾构刀盘扭矩等掘进数据的调整，使盾构掘进处于高效的切削状态，保障盾构隧道施工高效、安全。而且，该预测方法简单、实用，便于推广。

技术特征：

1.一种滚刀正常使用寿命的预测方法，其特征在于：其包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的滚刀正常使用寿命的预测方法，其特征在于：所述岩样的无侧限抗压强度σc为在隧道沿线获取地层岩样，对岩样进行无侧限抗压强度试验确定。

3.根据权利要求1所述的滚刀正常使用寿命的预测方法，其特征在于：步骤s4包括：采用一段已知区间滚刀正常磨损数据，假定b值，不断带入不同的能量转换系数k，通过公式(3)计算得到磨损预测值，计算磨损预测值与步骤s1获得已知的刀具磨损实测值之间的决定系数r2，取决定系数r2最高时的能量转换系数k和推力分布系数b作为预测后续滚刀磨损量的输入参数；

4.根据权利要求3所述的滚刀正常使用寿命的预测方法，其特征在于：步骤s4包括：

技术总结
本发明提供了一种滚刀正常使用寿命的预测方法，该方法基于地层特性以及盾构掘进参数变化规律，得到了盾构刀盘刀具在切削过程中的磨损规律，并且考虑了考虑推力分布和能量转换系数。另一方面，针对盾构滚刀正常磨损的状况并充分考虑了盾构掘进环境，结合大量的工程数据，得到推力转换系数以及能量转换系数的计算流程，进而计算出工程中滚刀损坏之前最长的掘进距离，从而对正常使用寿命进行预测。本发明的技术方案可以通过预测盾构滚刀正常磨损量，进而预测其最长掘进距离，可为盾构隧道施工中预测滚刀换刀时间和换刀位置提供科学方法。

技术研发人员：沈翔,黄书华,苏栋,陈湘生,孔德芒,田兆平,张良,陈建福,舒计城,曹成勇,陈一凡,路芸芸
受保护的技术使用者：深圳大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16