一种硬岩掘进机掘进状态的判断方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于盾构TBM机械施工技术领域，具体涉及一种基于硬岩隧道掘进机掘进 比能的硬岩掘进机掘进状态的判断方法。
【背景技术】
[0002] 随着我国隧道和地下工程建设的快速发展，硬岩隧道掘进机（以下简称TBM)以其 高效、快速、安全的施工特点成为隧道建设领域最先进的施工装备。同时，隧道施工又是一 种高能耗、高成本的工程建设。
[0003] 据统计，硬岩TBM日消耗电能上亿千瓦，结合装备各种机械损耗以及刀具磨损消 耗，硬岩TBM日消耗能量费用达上百万元。掘进能耗的合理预测成为计划隧道施工进度、节 约施工成本的关键环节。
[0004] 硬岩TBM施工过程中，掘进比能是破碎单位岩体消耗能量，不仅是直接衡量掘进 能耗的参数，还可以反映掘进参数匹配是否合理以及刀具的工作状态。
[0005] 然而，多节理的硬岩岩体使得硬岩TBM破岩力学过程更加复杂，与掘进速率相匹 配的最佳掘进能耗难以计算，目前的技术和手段尚未实现最佳掘进比能的合理预估。
[0006] 因此，提出一种最佳掘进比能计算关系式，用于提高硬岩TBM掘进效率，调整掘进 参数，延长破岩滚刀使用寿命，是硬岩隧道建设与施工领域的亟待解决的难题。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于解决上述的技术问题而提供一种基于硬岩隧道掘进机掘进比 能的硬岩掘进机掘进状态的判断方法，该方法从硬岩滚刀破岩过程的力学分析入手，通过 比较硬岩TBM理想掘进比能与实际比能，判断硬岩TBM掘进状态，为提高掘进效率，合理匹 配掘进参数以及改善破岩刀具的受力状态提供了依据。
[0008] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0009] -种硬岩掘进机掘进状态的判断方法，包括以下步骤：
[0010] 计算硬岩TBM的理想掘进比能；
[0011] 结合现场采集的掘进数据，计算硬岩TBM的实际掘进比能；
[0012] 利用所述理想掘进比能与实际掘进比能计算比能偏差率e，根据所述比能偏差率 e判断硬岩TBM实际掘进状态。
[0013] 所述硬岩TBM的理想掘进比能的计算，采用如下公式：
[0015] 其中，E'为硬岩TBM理想掘进比能；N为硬岩TBM刀盘滚刀数量#为硬岩TBM刀 盘所有滚刀平均安装半径；RT为硬岩TBM刀盘半径，a、c、k、b为常数，p为切深，k、b常数 通过硬岩TBM正常掘进过程中，滚刀推力F n与切深p间的关系式F n= kp 1 b，利用实验数据 的反演识别确定，a、c常数系通过滚刀切割系数CC与切深p间的关系式CC = af以及滚 刀的刀刃角大小确定；
[0016] 所述硬岩TBM的实际掘进比能计算采用如下公式进行：
[0018] 其中，E为硬岩TBM实际掘进比能；Th为硬岩TBM刀盘推力；Tor为硬岩TBM刀盘 扭矩。
[0019] 所述比能偏差率e的计算公式如下：
〇
[0021 ] 如果所述比能偏差率e小于等于20%，则判断硬岩TBM能耗在预设值范围内，处于 正常掘进状态，否则判断为硬岩TBM能耗超出预设值。
[0022] 具体判断时，如果e彡20%，则可说明硬岩TBM处于正常掘进状态，硬岩TBM掘进 能耗处于预期值的范围内，表明刀具磨损不严重；如果e > 20%，则说明硬岩TBM能耗超出 预设值，硬岩TBM掘进能耗过多，刀具磨损严重，应调整刀盘扭矩与刀盘推力的相互关系， 以减小硬岩TBM能耗。
[0023] 本发明通过计算硬岩TBM的理想掘进比能；然后再结合现场采集的掘进数据，计 算硬岩TBM的实际掘进比能；利用所述理想掘进比能与实际掘进比能计算比能偏差率e，根 据所述比能偏差率e判断硬岩TBM实际掘进状态，为提高掘进效率、匹配掘进参数、改善刀 具受力状态提供更为科学的参考依据。
【附图说明】
[0024] 图1所示为本发明实施例中工程硬岩TBM理想掘进比能预测曲线与偏差率为20% 边界曲线。
【具体实施方式】
[0025] 下面，结核实例对本发明的实质性特点和优势作进一步的说明，但本发明并不局 限于所列的实施例。
[0026] 本发明是通过从滚刀切割岩体力学分析出发，确定掘进比能与切深之间的相互关 系，提出了计算硬岩TBM理想掘进比能（或称为最佳掘进比能）的计算方法，然后基于计算 的理想掘进比能，通过计算硬岩TBM的实际掘进比能，并计算比能偏差率来实现判断硬岩 TBM的实际掘进状态的。
[0027] 下面，具体说明本发明是如何具体实现的：
[0028] 第一步，确定硬岩TBM正常掘进过程中，滚刀的推力与切深间存在如下关系：
[0029] Fn= kp 1 b (1)
[0030] 式中：Fn为滚刀推力，单位为KN ;k、b为常数，取决于岩体的结构与力学性质，利用 实验数据的反演识别确定；P为切深，单位为mm ;
[0031] 第二步，确定硬岩TBM正常掘进过程中，滚刀切割系数与切深间存在如下关系：
[0032] CC = apc (2)
[0033] 式中：a、c为常数，目前，硬岩TBM通常使用常截面与近似常截面的窄形滚刀，常截 面滚刀刀刃角一般小于5°，常用的近似常截面的窄形滚刀刀刃角一般约为20°。当刀刃 角小于 5° 时，a = 0· 0473, c = 0· 5139 ;当刀刃角约为 20° 时，a = 0· 0412, c = 0· 5114 ; CC为切割系数。
[0034] 第三步，确定硬岩TBM理想掘进比能与切深之间存在如下关系：
[0036] 式中：E'为硬岩TBM最佳掘进比能；N为硬岩TBM刀盘滚刀数量；为硬岩TBM刀 盘所有滚刀平均安装半径；R T为硬岩TBM刀盘半径；
[0037] 第四步，结合现场采集的掘进数据，计算实际掘进比能；
[0038] 结合现场采集的工程数据，实际比能计算关系式如下：
[0040] 式中：E为硬岩TBM实际掘进比能；Th为硬岩TBM刀盘推力；Tor为硬岩TBM刀盘 扭矩；
[0041] 第五步，通过比较理想掘进比能与实际掘进比能，判断硬岩TBM掘进状态；
[0042] 结合现场采集的工程数据，利用关系式（3)计算理想掘进比能，利用关系式（4)计 算实际掘进比能，进而计算比能偏差率e，比能偏差率e计算过程如下：
[0044] 如果e彡20%，则说明硬岩TBM处于正常掘进阶段。如果e > 20%，则说明硬岩 T