基于CSM模型的隧道掘进机刀盘有效推力和扭矩计算方法技术

本发明专利技术公开了一种基于CSM模型的隧道掘进机刀盘有效推力和扭矩计算方法，包括：在复合地层中建立全局坐标系来对隧道掘进断面地层进行简化，并在建立的全局坐标系中确定掘进机的刀位参数；根据建立的全局坐标系和掘进机的刀位参数采用CSM模型进行盘形滚刀受力计算；根据盘形滚刀受力计算的结果在复合地层中对隧道掘进机刀盘的有效推力和有效扭矩进行计算；根据隧道掘进机刀盘的有效推力和有效扭矩的计算结果，绘制刀盘旋转掘进一周过程中滚刀受力、刀盘有效推力以及有效扭矩的变化曲线。本发明专利技术为隧道掘进机开挖施工过程中刀盘推力与扭矩的合理选择及监控提供了理论依据，更加科学、客观和可靠。本发明专利技术可广泛应用于隧道施工领域。

Calculation method of effective thrust and torque of cutter head of tunnel boring machine based on CSM model

The invention discloses a tunnel boring machine tool based on the CSM model of disc effective thrust and torque calculation method, including: the establishment of the global coordinate system in complex strata to simplify the tunnel excavation section of strata, and to determine the TBM cutter parameters in the global coordinate system; according to the global coordinate system and boring machine establish the tool parameters using the CSM model for stress calculation of disc cutter; disc cutter according to the stress calculation results in complex strata of TBM cutter effective thrust and torque effectively; according to the calculated results, the effective thrust and torque effectively TBM cutter, drawing force hob cutter head rotation driving a week in the process of the cutter effective thrust and effective torque curve. The invention provides a theoretical basis for the reasonable selection and monitoring of the thrust and torque of the cutter head during the excavation of the tunnel boring machine, and is more scientific, objective and reliable. The invention can be widely used in the field of tunnel construction.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及隧道施工领域，尤其是一种基于CSM模型的隧道掘进机刀盘有效推力和扭矩计算方法。
技术介绍
名词解释：隧道掘进机：一种高智能化，集机、电、液、光、计算机技术为一体的隧道施工重大技术装备，包含盾构和TBM。盾构：ShieldMachine，一般指适用于软土地层的隧道掘进机。TBM：TunnelBoringMachine，一般指适用于岩石地层的隧道掘进机，其与盾构的主要区别在于不具备泥水压、土压等维护掌子面稳定的功能。刀盘有效推力：指推动隧道掘进机刀盘上盘形滚刀破岩所需的合力，不含克服掘进机前进的各种摩擦力和土舱压力产生的反推力。刀盘有效扭矩：指隧道掘进机刀盘上盘形滚刀切向滚动力对刀盘旋转轴产生的合力矩。CSM模型：是指科罗拉多矿业学院(ColoradoSchoolofMines，CSM)Rostami等人提出的，一种较为成熟并应用于盘形滚刀破力计算的综合计算模型。随着隧道及地下空间的大发展，隧道掘进机在工程实践中得到广泛引用。隧道掘进机一般分为盾构机和全断面岩石掘进机(简称TBM)两大类，盾构机主要用于土质地层施工，全断面岩石掘进机主要用于岩质地层施工。随着技术的发展，硬岩掘进机技术与软土盾构技术相互融合，形成复合式盾构机，以适应软硬地层的隧道施工。但在复合地层中施工时，隧道掘进机仍将面临刀盘刀具异常磨损、盾构姿态难控制、结泥饼、喷涌等施工风险或困难。因此，选择合适的掘进参数以适应地层要求就显得尤为突出，其中，推力和扭矩是隧道掘进机施工的两个主要掘进参数，而刀盘的有效推力和有效扭矩的计算是合理设定刀盘推力和扭矩的基础。然而，目前在复合地层的施工过程中，隧道掘进机刀盘的有效推力和有效扭矩往往需要依靠施工经验来估算，无法为隧道掘进机开挖施工过程中刀盘推力与扭矩的合理选择及监控提供理论依据，不能正确指导掘进施工和减少安全事故(如因刀盘推力设置不合理而导致滚刀受荷超载而损坏，进而引起系列施工事故等)的发生，不够科学、客观和可靠。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术的目的在于：提供一种能为隧道掘进机开挖施工过程中刀盘推力与扭矩的合理选择及监控提供理论依据，科学、客观和可靠的，基于CSM模型的隧道掘进机刀盘有效推力和扭矩计算方法。本专利技术所采取的技术方案是：基于CSM模型的隧道掘进机刀盘有效推力和扭矩计算方法，包括以下步骤：在复合地层中建立全局坐标系来对隧道掘进断面地层进行简化，并在建立的全局坐标系中确定掘进机的刀位参数；根据建立的全局坐标系和掘进机的刀位参数采用CSM模型进行盘形滚刀受力计算；根据盘形滚刀受力计算的结果在复合地层中对隧道掘进机刀盘的有效推力和有效扭矩进行计算；根据隧道掘进机刀盘的有效推力和有效扭矩的计算结果，绘制刀盘旋转掘进一周过程中滚刀受力、刀盘有效推力以及有效扭矩的变化曲线。进一步，所述在复合地层中建立全局坐标系来对隧道掘进断面地层进行简化，并在建立的全局坐标系中确定掘进机的刀位参数这一步骤，其包括：以掘进断面的中心为坐标原点o、掘进方向为z轴正向和竖向为y轴正向，建立oxyz全局坐标系，其中，x轴正向由右手法则确定；在oxyz全局坐标系中将隧道掘进断面地层简化为K类地层，并得出这K类地层的位置参数，其中，地层的位置参数为地层底面的y坐标值，这K类地层从上至下的编号依次为1，2，…，j，…，K，相应的地层的位置参数为y1、y2、…、yj、…、yK，其中，j和yj分别为这K类地层中第j类地层的编号和位置参数，yK＝De/2，De为隧道的开挖直径；确定掘进机刀盘上盘形滚刀的位置表征参数，所述盘形滚刀的位置表征参数包括但不限于安装极径、安装极角、安装倾角及边缘安装半径；以隧道掘进机刀盘上仿形刀在底部与oy轴一致时的位置作为初始位置，得到刀盘旋转掘进过程中t时刻时刀盘上第i把盘形滚刀破岩点在oxyz全局坐标系中的位置坐标(xit,yit,zit)，所述位置坐标(xit,yit,zit)的表达式为：xit=(ρi+Risinβi)cos(θi+ωt)yit=(ρi+Risinβi)sin(θi+ωt)zit=-Ricosβi+vt,]]>其中，ρi、θi和βi分别为刀盘上第i把盘形滚刀的安装极径、安装极角和安装倾角，xit、yit和zit分别为t时刻时刀盘上第i把盘形滚刀破岩点的x轴位置坐标分量、y轴位置坐标分量和z轴位置坐标分量，Ri为刀盘上第i把盘形滚刀的半径，ω为掘进机刀盘的旋转角速度，v为掘进机刀盘的推进速度。进一步，所述根据建立的全局坐标系和掘进机的刀位参数采用CSM模型进行盘形滚刀受力计算这一步骤，其包括：根据建立的全局坐标系和掘进机的刀位参数准备CSM模型所需的计算数据，所述CSM模型所需的计算数据包括地层参数、刀具参数和掘进参数，所述地层参数包括地层的位置参数、地层的岩石单轴抗压强度和地层的岩石抗拉强度，所述刀具参数包括盘形滚刀的位置表征参数、盘形滚刀的半径和盘形滚刀的刃端宽度，所述掘进参数包括相邻盘形滚刀的刀刃间距、刀盘旋转速度和刀盘每转侵入深度；根据准备好的计算数据采用CSM模型计算盘形滚刀的受力、盘形滚刀的法向拉力和盘形滚刀的切向滚动力。进一步，所述根据准备好的计算数据采用CSM模型计算盘形滚刀的受力、盘形滚刀的法向拉力和盘形滚刀的切向滚动力这一步骤，其具体为：根据准备好的计算数据采用CSM模型计算盘形滚刀的受力、盘形滚刀的法向推力和盘形滚刀的切向滚动力，所述隧道掘进机t时刻时刀盘上第i把盘形滚刀的受力Fti、法向推力Fvi和切向滚动力Fri的计算公式分别为：其中，C为给定的无量纲系数，Ti为刀盘上第i把盘形滚刀的刃端宽度，为刀盘上第i把盘形滚刀刀刃与岩石的接触角，且h为刀盘每转侵入深度，ψ为盘形滚刀的刃端压力分布系数，si为第i把盘形滚刀与相邻盘形滚刀的刀刃间距，σcj为第j地层的岩石单轴抗压强度，σtj为第j地层的岩石抗拉强度。进一步，所述根据盘形滚刀受力计算的结果在复合地层中对隧道掘进机刀盘的有效推力和有效扭矩进行计算这一步骤，其具体为：根据盾构刀盘安装的滚刀总数N以及隧道掘进机t时刻时刀盘上第i把盘形滚刀的法向推力Fvi、安装极径ρi、安装倾角βi和切向滚动力Fri，在复合地层中计算隧道掘进机刀盘的有效推力Fz和有效扭矩Mz，所述隧道掘进机刀盘的有效推力Fz和有效扭矩Mz的计算公式分别为：进一步，所述无量纲系数C＝2.12，刃端压力分布系数ψ的取值范围为(-0.2)～0.2。进一步，所述第j地层的岩石单轴抗压强度σcj和岩石抗拉强度σtj对应的yit值需满足：yj-1≤yit＜yj。本专利技术的有益效果是：基于CSM模型提出了一种专门针对复合地层的隧道掘进机刀盘的有效推力和有效扭矩计算方法，依次通过掘进断面地层简化、盘形滚刀受力计算以及有效推力和有效扭矩计算来得出隧道掘进机刀盘的有效推力和有效扭矩，并根据计算结果绘制了刀盘旋转掘进一周过程中滚刀受力、刀盘有效推力以及有效扭矩的变化曲线，不再依赖于施工经验来估算掘进机刀盘的有效推力和有效扭矩，能预估刀盘上盘形滚刀在复合地层中不同旋转位置滚压破岩时的受力情况，方便了掘进机操作者及时掌握刀具的受力变化，从而为隧道掘进本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于CSM模型的隧道掘进机刀盘有效推力和扭矩计算方法，其特征在于：包括以下步骤：在复合地层中建立全局坐标系来对隧道掘进断面地层进行简化，并在建立的全局坐标系中确定掘进机的刀位参数；根据建立的全局坐标系和掘进机的刀位参数采用CSM模型进行盘形滚刀受力计算；根据盘形滚刀受力计算的结果在复合地层中对隧道掘进机刀盘的有效推力和有效扭矩进行计算；根据隧道掘进机刀盘的有效推力和有效扭矩的计算结果，绘制刀盘旋转掘进一周过程中滚刀受力、刀盘有效推力以及有效扭矩的变化曲线。

【技术特征摘要】
1.基于CSM模型的隧道掘进机刀盘有效推力和扭矩计算方法，其特征在于：包括以下步骤：在复合地层中建立全局坐标系来对隧道掘进断面地层进行简化，并在建立的全局坐标系中确定掘进机的刀位参数；根据建立的全局坐标系和掘进机的刀位参数采用CSM模型进行盘形滚刀受力计算；根据盘形滚刀受力计算的结果在复合地层中对隧道掘进机刀盘的有效推力和有效扭矩进行计算；根据隧道掘进机刀盘的有效推力和有效扭矩的计算结果，绘制刀盘旋转掘进一周过程中滚刀受力、刀盘有效推力以及有效扭矩的变化曲线。2.根据权利要求1所述的基于CSM模型的隧道掘进机刀盘有效推力和扭矩计算方法，其特征在于：所述在复合地层中建立全局坐标系来对隧道掘进断面地层进行简化，并在建立的全局坐标系中确定掘进机的刀位参数这一步骤，其包括：以掘进断面的中心为坐标原点o、掘进方向为z轴正向和竖向为y轴正向，建立oxyz全局坐标系，其中，x轴正向由右手法则确定；在oxyz全局坐标系中将隧道掘进断面地层简化为K类地层，并得出这K类地层的位置参数，其中，地层的位置参数为地层底面的y坐标值，这K类地层从上至下的编号依次为1，2，…，j，…，K，相应的地层的位置参数为y1、y2、…、yj、…、yK，其中，j和yj分别为这K类地层中第j类地层的编号和位置参数，yK＝De/2，De为隧道的开挖直径；确定掘进机刀盘上盘形滚刀的位置表征参数，所述盘形滚刀的位置表征参数包括但不限于安装极径、安装极角、安装倾角及边缘安装半径；以隧道掘进机刀盘上仿形刀在底部与oy轴一致时的位置作为初始位置，得到刀盘旋转掘进过程中t时刻时刀盘上第i把盘形滚刀破岩点在oxyz全局坐标系中的位置坐标(xit,yit,zit)，所述位置坐标(xit,yit,zit)的表达式为：xit=(ρi+Risinβi)cos(θi+ωt)yit=(ρi+Risinβi)sin(θi+ωt)zit=-Ricosβi+vt,]]>其中，ρi、θi和βi分别为刀盘上第i把盘形滚刀的安装极径、安装极角和安装倾角，xit、yit和zit分别为t时刻时刀盘上第i把盘形滚刀破岩点的x轴位置坐标分量、y轴位置坐标分量和z轴位置坐标分量，Ri为刀盘上第i把盘形滚刀的半径，ω为掘进机刀盘的旋转角速度，v为掘进机刀盘的推进速度。3.根据权利要求2所述的基于CSM模型的隧道掘进机刀盘有效推力和扭矩计算方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴起星，安关峰，刘添俊，
申请(专利权)人：广州市市政集团有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44