一种盾构滚刀法向切削力预测方法技术

本发明专利技术公开了一种盾构滚刀法向切削力预测方法，包括以下步骤：判断盘形滚刀贯入度是否小于滚刀挤压破坏区垂直高度，若是，岩石仅发生挤压破坏，不发生剪切破坏，刀刃两侧对岩石的作用力为零，采用以下滚刀法向切削力模型对法向力进行计算：

A prediction method of normal cutting force of shield rolling tool

【技术实现步骤摘要】
一种盾构滚刀法向切削力预测方法
本专利技术涉及盾构隧道施工技术，具体是一种盾构滚刀法向切削力预测方法。
技术介绍
随着人口急剧膨胀和城市化速度加快，土地资源贫乏、地面交通拥挤的问题愈发严峻，公共设施、道路和桥梁已将地面空间大范围覆盖，因此开发地下空间和快速修建城市地铁对于城市建设非常紧迫。盾构法掘进因其施工速度快、对复杂地层适应性强、对周边环境干扰较少等优点，得到了快速发展和广泛应用，日益成为城市地铁首选的施工方法。在盾构法施工过程中，刀盘上安装的滚刀作为开挖地层的主要工具，在掘进时会发生不同程度的磨损。停机换刀，对刀具进行检查、维修及更换，均会对施工效率、成本及施工安全性产生影响。当盾构机掘进过程中遇到砂卵石地层或复合地层时，刀具与大粒径卵石作用时由原来的点接触变为线或面接触，受力面增大，磨损更为严重。在盾构工程中，常用的滚刀形式可分为三种类型：近似常截面滚刀、尖刃楔形滚刀和弧刃楔形滚刀。相比尖刃楔形和弧刃楔形截面，常截面滚刀在硬岩地层条件下持续破碎岩石效果较好。以往对于滚刀法向切削力模型的研究大多为弧刃楔形或尖刃楔形截面滚刀，岩石的破坏机理被假定为单一的挤压或剪切破坏，计算结果与实际出入较大。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种盾构滚刀法向切削力预测方法，其用于对滚刀法向切削力进行测试时，能同时兼顾挤压和剪切破坏，进而能提升测试精度。本专利技术的目的主要通过以下技术方案实现：一种盾构滚刀法向切削力预测方法，包括以下步骤：判断盘形滚刀贯入度是否小于滚刀挤压破坏区垂直高度，若是，岩石仅发生挤压破坏，不发生剪切破坏，刀刃两侧对岩石的作用力为零，采用以下滚刀法向切削力模型对法向力进行计算：若否，则对应计算法向力的滚刀法向切削力模型为：式中，FV1为刀刃对挤压区岩石作用力的法向力，FV2和FV3分别为滚刀推进过程中刀刃两侧对岩石作用力的法向力，P为滚刀对剪切块的作用力。破岩力是与刀具和破岩几何形状及岩石物理性质相关的函数，刀具几何形状是指圆盘直径、刀尖宽度、刀具间距和贯入深度，岩石物理力学性能主要包括岩石的无侧限抗压强度和抗拉强度。进一步的，所述滚刀对剪切块的作用力的计算公式为：式中，c为岩石内聚力，φb为岩石内摩擦角，β为滚刀刀刃角的一半，α为剪切面与水平面的夹角，ψ为滚刀与岩石的摩擦角。进一步的，所述滚刀对剪切块的作用力的推导过程如下：近似常截面滚刀剪切破坏面上的剪应力τ的计算服从摩尔-库伦破坏准则：τ＝c+σtanφb；根据剪切块受力平衡：将剪切块受力平衡的公式代入摩尔-库伦破坏准则可得到述滚刀对剪切块的作用力。进一步的，所述刀刃对挤压区岩石作用力的法向力FV1的具体推导过程包括以下步骤：FV1的计算如公式为：FV1＝σcA；当盘形滚刀贯入度h小于滚刀挤压破坏区垂直高度时，此时岩石仅发生挤压破坏，投影面积是随深度h增加相应增大的函数，此时：式中，B为刀刃顶部宽度，r为刀刃过度圆弧半径，θ为滚刀与岩石的接触角，当盘形滚刀贯入度h大于或等于滚刀挤压破坏区垂直高度时，破坏区投影区域面积为定值，此时：FV1≈SABCD·σc＝Rsinθ(B+2rsinβ')·σc式中，β'为剪切破坏临界角。进一步的，所述滚刀推进过程中刀刃两侧对岩石作用力的法向力FV2和FV3的具体推导过程包括以下步骤：当盘形滚刀贯入度小于滚刀挤压破坏区垂直高度时，刀尖弧刃仅进行挤压破坏作用，岩石不发生剪切破坏，剪切力FV2＝FV3＝0；当盘形滚刀贯入度大于或等于滚刀挤压破坏区垂直高度时，常截面滚刀刀侧面对岩石作用力使其发生剪切破坏，剪切力FV2＝FV3≥0，即：式中，Sh为剪切体与刀具接触面法向投影，其计算公式如下：则：进一步的，所述岩石挤压破坏与剪切破坏作用的临界角的计算公式为：β′＝π/2-(α+ψ+φb)。综上所述，本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：本专利技术对滚刀破碎岩体进行受力分析，建立了滚刀破岩法向力平均值预测模型，其对滚刀法向切削力进行测试时，能同时兼顾挤压和剪切破坏，能提升测试精度，且本专利技术在滚刀处于较大贯入深度时，预测数据与实验数据较为接近。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术实施例的限定。在附图中：图1为硬岩中滚刀破岩示意图；图2为卵石在刀具作用下的受力示意图；图3为滚刀掘进受力分析图；图4为常截面滚刀破岩状态图；图5为刀侧剪切体受力分析图；图6为破坏形式临界点图形；图7为常截面滚刀受力分析图；图8为近似常截面滚刀侧面与剪切体接触面法向投影图；图9为实验所用滚刀刀刃示意图；图10为实验数据与本实施例预测模型法向力对比图；图11为实验数据与各模型法向力计算结果对比图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本专利技术作进一步的详细说明，本专利技术的示意性实施方式及其说明仅用于解释本专利技术，并不作为对本专利技术的限定。实施例：在滚刀破岩过程中，滚刀刀圈的正面和侧面同在岩体施加的反作用力的作用下，砂卵石表面的硬质颗粒和凸起与刀圈接触不断地发生材料磨损，因此盘形滚刀刀圈的磨损与受力情况和接触轨迹、滑动距离均相关。大粒径漂石的破碎机理与一般硬岩的破碎机理类似，通常采用滚压破碎模式。如图1所示，千斤顶提供给滚刀较大的顶进压力，作用于较小的接触面积，从而出现局部应力集中。当刀刃压力大于岩石的抗压强度时，刀圈与岩石间存在接触压裂区并形成大量裂纹。当刀尖距小于一定距离时，裂缝将相互贯通形成破碎体，而滚刀的径向滚动使径向裂缝进一步扩增至贯通性裂缝形成，从而达到破岩的目的。卵石地层受力较为独特，卵石多为椭圆和亚圆形，随机分布于弱胶结松软细颗粒中的离散结构体。虽然粘聚力小但具结构类型土体骨架，加上卵石个体具有抗压强度高、不宜破碎的特点，滚刀在砂卵石地层破岩情况复杂难以预知。盾构开挖过程中卵石破碎原理是先由顶进力产生卵石压裂缝，滚刀径向滚动产生拉伸力，从而扩大压裂缝，导致岩石破碎，但卵石是移动的，无法为刀具的切向破碎提供足够的反力。根据开挖过程中卵石与刀具所处的不同相对位置，直接导致卵石的受力破坏模式上会有显著差别，在盾构开挖过程中刀具与卵石之间所处的可能形态主要有以下两种，如图2所示。通常在开挖过程中，由于刀具在刀盘扭矩的作用下发生滚动，它们的相对位置发生动态变化，卵石在梁式受力状态下更为容易破碎，而点式状态下卵石破碎更为彻底，点式由于稳定性不高易转化为梁式。假设掘进过程中刀刃正面接触卵石瞬间稳定破岩。由于盾构掘进过程中滚刀刀刃对岩石的挤压，刀刃接触岩石受到的压力超过其抗压强度时发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种盾构滚刀法向切削力预测方法，其特征在于，包括以下步骤：/n判断盘形滚刀贯入度是否小于滚刀挤压破坏区垂直高度，若是，岩石仅发生挤压破坏，不发生剪切破坏，刀刃两侧对岩石的作用力为零，采用以下滚刀法向切削力模型对法向力进行计算：/n

【技术特征摘要】
1.一种盾构滚刀法向切削力预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
判断盘形滚刀贯入度是否小于滚刀挤压破坏区垂直高度，若是，岩石仅发生挤压破坏，不发生剪切破坏，刀刃两侧对岩石的作用力为零，采用以下滚刀法向切削力模型对法向力进行计算：



若否，则对应计算法向力的滚刀法向切削力模型为：



式中，FV1为刀刃对挤压区岩石作用力的法向力，FV2和FV3分别为滚刀推进过程中刀刃两侧对岩石作用力的法向力，P为滚刀对剪切块的作用力。


2.根据权利要求1所述的一种盾构滚刀刀具磨损预测方法，其特征在于，所述滚刀对剪切块的作用力的计算公式为：



式中，c为岩石内聚力，φb为岩石内摩擦角，β为滚刀刀刃角的一半，α为剪切面与水平面的夹角，ψ为滚刀与岩石的摩擦角。


3.根据权利要求2所述的一种盾构滚刀刀具磨损预测方法，其特征在于，所述滚刀对剪切块的作用力的推导过程如下：
近似常截面滚刀剪切破坏面上的剪应力τ的计算服从摩尔-库伦破坏准则：
τ＝c+σtanφb；
根据剪切块受力平衡：






将剪切块受力平衡的公式代入摩尔-库伦破坏准则可得到述滚刀对剪切块的作用力。


4.根据权利要求1所述的一种盾构滚刀刀具磨损预测方法，其特征在于，所述刀刃对挤压区岩石作用力的法向力FV1的具体推导...

【专利技术属性】
技术研发人员：张军伟，张骁，郭亮，纪佑军，李雪，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：四川;51