一种考虑地层变化的盾构刀盘轮廓设计方法技术

本发明专利技术提出了一种考虑地层变化的盾构刀盘轮廓设计方法，涉及全断面隧道掘进机刀盘设计的技术领域，其步骤为：计算相邻半径条幅交叠径；根据地层参数计算刀盘计算开口高度范围；按照渣土颗粒通过性计算开口高度下限；确定刀盘轮廓参数。本发明专利技术是考虑了实际地层情况的一种刀盘设计方法，计算原理明确，计算过程简明。本发明专利技术针对现有技术的不足，提出了因地制宜的刀盘轮廓设计方法，提出一种考虑地层变化的、基于土压力平衡、排土效率高的盾构刀盘轮廓设计方法。

A design method of cutter head contour of shield considering the change of stratum

【技术实现步骤摘要】
一种考虑地层变化的盾构刀盘轮廓设计方法
本专利技术涉及全断面隧道掘进机刀盘设计的
，特别是涉及一种考虑地层变化的盾构刀盘轮廓设计方法。技术背景盾构机是在复杂地层环境下进行隧道暗挖施工的主要设备。盾构机通过主轴驱动刀盘旋转带动刀盘上的刀具对掌子面施加切应力和摩擦力、通过液压千斤顶推动刀盘上的刀具向掌子面施加正应力，来压碎和切割掌子面，实现切土破岩掘进。目前存在的刀盘设计方法，1(王洪新.土压平衡盾构刀盘开口率选型及其对地层适应性研究[J].土木工程学报,2010(3):88-92.)从保证连续掘进时出土率计算的角度出发，计算了刀盘的开口率，但没有计算刀盘轮廓的特征参数，也没有分析开口率能否满足土压平衡。2(王宪云.地质适应性刀盘方案设计方法与流程研究[D].天津大学,2012.)通过文献研究和基于AHP(层次分析法)的CBR(基于实例推理)刀盘设计模型进行了刀盘设计方法研究，没有考虑土压平衡和颗粒通过性。3(郭伟,胡竟,王磊,刘建琴.基于CFD的土压平衡盾构刀盘开口分布特征研究[J].机械工程学报,2012,48(17):144-151.)运用计算流体动力学分析了开口率和渣土流动性之间的关系，没有针对地层条件提出符合土压平衡的开口轮廓理论计算方法。4(陈巍,孙伟,霍军周.TBM刀盘开口面积的确定[J].机械设计与制造,2015(05):29-31+35.)从控制排土量连续排渣的角度提出了刀盘开口面积的计算方法，没有针对土压平衡原理提出刀盘轮廓参数的计算方法。5(用于盾构机的刀盘设计方法，申请号：CN201710505730.0)根据地层的强度确定刀盘材料，根据地层的渗透系数选择刀盘结构，从刀盘材料出发，针对不同的地层情况设计刀盘结构，对刀盘轮廓的设计过程比较模糊。6(一种用于复合地层的新型盾构刀盘，申请号：CN201811645294.8)该专利技术以中心开口率大、安装简单、使用成本低为出发点，提出了一种具有针对性的刀盘，没有考虑土压力平衡。7(一种用于圆角矩形隧道全断面仿形开挖的刀盘设计方法，申请号：CN201811633620.3)：根据刀盘轮廓与正方形断面相切的仿形原理建立仿形的刀盘理论轮廓模型，通过刀盘轮廓离散化及刀盘轮廓磨损量设计刀盘结构。该方法未考虑到土层条件对刀盘设计的影响。在现有的盾构刀盘设计方法中，缺少一种考虑地层变化、基于土压力平衡的理论设计方法。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：本专利技术针对现有技术的不足，提出了因地制宜的刀盘轮廓设计方法，提出一种考虑地层变化的、基于土压力平衡、排土效率高的盾构刀盘轮廓设计方法。为了解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案是：一种考虑地层变化的盾构刀盘轮廓设计方法，包括以下步骤：步骤一计算相邻半径条幅交叠径刀具安装宽度为w，*R为刀盘半径，刀具安装宽度与刀盘上的滚刀所在半径条幅宽度一致；相邻半径条幅交叠径rs为单个开口区域两条径向边界线交点与刀盘圆心之间连线，刀盘上两相邻半径条幅轴线间夹角为θ，θ的取值范围与刀盘半径条幅数量c有关，如式(1)，且c为大于2且不超过[π/arcsin(w/(2×*R))]的正整数，[π/arcsin(w/(2×*R))]为不超过π/arcsin(w/(2×*R))的最大正整数；rs根据式(2)计算，θ≤2π/3，且θ(单位为rad时)能被2π整除；将半径条幅宽度w作为刀盘圆周的长度为w的弦时，半径条幅宽度w所对应的圆心角为2arcsin(w/(2×R))，若在刀盘圆周内各半径条幅远离圆心的一端布置一具宽度为w的刀具，由于刀具与刀具之间不能存在重叠，所以c应为大于2且不超过[π/arcsin(w/(2×R))]的正整数，[π/arcsin(w/(2×R))]为不超过π/arcsin(w/(2×R))的最大正整数；若[π/arcsin(w/(2×R))]＜3则应重新选取w和R，当[π/arcsin(w/(2×R))]≥3时按照步骤一计算。θ＝2π/c(1)步骤二根据地层参数计算刀盘计算开口高度l范围掌子面内各土层分界线均水平，若土层分界线不水平则取掌子面内分界线平均埋深作为掌子面内土层分界线埋深。以刀盘所在位置的地表正投影点为0点，以竖直向下为y轴正方向建立坐标系；取最危险截面进行计算，最危险截面为下刀盘计算开口区域环向边界弧线中点深度最大时将该单个刀盘计算开口区域以过刀盘圆心的直径为对称轴在刀盘所在平面内作轴对称形成上刀盘计算开口区域后的刀盘截面；根据工程勘察资料，得到自地表以下第i层土的土层厚度*hi；(1)计算土仓压力合力刀盘计算开口高度l＝yc,2-yc,1＝yc,4-yc,3，*H为刀盘顶部埋深，*H、*R均为输入值，*H＞0，*R＞0；yc,1、yc,2、yc,3、yc,4分别为最危险截面的上刀盘计算开口区域上边界埋深最浅点、上刀盘计算开口区域下边界埋深最深点、下刀盘计算开口区域上边界埋深最浅点、下刀盘计算开口区域下边界埋深最深点在y轴上的投影坐标，分别由式(3)和式(4)确定；*γ为土仓内混合物重度，为偏安全计算，可取土仓内混合物重度与4℃水的重度*γw相同；*p0为土仓内顶部的最大土仓压力，*p0＞0；上刀盘计算开口区域土仓压力合力f1、下刀盘计算开口区域土仓压力合力f2分别由式(5)、式(6)确定；f1＝[2*p0+*γ(2yc,2-2*H-l)]l/2(5)f2＝[2*p0+*γ(2yc,2-2*H+4rs+l)]l/2(6)(2)计算盾构刀盘计算开口高度l取值范围如式(7)，pI,k,j,m为i＝I时的pi,k,j,m，pi,k,j,m为刀盘计算开口区域内土层的主动土压力，自地表向下pi,k,j,m的土压力计算点的深度为y，pi,k,j,m中i为自地表向下的地层层序，i＝{1,2,3...}，同种土分别位于地上水位以上、地下水位以下的部分分别为以地下水位为分界线的相邻不同层的土；k∈{1,2}，1表示土压力计算点在上刀盘计算开口区域内，2表示土压力计算点在下刀盘计算开口区域内；j为土压力计算点所在地层的刀盘计算开口区域内地层层序；m∈{1,2}，1为土压力计算点在刀盘计算开口区域内第j层土的计算厚度的顶部，2为土压力计算点在刀盘计算开口区域内第j层土的计算厚度的底部；*Zw为地下水位线深度，*Zw＞0；*γi为第i层土的计算重度，地下水位以上时取天然重度，地下水位以下时取浮重度；*hi为第i层土的厚度；为自地表向下第i层土的内摩擦角，*ci为自地表向下第i层土的粘聚力，*ci≥0，I为目标土层层序；当pI,k,j,m计算值小于0时，pI,k,j,m取0；若上、下刀盘计算开口区域内分别包含a,b层土，则刀盘计算开口区域内上刀盘计算开口区域土压力合力f3、下刀盘计算开口区域土压力合力f4如式(8)、式(9)所示；*gi,1,j为上刀盘计算开口区域内第j层土的计算厚度，当上刀盘计算开口本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑地层变化的盾构刀盘轮廓设计方法，其特征在于：包括以下步骤：/n步骤一 计算相邻半径条幅交叠径/n刀具安装宽度为w，

【技术特征摘要】
1.一种考虑地层变化的盾构刀盘轮廓设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一计算相邻半径条幅交叠径
刀具安装宽度为w，*R为刀盘半径，刀具安装宽度与刀盘上的滚刀所在半径条幅宽度一致；相邻半径条幅交叠径rs为单个开口区域两条径向边界线交点与刀盘圆心之间连线，刀盘上两相邻半径条幅轴线间夹角为θ，θ的取值范围与刀盘半径条幅数量c有关，如式(1)，且c为大于2且不超过[π/arcsin(w/(2×*R))]的正整数，[π/arcsin(w/(2×*R))]为不超过π/arcsin(w/(2×*R))的最大正整数；rs根据式(2)计算；θ≤2π/3，且θ(单位为rad时)能被2π整除；
θ＝2π/c(1)



步骤二根据地层参数计算刀盘计算开口高度l范围
掌子面内各土层分界线均水平，若土层分界线不水平则取掌子面内分界线平均埋深作为掌子面内土层分界线埋深，
以刀盘所在位置的地表正投影点为0点，以竖直向下为y轴正方向建立坐标系；取最危险截面进行计算，最危险截面为下刀盘计算开口区域环向边界弧线中点深度最大时将该单个刀盘计算开口区域以过刀盘圆心的直径为对称轴在刀盘所在平面内作轴对称形成上刀盘计算开口区域后的刀盘截面；根据工程勘察资料，得到自地表以下第i层土的土层厚度*hi；
(1)计算土仓压力合力
刀盘计算开口高度l＝yc,2-yc,1＝yc,4-yc,3，*H为刀盘顶部埋深，*H、*R均为输入值，*H＞0，*R＞0；yc,1、yc,2、yc,3、yc,4分别为最危险截面的上刀盘计算开口区域上边界埋深最浅点、上刀盘计算开口区域下边界埋深最深点、下刀盘计算开口区域上边界埋深最浅点、下刀盘计算开口区域下边界埋深最深点在y轴上的投影坐标，分别由式(3)和式(4)确定；







*γ为土仓内混合物重度，为偏安全计算，可取土仓内混合物重度与4℃水的重度*γw相同；*p0为土仓内顶部的最大土仓压力，*p0＞0；上刀盘计算开口区域土仓压力合力f1、下刀盘计算开口区域土仓压力合力f2分别由式(5)、式(6)确定；
f1＝[2*p0+*γ(2yc,2-2*H-l)]l/2(5)
f2＝[2*p0+*γ(2yc,2-2*H+4rs+l)]l/2(6)
(2)计算盾构刀盘计算开口高度l取值范围
如式(7)，pI,k,j,m为i＝I时的pi,k,j,m，pi,k,j,m为刀盘计算开口区域内土层的主动土压力，自地表向下pi,k,j,m的土压力计算点的深度为y，pi,k,j,m中i为自地表向下的地层层序，i＝{1,2,3...}，同种土分别位于地上水位以上、地下水位以下的部分分别为以地下水位为分界线的相邻不同层的土；k∈{1,2}，1表示土压力计算点在上刀盘计算开口区域内，2表示土压力计算点在下刀盘计算开口区域内；j为土压力计算点所在地层的刀盘计算开口区域内地层层序；m∈{1,2}，1为土压力计算点在刀盘计算开口区域内第j层土的计算厚度的顶部，2为土压力计算点在刀盘计算开口区域内第j层土的计算厚度的底部；*Zw为地下水位线深度，*Zw＞0；*γi为第i层土的计算重度，地下水位以上时取天然重度，地下水位以下时取浮重度；*hi为第i层土的厚度；为自地表向下第i层土的内摩擦角，*ci为自地表向下第i层土的粘聚力，*ci≥0，I为目标土层层序；当pI,k,j,m计算值小于0时，pI,k,j,m取0；



若上、下刀盘计算开口区域内分别包含a,b层土，则刀盘计算开口区域内上刀盘计算开口区域土压力合力f3、下刀盘计算开口区域土压力合力f4如式(8)、式(9)所示；

*gi,1,j为上刀盘计算开口区域内第j层土的计算厚度，当上刀盘计算开口区域内第j层土的顶部、底部土层分界线均位于上刀盘计算开口区域内时，*gi,1,j为上刀盘计算开口区域内第j层土对应的*hi；当上刀盘计算开口区域内第j层土仅有底部土层分界线在上刀盘计算开口区域内时，*gi,1,j为上刀盘计算开口区域上边界埋深最浅点与上刀盘计算开口区域内第j层土底部土层分界线之间的土层厚度；当上刀盘计算开口区域内第j层土仅有顶部土层分界线在上刀盘计算开口区域内时，*gi,1,j为上刀盘计算开口区域下边界埋深最深点与开口区域内第j层土顶部土层分界线之间的土层厚度；当单个上刀盘计算开口区域完全在上刀盘计算开口区域内第j层土深度范围之内时，*gi,1,j＝l，*gi,1,j对应的上刀盘计算开口区域内第j层土即自地表向下的第i层土；

*gi,2,j为下刀盘计算开口区域内第j层土的计算厚度，当下刀盘计算开口区域内第j层土的顶部、底部土层分界线均位于下刀盘计算开口区域内时，*gi,2,j为下刀盘计算开口区域内第j层土对应的*hi；当下刀盘计算开口区域内第j层土仅有底部土层分界线在下刀盘计算开口区域内时，*gi,2,j为下刀盘计算开口区域上边界埋深最浅点与下刀盘计算开口区域内第j层土底部土层分界线之间的土层厚度；当下刀盘计算开口区域内第j层土仅有顶部土层分界线在下刀盘计算开口区域内时，*gi,2,j为下刀盘计算开口区域下边界埋深最深点与下刀盘计算开口区域内第j层土顶部土层分界线之间的土层厚度；当单个下刀盘计算开口区域完全在下刀盘计算开口区域内第j层土深度范围之内时，*gi,2,j＝l，*gi,2,j对应的下刀盘计算开口区域内第j层土即自地表向下的第i层土；






无论刀盘计算开口高度l如何变化，只要满足关于刀盘圆心对称的上刀盘计算开口区域和下刀盘计算开口区域内土层的种类和数量不变，就属于同一计算条件；当关于刀盘圆心对称的上刀盘计算开口区域或下刀盘计算开口区域内土层的种类或数量改...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩爱民，李彤，张心远，孙义杰，韩如碧，施烨辉，程荷兰，张世豪，李璇，翟维骏，黄凌莉，陈冬，苏明，郝保安，
申请(专利权)人：南京工业大学，南京坤拓土木工程科技有限公司，中设设计集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32