复杂地层隧道施工中盾构刀具服役期磨损量的预测方法技术

本发明专利技术公开一种复杂地层隧道施工中盾构刀具服役期磨损量的预测方法，其通过引入Rabinowicz磨粒磨损计算公式，并结合了滚刀CSM模型和盾构机的运营期间的机械参数，建立了盾构刀具磨损量预测的初步预测模型，并辅以前期工程中的各参数与刀具磨损量建立一一对应关系构建的数据库修正该初步预测模型，得到了最终的预测模型，实现了盾构刀盘上每个滚刀在盾构施工全过程的磨损量变化的细化获取，由此解决刀具各个部位磨损量的准确计算和刀盘更换时间预测困难的技术问题。更换时间预测困难的技术问题。更换时间预测困难的技术问题。

【技术实现步骤摘要】
复杂地层隧道施工中盾构刀具服役期磨损量的预测方法


[0001]本专利技术属于隧道工程领域盾构刀具磨损检测领域，尤其涉及一种复杂地层隧道施工中盾构刀具服役期磨损量的预测方法。

技术介绍

[0002]随着中国城市现代化进程的推进，越来越多的城郊接合区域甚至市属县级单位都被划归到核心都市圈当中，成为中国经济新的增长点。然而现有的城郊公路交通系统并不能完全满足长距离大流量的人员输送需求，随着土地价值的增长，通过扩大地面交通系统规模以解决交通拥堵问题的难度也在逐渐增大。为了解决远距离通勤困难的问题，提升城市交通系统的效率及运力，地铁逐渐成为解决卫星城到城市核心区互联互通问题的首选。由于城市地铁建设环境的敏感度极高且水文地质条件各不相同，因此地铁隧道施工方法的选择尤为重要，需通过施工可行性、经济合理性比选以及环境资源保护决策等，针对各城市的具体特征选出适合的地铁隧道施工方法。目前，我国引进并消化的地铁隧道施工方法包括盖挖法、明挖法、矿山法、盾构法等，其中盾构法凭借掘进速度快、自动化程度高、对周围环境扰动小的优点，在近五年新一轮的地铁建设热潮中被广泛使用。
[0003]盾构法相比于传统的明挖法，具有不影响地面正常活动、对土体扰动小、掘进较为安全等优点，盾构掘进机(shield machine)是专为盾构法施工而设计的工程机械，其始于英国，发展于日本、德国。20世纪70年代，英国和日本分别开发出了密闭式刀盘掘进，且能通过加压平衡掘进面水土压力的新型盾构掘进机，这标志着盾构掘进技术的一次飞跃。其后四十年间，盾构施工得到快速发展，为了适应不同的工程项目，采用新技术、新工艺的新型盾构机逐渐出现。近年来，为了解决不同地质条件交替出现的问题，复合式盾构机的应用逐渐普及，兼有单模式盾构机的特点和优势，同时还具备设备利用率高、地质适应性广、施工成本低的特点。
[0004]随着国内盾构机制造及配套技术的成熟，我国隧道建设中使用的盾构机国产化率逐渐提高，盾构机选型逐渐多样化、精细化，掘进模式也从单一的三种模式向复合式盾构过渡，进而发展至如今的多模式盾构，极大提升了复杂地质条件下盾构掘进的适应性。
[0005]随着近年来城市地铁建设的快速推进，隧道工程地质条件逐渐复杂化，给盾构施工带来了新的问题。
[0006]其中一个新问题是盾构区间的长距离化、地质条件多样化。为应对超大型城市的持续扩张，地铁交通网逐渐向城市边界和下属地级市延伸，单条地铁线需跨越和沟通的距离超过一般城市范畴，导致区间距离增大的同时也增加了地层跨度。
[0007]而盾构刀具作为消耗品和易损件，在盾构机掘进过程中会逐渐磨损，需要在磨损至一定程度后进行更换，而隧道工程地质条件的逐渐复杂化，地层跨度的增加必然会导致盾构机选型的多样化和复合化，多样、复合的盾构机选型必然导致同一盾构区间施工过程中盾构刀具选型的复杂化。同一刀盘的不同刀具的使用寿命也不尽相同，刀具磨损常导致掘进工效降低甚至刀具失效，是盾构施工中面临的主要挑战。目前掘进中的刀具磨损状况
主要依靠经验判断，也可采用停机后人工进仓检查的方法，但是危险性很高且代价较大。实际施工过程中一般只有在无法掘进时才进行开仓检查，这时盾构刀具通常已发生了严重的磨损或者变形，无论是换刀难度还是工程进度都会受到严重影响。因此，准确预测刀具磨损状况具有重要意义，成为目前亟待解决的问题。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于针对现有技术中准确预测施工过程中实时刀具磨损状况困难，刀具最佳更换时机难以确定、人工进仓检查刀具危险性高且盾构施工停机费用昂贵等问题，构建了一种基于Rabinowicz磨粒磨损计算公式的适用于各种复杂地层盾构隧道的盾构刀具磨损预测方法。采用此方法可以准确预测城市地铁盾构隧道开挖过程中刀具的磨损情况，以在盾构施工前做好施工期间最佳更换刀盘计划，最大化减少盾构机停机的工期耽误，提高施工效率，尽量保证盾构刀具在整个施工过程保持最佳状态，并解决人员进仓检查和更换刀具的安全问题，节省施工成本。
[0009]为解决上述问题，本专利技术提供的方案是：
[0010]一种复杂地层隧道施工中盾构刀具服役期磨损量的预测方法，包括以下步骤：
[0011]基于Rabinowicz磨粒磨损计算公式，并结合滚刀CSM模型和盾构机的运营期间的掘进参数，建立盾构刀具实时磨损量预测的初步预测模型；
[0012]用已有的相似地层和相似盾构机掘进参数的工程中的参数建立数据库，修正所述初步预测模型，修正后的模型为最终预测模型；
[0013]确定待预测的盾构刀具类型、刀具安装半径、岩体力学参数和盾构机掘进参数，并输入到最终预测模型中获得刀具磨损面各点磨损量，实现刀具磨损的实时可视化评估和预测。
[0014]作为本专利技术的优选实施例，修正所述初步预测模型的步骤包括：
[0015]步骤a、针对盾构刀具，根据盾构实际掘进情况，精确测量一把刀具从新换上盾构机使用到磨损到损坏被换下整个服役期的体积变化量，以获得该刀具的体积磨损量，即获得每个地质情况下的刀具磨损量；
[0016]步骤b、选取刀盘上的同种刀具，重复步骤a，以获得同种刀具在不同滚刀安装半径、掘进距离、岩体力学参数和盾构机掘进参数下对应的刀具磨损量；选取多种不同类型的盾构刀具重复步骤a，以获得不同盾构刀具在不同地质情况下对应的刀具磨损量，形成刀具类型、刀具径距、地质情况和刀具磨损量等参数的数据库；根据该数据库形成的各盾构机的机械参数经验值修正盾构刀具实时磨损量预测的初步预测模型，修正后得到最终预测模型，以用于预测新的待使用盾构刀具在不同地层环境下的整个服役期的实时磨损量。
[0017]作为本专利技术的优选实施例，盾构机掘进参数至少包括掘进速度、刀盘转速、刀盘扭矩和刀盘推力中的一种或多种。
[0018]作为本专利技术的优选实施例，所述刀盘每一滚刀磨损量数据至少包括滚刀安装半径、滚刀磨损高度、滚刀磨损体积、滚刀更换位置和滚刀更换时间的一种或多种。
[0019]由于采用上述技术方案，使得本专利技术具有以下有益效果：
[0020](1)本专利技术涉及的滚刀磨损量预测模型，将其运用于实际的各类复杂的地铁隧道盾构掘进工程后，解决了长久以来盾构掘进过程中最佳换刀时机无法准确预估的问题，准
确判断了刀具的实时磨损量，可提前评估最佳换刀时机，最大化的节约时间和提升施工效率，减少人员进仓的次数，实现了降低危险，缩短工期的目标。
[0021](2)采用本专利技术涉及的滚刀磨损量预测模型，可实时准确计算刀具磨损量，可以部分或完全弥补传统的传感器监测刀具磨损量的准确度不足，无法覆盖所有刀具的问题，提高了掘进施工过程的精度和可视化程度，也有利于为后续刀具的材料改进和刀盘结构设计改进提供更加准确的依据。
[0022](3)采用本专利技术涉及的滚刀磨损量预测模型，计算方法简单明了，所需参数均很容易获得，可快速计算，将人工成本降到了最低。
[0023](4)本专利技术所述整套预测模型已在具体实施案例中详细验证，方法可行，预测准确，适合大规模在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复杂地层隧道施工中盾构刀具服役期磨损量的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：基于Rabinowicz磨粒磨损计算公式，并结合滚刀CSM模型和盾构机的运营期间的掘进参数，建立盾构刀具实时磨损量预测的初步预测模型；用已有的相似地层和相似盾构机掘进参数的工程中的参数建立数据库，修正所述初步预测模型，修正后的模型为最终预测模型；确定待预测的盾构刀具类型、刀具安装半径、岩体力学参数和盾构机掘进参数，并输入到最终预测模型中获得刀具磨损面各点磨损量，实现刀具磨损的实时可视化评估和预测。2.根据权利要求1所述的复杂地层隧道施工中盾构刀具服役期磨损量的预测方法，其特征在于，修正所述初步预测模型的步骤包括：步骤a、针对盾构刀具，根据盾构实际掘进情况，精确测量一把刀具从新换上盾构机使用到磨损到损坏被换下整个服役期的体积变化量，以获得该刀具的体积磨损量，即获得每个地质情况下的刀具磨损量；步骤b、选取刀盘上的同种刀具...

【专利技术属性】
技术研发人员：李兆国，章定文，鱼志鸿，龚佳泽，骆小芳，
申请(专利权)人：中建八局轨道交通建设有限公司，
类型：发明
国别省市：