[发明专利]全断面岩石掘进机滚刀米字型结构布置方法

说明书

技术领域

本发明属于全断面岩石掘进机刀盘设计领域，考虑滚刀布置设计时的多 种技术要求以及刀盘制造装配工艺要求，特别涉及一种全断面岩石掘进机滚 刀米字型布置方法。

背景技术

全断面岩石掘进机(TBM)是一种隧道掘进的大型专用工程机械，广泛用于 地铁、铁路、公路、市政、水电隧道工程，造价昂贵。其中滚刀在刀盘上的 布置设计是掘进机设计的核心技术，合理的刀具布置对提高刀盘掘金性能、 刀具寿命和刀盘大轴承寿命，减轻掘进机震动，降低噪音等具有举足轻重的 作用，如果刀具布置不合理，会导致掘进机振动噪声过大，刀盘受力不均匀， 造成刀具和刀盘大轴承过早失效的恶果。

TBM刀盘上布置刀具破岩掘进时，还需合理布置铲斗、喷水孔、排碴开口、 人孔通道等，滚刀布置设计要兼顾刀具受力安装、岩碴流通、便于安装水管 等综合因素，滚刀布置是优化掘进机性能的最重要技术手段，由于复杂的地 质条件和受到更苛刻的约束，使滚刀布置设计更困难也更重要，决定掘进机 施工成功与否。如新加坡深层隧道排污系统的克兰芝隧道工程中，由于地质 条件的频繁多变以及挖掘过程中更长距离混合挖掘界面的存在比期望更加严 重，造成滚刀具磨损严重、停机时间过长，经重新修改滚刀布置(包括减小 滚刀数量、扩大刀间距)，使刀具磨损量降低8.5％，机器利用率增大1倍以上。

关于TBM刀盘的刀具布置的研究，在国外文献中，多从理论上研究了掘 进机滚刀施工参数模型，主要包括单因素预测模型、综合预测模型(CSM模型 和NTNU模型)，上述模型给出了滚刀在刀盘上的受力与施工参数之间的关系， 而没有涉及刀盘上刀具布置设计方法的研究。在国内，中国专利号： 200320122509.0，专利名称为：“复合式盾构机”，该专利自述为：“本实用新 型复合式盾构机，……，在盘面面板上交叉装有二十二把十七英寸背装式滚 刀和先行刀，在二条幅板两侧不均匀地安装二十四把可拆刮刀，在刀盘外缘 上镶嵌由硬质合金抗磨刀组成的边刀，在刀盘盘体前沿外缘的径向部位上装 有仿行刀”。中国专利号：00223171.9，专利名称为：“多功能全断面隧道盾构 机”，该专利自述为：“为达到隧道全断面凿岩目的，将机头平面划分为26层， 总计80套凿岩机具，在第一层(即机头最大尺寸)上布置安装15套凿岩机 具，第二层布置安装10套凿岩机具，第三层为6套，……第26层为1套， 每层间均采用交叉递减法分布安装，其优点是实施全断面凿岩效果好，空间 位置大凿岩机好安装。……，在机头平面上切割滚刀的分布与凿岩类似，它 是将机头平面划分为7层，布置22套滚刀，第1层布置安装6套切割滚刀， 第2层6套，第3层4套……第7层1套，也是采用交叉递减布置安装”。上 述国内专利“复合式盾构机”和“多功能全断面隧道盾构机”仅给出了盾构 机确定的滚刀布置的数量，未说明如何确定刀具在刀盘上具体位置的方法， 未研究如何针对不同的岩石地质条件和施工参数进行刀盘上刀具的自动化布 置设计方法。中国专利号：200910076488.5，专利名称为：“正滚刀和过渡滚 刀在刀盘上的平衡布置方法”，该专利自述为：“本发明属于全断面隧道掘进 机(全断面岩石掘进机和盾构)刀盘设计技术领域，特别涉及正滚刀和过渡滚刀 在刀盘上的平衡布置方法。所述方法通过建立辅助方程，来绘制螺旋线，并 在螺旋线与各盘形滚刀预设的轨迹圆交点按照一定的顺序安装盘形滚 刀。……，提高全断面隧道掘进机工作的可靠性和作业寿命。”此专利仅给出 了正滚刀和边滚刀布置的应遵循的规则，但是在布置的时候并没有考虑滚刀 布置的各种技术要求，如刀盘上出渣口要求、分瓣要求以及人孔要求，同时 也没有给出如何依据此规则确定滚刀位置的自动化设计方法。

综上所述，国内外学者在破岩机理、掘进机刀盘受力计算以及掘进机刀 盘上刀具选型方面的研究取得了一些初步研究成果，但还未见从布局优化角 度进行刀具米字型布置的自动化设计方法研究。

发明内容

本发明的目的是针对复杂多变的岩石地层条件和刀盘设计制造的复杂技 术要求及制造装配要求，提供一种米字型布置设计方法来确定刀具在刀盘上 的安装位置。

本发明内容采用的技术方案：一种全断面岩石掘进机滚刀米字型布置设 计，分为以下几步进行：