[发明专利]隧道掘进机刀盘驱动载荷计算方法

说明书

技术领域

本发明属于隧道掘进机械施工技术，具体涉及一种隧道掘进机刀盘驱动载荷的计算方法。

背景技术

近年来，随着我国城市地下交通的迅速发展，铁路、输运管道等隧道工程项目逐渐增多，围绕隧道掘进机设计与施工的相关技术也得到快速发展。其中隧道掘进机刀盘驱动载荷的确定是其设计及施工环节的核心技术之一。准确计算隧道掘进机在掘进过程中刀盘所需要的驱动载荷值，是掘进机刀盘及动力系统设计的理论基础，也是施工过程中掘进状态实时调整的重要依据。掘进机在隧道掘进过程中，刀盘与掘进界面土体所构成的复杂力学系统包含：法向挤压、旋转摩擦、切削破坏等多种形式耦合作用。因此，其驱动载荷(包括推力与扭矩)与地质条件、刀盘结构以及操作状态等多种因素密切相关。目前实际工程中的隧道掘进机载荷计算多采用经验公式，但其仅给出一个较大的载荷估算区间，且经验系数缺乏明确的取值依据。国内外已有的刀盘载荷相关计算多为静态载荷分析，未考虑操作参数对载荷的影响。因此提出一种对刀盘驱动载荷的计算方法，成为本行业之急需。

发明内容

本发明的目的是，提出一种包含地质参数、操作参数以及刀盘结构参数对刀盘载荷影响的驱动载荷计算方法，为刀盘设计及施工参数调整提供准确的依据。

本发明的目的是这样实现的：隧道掘进机刀盘驱动载荷包括推力和扭矩，其计算确定方法，主要分为以下几个步骤：

(1)确定开挖面静止土压力F₁；

(2)确定刀盘掘进推力F₂；

(3)根据F₁和F₂的和确定刀盘总的驱动推力；

(4)确定刀盘侧面与周围土体间的摩擦扭矩T₁；

(5)确定密封舱内搅拌扭矩T₂；

(6)确定刀盘掘进扭矩T₃；

(7)根据T₁、T₂、T₃之和确定刀盘总的驱动扭矩；

其中所述步骤(1)中的开挖面静止土压力，是指掘进界面前方土体在自然状态下由自身重力引起的土压力，与掘进过程无关，由如下公式确定：

F1=πD24K0γH]]>

式中，D(m)为刀盘直径，K₀为开挖面静止土压力系数，γ(kN/m³)为土体容重，H(m)为地表至掘进机中心线埋深。

其中所述步骤(2)中的刀盘掘进推力，是指掘进过程中由于刀盘挤压土体引起的，用以保证掘进机推进以及维持开挖面稳定的推进载荷，由如下公式确定：

F2=E1-μ2δD]]>

式中，E(kPa)为土体弹性模量，μ为土体泊松比，δ(m/r)为刀盘每转切入深度。

然后根据所述步骤(1)、(2)将F₁与F₂之和确定为刀盘总的驱动推力。

其中所述步骤(4)中刀盘侧面与周围土体间的摩擦扭矩由如下公式确定：

T₁＝π·D·t·f₁·P_m

式中，t(m)为刀盘厚度，f₁为刀盘与土体间摩擦系数，P_m(kPa)为作用在刀盘侧面上的平均土压力。

其中所述步骤(5)中的密封舱内搅拌扭矩指刀盘后方密封舱内搅拌土体产生的扭矩，由如下公式确定：