[发明专利]一种TBM滚刀磨损的预测方法

说明书

本发明属于TBM滚刀磨损的技术领域，具体涉及一种TBM滚刀磨损的预测方法，该预测方法包括以下步骤：确定TBM掘进过程中的掘进参数、刀圈磨损量及刀圈特征；建立刀圈综合磨损系数计算模型；建立基于所述刀圈综合磨损系数的TBM有效掘进距离预测模型；分析在地质条件与刀圈性质相同的情况下，滚刀刀圈磨损受各因素影响的影响机制。本发明提出刀圈综合磨损系数的概念并建立滚刀磨损预测模型，解决了在TBM施工中难以预测滚刀消耗的技术难题。

技术领域

本发明属于TBM滚刀磨损的技术领域，具体涉及一种TBM滚刀磨损的预测方法。

背景技术

TBM隧洞施工具有独头施工距离长、施工速度快、成洞质量好、人员劳动强度低、作业环境好等优点，成为长隧洞施工的首选。TBM利用盘形滚刀破岩，在破岩过程中，受岩石摩擦、岩块冲击等作用，刀圈不可避免地会发生磨损，包括正常磨损和非正常损坏。正常磨损是指刀圈在直径方向均匀地减少的过程，非正常损坏主要包括刀圈断裂、崩刃、卷刃、偏磨等。当刀圈正常磨损量达到一定程度或发生非正常损坏后，就必须进行滚刀更换，否则会加重刀盘上其他刀具负载，加剧刀具磨损，甚至造成整盘刀具报废。据统计，滚刀更换中，正常磨损占90％以上。频繁换刀会造成两个不利后果：一是占用掘进时间，降低设备利用率，从而影响施工进度；二是刀圈及滚刀价格高，大量换刀会显著增加施工成本，影响工程投资效益。在西康铁路秦岭隧道TBM施工过程中，滚刀更换时间占总掘进时间的1/3，滚刀成本占施工总成本的1/3。因此，研究盘形滚刀磨损机理和磨损预测模型，对于选择合理的刀圈材质及掘进参数，从而对降低工程投资、缩短工期具有重要的现实意义。

但由于刀圈磨损过程较复杂，且磨料和刀圈的受力状态不断变化，试图从理论上精确计算刀圈的磨损量存在较大困难，只能根据大量施工数据建立估测的经验公式。然而已有研究大多关注影响刀圈磨损的一个或多个因素，各因素之间有些相互独立，有些又有一定相关性，很难将各因素耦合起来建立准确的预测模型。另外，不同隧洞的地质条件、采用的滚刀类型及机械参数并不完全相同，基于某一个隧洞建立的预测模型很难应用于其他工程。滚刀刀圈磨损影响因素众多，概括起来有地质条件：岩石强度、节理发育、石英含量和地下水等；刀具设计：刀间距、滚刀直径、刀具布置、材质、刃宽和刃角等；掘进参数：掘进推力、贯入度、刀盘转速和刀盘扭矩等。因此，刀圈磨损是多个方面因素综合作用的结果。仅关注某一个或某几个方面，很难获得符合实际的刀圈磨损预测效果。

因此，从滚刀刀圈正常磨损入手，基于TBM施工过程中刀圈的实际磨损量，不再单独考虑某一方面因素的影响，而是从反应各影响因素共同作用思路出发，提出综合磨损系数的概念，建立基于现场实测数据的刀圈磨损的综合预测模型，为TBM施工中的滚刀消耗预测及滚刀管理提供基础参考，是更加可靠的。

发明内容

本发明提供了一种TBM滚刀磨损的预测方法，提出刀圈综合磨损系数的概念并建立滚刀磨损预测模型，解决了在TBM施工中难以预测滚刀消耗的技术难题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种TBM滚刀磨损预测方法，该预测方法包括以下步骤：

确定TBM掘进过程中的掘进参数、刀圈磨损量及刀圈特征；

建立刀圈综合磨损系数计算模型；

建立基于所述刀圈综合磨损系数的TBM有效掘进距离预测模型；

分析在地质条件与刀圈性质相同的情况下，滚刀刀圈磨损受各因素影响的影响机制。

进一步，所述刀圈综合磨损系数计算模型为：

刀圈综合磨损系数K_c＝x·R·P·(x·tanα+T)/(μ·F_n·R_i·S₀)；