[发明专利]一种基于地层情况的全断面掘进机刀具排布设计方法

权利要求书

1.一种基于地层情况的全断面掘进机刀具排布设计方法，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r_s

刀盘半径条幅数等于刀盘直径条幅条数N_R的二倍，且任一半径条幅轴线均有且仅有另一半径条幅轴线与之共线；

刀具安装宽度为w，刀盘半径为R，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r_s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，所有半径条幅将以刀盘圆心为圆心的圆心角2π平均分，θ与刀盘半径条幅数量c的关系如式(1)；c应为不小于4且不超过[π/arcsin(w/(2×R))]的偶数，[π/arcsin(w/(2×R))]为不超过π/arcsin(w/(2×R))的最大正整数；

θ＝2π/c (1)

步骤二根据渣土颗粒通过性计算最优刀盘半径条幅数

定义掘进某地层时产生的渣土颗粒的最大外切圆直径为d_s，d_s由地勘报告获得，将以d_s为直径的圆与开口区域径向边界、开口区域环向边界均相切作为渣土颗粒通过刀盘开口区域临界条件，此时应满足式(3)，其中l为刀盘开口区域高度，l的颗粒通过下限l_min为

在刀盘开口区域环向边界外侧设置宽度为B的刀盘不开口区域，B不小于盾体厚度，根据工程经验盾体厚度介于0.02m和0.5m之间，刀盘半径R为根据隧道建设规划文件给出的给定值，R的组成要满足如式(4)所示；

所以，根据式(4)和式(3)，r_s应满足式(5)

根据式(2)和式(5)，θ应满足式(6)

由于应选择半径条幅数多的刀盘设计来提高掘进效率，所以最优刀盘半径条幅数c_max应为不大于的最大正偶数，且c_max≥4；

步骤三根据地层参数确定刀具数量

各刀具在掌子面上的轨迹为圆周运动，圆心为刀盘圆心，圆周半径为刀具安装半径，即刀具与掌子面接触处与过刀盘圆心的刀盘平面的法线之间的最近距离；

不同刀具的安装半径不同，运动轨迹紧邻的两具刀具的轨迹半径的差为刀间距s，单位为毫米；

根据工程经验，掘进粘性土层、粉土层、砂层时初定刀间距s'，单位为毫米，可按式(7)取值，其中wr为地层含水率；掘进软质岩，即岩石饱和单轴抗压强度R_c不大于30MPa时s'可按式(8)取值，R_c单位为MPa；掘进硬质岩，即岩石饱和单轴抗压强度R_c大于30MPa时s'可按式(9)取值，R_c单位为MPa；

s'＝100+20wr (7)

全断面掘进机刀盘半径为R，则初定刀具数量N_s1按式(10)计算，ρ₁为第一具刀具的安装半径，根据工程经验0.5s≤ρ₁≤300mm，为不大于的最大非负整数；

刀具数量N_s按式(11)确定，实际刀间距s按式(12)确定，N_s必为偶数；

步骤四分类计算刀具排布阿基米德螺线参数

根据地勘报告中提供的施工区域范围内的掌子面围岩类型、d_s、wr、R_c，从而根据d_s通过步骤二确定c_max，根据掌子面围岩类型、wr、R_c通过步骤三确定N_s，确定刀具排布阿基米德螺线参数；

刀盘半径条幅数等于刀盘直径条幅条数N_R的二倍；

定义λ为刀盘上某刀具在刀盘上所有刀具范畴内按照刀具安装半径升序排列时的对应序列编号，相邻编号的刀具的安装半径之间的差值为一个刀间距s，刀盘上任意两具轨迹紧邻的刀具的s相同，根据掌子面围岩类型、wr、R_c通过步骤三确定s；

(I)当c_max＝N_s时，

建立极坐标系，极点为O，极轴为Ox，逆时针方向为转角正方向；记安装半径最小的滚刀所在的半径条幅为第一幅，第一幅与Ox之间的夹角为θ₁，θ₁＜2π，第一幅所在的直径为第一直径，若第λ具滚刀及第λ+1具滚刀同在第ξ_(λλ+1)直径上，则从第一直径逆时针转过得到第ξ_(λλ+1)直径，ξ_(λλ+1)＝1,2,...,N_R；

当且仅当第λ具滚刀及第λ+1具滚刀同在一条直径上且分别位于直径中点两侧的两条半径条幅时，则该直径编号为ξ_(λλ+1)，ξ_(λλ+1)直接按式(13)计算；

当第λ具滚刀及第λ+1具滚刀不在同一直径上时，不应直接使用式(13)计算第λ具滚刀的所在直径的编号，而应将λ赋值为λ-1，把重新赋值的λ代入式(13)得到刀具编号为未重新赋值的λ的刀具的所在直径编号ξ_(λλ+1)；

θ_λ为极轴Ox逆时针转至第λ具滚刀所经过的弧度，当且仅当第λ具滚刀及第λ+1具滚刀同在一条直径上且分别位于直径中点两侧的两条半径条幅时，θ_λ直接按式(14)计算；当第λ具滚刀及第λ+1具滚刀不在同一直径上时，式(14)中的ξ_(λλ+1)项的计算方法为：不应直接使用式(13)计算第λ具滚刀的所在直径的编号，而应将λ赋值为λ-1，把重新赋值的λ代入式(13)得到刀具编号为未重新赋值的λ的刀具的所在直径编号ξ_(λλ+1)；

ρ_λ为第λ具滚刀的安装半径，即第λ具滚刀与极点O之间的距离，按式(15)计算；

ρ_λ＝ρ₁+s(λ-1),λ＞1 (15)

(II)当c_max＞N_s时，

建立极坐标系，极点为O，极轴为Ox，逆时针方向为转角正方向；记安装半径最小的滚刀所在的半径条幅为第一幅，第一幅与Ox之间的夹角为θ₁，θ₁＜2π，第一幅所在的直径为第一直径，若第λ具滚刀及第λ+1具滚刀同在第ξ_(λλ+1)直径上，则从第一直径逆时针转过得到第ξ_(λλ+1)直径，ξ_(λλ+1)＝1,2,...,N_R；

当且仅当第λ具滚刀及第λ+1具滚刀同在一条直径上且分别位于直径中点两侧的两条半径条幅时，则该直径编号为ξ_(λλ+1)，ξ_(λλ+1)直接按式(13)计算；

当第λ具滚刀及第λ+1具滚刀不在同一直径上时，不应直接使用式(13)计算第λ具滚刀的所在直径的编号，而应将λ赋值为λ-1，把重新赋值的λ代入式(13)得到刀具编号为未重新赋值的λ的刀具的所在直径编号ξ_(λλ+1)；

θ_λ为极轴Ox逆时针转至第λ具滚刀所经过的弧度，当且仅当第λ具滚刀及第λ+1具滚刀同在一条直径上且分别位于直径中点两侧的两条半径条幅时，θ_λ直接按式(14)计算；当第λ具滚刀及第λ+1具滚刀不在同一直径上时，式(14)中的ξ_(λλ+1)项的计算方法为：不应直接使用式(13)计算第λ具滚刀的所在直径的编号，而应将λ赋值为λ-1，把重新赋值的λ代入式(13)得到刀具编号为未重新赋值的λ的刀具的所在直径编号ξ_(λλ+1)；

ρ_λ为第λ具滚刀的安装半径，即第λ具滚刀与极点O之间的距离，按式(15)计算；

(III)当c_max＜N_s时，存在同一直径上刀具数量多于2具的情况；定义多层布置条件下的刀具编号为sc_λ,χ,ε，λ为刀盘上某刀具在刀盘上所有刀具范畴内按照刀具安装半径升序排列时的对应序列编号，χ为刀具所在层号，ε为同一层内的刀具按照刀具安装直径升序排列中的对应序列编号，且1≤ε≤c_max；层号χ按式(16)计算，为不大于的最大非负整数；

建立极坐标系，极点为O，极轴为Ox，逆时针方向为转角正方向；记安装半径最小的滚刀所在的半径条幅为第一幅，第一幅与Ox之间的夹角为θ₁，θ₁＜2π，第一幅所在的直径为第一直径，若第sc_λ,χ,ε具滚刀及第sc_λ+1,χ,ε+1具滚刀同在第ξ_(εε+1)直径上，则从第一直径逆时针转过得到第ξ_(εε+1)直径，ξ_(εε+1)＝1,2,...,N_R；

刀具的层内编号ε按式(17)计算

ε＝λ-(χ-1)c_max (17)

当第sc_λ,χ,ε具滚刀及第sc_λ+1,χ,ε+1具滚刀同在第ξ_(εε+1)直径上，则从第一直径逆时针转过得到第ξ_(εε+1)直径，ξ_(εε+1)＝1,2,...,N_R；

即使对于不在同一层内的刀具，只要层内编号一致，就分布在同一直径上；

当且仅当第sc_λ,χ,ε具滚刀及第sc_λ+1,χ,ε+1具滚刀同在一条直径上且分别位于直径中点两侧的两条半径条幅时，则该直径编号ξ_(εε+1)直接按式(18)计算；

当第sc_λ,χ,ε具滚刀及第sc_λ+1,χ,ε+1具滚刀不在同一直径上时，不应直接使用式(18)计算层内编号为ε的刀具的所在直径的编号，而应将ε赋值为ε-1后，把重新赋值的ε代入式(18)，得到刀具层内编号为未重新赋值的ε的刀具的所在直径编号ξ_(εε+1)；

为极轴Ox逆时针转至第sc_λ,χ,ε具滚刀所经过的弧度

为第sc_λ,χ,ε具滚刀的安装半径，即第λ具滚刀与极点O之间的距离

当第sc_λ,χ,ε具滚刀及第sc_λ+1,χ,ε+1具滚刀在同一直径上时，直接按式(19)计算；

当第sc_λ,χ,ε具滚刀及第sc_λ+1,χ,ε+1具滚刀不在同一直径上时，式(19)中的ξ_(εε+1)项的计算方法为：当第sc_λ,χ,ε具滚刀及第sc_λ+1,χ,ε+1具滚刀不在同一直径上，不应直接使用式(18)计算层内编号为ε的刀具的所在直径的编号，而应将ε赋值为ε-1后，把重新赋值的ε代入式(18)，得到刀具层内编号为未重新赋值的ε的刀具的所在直径编号ξ_(εε+1)；

按式(20)计算

第sc_λ+1,χ+1,1具滚刀和第具滚刀轨迹相邻但不在同一直径上，刀具分布存在层间跃迁。