[发明专利]一种盾构刀具的三维大梯次空间布置设计方法

说明书

本发明公开了一种盾构刀具的三维大梯次空间布置设计方法，包括：确定楔犁刀间距；确定刀盘形式；确定刀具位置；确定刀具的布置模式；确定梯次布置的楔犁刀及刮刀的刀高：引入楔犁指数的概念，建立梯次楔犁刀楔犁松动与刮刀剥落组合受力计算模型，并进行梯次楔犁刀楔犁松动与刮刀剥落组合受力计算，进一步计算得到整盘刀切削地层所需扭矩T及推力F，根据计算结果，选择最后的刀高差；进行不同高度楔犁刀的三维空间布置。本发明提出一种盾构刀具的三维大梯次空间布置设计方法，解决了长距离掘进中盾构频繁换刀及刀盘受力不均、局部磨损严重的问题，延长盾构单次不换刀掘进距离，提高施工效率，降低工程成本。

技术领域

本发明涉及盾构施工技术领域，具体是盾构刀具的空间布置设计，尤其是一种盾构刀具的三维大梯次空间布置设计方法。

背景技术

在城市地铁的建设过程中，盾构因其开挖速度快、安全性高、对地面交通影响小等优势而普遍应用。砂卵石地层在北京、沈阳、兰州、成都等地区分布较广，盾构在砂卵石地层掘进，刀具磨损十分严重，换刀频率直接决定着施工工期和工程造价。因此，提出一种延长换刀后单次掘进距离的方法尤为重要。

现有对延长盾构单次掘进距离的研究大部分聚焦在刀具的设计上：（1）提高合金块长度，受目前焊接工艺的影响，刀具上的硬质合金块长度通常小于60cm；（2）增强材料耐磨性，收成本及工艺的影响，硬质合金磨损系数最低可达到0.04mm/km；（3）改变刀具形式，以先行的楔犁刀为例有羊角形、贝壳型、矩形等各中形式刀具，适用于不同种类地层。

但以上技术对刀具寿命的提升非常有限。现有研究表明，通过提高合金块长度、增强材料耐磨性、改变刀具形式等方式提高刀具寿命进而延长盾构单次掘进距离的作用十分有限。同时，现有研究未对刀盘稳定性进行充分研究。长距离掘进还对刀盘整体稳定性提出了更高的要求，不同类型刀具如按辐条规律布置，易导致不同辐条受力差异大、长距离掘进后部分区域整体切削工效降低。以北京地区为例，6m直径盾构平均掘进400m需要换刀一次，最长600m换刀一次，单次换刀成本包括刀具成本、建井成本、征地成本等，成本可达1000万元以上。在这种磨损速率下，2km以上的盾构区间需换刀4次甚至更多，严重影响施工进度，增加工程造价。

基于上述原因，有必要对刀具的空间布置设计进行改进，延长换刀后单次掘进距离，提高施工效率，降低工程成本。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种盾构刀具的三维大梯次空间布置设计方法，解决了长距离掘进中盾构频繁换刀及刀盘受力不均局部磨损严重的问题，延长盾构单次不换刀掘进距离，提高施工效率，降低工程成本。

本发明是这样实现的：

本发明提供一种盾构刀具的三维大梯次空间布置设计方法，包括如下步骤：

步骤一，确定刀盘形式，确定楔犁刀间距；

步骤二，确定刀具位置；

步骤三，确定刀具布置模式；

步骤四，确定梯次布置的楔犁刀及刮刀的刀高，具体如下：

（1）定义楔犁指数，基于楔犁指数，根据步骤三中确定的刀具布置模式，建立梯次楔犁刀楔犁松动与刮刀剥落组合受力计算模型，并进行梯次楔犁刀楔犁松动与刮刀剥落组合受力计算；

（2）基于梯次楔犁刀楔犁松动与刮刀剥落组合受力计算，进一步计算得到整盘刀切削地层所需扭矩T及推力F；

（3）对于单梯次楔犁刀，根据楔犁刀与刮刀高差取值的不同，对于双梯次楔犁刀，根据第一梯次楔犁刀与第二梯次楔犁刀高差以及第二梯次楔犁刀与刮刀高差取值的不同，得到扭矩T及推力F计算结果，由计算结果的最小值，确定最终的刀高差；