[发明专利]一种基于楔犁刀松动剥落砂卵石地层的盾构优化设计方法

说明书

本发明公开了一种基于楔犁刀松动剥落砂卵石地层的盾构优化设计方法，包括如下步骤：确定松动剥落砂卵石地层的盾构楔犁刀形式，采用贝壳型楔犁刀；计算楔犁刀在松动剥落地层时刀具不同位置所受极限荷载，确定合金块的布置方式；依据地层磨蚀性及区间特征，确定合金块高度；根据刀具所受极限荷载，计算刀具楔犁所需切削力、顶进力，优选刀具外型特征参数设计方案；对楔犁刀进行针对性优化设计；计算楔犁刀松动剥落砂卵石地层所需动力，并根据计算得到的所需动力，配置盾构机的动力驱动系统。本发明研究了一种盾构楔犁刀对中小粒径卵砾石地层的松动剥落方法，填补了对楔犁刀受力研究的空白，为盾构选型及盾构动力系统设计提供理论基础。

技术领域

本发明涉及盾构施工技术领域，尤其是盾构系统的优化设计，具体是一种基于楔犁刀松动剥落砂卵石地层的盾构优化设计方法。

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，刀具的寿命直接决定着施工工期和工程造价。

砂卵石地层是一种磨蚀性强，由不同粒径离散卵石咬合胶结在一起的地层。原状土强度高，但受扰动后极易自行崩塌。盾构在砂卵石地层中掘进，面临以下难题：1、刀具磨损快；2、受冲击荷载后易断齿；3、盾构掘进所需推力扭矩高，掘进速度慢，施工效率低；4、渣土改良效果差，土压建立困难，掘进对周围地层扰动大。

因此，研究盾构刀具与砂卵石地层的相互作用尤为重要。但是，现有研究大部分聚焦在刮刀切削软土地层与滚刀破岩时这两种刀具的作用机理及受力情况，而砂卵石地层具有磨蚀性强及离散型强的特点，实际工程经验表明，盾构常用的刮刀、滚刀两种刀具在磨蚀性强及离散型强的砂卵石地层中使用效果不佳：刮刀作为主切削刀时，刀具磨损快，切削所需推力扭矩高；滚刀作为主切削刀时，滚刀自转受阻，容易造成偏磨失效，且配置滚刀的复合式刀盘开口率小，不利于卵砾石的疏排。

因此，鉴于现有的研究以及实际工程经验都表明，刮刀、滚刀这两种刀具在砂卵石地层这种特殊地层中并不适用，需要研发一种新的切削地层的方法，以及这种切削地层方法的适用刀具设计、盾构系统优化配置。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提出一种基于楔犁刀松动剥落砂卵石地层的盾构优化设计方法，可以有效解决上述一个或多个难题。

本发明是这样实现的：

一种基于楔犁刀松动剥落砂卵石地层的盾构优化设计方法，包括如下步骤：

步骤一，确定松动剥落砂卵石地层的盾构楔犁刀形式，采用贝壳型楔犁刀；

步骤二：根据所确定的楔犁刀形式，计算楔犁刀在松动剥落地层时刀具不同位置所受极限荷载，确定合金块的布置方式；

步骤三：依据地层磨蚀性及区间特征，确定合金块高度；

步骤四：根据刀具所受极限荷载，计算刀具楔犁所需切削力、顶进力，优选刀具外型特征参数设计方案；

步骤五：对由步骤一~四设计得到的楔犁刀进行针对性优化设计；

步骤六：计算楔犁刀松动剥落砂卵石地层所需动力，并根据计算得到的所需动力，配置盾构机的动力驱动系统。

在一个优选实施例中，步骤二具体包括：

（1）确定刀具不同位置所受极限荷载：