硬岩TBM装备掘进过程中总推力的计算方法

摘要

一种硬岩TBM装备掘进过程中总推力的计算方法，包括：1)计算硬岩TBM装备刀盘上滚刀的破岩力F1；2)计算护盾与岩石间的摩擦力F2；3)计算后续设备的牵引力F3；4)计算掘进总推力：F＝F1+F2+F3，式中：F为掘进总推力，单位kN。本发明对于硬岩TBM装备掘进过程中的总推力计算快速准确。由于综合考虑了地质条件、操作状态、装备结构特征等核心因素的影响，因而计算结果准确可靠。并且能随时根据地质条件与掘进速度的改变灵活调整推力参数，为硬岩TBM装备动力系统的设计以及施工过程中推力参数的设定与实时调整提供了可靠的数据依据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种硬岩隧道掘进装备施工方法。特别是涉及一种硬岩TBM装备掘进过程中总推力的计算方法。

背景技术

全断面隧道掘进机，是集机、电、液、光、气等系统为一体的，可实现工厂化隧道作业的复杂工程装备系统。由于其掘进速度快、利于环保、综合效益高等优点，在我国水利、水电、交通、矿山、市政等隧道工程中的应用迅猛增长。根据适用地质类别，可分为硬岩隧道掘进机和软地层隧道掘进机，两者的工作原理及施工过程有很大差异。一般习惯将硬岩隧道掘进机称为TBM，将软地层隧道掘进机称为盾构机。硬岩TBM装备适用于山岭隧道等的硬岩掘进，其中总推力的确定是其设计及施工环节的核心技术之一。快速准确计算硬岩TBM装备在掘进过程中所需要的总推力值，可以为动力系统设计及施工过程中参数实时调整提供重要依据。硬岩TBM装备在掘进过程中，其总推力由刀盘上滚刀的破岩力、护盾与岩石间的摩擦力、后续设备的牵引力几部分组成。总推力的具体取值与地质条件、装备结构以及操作状态等因素均密切相关，不同工程间的具体值差别很大。目前已有针对软地层盾构装备掘进中总推力的计算方法，但仍缺乏针对硬岩TBM装备掘进过程中总推力的快速准确的确定技术，因此早已成为本行业之急需。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够为硬岩TBM装备施工提供可靠的参数控制依据的硬岩TBM装备掘进过程中总推力的计算方法。

本发明所采用的技术方案是：一种硬岩TBM装备掘进过程中总推力的计算方法，包括如下步骤

1)计算硬岩TBM装备刀盘上滚刀的破岩力F₁：

式中：F₁为刀盘上滚刀的破岩力，单位kN；N为刀盘上滚刀数量；T为滚刀刀尖宽度，单位mm；R为滚刀半径，单位mm；φ为滚刀与岩石接触弧度，单位rad，可通过贯入度δ，单位mm和滚刀半径R，单位mm，计算得到为岩石内摩擦角，单位rad；σ_y为原岩应力，单位MPa；σ_c为岩石单轴抗压强度，单位MPa；

2)计算护盾与岩石间的摩擦力F₂：

F₂＝μ₁πDlkP

式中：F₂为护盾与岩石间的摩擦力，单位kN；μ₁为护盾与岩石间的摩擦系数；D为刀 盘直径，单位m；l为护盾长度，单位m；k为护盾接触岩石部分所占比例；P为护盾与岩石间的接触压力，单位kPa；

3)计算后续设备的牵引力F₃：

F₃＝μ₂Mg

式中：F₃为后续设备的牵引力，单位kN；μ₂为后续设备与轨道间的摩擦系数；M为后续设备重量，单位t；g为重力加速度，单位m/s²；

4)计算掘进总推力F：

F＝F₁+F₂+F₃

式中：F为掘进总推力，单位kN。

本发明的硬岩TBM装备掘进过程中总推力的计算方法，对于硬岩TBM装备掘进过程中的总推力计算快速准确。由于综合考虑了地质条件、操作状态、装备结构特征等核心因素的影响，因而计算结果准确可靠。并且能随时根据地质条件与掘进速度的改变灵活调整推力参数，为硬岩TBM装备动力系统的设计以及施工过程中推力参数的设定与实时调整提供了可靠的数据依据。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的硬岩TBM装备掘进过程中总推力的计算方法做出详细说明，需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的，不以此限定本发明的保护范围。

本发明的硬岩TBM装备掘进过程中总推力的计算方法，包括如下步骤

1)计算硬岩TBM装备刀盘上滚刀的破岩力F₁：

式中：F₁为刀盘上滚刀的破岩力，单位kN；N为刀盘上滚刀数量；T为滚刀刀尖宽度，单位mm；R为滚刀半径，单位mm；φ为滚刀与岩石接触弧度，单位rad，可通过贯入度δ，单位mm和滚刀半径R，单位mm，计算得到为岩石内摩擦角，单位rad；σ_y为原岩应力，单位MPa；σ_c为岩石单轴抗压强度，单位MPa；

2)计算护盾与岩石间的摩擦力F₂：

F₂＝μ₁πDlkP

式中：F₂为护盾与岩石间的摩擦力，单位kN；μ₁为护盾与岩石间的摩擦系数；D为刀盘直径，单位m；l为护盾长度，单位m；k为护盾接触岩石部分所占比例；P为护盾与岩石间的接触压力，单位kPa；

3)计算后续设备的牵引力F₃：

F₃＝μ₂Mg

式中：F₃为后续设备的牵引力，单位kN；μ₂为后续设备与轨道间的摩擦系数；M为后 续设备重量，单位t；g为重力加速度，单位m/s²；

4)计算掘进总推力F：

F＝F₁+F₂+F₃

式中：F为掘进总推力，单位kN。

下面给出具体实例：

本实例的隧道掘进工程所使用的硬岩TBM装备结构参数如下：刀盘直径D＝8.03m，刀盘上滚刀数量N＝51，滚刀半径R＝241.5mm，刀尖宽度T＝25mm，护盾长度l＝3m，后续设备重量M＝356t，后续设备与轨道间的摩擦系数μ₂＝0.2，护盾接触岩石部分所占比例k＝1/3。以该工程掘进到第800米时的地质条件与操作状态为例，给出计算掘进到该处时装备总推力值的详细步骤，掘进至其它位置时的总推力均可按照相同的方法计算。

计算中所涉及的地质参数均取自地质报告，该工程第800米时的地质参数如下：岩石单轴抗压强度σ_c＝45MPa，岩石内摩擦角原岩应力σ_y＝4.17MPa，护盾与岩石间摩擦系数μ₁＝0.2，护盾与岩石间的接触压力P＝1000kPa。

计算中所涉及的操作参数均由装备自动记录，该工程掘进至第800米时的操作参数为，贯入度δ＝6.31mm。

(1)计算刀盘上滚刀的破岩力F₁：

将上述相关参数代入公式：得到F₁＝7090.48kN

(2)计算护盾与岩石间的摩擦力F₂：

将上述相关参数代入公式：F₂＝μ₁πDlkP，得到F₂＝5042.84kN

(3)计算后续设备的牵引力F₃：

将上述相关参数代入公式：F₃＝μ₂Mg，得到F₃＝697.76kN

(4)计算掘进总推力F。

由公式F＝F₁+F₂+F₃，得到F＝12831.08kN

至此，已计算出该工程中装备掘进至第800米时的总推力值，掘进至其余位置时的总推力均可按照相同方法确定。由此可计算出整个工程中硬岩TBM装备在不同地质条件和操作状态下所需的总推力值，为硬岩隧道施工提供科学有效的数据依据。