一种复合地层盾构滚刀磨损量确定方法

摘要

本发明提供了一种复合地层盾构滚刀磨损量确定方法，包括：第一步、通过钻探法和无侧限抗压试验确定隧道规划线路沿线的地层分布情况和各地层的地层强度S；第二步、收集施工过程中的盾构参数和地层参数，确定待预测滚刀的动荷系数n

说明书

技术领域

本发明涉及一种地下工程技术领域中的复合地层盾构技术，具体的，是一种复合地层盾构滚刀磨损量确定方法。

背景技术

近年来，随着我国城市建设的快速发展，地铁因其运送效率高、环境扰动小和地下空间利用率高等优点逐渐成为新建公共交通的首选。但作为一种地下建筑工程，地铁建设对工程施工技术有较高的要求。虽然地铁在选线设计时会尽量避开存在安全隐患的地质条件，但由于有些城市地质条件较为复杂或者出于城市规划及建造成本等方面的考虑，使得地铁线路会不可避免地经过复杂的地质条件如复合地层等。在复合地层中进行盾构施工时，停机更换刀盘上严重磨损的滚刀是延误施工进度的主要原因之一。如果能够在盾构施工过程中，有效地预测滚刀磨损量以及换刀时间和地点，对提高施工安全性和经济性具有着重要的意义。

经对现有技术文献检索发现，申请号为：201510617860.4，公布号为：CN105352463A，专利名称为：硬岩隧道掘进机盘形滚刀磨损量的实时计算方法，该专利提出从滚刀破岩的力学分析出发，建立切割系数与滚刀破岩弧长之间的关系，再结合TBM施工过程中采集的掘进参数实时计算出TBM滚刀磨损量。但该方法仅适用于均一硬岩地层，未考虑复合地层中软硬地层转换对滚刀磨损的影响，因此不适用于复合地层中滚刀磨损预测问题。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种复合地层盾构滚刀磨损量确定方法，通过地质勘察确定复合地层地质条件，根据摩擦能与磨损量的线性关系以及前期施工收集的换刀数据建立滚刀磨损预测模型，再结合盾构参数计算滚刀累计磨损量，依据盾构滚刀的额定磨损量限值确定换刀时间和开仓地点，从而实现合理安排开仓换刀、降低换刀成本的目的。

本发明是通过以下技术方案实现：

一种复合地层盾构滚刀磨损量确定方法，所述方法包括以下步骤：

第一步、通过钻探法和无侧限抗压试验确定隧道规划线路沿线的地层分布情况和各地层的地层强度S。

优选地，第一步中，所述钻探法是指：用厚壁取土设备在施工区域内每隔35m从地表向地下钻孔至隧道建设深度的1.5倍处，对获取的岩心、矿样进行分析研究并确定施工区域内的地层分布情况。

优选地，第一步中，所述无侧限抗压试验是指：将直径为150mm、高为150mm的圆柱形试件放入无侧向压力的无侧限压力仪中，然后向其施加垂直轴向压力至试件破坏，得出试件抗压强度U。

优选地，第一步中，所述地层分布情况是指：盾构沿线各地层上下界面的深度。

优选地，第一步中，所述地层强度S，是指：由无侧限抗压试验得到的试件抗压强度U。

第二步、收集施工过程中的盾构参数和地层参数，确定待预测滚刀的动荷系数n_d以及摩擦系数α。

优选地，第二步中，所述盾构参数，是指：盾构机在施工过程中产生的盾构推力F、刀盘转速n、盾构推进速度v和刀盘扭矩T，以及待预测滚刀至刀盘中心的距离r、每一环的宽度l₀。

更优选地，所述盾构推力F是指：盾构机在施工过程中向掌子面施加的垂直推力，kN。

更优选地，所述掌子面是指盾构掘进过程中受刀盘切割的地层范围。

更优选地，所述刀盘转速n是指：盾构机发动机在施工过程中带动刀盘旋转的转动速度，rpm。

更优选地，所述盾构推进速度v是指：盾构机在施工过程中沿着隧道掘进方向前进的速率，mm/min。

更优选地，所述刀盘扭矩T是指：盾构机在施工过程中，发动机带动刀盘旋转而产生的扭矩，kN·m。

优选地，所述待预测滚刀是指需要预测磨损量的某一滚刀。

优选地，第二步中，所述地层参数，是指：每一环平均地层强度S_i。

更优选地，所述每一环平均地层强度S_i是指：根据地层分布情况确定的加权平均值，由公式(1)确定：

其中：S_i表示地层加权计算后的平均值，MPa，其中i表示环号；S_r表示掌子面内较软地层的强度，MPa；S_y表示掌子面内较硬地层的强度，MPa；h_r表示掌子面内较软地层的厚度，m；h_y表示掌子面内较硬地层的厚度，m；D表示掌子面最大高度，m。

优选地，第二步中，所述动荷系数n_d是指：滚刀在经过软硬地层界面时受冲击荷载影响的动荷系数，由公式(2)确定：

式中：r表示待预测滚刀至刀盘中心的距离，m；R表示刀盘半径，m；z表示软、硬地层分界面距离掌子面中心的距离，m。

优选地，第二步中，所述滚刀与掌子面的摩擦系数α根据工程经验可由公式(3)确定：

式中：F表示盾构推力，S表示地层强度，T表示刀盘扭矩。

第三步、根据盾构施工前期换刀数据确定摩擦能与滚刀累计磨损量Q之间的相关系数k。

优选地，第三步中，所述摩擦能，是指：在盾构施工期间，待预测滚刀在掌子面上滚动摩擦所产生的能量。

优选地，第三步中，所述滚刀累计磨损量Q，是指：待预测滚刀在切削掌子面过程中造成待预测滚刀材料损耗而导致的滚刀径向减小量，mm。

优选地，第三步中，所述相关系数k由公式(4)确定：

式中：l表示盾构推进距离，即指盾构机在施工过程中沿着隧道掘进方向前进的距离，m。

第四步、根据预测模型和掘进环数N确定累计磨损量Q，并根据磨损限值Q₀确定换刀时机。

优选地，第四步中，所述预测模型是指：由公式(3)和(4)推导得到的确定预测磨损量Q_i的公式(5)：

式中：预测磨损量Q_i是指根据预测模型确定的滚刀每一环的磨损量，根据预测磨损量及滚刀额定磨损限值确定换刀时机；l₀表示每一环的宽度；α_i表示每一环的摩擦系数，其中i表示环号；F_i表示每一环的盾构推力，其中i表示环号；n_i表示每一环的刀盘转速，其中i表示环号。

优选地，第四步中，所述掘进环数N是指：从滚刀开始施工到需要预测滚刀磨损量期间盾构掘进的环数。

优选地，第四步中，所述换刀时机是指：滚刀累计磨损量Q超过额定的滚刀磨损量限值Q₀，即Q＞Q₀。

优选地，第四步中，滚刀在一个施工周期内的累计磨损量Q由公式(6)确定：

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明依据摩擦能与滚刀磨损量的线性关系以及前期施工收集的换刀数据建立滚刀磨损预测模型，再结合盾构参数计算滚刀累计磨损量和滚刀额定磨损量限值，确定合适的换刀时机和开仓地点，从而实现合理安排开仓换刀时机、降低换刀成本、缩短施工周期的目的。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的滚刀磨损区域示意图；

图2为本发明一实施例的隧道规划建设地质图；

图3为本发明一实施例的动荷系数影响范围。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例：

某地铁工程采用的是盾构法施工。盾构施工经过软硬复合地层过程中，有多次开仓换刀，滚刀磨损严重。以该工程前两次换刀区间为例，进行说明。

如图1-图3所示，一种复合地层盾构滚刀磨损量确定方法，所述方法包括以下步骤：

第一步、通过钻探法和无侧限抗压试验确定隧道规划线路沿线的地层分层情况和各地层的地层强度S。

本步骤中，所述钻探法是指：用厚壁取土设备在施工区域内每隔35m从地表向地下钻孔至地铁规划线路1.5倍埋深处，地表标高为1.12m，地铁规划线路埋深17.14m，因此钻孔至埋深标高-25m处，取样分析地层分布情况。

进一步的，所述地铁规划线路埋深，是指规划建造的隧道中轴线距离地表的深度。

本步骤中，所述地层分布情况是指：盾构沿线各地层上下界面的深度。如图2所示，从上到下依次为：第一层分布着人工素填土；第二层分布着粉质粘土；第三层分布着淤泥质黏土；第四层分布着粗砂；第五层分布着混合花岗岩。

本步骤中，所述无侧限抗压试验是指：每0.6m圆柱形样品范围内，在中心部位取直径150mm、高度150mm的圆柱体样品，放入无侧限压力仪中施加压力至试件破坏，得出各地层的地层强度S。

本步骤中，所述地层强度S是指：由无侧限抗压试验得到的强度最大值。由于地铁规划线路只经过粗砂与混合花岗岩两种地层，因此只需要有这两种地层的地层强度，其中：粗砂的地层强度S_r为180MPa，混合花岗岩的地层强度S_y为400MPa。

第二步、收集施工过程中的盾构参数和地层参数，确定滚刀的动荷系数n_d以及摩擦系数α。

本步骤中，所述盾构参数是指：盾构机在施工过程中产生的盾构推力F、刀盘转速n、盾构推进速度v和刀盘扭矩T(在第一个换刀区间，F为30000kN，n为1.5rpm，v为2mm/min，T为3500kN·m)，以及待预测滚刀至刀盘中心的距离r为3.8m，每一环的宽度l₀为1.6m。

本步骤中，所述地层参数是指：每一环平均地层强度S_i。在第一个换刀区间，平均地层强度S_i由公式(1)确定：

式中：S_i表示地层加权计算后的平均值，MPa；S_r表示掌子面内较软地层的强度，为180MPa；S_y表示掌子面内较硬地层的强度，为400MPa；h_r表示掌子面内较软地层的厚度，为2.2m；h_y表示掌子面内较硬地层的厚度，为2.2m；D表示掌子面最大高度，为4.4m。

进一步的，所述掌子面是指：盾构掘进过程中受刀盘切割的地层范围。

本步骤中，如图3所示，所述动荷系数n_d是指：滚刀在经过软硬地层分界面时受冲击荷载影响的放大系数，由公式(2)确定：

式中：r表示待预测滚刀至刀盘中心的距离，选取距离刀盘中心距离r为3.8m的滚刀进行计算；R表示刀盘半径为4.4m；z表示软、硬地层分界面距离掌子面中心的距离，z为0m，此时r＞z，则：

优选地，第二步中，所述滚刀与掌子面的摩擦系数α根据工程经验可由公式(3)确定。

式中：F表示盾构推力，S表示地层强度，T表示刀盘扭矩。

第三步、根据盾构施工前期换刀数据确定摩擦能与滚刀累计磨损量Q之间的相关系数k。

本步骤中，所述摩擦能是指在盾构施工期间，滚刀在掌子面上滚动摩擦所产生的能量。

本步骤中，所述滚刀累计磨损量Q是指：滚刀在对掌子面切削过程中，造成滚刀材料损耗而导致的滚刀径向减小量。在第一个换刀区间，Q为20mm。

本步骤中，所述k值由公式(4)确定：

式中：l是指盾构机在施工过程中沿着隧道掘进方向前进的距离，在第一个换刀区间共有15环，l为25m。

则：

第四步、根据预测模型和掘进环数N确定累计磨损量Q，并根据磨损限值Q₀确定更换滚刀的时机。

本步骤中，所述更换滚刀的时机是指：滚刀累计磨损量Q超过额定的滚刀磨损限值Q₀，即Q＞Q₀；额定的滚刀磨损限值为20mm，即当Q＞20mm时，需要开仓换刀。

本步骤中，所述预测模型是指：代入上述步骤中收集、确定的数据后能够预测滚刀磨损量的公式(5)：

式中：Q_i表示预测磨损量；l₀表示每一环的宽度；α_i表示每一环的摩擦系数，其中i表示环号；F_i表示每一环的盾构推力，其中i表示环号；n_i表示每一环的刀盘转速，其中i表示环号。

式中，所述滚刀与掌子面的摩擦系数α根据工程经验可由公式(3)确定：

式中：所述的T_i表示每一环的刀盘扭矩，其中i表示环号。

通过该预测模型确定第16环滚刀磨损量：

其中：F₁₆为35000kN，n₁₆为1.5rpm，r为3.8m，l₀为1.6m，k为2.27kN，v为2mm/min，S₁₆为290MPa，T₁₆为3000kN·m。z为0，确定n_d为4.45。

进一步的，所述预测磨损量是指根据预测模型确定的滚刀每一环的磨损量，可根据预估磨损量及滚刀要求确定换刀时机。

同理可得：α₁₇为1.277，α₁₈为1.983，α₁₉为1.358，α₂₀为1.377，α₂₁为1.490，α₂₂为1.358，α₂₃为1.255；Q₁₇为2.15mm，Q₁₈为3.67mm，Q₁₉为2.67mm，Q₂₀为2.32mm，Q₂₁为2.79mm，Q₂₂为2.67mm，Q₂₃为2.26mm。

本步骤中，所述掘进环数N是指：从开始盾构到需要预测滚刀磨损量期间盾构掘进的环数，在该案例中是指从16环到23环。

滚刀在一个施工周期内的累计磨损量Q由公式(6)确定：

则滚刀在第二个换刀区间内的累计磨损量Q：

综上可知，在第23环施工结束后，Q＞Q₀，需要开仓换刀。

本发明所述的复合地层盾构滚刀磨损量确定方法，可以依据摩擦能与滚刀磨损量的线性关系以及前期施工收集的换刀数据建立滚刀磨损预测模型，再结合盾构参数计算滚刀累计磨损量和滚刀额定磨损量限值，确定合适的换刀时机和开仓地点，从而实现合理安排开仓换刀、降低换刀成本、缩短施工周期的目的。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。