本發(fā)明屬于硬巖隧道掘進(jìn)裝備的設(shè)計(jì)制造與施工技術(shù)，具體涉及一種全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)掘進(jìn)載荷的確定方法。
背景技術(shù)：
全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)(Full Face Rock Tunnel Boring Machine，簡(jiǎn)記為T(mén)BM)是集機(jī)械、測(cè)控、液壓、電工電子、計(jì)算機(jī)等高新技術(shù)于一體，用于開(kāi)挖地下通道工程的大型專(zhuān)用工程裝備。由于其快速、優(yōu)質(zhì)、安全、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，TBM在我國(guó)市政、交通、礦山、水利水電等隧道工程中的應(yīng)用迅猛增長(zhǎng)。刀盤(pán)裝配在裝備的最前方，是TBM的直接掘進(jìn)部件，刀盤(pán)掘進(jìn)載荷的確定是TBM設(shè)計(jì)及施工環(huán)節(jié)的核心技術(shù)之一。一方面，在裝備動(dòng)力系統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)中需要依據(jù)施工地質(zhì)、隧道直徑等給出刀盤(pán)掘進(jìn)載荷的預(yù)估值；另一方面，在施工過(guò)程中需依據(jù)操作參數(shù)、施工環(huán)境等對(duì)刀盤(pán)掘進(jìn)載荷進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，若載荷控制不當(dāng)，則可能導(dǎo)致裝備損壞、引發(fā)重大災(zāi)害事故。刀盤(pán)掘進(jìn)載荷與地質(zhì)條件、裝備結(jié)構(gòu)以及操作狀態(tài)等因素均密切相關(guān)，不同工程間的載荷值差別很大。目前，全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)掘進(jìn)載荷的確定尚缺乏快速有效的手段，因此早已成為本行業(yè)之急需。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是，提出一種全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)掘進(jìn)載荷的確定方法，為硬巖掘進(jìn)裝備的動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)施工控制提供依據(jù)。
為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出的一種全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)掘進(jìn)載荷的確定方法，包括：確定刀盤(pán)掘進(jìn)推力F和確定刀盤(pán)掘進(jìn)扭矩T兩部分內(nèi)容，其中，F(xiàn)＝0.147CPaDb，T＝8.733μCPcDd，C為巖石單軸抗壓強(qiáng)度，P為貫入度，D為刀盤(pán)直徑，μ為刀盤(pán)與巖石之間的摩擦系數(shù)，a＝0.0～1.0，b＝1.0～2.0，c＝0.0～1.5，d＝1.5～3.0，且a+b＝2，c+d＝3。
優(yōu)選的是：a＝0.73，b＝1.27，c＝1.39，d＝1.61。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
本發(fā)明中各公式均采用無(wú)量綱形式，便于應(yīng)用，且從本質(zhì)上揭示了刀盤(pán)掘進(jìn)載荷與各類(lèi)參數(shù)的關(guān)系；應(yīng)用此方法可快速準(zhǔn)確的確定全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)的刀盤(pán)掘進(jìn)載荷。由于綜合考慮了地質(zhì)參數(shù)、操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)等核心因素對(duì)刀盤(pán)掘進(jìn)載荷的影響，因而計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠。并且，能隨時(shí)根據(jù)施工地質(zhì)與操作狀態(tài)的改變靈活調(diào)整掘進(jìn)載荷參數(shù)，為全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及施工過(guò)程中操作參數(shù)的設(shè)定與實(shí)時(shí)調(diào)整提供了可靠的依據(jù)。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)描述，所描述的具體實(shí)施例僅僅對(duì)本發(fā)明進(jìn)行解釋說(shuō)明，并不用以限制本發(fā)明。
本發(fā)明的設(shè)計(jì)思路是：刀盤(pán)掘進(jìn)載荷(包括刀盤(pán)掘進(jìn)推力和刀盤(pán)掘進(jìn)扭矩)隨巖石單軸抗壓強(qiáng)度按比例變化，隨貫入度和刀盤(pán)直徑按冪函數(shù)變化。本發(fā)明中，對(duì)于刀盤(pán)掘進(jìn)推力，貫入度和刀盤(pán)直徑的冪指數(shù)的加和為2；對(duì)于刀盤(pán)掘進(jìn)扭矩，貫入度和刀盤(pán)直徑的冪指數(shù)的加和為3。
本發(fā)明提出的一種全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)掘進(jìn)載荷的確定方法，包括：
(1)確定刀盤(pán)掘進(jìn)推力F：
F＝0.147CPaDb
式中，F(xiàn)為刀盤(pán)掘進(jìn)推力，C為巖石單軸抗壓強(qiáng)度，P為貫入度，a＝0.0～1.0，D為刀盤(pán)直徑，b＝1.0～2.0，且a+b＝2；
(2)確定刀盤(pán)掘進(jìn)扭矩T：
T＝8.733μCPcDd
式中：T為刀盤(pán)掘進(jìn)扭矩，μ為刀盤(pán)與巖石之間的摩擦系數(shù)，根據(jù)刀盤(pán)與巖石之間主要摩擦形式的不同選擇滾動(dòng)或滑動(dòng)摩擦系數(shù)，C為巖石單軸抗壓強(qiáng)度，P為貫入度，c＝0.0～1.5，D為刀盤(pán)直徑，d＝1.5～3.0，且c+d＝3。
上述兩個(gè)公式均采用無(wú)量綱形式，故無(wú)需指定各物理量的單位，計(jì)算時(shí)用戶可依據(jù)實(shí)際需求設(shè)定各物理量的單位，計(jì)算結(jié)果均一致。
實(shí)驗(yàn)材料1：某一隧道掘進(jìn)工程所使用的全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)的刀盤(pán)直徑D＝8m，以工程掘進(jìn)到第21198樁號(hào)時(shí)的地質(zhì)條件與操作狀態(tài)為例，由該隧道掘進(jìn)工程所涉及的地質(zhì)報(bào)告中獲得地質(zhì)參數(shù)，該工程第21198樁號(hào)處的巖石單軸抗壓強(qiáng)度C＝120MPa。刀盤(pán)與巖石之間的摩擦以滾動(dòng)摩擦為主，刀盤(pán)與巖石之間的滾動(dòng)摩擦系數(shù)μ＝0.03。所涉及的操作參數(shù)均由裝備自動(dòng)記錄，該隧道掘進(jìn)工程掘進(jìn)至第21198樁號(hào)時(shí)的貫入度P＝0.0085m。利用本發(fā)明提出的全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)掘進(jìn)載荷的確定方法計(jì)算刀盤(pán)掘進(jìn)推力和刀盤(pán)掘進(jìn)扭矩的具體步驟如下：
(1)計(jì)算刀盤(pán)掘進(jìn)推力，F(xiàn)＝0.147CPaDb，其中的冪指數(shù)a＝0.73，b＝1.27；即：
F＝0.147CP0.73D1.27，代入各變量(包括數(shù)值和單位)，得到：
F＝0.147×(120MPa)×(0.0085m)0.73×(8m)1.27
＝0.147×(120MN·m-2)×(0.0085m)0.73×(8m)1.27＝7.619MN
(2)計(jì)算刀盤(pán)掘進(jìn)扭矩，T＝8.733μCPcDd，其中的冪指數(shù)c＝1.39，c＝1.61；即：
T＝8.733μCP1.39D1.61，代入各變量(包括數(shù)值和單位)，得到：
T＝8.733×0.03×(120MPa)×(0.0085m)1.39×(8m)1.61
＝8.733×0.03×(120MN·m-2)×(0.0085m)1.39×(8m)1.61＝1.184MN·m
至此，已計(jì)算出該工程中裝備掘進(jìn)至第21198樁號(hào)時(shí)的刀盤(pán)掘進(jìn)載荷，其余各樁號(hào)均可按照相同方法確定。由此可計(jì)算出整個(gè)工程中全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)在不同地質(zhì)條件和操作狀態(tài)下的刀盤(pán)掘進(jìn)載荷。
實(shí)驗(yàn)材料2：某一隧道掘進(jìn)工程所使用的全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)的刀盤(pán)直徑D＝8m，以工程掘進(jìn)到第967樁號(hào)時(shí)的地質(zhì)條件與操作狀態(tài)為例，由該隧道掘進(jìn)工程所涉及的地質(zhì)報(bào)告中獲得地質(zhì)參數(shù)，該工程第967樁號(hào)處的巖石單軸抗壓強(qiáng)度C＝25MPa。刀盤(pán)與巖石之間的摩擦以滑動(dòng)摩擦為主，刀盤(pán)與巖石之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)μ＝0.03。所涉及的操作參數(shù)均由裝備自動(dòng)記錄，該隧道掘進(jìn)工程掘進(jìn)至第967樁號(hào)時(shí)的貫入度P＝0.0102m。利用本發(fā)明提出的全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)掘進(jìn)載荷的確定方法進(jìn)行計(jì)算刀盤(pán)掘進(jìn)推力和刀盤(pán)掘進(jìn)扭矩時(shí)，根據(jù)F＝0.147CPaDb，式中的a＝0.73，b＝1.27，c＝1.39，d＝1.61，代入各變量(包括數(shù)值和單位)后，得到該隧道掘進(jìn)工程中裝備掘進(jìn)至第967樁號(hào)時(shí)的刀盤(pán)掘進(jìn)載荷為：刀盤(pán)掘進(jìn)推力F＝1.813MN，刀盤(pán)掘進(jìn)扭矩T＝2.648MN·m。其余各樁號(hào)均可按照相同方法確定。
本發(fā)明為硬巖掘進(jìn)裝備驅(qū)動(dòng)及傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)也可為施工過(guò)程中推力參數(shù)、扭矩參數(shù)的設(shè)定和實(shí)時(shí)調(diào)整提供依據(jù)。
盡管上面對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式，上述的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以做出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。