一種硬巖掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)狀態(tài)的判斷方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于盾構(gòu)TBM機(jī)械施工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn) 比能的硬巖掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)狀態(tài)的判斷方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國(guó)隧道和地下工程建設(shè)的快速發(fā)展，硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)（以下簡(jiǎn)稱TBM)以其 高效、快速、安全的施工特點(diǎn)成為隧道建設(shè)領(lǐng)域最先進(jìn)的施工裝備。同時(shí)，隧道施工又是一 種高能耗、高成本的工程建設(shè)。
[0003] 據(jù)統(tǒng)計(jì)，硬巖TBM日消耗電能上億千瓦，結(jié)合裝備各種機(jī)械損耗以及刀具磨損消 耗，硬巖TBM日消耗能量費(fèi)用達(dá)上百萬(wàn)元。掘進(jìn)能耗的合理預(yù)測(cè)成為計(jì)劃隧道施工進(jìn)度、節(jié) 約施工成本的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
[0004] 硬巖TBM施工過(guò)程中，掘進(jìn)比能是破碎單位巖體消耗能量，不僅是直接衡量掘進(jìn) 能耗的參數(shù)，還可以反映掘進(jìn)參數(shù)匹配是否合理以及刀具的工作狀態(tài)。
[0005] 然而，多節(jié)理的硬巖巖體使得硬巖TBM破巖力學(xué)過(guò)程更加復(fù)雜，與掘進(jìn)速率相匹 配的最佳掘進(jìn)能耗難以計(jì)算，目前的技術(shù)和手段尚未實(shí)現(xiàn)最佳掘進(jìn)比能的合理預(yù)估。
[0006] 因此，提出一種最佳掘進(jìn)比能計(jì)算關(guān)系式，用于提高硬巖TBM掘進(jìn)效率，調(diào)整掘進(jìn) 參數(shù)，延長(zhǎng)破巖滾刀使用壽命，是硬巖隧道建設(shè)與施工領(lǐng)域的亟待解決的難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于解決上述的技術(shù)問(wèn)題而提供一種基于硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)比 能的硬巖掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)狀態(tài)的判斷方法，該方法從硬巖滾刀破巖過(guò)程的力學(xué)分析入手，通過(guò) 比較硬巖TBM理想掘進(jìn)比能與實(shí)際比能，判斷硬巖TBM掘進(jìn)狀態(tài)，為提高掘進(jìn)效率，合理匹 配掘進(jìn)參數(shù)以及改善破巖刀具的受力狀態(tài)提供了依據(jù)。
[0008] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0009] -種硬巖掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)狀態(tài)的判斷方法，包括以下步驟：
[0010] 計(jì)算硬巖TBM的理想掘進(jìn)比能；
[0011] 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)采集的掘進(jìn)數(shù)據(jù)，計(jì)算硬巖TBM的實(shí)際掘進(jìn)比能；
[0012] 利用所述理想掘進(jìn)比能與實(shí)際掘進(jìn)比能計(jì)算比能偏差率e，根據(jù)所述比能偏差率 e判斷硬巖TBM實(shí)際掘進(jìn)狀態(tài)。
[0013] 所述硬巖TBM的理想掘進(jìn)比能的計(jì)算，采用如下公式：
[0015] 其中，E'為硬巖TBM理想掘進(jìn)比能；N為硬巖TBM刀盤(pán)滾刀數(shù)量#為硬巖TBM刀 盤(pán)所有滾刀平均安裝半徑；RT為硬巖TBM刀盤(pán)半徑，a、c、k、b為常數(shù)，p為切深，k、b常數(shù) 通過(guò)硬巖TBM正常掘進(jìn)過(guò)程中，滾刀推力F n與切深p間的關(guān)系式F n= kp 1 b，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 的反演識(shí)別確定，a、c常數(shù)系通過(guò)滾刀切割系數(shù)CC與切深p間的關(guān)系式CC = af以及滾 刀的刀刃角大小確定；
[0016] 所述硬巖TBM的實(shí)際掘進(jìn)比能計(jì)算采用如下公式進(jìn)行：
[0018] 其中，E為硬巖TBM實(shí)際掘進(jìn)比能；Th為硬巖TBM刀盤(pán)推力；Tor為硬巖TBM刀盤(pán) 扭矩。
[0019] 所述比能偏差率e的計(jì)算公式如下：
〇
[0021 ] 如果所述比能偏差率e小于等于20%，則判斷硬巖TBM能耗在預(yù)設(shè)值范圍內(nèi)，處于 正常掘進(jìn)狀態(tài)，否則判斷為硬巖TBM能耗超出預(yù)設(shè)值。
[0022] 具體判斷時(shí)，如果e彡20%，則可說(shuō)明硬巖TBM處于正常掘進(jìn)狀態(tài)，硬巖TBM掘進(jìn) 能耗處于預(yù)期值的范圍內(nèi)，表明刀具磨損不嚴(yán)重；如果e > 20%，則說(shuō)明硬巖TBM能耗超出 預(yù)設(shè)值，硬巖TBM掘進(jìn)能耗過(guò)多，刀具磨損嚴(yán)重，應(yīng)調(diào)整刀盤(pán)扭矩與刀盤(pán)推力的相互關(guān)系， 以減小硬巖TBM能耗。
[0023] 本發(fā)明通過(guò)計(jì)算硬巖TBM的理想掘進(jìn)比能；然后再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)采集的掘進(jìn)數(shù)據(jù)，計(jì) 算硬巖TBM的實(shí)際掘進(jìn)比能；利用所述理想掘進(jìn)比能與實(shí)際掘進(jìn)比能計(jì)算比能偏差率e，根 據(jù)所述比能偏差率e判斷硬巖TBM實(shí)際掘進(jìn)狀態(tài)，為提高掘進(jìn)效率、匹配掘進(jìn)參數(shù)、改善刀 具受力狀態(tài)提供更為科學(xué)的參考依據(jù)。
【附圖說(shuō)明】
[0024] 圖1所示為本發(fā)明實(shí)施例中工程硬巖TBM理想掘進(jìn)比能預(yù)測(cè)曲線與偏差率為20% 邊界曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面，結(jié)核實(shí)例對(duì)本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)作進(jìn)一步的說(shuō)明，但本發(fā)明并不局 限于所列的實(shí)施例。
[0026] 本發(fā)明是通過(guò)從滾刀切割巖體力學(xué)分析出發(fā)，確定掘進(jìn)比能與切深之間的相互關(guān) 系，提出了計(jì)算硬巖TBM理想掘進(jìn)比能（或稱為最佳掘進(jìn)比能）的計(jì)算方法，然后基于計(jì)算 的理想掘進(jìn)比能，通過(guò)計(jì)算硬巖TBM的實(shí)際掘進(jìn)比能，并計(jì)算比能偏差率來(lái)實(shí)現(xiàn)判斷硬巖 TBM的實(shí)際掘進(jìn)狀態(tài)的。
[0027] 下面，具體說(shuō)明本發(fā)明是如何具體實(shí)現(xiàn)的：
[0028] 第一步，確定硬巖TBM正常掘進(jìn)過(guò)程中，滾刀的推力與切深間存在如下關(guān)系：
[0029] Fn= kp 1 b (1)
[0030] 式中：Fn為滾刀推力，單位為KN ;k、b為常數(shù)，取決于巖體的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性質(zhì)，利用 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的反演識(shí)別確定；P為切深，單位為mm ;
[0031] 第二步，確定硬巖TBM正常掘進(jìn)過(guò)程中，滾刀切割系數(shù)與切深間存在如下關(guān)系：
[0032] CC = apc (2)
[0033] 式中：a、c為常數(shù)，目前，硬巖TBM通常使用常截面與近似常截面的窄形滾刀，常截 面滾刀刀刃角一般小于5°，常用的近似常截面的窄形滾刀刀刃角一般約為20°。當(dāng)?shù)度?角小于 5° 時(shí)，a = 0· 0473, c = 0· 5139 ;當(dāng)?shù)度薪羌s為 20° 時(shí)，a = 0· 0412, c = 0· 5114 ; CC為切割系數(shù)。
[0034] 第三步，確定硬巖TBM理想掘進(jìn)比能與切深之間存在如下關(guān)系：
[0036] 式中：E'為硬巖TBM最佳掘進(jìn)比能；N為硬巖TBM刀盤(pán)滾刀數(shù)量；為硬巖TBM刀 盤(pán)所有滾刀平均安裝半徑；R T為硬巖TBM刀盤(pán)半徑；
[0037] 第四步，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)采集的掘進(jìn)數(shù)據(jù)，計(jì)算實(shí)際掘進(jìn)比能；
[0038] 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)采集的工程數(shù)據(jù)，實(shí)際比能計(jì)算關(guān)系式如下：
[0040] 式中：E為硬巖TBM實(shí)際掘進(jìn)比能；Th為硬巖TBM刀盤(pán)推力；Tor為硬巖TBM刀盤(pán) 扭矩；
[0041] 第五步，通過(guò)比較理想掘進(jìn)比能與實(shí)際掘進(jìn)比能，判斷硬巖TBM掘進(jìn)狀態(tài)；
[0042] 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)采集的工程數(shù)據(jù)，利用關(guān)系式（3)計(jì)算理想掘進(jìn)比能，利用關(guān)系式（4)計(jì) 算實(shí)際掘進(jìn)比能，進(jìn)而計(jì)算比能偏差率e，比能偏差率e計(jì)算過(guò)程如下：
[0044] 如果e彡20%，則說(shuō)明硬巖TBM處于正常掘進(jìn)階段。如果e > 20%，則說(shuō)明硬巖 T