[发明专利]硬岩隧道掘进机刀盘掘进系统刀具磨损情况实时预估方法

说明书

技术领域

本发明的技术方案涉及隧道掘进装备施工技术，具体地说是硬岩隧道掘进机刀盘掘进系统刀具磨损情况实时预估方法。

背景技术

硬岩隧道掘进机(以下简称硬岩TBM)是一种专门用于开挖岩石隧道与地下通道工程的大型高科技施工装备。硬岩TBM刀盘掘进系统的盘形滚刀以其良好的破岩效果成为硬岩TBM刀盘上数量最多和最关键的掘进工具。在施工过程中，高强度大硬度的岩石使得硬岩TBM刀盘掘进系统的刀具磨损问题十分严重。在一些工程中，硬岩TBM刀盘掘进系统的刀具修复与更换所占费用以及所消耗的时间已经接近工程造价与施工时间的三分之一。硬岩TBM刀盘掘进系统刀具的磨损消耗已成为困扰硬岩TBM施工安全与效率的突出问题。硬岩TBM施工环境恶劣，硬岩TBM刀盘掘进系统刀具与岩体间相互作用复杂，现有技术还存在不能有效实时反映硬岩TBM刀盘掘进系统刀具磨损情况以及需更换新刀具的实时预估的缺陷，这已经成为硬岩TBM施工领域亟待解决的难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供硬岩隧道掘进机刀盘掘进系统刀具磨损情况实时预估方法，是一种基于滚刀破岩力学过程，利用硬岩TBM施工过程自动采集的掘进参数，以实时预估硬岩TBM刀盘掘进系统刀具的磨损情况的方法，克服了现有技术还存在不能有效实时反映硬岩TBM刀盘掘进系统刀具磨损情况以及需更换新刀具的实时预估的缺陷。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：硬岩隧道掘进机刀盘掘进系统刀具磨损情况实时预估方法，是一种基于滚刀破岩力学过程，利用硬岩TBM施工过程自动采集的掘进参数，以实时预估硬岩TBM刀盘掘进系统刀具的磨损情况的方法，步骤如下：

第一步，确定硬岩TBM掘进过程中刀盘掘进系统在刀盘旋转方向能量消耗随掘进方向能量消耗的变化规律：

硬岩TBM刀盘掘进系统旋转方向上的能量与掘进方向上的能量在数值上存在如下理论关系：

E_r'＝a·E_p^0.67324   (1)

式中：E_r’为硬岩TBM刀盘旋转方向上能量的理论值；E_p为硬岩TBM刀盘掘进方向上的能量；a为常数，随硬岩TBM机器参数，盘形滚刀的结构参数和隧道地质参数的变化而变化；

第二步，确定硬岩TBM刀盘掘进系统刀具的磨损能量消耗值：

由于存在摩擦磨损消耗，硬岩TBM刀盘掘进系统的实际能量消耗大于理论值，在硬岩TBM施工过程中，刀盘每旋转一周，滚刀侵入岩体的深度很小，硬岩TBM刀盘掘进系统刀具磨损消耗的能量主要集中在刀盘旋转方向上，在刀盘掘进方向上的能量消耗可忽略不计，因此，在掘进过程中硬岩TBM刀盘掘进系统刀具的磨损能量消耗值E可由下式确定：

E=Er-a·Ep0.67324---(2)]]>

式中：E_r为硬岩TBM刀盘旋转方向上的实际能量；

在硬岩TBM对硬岩施工的过程中，安装在硬岩TBM内部的数据采集装置会自动采集掘进过程中各种参数，包括：刀盘掘进系统总扭矩Tor、总推力Th、掘进速率v和刀盘转速n，利用这些掘进参数可以实时计算出实际消耗能量E_r和能量E_p具体值，计算式分别为：

E_r＝Tor·2πnt   (3)

E_p＝Th·vt   (4)

式(3)中，t为掘进时间，单位为min；n为刀盘转速，单位为rpm；式(4)中，v为掘进速率，单位为mm/min；