[发明专利]一种盾构刀盘刀具分区切削性能的预测方法

说明书

本发明公开了一种盾构刀盘刀具分区切削性能的预测方法,采用刀具系统切削性能可靠度的减损来表征刀盘分区切削性能的降低程度，以结合退化思想的可靠性理论为思路，利用合理的数学统计模型，并考虑盾构的推进环境，提出刀具分区切削性能可靠度随盾构推进距离的变化函数,结合工程实践绘制考虑盾构推进环境、刀具分区系统可靠度、盾构推进距离的空间直角坐标系下的参考曲面组，为各类环境下盾构刀盘分区切削性能随盾构推进距离变化的关系提供预测与参考。本专利可为盾构隧道施工方案编制过程中开仓换刀位置的主动预测与选取提供科学方法，考虑到了盾构推进的环境因素使得最终刀具系统切削性能的预测更加真实有效。

技术领域

本发明属于盾构隧道工程施工技术领域，尤其涉及一种盾构刀盘刀具分区切削性能的预测方法。

背景技术

盾构工法作为软土地层隧道开挖的重要工法之一，普遍应用于国内外各大城市的地铁建设中。然而因盾构推进刀具磨损而导致刀盘切削性能降低严重影响推进效率的情况时有发生，现阶段仍然缺乏一类行之有效的评价刀盘切削性能随推进距离变化的方法。

刀盘切削性能的降低很大程度上源于刀具磨损，而现阶段对刀具磨损的研究主要围绕两个方面展开：1)基于经验分析和理论推导等方法，建立单个刀具磨损量或磨损速率随推进距离的变化模型；2)采集大量刀具磨损样本，通过统计学分析(如回归分析等)建立刀具磨损随各掘进参数的变化函数，从而预测刀具磨损量和刀盘切削性能的变化。现如今各类盾构刀具系统上一般都配备有刀具磨损检测刀以评估刀盘的切削性能，但通过检测刀数据只能实现被动换刀，不能在盾构掘进前对盾构所处地层刀具磨损情况进行先期评估，无法做到主动换刀点的预测，另外由于检测刀数量有限，不能反映刀盘刀具系统整体磨损情况。

董汉军等(中国港湾建设，2013(04)：11-14)采用张凤祥(2004)提出的公式计算刀具磨损量，该公式考虑了推进距离、地层磨损系数、刀盘转速、刀具轨迹直径、推进速度对刀具磨损的影响，得到工程界较高认可，但该模型仅以单个刀具磨损量来评价整个刀盘的切削能力，然而刀盘是若干把刀具集合而成的工作系统，仅以单个刀具来考量整个刀盘的工作能力难免以偏概全。

吴俊等(土木工程学报，2015,48(S1)：250-255)采用偏最小二乘法对样本磨损量进行分析，最终得出了刀具磨损量随各项推进参数的化函数，该方法集多元线性回归分析、典型相关分析及主成分分析为一体，可有效地防止输入变量过多对所建模型的影响，然而依旧没有考虑到全盘刀具各类磨损状况对整个刀盘切削性的综合影响，另外该方法需较多样本数据，在实际工程中难以获得足够多刀盘磨损数据，当地层条件变化时需要重新收集数据进行计算，才能得到新的预测公式。

发明内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的之一在于提供一种过程简单、逻辑清晰、实用性高的盾构刀盘刀具分区切削性能的预测方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种盾构刀盘刀具分区切削性能的预测方法，包括如下步骤

步骤S1：对研究区间盾构推进的环境进行考量，确定环境评估值；

步骤S2：统计研究区间环境下盾构刀具在不同推进里程的刀具磨损情况，认为每次刀具系统磨损量符合正态分布(公式1)，认为刀具系统失效符合Weibull分布(公式2)；

其中：j表示刀盘的不同分区，i表示同一分区内不同的刀具，z_ij为某一推进距离下某分区某一刀具的磨损量，μ_j为该距离下特定刀盘区域上刀具磨损量的均值，σ_j该区域刀具磨损量的方差；

其中：x为盾构的推进距离，β、λ为两个特征参数；