[发明专利]一种考虑地层变化的盾构刀盘轮廓设计方法

权利要求书

1.一种考虑地层变化的盾构刀盘轮廓设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一 计算相邻半径条幅交叠径

刀具安装宽度为w，^*R为刀盘半径，刀具安装宽度与刀盘上的滚刀所在半径条幅宽度一致；相邻半径条幅交叠径r_s为单个开口区域两条径向边界线交点与刀盘圆心之间连线，刀盘上两相邻半径条幅轴线间夹角为θ，θ的取值范围与刀盘半径条幅数量c有关，如式(1)，且c为大于2且不超过[π/arcsin(w/(2×^*R))]的正整数，[π/arcsin(w/(2×^*R))]为不超过π/arcsin(w/(2×^*R))的最大正整数；r_s根据式(2)计算；θ≤2π/3，且θ(单位为rad时)能被2π整除；

θ＝2π/c(1)

步骤二 根据地层参数计算刀盘计算开口高度l范围

掌子面内各土层分界线均水平，若土层分界线不水平则取掌子面内分界线平均埋深作为掌子面内土层分界线埋深，

以刀盘所在位置的地表正投影点为0点，以竖直向下为y轴正方向建立坐标系；取最危险截面进行计算，最危险截面为下刀盘计算开口区域环向边界弧线中点深度最大时将该单个刀盘计算开口区域以过刀盘圆心的直径为对称轴在刀盘所在平面内作轴对称形成上刀盘计算开口区域后的刀盘截面；根据工程勘察资料，得到自地表以下第i层土的土层厚度^*h_i；

(1)计算土仓压力合力

刀盘计算开口高度l＝y_c,2-y_c,1＝y_c,4-y_c,3，^*H为刀盘顶部埋深，^*H、^*R均为输入值，^*H＞0，^*R＞0；y_c,1、y_c,2、y_c,3、y_c,4分别为最危险截面的上刀盘计算开口区域上边界埋深最浅点、上刀盘计算开口区域下边界埋深最深点、下刀盘计算开口区域上边界埋深最浅点、下刀盘计算开口区域下边界埋深最深点在y轴上的投影坐标，分别由式(3)和式(4)确定；

^*γ为土仓内混合物重度，为偏安全计算，可取土仓内混合物重度与4℃水的重度^*γ_w相同；^*p₀为土仓内顶部的最大土仓压力，^*p₀＞0；上刀盘计算开口区域土仓压力合力f₁、下刀盘计算开口区域土仓压力合力f₂分别由式(5)、式(6)确定；

f₁＝[2^*p₀+^*γ(2y_c,2-2^*H-l)]l/2(5)

f₂＝[2^*p₀+^*γ(2y_c,2-2^*H+4r_s+l)]l/2(6)

(2)计算盾构刀盘计算开口高度l取值范围

如式(7)，p_I,k,j,m为i＝I时的p_i,k,j,m，p_i,k,j,m为刀盘计算开口区域内土层的主动土压力，自地表向下p_i,k,j,m的土压力计算点的深度为y，p_i,k,j,m中i为自地表向下的地层层序，i＝{1,2,3...}，同种土分别位于地上水位以上、地下水位以下的部分分别为以地下水位为分界线的相邻不同层的土；k∈{1,2}，1表示土压力计算点在上刀盘计算开口区域内，2表示土压力计算点在下刀盘计算开口区域内；j为土压力计算点所在地层的刀盘计算开口区域内地层层序；m∈{1,2}，1为土压力计算点在刀盘计算开口区域内第j层土的计算厚度的顶部，2为土压力计算点在刀盘计算开口区域内第j层土的计算厚度的底部；^*Z_w为地下水位线深度，^*Z_w＞0；^*γ_i为第i层土的计算重度，地下水位以上时取天然重度，地下水位以下时取浮重度；^*h_i为第i层土的厚度；为自地表向下第i层土的内摩擦角，^*c_i为自地表向下第i层土的粘聚力，^*c_i≥0，I为目标土层层序；当p_I,k,j,m计算值小于0时，p_I,k,j,m取0；

若上、下刀盘计算开口区域内分别包含a,b层土，则刀盘计算开口区域内上刀盘计算开口区域土压力合力f₃、下刀盘计算开口区域土压力合力f₄如式(8)、式(9)所示；

^*g_i,1,j为上刀盘计算开口区域内第j层土的计算厚度，当上刀盘计算开口区域内第j层土的顶部、底部土层分界线均位于上刀盘计算开口区域内时，^*g_i,1,j为上刀盘计算开口区域内第j层土对应的^*h_i；当上刀盘计算开口区域内第j层土仅有底部土层分界线在上刀盘计算开口区域内时，^*g_i,1,j为上刀盘计算开口区域上边界埋深最浅点与上刀盘计算开口区域内第j层土底部土层分界线之间的土层厚度；当上刀盘计算开口区域内第j层土仅有顶部土层分界线在上刀盘计算开口区域内时，^*g_i,1,j为上刀盘计算开口区域下边界埋深最深点与开口区域内第j层土顶部土层分界线之间的土层厚度；当单个上刀盘计算开口区域完全在上刀盘计算开口区域内第j层土深度范围之内时，^*g_i,1,j＝l，^*g_i,1,j对应的上刀盘计算开口区域内第j层土即自地表向下的第i层土；

^*g_i,2,j为下刀盘计算开口区域内第j层土的计算厚度，当下刀盘计算开口区域内第j层土的顶部、底部土层分界线均位于下刀盘计算开口区域内时，^*g_i,2,j为下刀盘计算开口区域内第j层土对应的^*h_i；当下刀盘计算开口区域内第j层土仅有底部土层分界线在下刀盘计算开口区域内时，^*g_i,2,j为下刀盘计算开口区域上边界埋深最浅点与下刀盘计算开口区域内第j层土底部土层分界线之间的土层厚度；当下刀盘计算开口区域内第j层土仅有顶部土层分界线在下刀盘计算开口区域内时，^*g_i,2,j为下刀盘计算开口区域下边界埋深最深点与下刀盘计算开口区域内第j层土顶部土层分界线之间的土层厚度；当单个下刀盘计算开口区域完全在下刀盘计算开口区域内第j层土深度范围之内时，^*g_i,2,j＝l，^*g_i,2,j对应的下刀盘计算开口区域内第j层土即自地表向下的第i层土；

无论刀盘计算开口高度l如何变化，只要满足关于刀盘圆心对称的上刀盘计算开口区域和下刀盘计算开口区域内土层的种类和数量不变，就属于同一计算条件；当关于刀盘圆心对称的上刀盘计算开口区域或下刀盘计算开口区域内土层的种类或数量改变，就不属于同一计算条件；

刀盘计算开口高度l变化范围介于^*R和r_s之间，对l变化过程中的各计算条件下的式(10)，利用函数图像法求解，根据由步骤一确定的r_s所有可取值，可得到各计算条件下每一种r_s可取值分别对应的l取值范围；

步骤三 按照渣土颗粒通过性计算开口高度下限

单个刀盘计算开口区域应满足：掘进产生的渣土颗粒或渣土硬块中外切圆最大直径最大的颗粒或硬块能够通过刀盘计算开口区域；偏安全考虑，该开口区域应能通过面积为d_r×d_r的矩形，d_r为渣土颗粒或渣土硬块中外切圆最大直径最大的颗粒或硬块的外切圆最大直径；当刀盘掘进复合地层时，掌子面的d_r为掘进范围内的各地层的d_r中的最大值；

对于同一开口区域，开口区域环向边界线与开口区域两条径向边界线分别交于点U和点V，相邻两条刀盘条幅轴线与开口区域环向边界的交点分别为点A和点E，线段AE分别交两条径向边界线于点B和点F；相邻两条刀盘条幅轴线交于刀盘圆心点S，夹角为θ，∠ASE的角平分线分别交线段AE、开口区域环向边界线于点D、点T，WT＝l，AS＝SE＝ST＝(l+r_s)；定义线段BW和线段WF为颗粒通过域侧边，BW＝WF＝t，面积为d_r×d_r的正方形完全落在颗粒通过域BFW内则渣土颗粒一定完全落在该刀盘计算开口区域(区域UTVW)内；面积为d_r×d_r的正方形完全落在颗粒通过域BFW内时应满足式(11)、式(12)，经化简得式(13)和式(14)，Ω为角度判别条件；当θ一定时，l满足式(15)；

所以，在给定d_r和刀具安装宽度w的条件下，满足渣土颗粒通过性条件的刀盘计算开口高度下限l_min为与步骤二中的满足土压力平衡条件的l取值范围进行比较，如果l_min不超过满足土压力平衡条件的刀盘计算开口高度上限，则说明满足土压力平衡的开口区域能够满足渣土颗粒通过性条件，须对每一种计算条件下每一种r_s可取值都要相应的计算刀盘计算开口高度下限l_min，并进行以下判定：

如果某计算条件下的某r_s可取值相应的l_min不超过满足土压力平衡条件的刀盘计算开口高度上限，则说明满足土压力平衡的开口区域能够满足渣土颗粒通过性条件，则该计算条件下的该r_s可取值进入步骤四进行计算，

如果如果某计算条件下的某r_s可取值相应的l_min大于满足土压力平衡条件的刀盘计算开口高度上限，则该计算条件下的该r_s可取值不满足开口区域通过性条件，该计算条件下的该r_s可取值不进入步骤四进行计算；

步骤四 确定刀盘轮廓参数

在给定刀具安装宽度w的条件下进行本步骤运算；

(1)计算各计算条件下θ的初选范围

由于l大于零，根据步骤一及式(16)，将满足2arcsin(w/2^*R)＜θ≤2π/3且分别满足各计算条件的θ的范围分别作为各计算条件下θ的初选范围，且θ的初选范围内的各θ(单位为rad时)均能被2π整除；

按照步骤二计算各计算条件下θ的初选范围内各θ对应的刀盘计算开口高度l的范围；

r_s+l≤^*R(16)

(2)计算各计算条件下θ的二次通过范围

根据步骤三，在θ的初选范围按照从大到小的顺序进行以下校验：

对于每个夹角θ，在给定d_r和刀具安装宽度w的条件下，满足渣土颗粒通过性条件的刀盘计算开口高度下限l_min为如果l_min大于根据步骤二计算得到的该计算条件对应的l上限，则该夹角θ在该计算条件下不适用；将不适用的夹角θ剔除出该计算条件下θ的初选范围，得到各计算条件下θ的二次通过范围；

(3)计算各计算条件下的c'

由于c越大，则θ越小，刀具在掌子面上分布越均匀，掌子面受力的均匀性越好，掌子面上全截面掘进的同步性和均匀性越好，所以应选取在各计算条件下的θ的二次通过范围中的最小值θ_min所对应的c作为该计算条件下刀盘半径条幅初定数量c'，c'为不超过2π/θ_min的最大正整数；

(4)计算各计算条件下c'对应的θ'和r_s'

计算各计算条件下c'对应的刀盘上两相邻半径条幅轴线间夹角初定值θ'，θ'＝2π/c'；计算各计算条件下c'对应的相邻半径条幅交叠径初定值r_s'，r_s'＝(w/2)/sin(θ'/2)

(5)通过逐个CHAR验算确定刀盘轮廓参数

由于开口面积越大越不易在开口处产生泥饼堵塞开口，所以在满足土压力平衡和渣土颗粒通过性条件时开口面积占刀盘正面面积的比例CHAR越大排土效率越高；

分别取各计算条件下c'对应的刀盘开口初定高度l'为按照步骤二计算的该计算条件下c'对应的刀盘计算开口高度范围上限，按式(17)计算各计算条件下c'及其对应的l'所共同对应的CHAR，式(17)中θ'单位为弧度；取CHAR最大值所对应的c'、l'作为最终半径条幅数c_f、最终刀盘计算开口高度l_f，相应的两相邻半径条幅轴线间夹角最终值为2π/c_f、相邻半径条幅交叠径最终值为