[发明专利]隧道掘进机在不同地质下最优掘进速度的计算方法

说明书

技术领域

本发明属于隧道掘进机械施工技术，具体涉及一种隧道掘进机在不同地质条件下工作时最优掘进速度的计算方法。

背景技术

近年来，随着我国城市地下交通的快速发展，铁路、输运管道等隧道工程项目剧增，其中隧道掘进机在施工过程中的效率与能耗成为隧道工程领域普遍关注问题之一。隧道掘进机在施工过程中的掘进效能与众多因素有关，如掘进载荷、掘进速度以及地质条件等。当掘进机在不同地质条件下工作时，调整掘进速度将会直接影响掘进效能。因此，如果能够调整操作参数使其维持在与该地质条件高度匹配的范围内，则掘进机的工作效率将会大幅度提高。然而，在目前的隧道施工中仍主要依靠司机的操作经验来设定和调整掘进速度，缺乏科学的速度数据以维持高效掘进。

鉴于此，本发明提出以掘进效能为优化目标，在不同地质条件下获取最优掘进速度的计算方法，为提高隧道施工效率提供科学依据。

发明内容

本发明的目的是，提出一种以掘进效能为优化目标的，隧道掘进机在不同地质条件下工作时最优掘进速度的计算方法，为施工中的掘进速度参数选定提供科学数据。

本发明的目的是这样实现的：隧道掘进机维持高效施工的掘进速度的计算方法，主要分为以下几个步骤：

(1)确定推力计算模型中的待定系数；

(2)确定扭矩计算模型中的待定系数；

(3)基于推力和扭矩的表达式确定目标工程对应的比能表达式；

(4)通过比能函数计算掘进速度范围，确定选定地质条件下的最优掘进速度。

其中所述步骤(1)中的推力计算模型是指F＝A_FWδ²+(B_FW+C_FP)D²，

式中，F(kN)为掘进机驱动推力；W(kPa)为被开挖土体的岩土承载力；δ(m/r)表征掘进速度，指刀盘每旋转一周所切入的深度；P(kPa)为土仓压力；D(m)为刀盘直径；A_F，B_F，C_F为推力计算模型的无量纲待定系数，需要针对特定的目标工程来确定，具体方法为在已知目标工程的载荷参数、操作参数、结构参数及地质参数的基础上，针对上述模型利用最小二乘法进行拟合，便可以确定上述无量纲参数对应于该目标工程的取值。

其中所述步骤(2)中的扭矩计算模型是指T＝A_TWδ³+(B_TW+C_TP)D³，式中，T(kNm)为掘进机驱动扭矩；A_T，B_T，C_T为扭矩计算模型的无量纲待定系数，需要针对特定的目标工程来确定，计算方法与步骤(1)中的推力相同。

其中所述步骤(3)指将步骤(1)、(2)得到的针对目标工程的推力与扭矩计算模型代入如下比能表达式

Es=2πT+Fδ0.25πD2δ]]>

式中，E_s(kJ/m³)为掘进机的掘进比能，是表征掘进机工作效能的指标，具体指掘进机每完成单位体积土体的掘进所消耗的能量。比能越低，则表明掘进效率越高。

其中所述步骤(4)将根据实际工程确定地质参数与结构参数，其中包括：被开挖土体的岩土承载力W，土仓压力P，及掘进机刀盘直径D，将所述参数代入步骤(3)，得到比能函数，依据选定的掘进速度范围，计算掘进速度δ从0.015m/r至0.1m/r变化过程中对应的各比能值，其中最小比能值所对应的掘进速度值为最优值。

本发明的特点以及产生的有益效果是，可以快速确定不同地质条件所对应的掘进速度最优值，使速度参数始终维持在与地质条件高度匹配的范围内，增加了隧道施工中速度参数选取的科学性，从而有效提高掘进机施工效率。

具体实施方式