[发明专利]一种考虑地层变化的盾构刀盘轮廓设计方法

说明书

本发明提出了一种考虑地层变化的盾构刀盘轮廓设计方法，涉及全断面隧道掘进机刀盘设计的技术领域，其步骤为：计算相邻半径条幅交叠径；根据地层参数计算刀盘计算开口高度范围；按照渣土颗粒通过性计算开口高度下限；确定刀盘轮廓参数。本发明是考虑了实际地层情况的一种刀盘设计方法，计算原理明确，计算过程简明。本发明针对现有技术的不足，提出了因地制宜的刀盘轮廓设计方法，提出一种考虑地层变化的、基于土压力平衡、排土效率高的盾构刀盘轮廓设计方法。

技术领域

本发明涉及全断面隧道掘进机刀盘设计的技术领域，特别是涉及一种考虑地层变化的盾构刀盘轮廓设计方法。

技术背景

盾构机是在复杂地层环境下进行隧道暗挖施工的主要设备。盾构机通过主轴驱动刀盘旋转带动刀盘上的刀具对掌子面施加切应力和摩擦力、通过液压千斤顶推动刀盘上的刀具向掌子面施加正应力，来压碎和切割掌子面，实现切土破岩掘进。

目前存在的刀盘设计方法，

1(王洪新.土压平衡盾构刀盘开口率选型及其对地层适应性研究[J].土木工程学报,2010(3):88-92.)从保证连续掘进时出土率计算的角度出发，计算了刀盘的开口率，但没有计算刀盘轮廓的特征参数，也没有分析开口率能否满足土压平衡。

2(王宪云.地质适应性刀盘方案设计方法与流程研究[D].天津大学,2012.)通过文献研究和基于AHP(层次分析法)的CBR(基于实例推理)刀盘设计模型进行了刀盘设计方法研究，没有考虑土压平衡和颗粒通过性。

3(郭伟,胡竟,王磊,刘建琴.基于CFD的土压平衡盾构刀盘开口分布特征研究[J].机械工程学报,2012,48(17):144-151.)运用计算流体动力学分析了开口率和渣土流动性之间的关系，没有针对地层条件提出符合土压平衡的开口轮廓理论计算方法。

4(陈巍,孙伟,霍军周.TBM刀盘开口面积的确定[J].机械设计与制造,2015(05):29-31+35.)从控制排土量连续排渣的角度提出了刀盘开口面积的计算方法，没有针对土压平衡原理提出刀盘轮廓参数的计算方法。

5(用于盾构机的刀盘设计方法，申请号：CN201710505730.0)根据地层的强度确定刀盘材料，根据地层的渗透系数选择刀盘结构，从刀盘材料出发，针对不同的地层情况设计刀盘结构，对刀盘轮廓的设计过程比较模糊。

6(一种用于复合地层的新型盾构刀盘，申请号：CN201811645294.8)该发明以中心开口率大、安装简单、使用成本低为出发点，提出了一种具有针对性的刀盘，没有考虑土压力平衡。

7(一种用于圆角矩形隧道全断面仿形开挖的刀盘设计方法，申请号：CN201811633620.3)：根据刀盘轮廓与正方形断面相切的仿形原理建立仿形的刀盘理论轮廓模型，通过刀盘轮廓离散化及刀盘轮廓磨损量设计刀盘结构。该方法未考虑到土层条件对刀盘设计的影响。

在现有的盾构刀盘设计方法中，缺少一种考虑地层变化、基于土压力平衡的理论设计方法。

发明内容

本发明解决的技术问题是：本发明针对现有技术的不足，提出了因地制宜的刀盘轮廓设计方法，提出一种考虑地层变化的、基于土压力平衡、排土效率高的盾构刀盘轮廓设计方法。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种考虑地层变化的盾构刀盘轮廓设计方法，包括以下步骤：

步骤一 计算相邻半径条幅交叠径