[发明专利]应用磨损比耗指数预测滚刀磨损量的分层求和法

摘要

本发明涉及应用磨损比耗指数预测滚刀磨损量的分层求和法，属地下隧道工程施工技术领域。为定量预测盾构机掘进复合地层时不同刀位的滚刀磨损量，以滚刀磨损的逐刀量测及相应的破岩体积的分层统计为基础，将位置各异的滚刀磨损比耗指数SWI(单位破岩体积对应的滚刀磨损增加量)按地层分类统计，得到适用于均质地层的SWI预测方程。SWI同时考虑磨损量与滚刀安装位置、掘进距离的关系，物理意义明确，SWI预测方程预测精度高。根据SWI预测方程系数与岩性的相关性，提出了应用磨损比耗指数预测滚刀磨损量的分层求和法。本发明基于工程勘察资料，方法合理，步骤明确，有利于科学编制预算、合理安排换刀时机、提高盾构掘进效率，具有重要的理论意义与实用价值。

主权项

1.一种应用磨损比耗指数预测滚刀磨损量的分层求和法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：统计由盾构机自动记录的盾构掘进每环的掘进参数平均值vi‑l‑j‑m、ni‑l‑j‑m、Fi‑l‑j‑m、Ti‑l‑j‑m、Pi‑l‑j‑m，其中，v为掘进速率、n为刀盘转速、F为有效推力、T为扭矩、P为土仓压力，i为滚刀编号，l为滚刀更换次序，j为滚刀寿命内的开仓量测次序，m为环号；步骤二：进行滚刀刀圈的磨损量量测，分别记录在每次开仓检查或换刀时的各滚刀磨损增加量δΩi‑l‑j，滚刀破岩地层为复合地层时记为δΔi‑l‑j，Ω为滚刀破岩地层序号；步骤三：计算并记录下掘进过程中不同滚刀掘进每一环的破岩体积；具体来说，如式(1)，以单把滚刀为研究对象，取轨迹相邻的滚刀外缘间距中点为相邻滚刀破岩断面边界，滚刀在环形轨迹上掘进一环，滚刀破岩产生的空心柱体空间的体积，即滚刀掘进每环的空心柱体的总体积Vi‑l‑j‑m为：Vi‑l‑j‑m＝L×Si‑l‑j‑m      (1)按所遇到的不同的地层，计算并统计各滚刀掘进每环产生的空心柱体中各地层体积，记为VΩi‑l‑j‑m，且Vi‑l‑j‑m＝∑VΩi‑l‑j‑m；其中：L为盾构管片环宽，Si‑l‑j‑m为该滚刀破岩环形区域的面积；步骤四：利用公式(2)计算磨损比耗指数SWI，即步骤二中实测与统计出的滚刀磨损增加量与对应的破岩体积之比：步骤五：将位置各异的滚刀的磨损增加量δΩi‑l‑j按掘进地层重新分类统计，作为回归分析样本，将同种地层中的SWI所对应的掘进参数集合、SWI所对应的掘进参数的若干次幂作为元素集，进行元素集间笛卡尔乘积运算，得到属于同种地层SWI的单项变量及二元复合变量集合，作为多元回归分析的自变量集；步骤六：对滚刀掘进各种均质地层的SWI样本及相应自变量集元素进行多元逐步线性回归运算，得到分别独立属于各种均质地层的SWI与掘进参数间的高阶多项式函数关系，按照共性提升原则，将属于各种均质地层的SWI与掘进参数间的高阶多项式函数关系中相同的自变量抽出来，将它们线性组合成式(3)，作为预测均质地层滚刀SWI的通式，即SWI预测方程：SWIΩ*＝kvanb+c     (3)式中，v为掘进速率；n为刀盘转速；a、b、c及k均为SWI预测方程系数，SWIΩ*为SWIΩ的预测值；步骤七：利用式(4)、式(5)、式(6)和式(7)，计算属于不同地层的SWI预测方程诸系数的离均差率MDRa、MDRb、MDRc、MDRk；步骤八：根据勘察报告，了解掘进地层的分布情况；如果掘进地层是复合地层，也就是说掌子面由若干个地层组合而成，就根据地层参数，从而确定了掌子面里面每一个地层的岩体基本质量指标BQ值或[BQ]值；步骤九：确定属于掌子面里面各地层SWI方程系数，即根据勘察报告计算得出地层BQ值或[BQ]值；在横坐标上找到该地层BQ值或[BQ]值对应的点，并过该点作一条垂线，垂线分别和MDRa与BQ值或[BQ]值的关系曲线、MDRb与BQ值或[BQ]值的关系曲线、MDRc与BQ值或[BQ]值的关系曲线、MDRk与BQ值或[BQ]值的关系曲线的4个交点的纵坐标，就是属于该地层的SWI预测方程诸系数的离均差率MDRa、MDRb、MDRc、MDRk；根据式(4)、式(5)、式(6)和式(7)，确定属于掌子面里面某一个地层SWI方程系数a、b、c、k的具体值；步骤十：提出一组掘进速率v的试算值和刀盘转速n的试算值，代入到a、b、c、k为具体数值的SWI预测方程中，就得到了属于这一地层的、这一组v和n对应的磨损比耗指数预测值SWIΩ*；步骤十一：提出与掘进速率v的试算值和刀盘转速n的试算值相对应的开仓环号预选值，再从勘察报告和地层剖面图中计算出每一环里各地层的体积把它们和与地层对应的SWI预测值相乘，就得到了任意一环中各地层对应的磨损增量，如式(8)步骤十二：如式(9)，把一环中各地层对应的磨损增量求和，就得到了滚刀在任意一环的磨损增量W为一环中地层种类数量；步骤十三：根据式(10)计算两次开仓之间掘进了q环即从第p+1环到第p+q环的磨损增量具体来说，公式(10)表示：当P环时开仓，测量磨损量一次；当从第p+1环开始掘进到第p+q环时，再开仓测量磨损量一次；两次开仓间的磨损增量，是与第p+1环到第p+q环之间滚刀的破岩量相对应的；步骤十四：若在滚刀寿命内，即从换上新刀到更换下来的过程中一共开了t次仓，那式(11)就是滚刀寿命内的磨损量，用Δ表示，和磨损增量δ相区别：步骤十五：盾构机在一定刀盘扭矩和掘进速率之下掘进时，根据刀盘扭矩和掘进速率实时预测滚刀达到预警值所要掘进的长度或环数；当选定开仓位置时，即在确定的掘进长度条件下，通过计算掘进速率试算值和刀盘扭矩试算值所对应的滚刀寿命内的刀盘磨损量将滚刀寿命内的磨损量与预警值做比较，如果预测的磨损量低于20mm，则滚刀利用效率太低；如果磨损量预测值大于20mm，则滚刀与围岩间作用过于剧烈；这些情况需要重新选取v和n，直到得到满足要求的v和n，并将满足要求的v和n设定为施工参考值。