基于比能-贯入度响应关系的TBM操作参数优化方法

本发明属于隧道施工，涉及基于比能-贯入度响应关系的tbm操作参数优化方法。

背景技术：

1、全断面硬岩隧道掘进机(tbm)是目前最为常见的隧道建设机械设备，因其施工安全、高效、环保等优点，已成为深埋长大硬岩隧道开挖的首选方法。然而，由于tbm掘进作业地下地质条件复杂，其策略一般取决于作业人员的主观判断，缺乏科学的指导。这往往导致掘进效率低，刀具磨损不合理，甚至机器堵塞或功能失效，造成施工进度延误，产生额外成本。

2、隧道破岩比能(se)，简称比能，是定量描述隧道开挖速度和刀具磨损的综合性指标。针对特定tbm工程中某恒定开挖段，贯入度直接决定了掘进过程中破碎岩石所需的能量大小。因此基于比能与贯入度之间的响应关系，开发一种设备操作参数定量优化方法，对于制定科学合理的掘进作业策略，提高岩石破碎效率和延长刀具寿命有着重要作用。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供基于比能-贯入度响应关系的tbm操作参数优化方法，解决了现有tbm施工仅取决于作业人员的主观判断，导致施工效率较低的问题。

2、本发明所采用的技术方案是，基于比能-贯入度响应关系的tbm操作参数优化方法，包括以下步骤：

3、步骤1，根据所调查的若干tbm硬岩施工隧道，依据岩体属性以及施工时的tbm实时监测参数建立综合数据库；

4、步骤2，基于综合数据库，引入现场贯入指数fpi，构建破岩比能与刀具贯入度之间的响应关系；

5、步骤3，将tbm设备法向推力归一化，获得的标准化现场贯入度指数sfpi直接由岩体性质决定，基于不同步进回归分析建立sfpi评估最佳拟合模型；

6、步骤4，基于刀盘最大扭矩水平求解得到破岩比能-刀具贯入度作用关系，结合tbm最大负载和装配刀具几何约束的操作限制，绘制刀具贯入度与破岩比能相互作用图prev-setbm；

7、步骤5，根据不同的岩体条件，在相互作用图中添加tbm破岩比能理论作用线，根据破岩比能理论作用线与相互作用图中的边界交点确定最优刀具贯入度和最优破岩比能；

8、步骤6，基于最优刀具贯入度和最优破岩比能，获得tbm的最佳运行参数。

9、步骤1中，依据岩体属性以及施工时的tbm实时监测参数建立综合数据库，岩体属性包括岩体单轴抗压强度σc、岩体磨蚀性指数cai、岩体完整性kv和岩体评分rmr，施工时的tbm实时监测参数包括刀盘扭矩、总推进力、刀盘转速和刀盘贯入度。

10、步骤2中，基于tbm掘进比能计算公式(1)，引入现场贯入指数fpi，构建破岩比能与刀具贯入度之间的响应关系式(2)，具体如下：

11、

12、

13、式中，setbm为破岩比能，fn为单刀法向力，k为消除刀盘及滚刀布置差异造成影响的修正系数，prev为刀盘贯入度，d*为所有圆盘形滚刀直径的加权值，s为相邻滚刀间距。

14、步骤3的具体过程如下：

15、步骤3.1，假定单个滚刀承受的荷载均匀作用于整个刀盘面板上，则单刀推力按照tbm直径d进行调整，假定滚刀法向力破岩过程中传递在刀盘上的有效作用区域为刀刃宽度与切割距离的乘积，则获得“归一化”的单刀法向力：

16、

17、式中，为归一化的单刀法向力，t为刀具的刀刃宽度，d为刀盘直径，n为圆盘形滚刀的数量；

18、步骤3.2，将tbm设备法向推力归一化，获得的标准化现场贯入度指数sfpi直接由岩体性质决定，即

19、

20、步骤3.3，基于综合数据库，运用不同步进回归分析建立sfpi评估最佳拟合模型：

21、sfpi＝a·(oc)b·(cai)c·(kv)d·(rmr)e   (5)

22、式中，a、b、c、d和e都是拟合系数。

23、步骤4的具体过程如下：

24、步骤4.1，在考虑不同转速工况的影响下，基于刀盘最大扭矩水平求解得到破岩比能-刀具贯入度作用关系：

25、

26、pm＝tor·rpm/9.55   (7)

27、式中，η为机械转化因子，pm为盾构机额定功率，tor为刀盘扭矩，rpm为刀盘转速；

28、步骤4.2，基于公式(1)和公式(5)，将公式(4)转化为破岩比能setbm公式：

29、

30、步骤4.3，确定tbm的最大负载fmax，利用公式(9)得到理论刀盘贯入度prev-th，将理论刀盘贯入度prev-th代入公式(8)，即令公式(8)中prev＝prev-th，获得破岩比能最大限值，用setbm-th表示，setbm-th即相互作用图的理论上边界，则当prev≤prev-th时，setbm＝setbm-th，其中：

31、

32、步骤4.4，根据公式(6)确定相互作用图的理论右上边界，即当prev＞prev-th时，由公式(6)确定刀盘贯入度对应的破岩比能；

33、步骤4.5，根据保径盘形刀具装配位置及几何形状确定刀具贯入度最大限值，即相互作用图的理论右边界；

34、步骤4.6，以prev为横向坐标轴，setbm为纵向坐标轴，绘制相互作用图。

35、步骤5中，在相互作用图中添加破岩比能理论作用线，破岩比能理论作用线依靠公式(8)确定。

36、步骤6中，基于最优刀具贯入度和最优破岩比能，计算出tbm的最佳运行参数，包括最佳的总推力、刀盘扭矩和钻速：

37、

38、toropt＝r2·prev-opt·setbm-opt/2η   (11)

39、propt＝prev-opt·rpm·60/1000   (12)

40、式中，tfopt为tbm的最佳总推力，toropt为最佳刀盘扭矩，propt为最佳钻速，prev-opt为最优刀具贯入度，setbm-opt为最优破岩比能，r为刀盘开挖半径，fm为护盾摩擦力。

41、本发明的有益效果如下：

42、(1)依据岩体属性以及施工时的tbm实时监测参数建立综合数据库，从各类型岩体的共性及特性出发，引入现场贯入指数fpi后，构建破岩比能与刀具贯入度之间的响应关系，更具有科学性和全面性；

43、(2)提出了一个仅表征岩体特征的标准化现场贯入度指数sfpi，消除了更多tbm设计参数，如每刀当量推力和每转贯入，使本方法获取的比能与贯入度关系更加简洁明了；

44、(3)使用sfpi概念有效建立了岩体条件、tbm运行参数和技术规格之间的定量化关系，开发了归一化tbm设备法向推力的预测模型，即sfpi评估最佳拟合模型，提高了模型的适用性；

45、(4)综合考虑tbm最大负载、刀盘最大扭矩水平和装配刀具几何约束的操作限制，并基于所构建的sfpi评估最佳拟合模型，绘制出tbm在不同刀盘转速影响下的比能-贯入度相互作用图以及破岩比能理论作用线，能够更加科学直观的选择出tbm设备最佳运行参数，解决了现有tbm施工取决于作业人员的主观经验判断，导致施工效率较低的问题。