斷面巖石隧道掘進機刀盤臨界速度探究

韓佳霖

摘 要：在斷面巖石中工作的掘進機刀盤，其推進速度是不同的，推進速度也是在巖石斷層工作當中的一種重要的參數(shù)，如果推進速度小于臨界速度就會對施工速度和效率有影響，不能按照預期完成工作，如果大于臨界速度就會對刀盤造成損傷，目前工作中常用的確定臨界單速度的方法是利用非線性彈簧模擬刀盤與巖石的相互作用，利用圖像處理得到了不同巖石層的推進臨界速度，本文提供的數(shù)據(jù)僅主要是為安全施工提供數(shù)據(jù)基礎。

關鍵詞：臨界速度；推進速度；模擬仿真

中圖分類號：U455.31 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）06-0127-01

斷面巖石隧道挖掘機是用于地下挖掘工作的主要大型機械，被各個國家廣泛應用于地鐵建設，城市建設的地下施工等，隨著我國的不斷發(fā)展，我國已經是對TBM需求最大的國家，但是在TBM工作的過程當中面對不同的巖石，所出現(xiàn)的問題也是很多的，這些問題的出現(xiàn)對施工的進度有著很大的影響。目前世界上有很多的國家都在研究TBM在不同地質中的推進速度，其中被應用廣泛的是袁星責提出在一定的范圍內，推進速度隨巖石周圍單軸抗壓強度的增大而減小，這也是間接的為確定臨界速度提供一種理論方法。

1 理論模型

理論模型的依據(jù)是刀盤與巖石相互作用，由于刀盤是裝在TBM的前面，主要由滾刀，面板，驅動機構組成，在掘進工作中，刀盤是旋轉貫入巖石中的，因為刀盤在旋轉過程產生的擠壓力大于巖石的本身強度，所以在巖石表面產生裂痕，并且隨著擠壓力的增大，微小的裂紋逐漸增大，并貫通巖石，形成巖石碎片，所以本文采用的非線性彈簧單元模擬TBM在掘進過程中與巖石相互作用。在模型建立時應充分考慮到實際的工作狀況，為模擬體現(xiàn)實際所以彈簧的受拉剛度系數(shù)應為零，在建立公式時也應考慮到巖石單軸的抗壓強度，所以采用羅克斯巴列的系數(shù)。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 理論方程

在TBM刀盤工作中，其掘進過程是一種復雜的動態(tài)過程，根據(jù)力學的基本理論可以總結出其基本的三位彈性方程。因為刀盤在運動的過程當中是多自由度的系統(tǒng)所以本文將運用數(shù)值計算方法計算其瞬間進而探究動力穩(wěn)定性，實際的方法是給系統(tǒng)一個小的周期干擾，因為干擾周期會對振幅產生影響，如果計算得到的振幅隨著時間的增加而不斷的增大，認為系統(tǒng)的動力失效，如果幅值隨著時間而減小，則動力系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

2.2 有限元模型

TBM的有限元模型是以某種型號的刀盤作為研究的對象，利用數(shù)學軟件建立其有限元模型，為了方便刀盤整體的動態(tài)過程，應對有限元模型進行適當?shù)暮喕疶BM刀盤有限元模型。刀盤的直徑為6520mm，其面板上的裝配正滾刀數(shù)為23把，其中中心刀是7把，根據(jù)方便研究的理念模型去除了對結構無影響的螺栓空，倒角等細微的部分。

2.3 結果計算

在進行結果計算時應充分考慮到系統(tǒng)的變形效應，應采用完全算大對刀盤的動態(tài)過程進行非線性分析，考慮到計算精度與計算成本，應采用二分法對平衡進行控制，也能對收斂性起到約束性作用。在掘進機工作的過程中，也能由于刀盤會產生與旋轉軸垂直的界面進行轉動，為了探究這種震動規(guī)律可以根據(jù)數(shù)據(jù)結果繪制刀盤面板上最大位移點的數(shù)據(jù)曲線，這樣可以直觀的觀察其規(guī)律。

3 刀盤臨界速度的確定

推進速度v和巖石單軸抗壓強度σc是TBM施工過程中極為重要的參數(shù)，其大小直接影響TBM的開挖效率與施工安全。為此，本文將分析參數(shù)空間中刀盤的動力響應規(guī)律。根據(jù)其不同參數(shù)組合下可以得出表一信息；由表1知：A1、A2兩點幅值增長率小于0，刀盤面內振動逐步衰減，A3點幅值增長率近似為0，刀盤面內振動趨于穩(wěn)定，A4、A5兩點幅值增長率大于0，刀盤面內振動逐步發(fā)散，比較A1、A3、A4，在相同的UCS值下，隨著推進速度的增大，刀盤面內振動增強，幅值增大比較A2、A3、A5，在相同的推進速度下，隨著巖石UCS值的增大，刀盤面內振動增強，且比較以上計算結果，在參數(shù)空間（σc，v）中，存在某一點（A3），使得刀盤面內振動達到穩(wěn)態(tài)。

4 結語

本文對刀盤推進臨界速度的分析采用了瞬態(tài)動力學方法，借助了非線性彈簧單元模擬滾刀與巖石的相互作用，對巖石隧道掘進機刀盤在運動下的動態(tài)分析，總結出了刀盤動力穩(wěn)定的臨界速度曲線。在制定巖石硬度下當掘進機的刀盤超過某一特定速度刀盤的振動會變的強烈，隨著巖石的硬度增大，掘進機的刀盤推進臨界速度也會隨著相應的數(shù)值下降。

參考文獻

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