基于多目標(biāo)支配方案的TBM刀盤布置優(yōu)化分析

張玄，余娜

（1.中交二公局第三工程有限公司，西安710016；2.東南大學(xué)，南京210096；3.福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，福州350000）

1 引言

全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）近年來廣泛應(yīng)用于隧道建設(shè)工程中。TBM 的掘進(jìn)性能常取決于刀盤的破巖效率，而刀盤的布置方式及主要參數(shù)則關(guān)乎TBM 的推進(jìn)效率。國內(nèi)學(xué)者就盾構(gòu)刀盤設(shè)計優(yōu)化進(jìn)行了大量的研究，例如，茅承覺[1]通過滾刀破巖試驗分析了滾刀幾何參數(shù)與滾刀受力之間的關(guān)系，張厚美[2]根據(jù)秦嶺隧道TB880E 掘進(jìn)機(jī)滾刀磨損統(tǒng)計數(shù)據(jù)和滾刀破巖理論，總結(jié)盾構(gòu)刀盤滾刀磨損量的預(yù)判規(guī)律等。TBM 破巖效率的影響因素眾多，刀盤與圍巖相互作用的機(jī)理復(fù)雜，如何評估刀具布置的合理性，一直是工程界的難點(diǎn)。

本文基于刀盤破巖機(jī)理，研究TBM 刀盤布置優(yōu)化設(shè)計方法，引入模糊隸屬度的數(shù)學(xué)概念和優(yōu)化理論，對TBM 刀具布置合理性進(jìn)行評價，為工程實(shí)際中的應(yīng)用改進(jìn)提供一個新的思路。

2 TBM破巖機(jī)理

以應(yīng)用最廣泛的盤形滾刀為例，現(xiàn)有理論認(rèn)為，TBM 破巖過程可分為2 個階段：（1）刀具侵入巖體造成原巖擾動；（2）兩盤刀之間裂縫貫通形成巖石碎片，如圖1 所示。

在掘進(jìn)過程中，刀盤推力提供滾刀指向開挖面的垂直力，刀盤扭矩提供指向滾刀切向的滾動力。滾刀與巖石的接觸點(diǎn)周圍會形成半球形的高應(yīng)力壓碎區(qū)，這部分巖石被擠壓成巖粉，在刀盤推進(jìn)荷載的作用下進(jìn)一步將壓力擴(kuò)散至四周的巖體，圍繞半球形壓碎區(qū)形成放射狀裂紋，如圖1a 所示。……