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全面岩巷掘进机刀盘强度设计的负荷研究。
摘要：刀盘负荷是全硬岩隧道掘进机（TBM）强度设计的关键机械参数。由于脆性的碎石机制，作用在切割机上的开挖载荷波动很大，并表现出一定的随机性。使用某些特殊静态载荷的组合来执行TBM刀盘强度设计的常规方法可能会导致工作实践中的强度下降。在本文中，建立了耦合刀盘-岩石的三维有限元模型来确定刀盘载荷。然后根据数值结果分析了刀盘载荷的分布特征和影响因素。发现随着时间的变化，作用在刀具上的法向力和切向力以及作用在刀头上的总扭矩近似呈对数正态分布，而作用在刀头上的总推力近似呈正态分布。此外，刀盘载荷的统计平均值与切削岩石的单轴抗压强度（UCS）成正比。该值还随幂函数的变化而变化，并随着刀头的穿透度和直径而变化。基于这些发现，我们提出了一个三参数刀盘平均载荷的模型，以及产生随机切削力的方法。然后，使用新方法产生的载荷来详细分析典型刀盘的强度特性。优化的刀盘已成功应用于工程中。该方法为TBM刀盘的强度设计提供了有益的参考。
关键词：TBM刀盘，强度设计，数值模拟，三参数模型，随机切削力
1引言
TBM广泛用于各种类型的硬岩隧道的建设中。掘进机的掘进工作是掘进机的关键掘进组件，其工作性能直接影响施工效率和安全性。由于地质复杂，如易碎地层，超硬岩石和节理岩，刀盘承受大推力，强大的扭矩和冲击刀盘载荷。另外，易碎的碎石机制和不合适的操作参数也可能导致TBM刀盘的剧烈振动，这将导致导致严重的力量衰竭。因此，当前TBM设计中常用的具有一定静载荷的强度特性分析可能无法在工作条件下准确地满足刀盘的强度要求。因此，如何施加这些载荷对于TBM刀盘的强度设计至关重要。
但是，受到封闭和复杂地下的限制在开挖过程中，很难直接观察刀盘的载荷。因此，在早期，切削头载荷的研究主要是通过实验和理论上的研究来进行单刀的切削力。 Roxborough等人考虑到岩石的接触面积和UCS，分析了楔形刀具上的切削力。 Rostami提出了基于线性切割机（LCM）的科罗拉多矿业学院（CSM）力预测模型。它是估算刀具磨损和优化刀具布局的最常用公式之一。Xia等人使用破裂的压缩与剪切相互作用理论，建立了圆盘切割机的三轴力旋转切割力学模型。根据密集核心理论，霍等人提出了多阶段碎石负荷预测模型。此外，Geng等人使用全尺寸旋转切割机（RCM）调查切割TBM量具的切削力，发现量具的切削力低于普通刀具。基于这一发现，提出了一种多级刀盘的设计方案。近年来，随着计算能力的提高和复杂材料模型的发展，数值方法被广泛用于更好地分析切削力。夏等人建立了中心刀岩石破碎的有限元模型，研究了中心刀侧向力的形成机理和变化规律。Tan等人模拟了圆盘铣刀碾压混凝土的施工过程，并指出刀盘上的三轴力明显呈现出阶跃变化的特征。此外，还模拟了多刀破岩过程，探讨了刀距对切削力的影响。
一些研究人员利用单刀的切削力，计算了作用在刀头上的总载荷。基于上述CSM模型，Liu等人通过刀力的线性叠加计算刀头载荷，使用相同的方法。周等人提出了一种新的预测模型作用在TBM上的总推力。但是，由于忽略了不同刀具上切削力的巨大差异，因此这些模型只能提供相对平均的平均负荷估算。除了这些简化的计算模型外，还使用了可用的工程数据来研究刀盘负载。农夫、Nelson等人分析了刀盘载荷随岩石强度的变化。分析了大量的TBM项目数据，发现每转的前进距离对推力有很大影响。根据262个TBM的统计结果1985年以后制造。Ates等人得出的结论是，刀盘扭矩与TBM直径高度相关，还与岩石强度和地质不连续性相关。对这些研究的分析表明，刀盘负载是非常复杂的机械量，它们在很大程度上取决于地质条件，运行参数和结构特征。
与使用实验，数值和理论方法进行了深入研究的刀具力相比，刀具头载荷的研究相对较少，仅给出了一些定性结果。但是，刀盘负载更重要到TBM设计，它们不仅仅是切削力的总和。目前，尚无TBM刀盘负荷的定量模型能够全面反映地质条件，设备结构和运行状态对TBM的影响负载。另外，刀盘负载的分布特性还不清楚，为了获得有效设计强度的刀盘载荷，本文首先建立了耦合刀盘-岩石的三维有限元模型。然后分析了该地区的分布特征及其影响因素。基于模拟研究刀盘负载结果。提出了刀盘平均载荷的三参数模型，以及产生随机切削力的方法。最后，开发了一种新的方法来分析TBM刀盘的强度。
2 TBM中刀盘载荷的模拟隧道式
2.1岩石的材料模型
一般而言，刀盘载荷取决于掘进过程中岩石的反作用力。 因此，为了获得刀盘载荷，首先应模拟掘进过程。 为了描述岩石在掘进过程中的力学行为，岩石材料模型需要包含三个部分，即描述应力-应变关系的本构方程，描述岩石刚度退化的损伤定律和描述岩石碎片分离的分离准则。
结合了改进的Mohr-Coulomb模型常规的具有最大拉应力准则的Mohr-Coulomb准则用于解释隧道过程中岩石的非线性行为。该模型克服了有限元分析软件包中存在的Mohr-Coulomb模型的两个主要缺点，即它描述了拉伸强度。更高层次的材料，并且有六个奇点
在其收益面上会导致收敛困难在数值计算中。修改后的Mohr-Coulomb模型的屈服准则描述如下：
(1)
其中c和psi;分别是内聚力和内摩擦角，sigma;m是平均应力，sigma;是等效应力，theta;是洛德角，m（0 le;m le;1）是抗拉强度参数 。
基于损坏对材料破坏的影响在断裂力学中描述，破坏定律是介绍来描述岩石碎片的形成。假定材料的刚度逐渐降低当材料达到极限强度时为零。材料的应力应变响应包括三个部分。最初，材料响应是线性弹性，其次是塑性屈服Mohr-Coulomb模型。在损坏开始时，承载容量显着降低，直到发生破裂。一旦材料中发生损坏，特性应力应变行为是由刚度降低。
从破岩的模拟结果可以看出TBM刀具引起的过程，刀具下的岩石刀具之间的岩石具有不同的机理骨折。因此，设置了两个不同的标准定义岩石碎片的分离。因为直接切割动作，首先在岩石上出现损坏在切割器下，随后的损伤传播为由等式表示。当D = 1时，岩石失去承重容量。然后，如果所有周围的材料失去了承重能力。在在不受约束的状态下，孤立的岩石将经历大刚体位移。然后，分离标准应该通过设置最大允许刚体来定义移位。
2.2刀头与岩石的相互作用
在掘进过程中，切割机滚过开挖面。相互作用引起破岩在刀盘和岩石之间。由于我们先前的文章中详细介绍了Cutterhead-Rock交互的建模过程，因此仅简要介绍关键步骤，如下所述：如下。接触对算法用于定义刀头与岩石的相互作用。强制联系限制使用惩罚联系方法对于当前配置中的从节点渗透，包括节点面，分析刚性面，和边缘到边缘的渗透。表面每个刀具和岩石的基于节点的表面都是设置为独立的非平滑触点对。前者由于其高而被定义为主面刚度，后者被定义为从属曲面。当主表面跨过变形时从表面，切向行为由库仑摩擦模型。
由于相对较高的刚度，刀盘建模为带有参考点的刚体。然后，刀头的运动可以通过应用来控制在参考点上前进速度和旋转速度。此外，使用刚性模拟刀盘身体特征使计算推力和使用合成反作用力产生的刀盘扭矩和作用在参考点上的力矩。
3切刀负载特性
为了说明确定刀盘负荷的方法，以吉林省中部供水项目中使用的刀盘为例。 刀头的直径为8 m。在不同的半径上安装了56个圆盘切刀，包括36个前切刀，8个中心切刀和12个量规切刀刀头。根据介绍的模型和方法在第2节中，模拟了刀盘在11mm的穿透力下通过大理石开挖的动力学过程，并且岩石的力学参数如表1所示。基于模拟结果，分析了载荷的特性，并给出了载荷的确定方法。
|
参数 |
值 |
|
密度（kg/mm3） |
2.5*10-6 |
|
杨氏模量（MPa） |
22500 |
|
泊松比 |
0.3 |
|
摩擦角（°） |
46.5 |
|
扩张角（°） |
46.5 |
|
UCS (MPa) |
112 |
表1岩石材料参数
3.1随机切削力
首先，基于引入的数值模型第2节，每个刀上的力可从隧道过程的模拟。 然后，类型刀具力分布的参数是通过统计方法进行分析。
作用在圆盘切割机上的力包括三个分量，即法向力（FN），切向力（FR）和侧向力（FS）。通过统计分析发现，作用在安装在不同半径的刀具上的力的特性是相似的。在这里，我们选择一种刀具作为分析对象来研究其切削力的特性。 图1显示了作用在安装半径为2.05 m的前切刀上的力的响应。
图1 刀具力随时间变化的曲线：a法向力；b切向力；c侧向力
如图1所示，受岩石的准脆性影响，作用在切刀上的力呈现出阶跃特性，并且在岩石破碎过程中表现出一定的随机性。这与工程实践是一致的。切刀力波动很大，可以达到平均力的倍数的峰值。比较图1（a）和（b），可以看到法向力和切向力以相似的方式变化。它们分别在173 kN和12 kN的平均值附近波动。相关分析揭示了切向力与法向力高度相关，如图2所示。对于侧向力，切向力在零附近变化，力方向随机指向内部或外部，见图1（c）。这三者的统计平均值之比力大约为FN：FR：FS = 21.9：1.6：1。这表明侧向和切向力对破碎岩石的贡献很小，法向力是切削力的主要组成部分。
图2 切向力与法向力的相关性
此外，为了了解刀具力的分布特性，对力序列进行了Kolmogorov–Smirnov试验。 图3（a）和（b）表明，刀具上的法向力和切向力近似服从对数正态分布，标准差分别为132 kN和10 kN。 这表明切削力以较高的分散度分布，并且峰值碎石力以非常低的频率出现。
图3 切向力和法向力的直方图：a法线力；b切向力
对中心铣刀和量规铣刀的力进行Kolmogorov–Smirnov测试，结果表明，所有铣刀上的力大致服从对数正态分布。 同时，获得了每个刀具力的平均值和标准偏差。 根据分布形式，均值和标准差，可以使用Latin Hypercube Sampling方法生成每个刀具上的随机力。
图4刀盘负载随时间变化的曲线：a推力；b扭力
3.2刀盘负载的特性
根据模拟模型，生成了推力和扭矩的时程曲线，如图4所示。在开挖过程中，整个刀盘上的负载也剧烈波动。为了清楚地显示负荷趋势，使用了255个点的移动平均值滤波器来平滑模拟结果。可以看出，推力和转矩以相似的方式变化。 两者在开始时都逐渐增加，然后达到一个相对稳定的阶段，其中推力和扭矩的平均值分别为8909 kN和1602 kN·m。 另外，对荷载序列进行了Kolmogorov–Smirnov试验以了解其分布特征。图5（a）和（b）显示，推力近似服从正态分布，而扭矩近似服从对数正态分布。
图5刀盘负载的直方图：以F表示a的推力（kN），以Q表示的b扭矩（kN·m）
3.3刀盘均值的三参数模型负荷
在初步设计阶段，应根据地质条件和施工参数估算刀盘载荷。 并且根据估计的载荷，可以确定刀头的主要结构参数。 为了估计刀盘负载，有必要研究不同参数对刀盘负载的影响。
图6 刀盘平均载荷与UCS，a推力；b扭矩
在研究了各种地质参数对岩石破碎的影响之后，龚等人得出结论，UCS是最重要的因素。而且，UCS直接确定设备的关键驱动速度。因此，选择UCS作为变量来分析地质参数对刀盘负载。针对具有不同UCS的岩石中的刀盘掘进进行了一系列模拟。通过对模拟载荷的平均值进行回归分析，推力和扭矩的平均值均与岩石的UCS成正比，如图6所示。
穿透力是指刀盘旋转一圈时的切削深度，它是TBM的重要设计参数。较小的穿透会降低开挖效率，而较大的穿透会引起剧烈的振动，从而影响施工安全。为了研究穿透力对刀盘载荷的影响，针对不同穿透力的刀盘开挖进行了一系列模拟。并通过回归分析推导了切削力与刀盘平均载荷的关系。结果表明，刀盘平均载荷随着以功率函数形式的穿透而增加（如图7所示），而推力的指数小于扭矩的指数。
刀盘直径是TBM设计的基本参数。它直接决定了隧道的承载能力和设备的应用。为了分析刀盘直径对刀盘载荷的影响，模拟了不同直径刀盘的掘进过程。为了研究刀盘直径与刀盘平均载荷之间的关系，进行了回归分析使用最小二乘法。结果表明，刀盘负载随刀盘直径的增加而呈幂函数形式，并且推力的指数小于扭矩的指数。
图7刀盘平均载荷与穿透力，a推力；b扭矩
以上分析表明，刀盘负载的平均值与UCS成正比，并且随刀盘的穿透力和直径的变化随幂函数变化。基于这些结果，刀盘平均载荷模型的形式可以制定如下。
此外，从一个TBM隧道项目（吉林省中部的供水项目）收集的数据被用来验证所提出模型的有效性。工程方案是
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