计算硬岩隧道掘进机刀盘扭矩的方法.pdf

一种计算硬岩隧道掘进机刀盘扭矩的方法，包括：计算硬岩TBM装备刀盘上切削扭矩T1；计算刀盘环形侧面与岩石间的摩擦扭矩T2；计算掘进刀盘扭矩T：T＝T1+T2，式中：T为掘进刀盘扭矩，单位kNm。本发明对于硬岩TBM装备掘进过程中的刀盘扭矩计算快速准确。由于综合考虑了地质环境、操作状态、装备结构等核心因素的影响，因而计算结果准确可靠。并且能随时根据地质条件与掘进速度的改变灵活调整扭矩参数，为硬岩TBM装备动力系统的设计以及施工过程中扭矩参数的设定与实时调整提供了可靠的数据依据。

1.一种计算硬岩隧道掘进机刀盘扭矩的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)计算硬岩TBM装备刀盘上切削扭矩T₁：

式中：T₁为刀盘上切削扭矩，单位kNm；N为刀盘上滚刀数量；t为滚刀刀尖宽度，单位mm；R
为滚刀半径，单位mm；D为刀盘直径，单位m；φ为滚刀与岩石接触弧度，单位rad，φ是通过贯
入度δ和滚刀半径R计算得到其中，贯入度δ单位为mm，滚刀半径R为单位
mm；为岩石内摩擦角，单位rad；σ_y为原岩应力，单位MPa；σ_c为岩石单轴抗压强度，单位MPa；
2)计算刀盘环形侧面与岩石间的摩擦扭矩T₂：
$T_2=\frac{1}{8}{f}_s{D}^2{\mathrm{W\Θ}}_2(1+K_0)P_0$
式中：T₂为刀盘环形侧面与岩石间的摩擦扭矩，单位kNm；f_s为刀盘环形侧面与岩石间的
摩擦系数；D为刀盘直径，单位m；W为刀盘侧面宽度，单位m；Θ₂为刀盘环形侧面接触岩石部
分的弧度，单位rad；K₀为岩石侧压力系数；P₀为刀盘环形侧面与岩石间的接触压力，单位
kPa；
3)计算掘进刀盘扭矩T：
T＝T₁+T₂
式中：T为掘进刀盘扭矩，单位kNm。

计算硬岩隧道掘进机刀盘扭矩的方法

技术领域

本发明涉及一种硬岩隧道掘进机施工方法。特别是涉及一种计算硬岩隧道掘进机
刀盘扭矩的方法。

背景技术

隧道掘进机是一种靠刀盘旋转推进，隧道支护与出渣同时进行，并使得隧道全断
面一次成形的大型机械。相对于传统钻爆法，隧道掘进机具有高效、快速、优质、安全等优
点，现已将其推广应用到引水隧道、铁路隧道以及交通隧道等工程中。根据适用地质类别，
可分为硬岩隧道掘进机和软地层隧道掘进机，两者的工作原理及施工过程有很大差异。硬
岩TBM(隧道掘进机)装备属于重型巨载装备，其掘进扭矩巨大，是装备设计及安全施工中的
关键参数。快速准确计算硬岩TBM装备在掘进过程中所需要的刀盘扭矩值，可以为动力系统
设计及掘进过程中参数实时调整提供重要依据。硬岩TBM装备在掘进过程中，其刀盘扭矩主
要由刀盘切削扭矩、刀盘环形侧面与岩石间的摩擦扭矩组成。复杂多变的地质环境、装备结
构以及操作状态均对刀盘扭矩产生不同的影响。目前已有针对软地层盾构装备掘进中刀盘
扭矩的计算方法，但仍缺乏针对硬岩TBM装备掘进过程中刀盘扭矩的快速准确的确定技术，
因此早已成为本行业之急需。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够为硬岩TBM装备施工提供可靠的参
数控制依据的计算硬岩隧道掘进机刀盘扭矩的方法。

本发明所采用的技术方案是：一种计算硬岩隧道掘进机刀盘扭矩的方法，包括如
下步骤：

1)计算硬岩TBM装备刀盘上切削扭矩T₁：

式中：T₁为刀盘上切削扭矩，单位kNm；N为刀盘上滚刀数量；t为滚刀刀尖宽度，单
位mm；R为滚刀半径，单位mm；D为刀盘直径，单位m；φ为滚刀与岩石接触弧度，单位rad，φ是
通过贯入度δ和滚刀半径R计算得到其中，贯入度δ单位为mm，滚刀半径R为
单位mm；为岩石内摩擦角，单位rad；σ_y为原岩应力，单位MPa；σ_c为岩石单轴抗压强度，单位
MPa；

2)计算刀盘环形侧面与岩石间的摩擦扭矩T₂：

$T_2=\frac{1}{8}{f}_s{D}^2{\mathrm{W\Θ}}_2(1+K_0)P_0$

式中：T₂为刀盘环形侧面与岩石间的摩擦扭矩，单位kNm；f_s为刀盘环形侧面与岩石
间的摩擦系数；D为刀盘直径，单位m；W为刀盘侧面宽度，单位m；Θ₂为刀盘环形侧面接触岩
石部分的弧度，单位rad；K₀为岩石侧压力系数；P₀为刀盘环形侧面与岩石间的接触压力，单
位kPa；

3)计算掘进刀盘扭矩T：

T＝T₁+T₂

式中：T为掘进刀盘扭矩，单位kNm。

本发明的计算硬岩隧道掘进机刀盘扭矩的方法，对于硬岩TBM装备掘进过程中的
刀盘扭矩计算快速准确。由于综合考虑了地质环境、操作状态、装备结构等核心因素的影
响，因而计算结果准确可靠。并且能随时根据地质条件与掘进速度的改变灵活调整扭矩参
数，为硬岩TBM装备动力系统的设计以及施工过程中扭矩参数的设定与实时调整提供了可
靠的数据依据。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的计算硬岩隧道掘进机刀盘扭矩的方法做出详细说明。

本发明的计算硬岩隧道掘进机刀盘扭矩的方法，包括如下步骤：

1)计算硬岩TBM装备刀盘上切削扭矩T₁：

式中：T₁为刀盘上切削扭矩，单位kNm；N为刀盘上滚刀数量；t为滚刀刀尖宽度，单
位mm；R为滚刀半径，单位mm；D为刀盘直径，单位m；φ为滚刀与岩石接触弧度，单位rad，φ是
通过贯入度δ和滚刀半径R计算得到其中，贯入度δ单位为mm，滚刀半径R为
单位mm；为岩石内摩擦角，单位rad；σ_y为原岩应力，单位MPa；σ_c为岩石单轴抗压强度，单位
MPa；

2)计算刀盘环形侧面与岩石间的摩擦扭矩T₂：

$T_2=\frac{1}{8}{f}_s{D}^2{\mathrm{W\Θ}}_2(1+K_0)P_0$

式中：T₂为刀盘环形侧面与岩石间的摩擦扭矩，单位kNm；f_s为刀盘环形侧面与岩石
间的摩擦系数；D为刀盘直径，单位m；W为刀盘侧面宽度，单位m；Θ₂为刀盘环形侧面接触岩
石部分的弧度，单位rad；K₀为岩石侧压力系数；P₀为刀盘环形侧面与岩石间的接触压力，单
位kPa；

3)计算掘进过程中刀盘扭矩T：

T＝T₁+T₂

式中：T为掘进过程中刀盘扭矩，单位kNm。

下面给出具体实例：

本实例的隧道掘进工程所使用的硬岩TBM装备结构参数如下：刀盘上滚刀数量N＝
51，刀尖宽度t＝25mm，滚刀半径R＝241.5mm，刀盘直径D＝8.03m，刀盘侧面宽度W＝0.5m。以
该工程掘进到第400米时的地质条件与操作状态为例，给出计算掘进到该处时装备刀盘扭
矩值的详细步骤，掘进至其它位置时的刀盘扭矩均可按照相同的方法计算。

计算中所涉及的地质参数均取自地质报告，该工程第400米时的地质参数如下：岩
石单轴抗压强度σ_c＝52MPa，岩石内摩擦角原岩应力σ_y＝10MPa，刀盘环形侧面与
岩石间的摩擦系数f_s＝0.2，刀盘环形侧面接触岩石部分弧度Θ₂＝πrad，岩石侧压力系数K₀
＝0.1，刀盘环形侧面与岩石间的接触压力P₀＝1000kPa。

计算中所涉及的操作参数均由装备自动记录，该工程掘进至第400米时的操作参
数为，贯入度δ＝6.50mm。

(1)计算硬岩TBM装备刀盘上的切削扭矩T₁：

将上述相关参数代入公式：得到T₁＝
2797.70kNm

(2)计算刀盘环形侧面与岩石间的摩擦扭矩T₂：

将上述相关参数代入公式：得到T₂＝2785.38kNm

(3)计算掘进刀盘扭矩T。

由公式T＝T₁+T₂，得到T＝5583.08kNm

至此，已计算出该工程中装备掘进至第400米时的刀盘扭矩值，掘进至其余位置时
的刀盘扭矩均可按照相同方法确定。由此可计算出整个工程中硬岩TBM装备在不同地质条
件和操作状态下所需的刀盘扭矩值，为硬岩隧道施工提供科学有效的数据依据。

需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的，不以此限定本发明的保护
范围。