一种隧道预切槽设备的布刀方法.pdf

本发明为一种隧道预切槽设备的链刀布刀方法。首先确定链刀布置的相关参数，包括链刀的前后刀间距、链刀组数、每组链刀个数、每组链刀布置形式，每组链刀布置形式包括每组链刀组件个数、沿链条方向每组链刀布置原则、链刀组件种类、附加组件。然后建立预切槽设备链刀布置模型，最后根据预切槽设备链刀布置评定指标采用多模块数值仿真分析对预切槽设备链刀布置模型进行评价。评价指标包含切槽完成度、链刀受力均匀度、切削比能耗、排渣性能。多模块数值仿真包括LS-DYNA单组链刀破岩仿真和EDEM单组链刀排渣仿真。本发明所确定的预切槽设备刀梁上链刀的布置位置，保证了预切槽设备高效准确的开挖切槽。

1.一种隧道预切槽设备的布刀方法，其特征是，首先确定链刀布置的相关参数，包括链
刀的前后刀间距、链刀组数、每组链刀个数、每组链刀布置形式，然后建立预切槽设备链刀
布置模型，最后根据预切槽设备链刀布置评定指标采用多模块数值模拟仿真分析对预切槽
设备链刀布置模型进行评价。
2.如权利要求1所述的链刀的前后刀间距，其特征是，根据预切槽设备链条截距尺寸确
定刀间距，分为以下几步进行：
1)根据预切槽设备链刀模型、切削速度、切削深度、岩土种类，建立预切槽设备链刀切
削岩土受力模型，由如下公式确定：
F_x＝η·σ_s·h·B·sinδ
式中：σ_s为岩土屈服极限、h为切削深度、B为切削宽度、δ为切削角、η为无量纲系数，取决
于链刀结构参数和切削速度；
2)根据预切槽设备链刀切削岩土受力模型和预切槽设备设计目标进行链条的选型计
算，确定链条截距L₀，从而确定链刀的前后刀间距。
3.如权利要求1所述的每组链刀个数，其特征是，要保证每组链刀能够覆盖到整个切削
宽度，分为以下几步进行：
1)根据权利要求2所述预切槽设备链刀切削岩土受力模型，确定链刀宽度尺寸；
2)根据每组链刀能够覆盖到整个切削宽度，得到每组刀具个数，由如下公式确定：
$n\≥\frac{D}{d}$
式中：n表示每组链刀个数，D表示切槽宽度，d表示链刀宽度尺寸。
4.如权利要求1所述的每组链刀布置形式，其特征是分为链刀组件种类、沿链条方向每
组链刀的布置原则、每组链刀组件个数、附加组件四个部分，具体如下：
1)链刀组件种类有单把直链刀，双把直链刀，双把斜链刀三种；增大刀座宽度，可以布
置三把链刀，具体包括三把直链刀，中间直链刀两侧斜链刀两种；
2)沿链条方向每组链刀的布置原则包括从单刀到双刀布刀、从中间向两侧布刀、反向
从中间向两侧布刀、交错布刀、双刀在前布刀五种原则；
3)每组链刀组件个数由所选布置原则以及链刀种类决定：
n₀＝n₁+n₂+n₃
式中：n₀表示链刀组件个数，n₁表示每组链刀组件中单把链刀组件的个数，n₂表示每组
链刀组件中双把链刀组件的个数，n₃表示每组链刀组件中三把链刀组件的个数；
4)根据已确定的每组链刀个数、每组链刀组件个数、链刀组件种类、沿链条方向每组链
刀的布置原则，可以确定每把链刀的布置位置。
5)每两组链刀后布置刮土板作为附加组件。
5.如权利要求1所述的链刀组数，其特征是由链条总长、每组链刀布置形式、每组链刀
个数综合考虑确定的，具体公式如下：
$\left\{\begin{array}{c}n=n_1+2n_2+3n_3\\ N=\frac{L}{\[2(n_1+n_2+n_3)+1\]L_0}\end{array}\right.$
式中：N表示链刀组数，L表示链条总长。
6.如权利要求1所述的预切槽设备链刀布置模型，其特征是利用计算机辅助设计软件
将预切槽设备链刀布置的布置参数整合，生成的三维实体模型。
7.如权利要求1所述的预切槽设备链刀布置评定指标，其特征是要在初步设计后，对已
确立的方案进行评定，生成预切槽设备链刀布置方案报告，具体包括：
1)切槽完成度ω，指实际切削后切槽宽度与计划切槽宽度的比值的百分数，具体公式
如下：
ω＝D_S/D×100％
式中：D_S为实际切削后的切槽宽度，ω值反映了刀具布置的实际切削效果能否达到预计
效果；
2)链刀受力均匀度Л，包括单刀受力均匀度Л₁和链刀分布受力均匀度Л₂，其中Л₁反
映每把刀在切削过程中的受力是否均匀，Л₂反映了每组链刀内部每个链刀的受力是否均
匀，其具体计算公式如下：

式中：F_i(t)为每组链刀中第i把链刀在切削过程中的切削力函数，为第i把刀在切削
过程中的平均切削力，为每组内链刀的平均切削力；
3)切削比能耗SE，SE值反映了链刀切削岩土的切削效率，其计算公式如下：
$SE=\frac{W}{V}=\frac{n\·\stackrel{\‾}{F}}{V}$
式中：V表示被切削下来的岩土体积；
4)排渣性能η，反映了预切槽设备链刀排出渣土的能力，其计算公式如下：
η＝V_S/(V_S+V_P)×100％
式中：V_S为刀组内残余渣土体积，V_P为排出渣土的体积。
8.如权利要求1所述的多模块数值模拟仿真分析，其特征是通过计算机辅助工程软件
对预切槽设备链刀切削岩土的过程进行简化模拟，得到链刀布置评定指标参数，具体包括：
1)LS-DYNA预切槽设备单组链刀破岩仿真模块；
2)EDEM预切槽设备单组链刀排渣仿真模块。
9.如权利要求8所述的LS-DYNA预切槽设备单组链刀破岩仿真模块，其特征是，能够建
立不同种布置方式的单组链刀破岩模型，并且能够得到组内每把链刀的切削力和破岩量，
具体实施步骤如下：
1)导入预切槽设备链刀布置模型，建立预切槽设备链刀破岩模型；
2)指定边界条件；
3)求解输出，得到链刀切削力以及破岩量。
10.如权利要求8所述的EDEM预切槽设备单组链刀排渣仿真模块，其特征是能够模拟不
同种布置方式的单组链刀在渣土中移动的过程，得到排出渣土的量和残留在链刀之间的渣
土量，具体实施步骤如下：
1)导入预切槽设备链刀布置模型，建立预切槽设备单组链刀排渣模型；
2)在渣土腔中生成模拟渣土；
3)将链刀模型从渣土腔中移动出，统计排渣量与渣土残留量。

一种隧道预切槽设备的布刀方法

技术领域

本发明为一种隧道工程预切槽设备的布刀方法，涉及不同地质条件下多目标的隧
道预切槽设备的链刀布置方法。

背景技术

预切槽法是一种独特的隧道施工技术，是利用刀梁上的链刀沿隧道断面外轮廓超
前于掌子面切出周边槽,同时灌注混凝土形成超前支护结构的施工工法。随着我国软弱地
层隧道工程项目越来越多，对预切槽设备的需求量逐渐增加。目前国内外隧道预切槽设备
都处于起步阶段，因此，加大对预切槽设备关键技术的开发力度势在必行。

链式切刀是预切槽设备上进行岩槽开挖的关键部件，链刀在链条上不同的布置方
式会对预切槽设备的切削效率、排渣性、链刀的载荷分布产生不同的影响，进而影响整体的
外载特性。目前有关预切槽设备链刀布刀的设计方法多依赖经验且无法对预切槽设备链刀
的切削性能进行系统评估，导致其地质适应性差、渣土排出性能不好。关于链刀布置方式的
研究，在国外文献中，主要针对其破岩机理展开研究，而没有涉及链条上链刀布置方法的研
究。中国专利“循环链刀”(专利号9411925.3)，设计出了一种上面设有若干组用来在地面中
开沟的刀件的一种循环链刀，给出了链刀布置的基本原则，但未给出在本原则下衡量不同
种布置方式的指标以及具体的设计方法，未研究如何针对不同的地质条件和施工参数对链
条上的链刀布刀。

本发明的目的是提出一种针对具体地质条件，能够实现高效开挖切槽、排渣性能
好、具备地质适应性的隧道工程用预切槽设备链刀的布刀方法。

发明内容

本发明目的为研究一种隧道预切槽设备的布刀方法，提供一种考虑地质条件、破
岩效率、刀具寿命的刀具布置正向设计方法，以及提供一套完整科学的评价指标和评价方
法。

本发明内容采用的技术方案：给出了一种隧道预切槽设备链刀布置的设计方法，
其特征是，首先确定链刀布置的相关参数，包括链刀的前后刀间距、链刀组数、每组链刀个
数、每组链刀布置形式，然后建立预切槽设备链刀布置模型，最后根据预切槽设备链刀布置
评定指标采用多模块数值模拟仿真分析对预切槽设备链刀布置模型进行评价。

如上所述的链刀的前后刀间距，其特征是，根据预切槽设备链条截距尺寸确定刀
间距，分为以下几步进行：

1)根据预切槽设备链刀模型、切削速度、切削深度、岩土种类，建立预切槽设备链刀切
削岩土受力

模型，由如下公式确定：

F_x＝η·σ_s·h·B·sinδ

式中:σ_s为岩土屈服极限、h为切削深度、B为切削宽度、δ为切削角、η为无量纲系数，取
决于链刀结构参数和切削速度；

2)根据预切槽设备链刀切削岩土受力模型和预切槽设备设计目标进行链条的选型计
算，确定链条截距L₀，从而确定链刀的前后刀间距。

如上所述的每组链刀个数，其特征是，要保证每组链刀能够覆盖到整个切削宽度，
分为以下几步进行：

1)根据如上所述的预切槽设备链刀切削岩土受力模型进行链刀截面尺寸计算，确定链
刀宽度尺寸；

2)根据每组刀具能够覆盖到整个切削宽度，得到每组链刀个数，由如下公式确定：

式中：n表示每组链刀个数，D表示切槽宽度，d表示链刀宽度尺寸。

如上所述的每组链刀布置形式，其特征是分为链刀组件种类、沿链条方向每组链
刀的布置原则、每组链刀组件个数、附加组件四个部分，具体如下：

1)链刀组件种类有单把直链刀，双把直链刀，双把斜链刀三种；增大刀座宽度，可以布
置三把链刀，具体包括三把直链刀，中间直链刀两侧斜链刀两种；

2)沿链条方向每组链刀的布置原则包括从单刀到双刀布刀、从中间向两侧布刀、反向
从中间向两侧布刀、交错布刀、双刀在前布刀五种原则；

3)每组链刀组件个数由所选布置原则以及链刀种类决定，至少布置3个以上刀座以保
证刀具寿命：

n₀＝n₁+n₂+n₃

式中:n₀表示每组链刀组件个数，n₁表示每组链刀组件中单把链刀组件的个数，n₂表示
每组链刀中双把链刀组件的个数，n₃表示每组链刀中三把链刀组件的个数；

4)根据已确定的每组链刀个数、每组链刀组件个数、链刀组件种类、沿链条方向每组链
刀的布置原则，可以确定每把链刀的布置位置。

5)每两组链刀后布置刮土板作为附加组件。

如上所述的链刀组数，其特征是由链条总长、每组链刀布置形式、每组链刀个数综
合考虑确定的，具体公式如下：

式中：N表示链刀组数，L表示链条总长。

如上所述的预切槽设备链刀布置模型，其特征是利用计算机辅助设计软件将预切
槽设备链刀布置的布置参数整合，生成的三维实体模型。

如上所述的预切槽设备链刀布置评定指标，其特征是要在初步设计后，对已确立
的方案进行评定，生成预切槽设备链刀布置方案报告，具体包括：

1)切槽完成度ω，指实际切削后切槽宽度与计划切槽宽度的比值的百分数，具体公式
如下：

ω＝D_S/D×100％

式中:D_S为实际切削后的切槽宽度，ω值反映了刀具布置的实际切削效果能否达到预
计效果；

2)链刀受力均匀度Л，包括单刀受力均匀度Л₁和链刀分布受力均匀度Л₂，其中Л₁反
映每把刀在切削

过程中的受力是否均匀，Л₂反映了每组链刀内部每个链刀的受力是否均匀，其具体计
算公式如下：

式中:F_i(t)为每组链刀中第i把链刀在切削过程中的切削力函数，为第i把刀在切削
过程中的平均切削力，为每组内链刀的平均切削力；

3)切削比能耗SE，SE值反映了链刀切削岩土的切削效率，其计算公式如下：

式中：V表示被切削下来的岩土体积；

4)排渣性能η，反映了预切槽设备链刀排出渣土的能力，其计算公式如下：

η＝V_S/(V_S+V_P)×100％

式中：V_S为刀组内残余渣土体积，V_P为排出渣土的体积。

如上所述的多模块数值模拟仿真分析，其特征是通过计算机辅助工程软件对预切
槽设备链刀切削岩土的过程进行简化模拟，得到链刀布置评定指标参数，具体包括：

1)LS-DYNA预切槽设备单组链刀破岩仿真模块；

2)EDEM预切槽设备单组链刀排渣仿真模块。

如上所述的LS-DYNA预切槽设备单组链刀破岩仿真模块，其特征是，建立不同种布
置方式的单组链刀破岩模型，其中岩石模型的材料参数可以根据实际工况确定，保证了所
设计刀具的地质适应性，并且能够得到组内每把链刀的切削力和破岩量，由此计算切削比
能耗。具体实施步骤如下：

1)导入预切槽设备链刀布置模型，建立预切槽设备链刀破岩模型；

2)指定边界条件；

3)求解输出，得到链刀切削力、破岩量，计算比能耗。

如上所述的EDEM预切槽设备单组链刀排渣仿真模块，其特征是能够模拟不同种布
置方式的单组链刀在渣土中移动的过程，得到排出渣土的量和残留在链刀之间的渣土量，
具体实施步骤如下：

1)导入预切槽设备链刀布置模型，建立预切槽设备单组链刀排渣模型；

2)在渣土腔中生成模拟渣土；

3)将链刀模型从渣土腔中移动出，统计排渣量与渣土残留量。

附图说明

本发明可从下面结合附图所作的限用举例的描述获得进一步理解，在附图中：

图1为隧道预切槽设备布刀方法流程图；

图2为预切槽设备链刀切削岩土受力模型；

图3为预切槽设备的环形链刀的整体结构示意图；

图4a为预切槽设备链刀布置的主视图；

图4b为链刀组件种类的说明图；

图5为预切槽设备链刀沿链条方向的布置原则说明图；

图6为LS-DYNA预切槽设备单组链刀破岩仿真模型图；

图7为EDEM预切槽设备单组链刀排渣仿真模型图；

图8为LS-DYNA预切槽设备单组链刀破岩仿真中直链刀切削力变化曲线；

图9为LS-DYNA预切槽设备单组链刀破岩仿真中各个链刀平均水平载荷；

图10为LS-DYNA预切槽设备单组链刀破岩仿真比能耗曲线；

具体实施方式

结合附图详细说明本发明的实施过程，本发明以预切槽设备切削砂岩为例，可以
针对不同地质条件选择不同的地质参数。图1布刀方法流程图，首先确定单把链刀的切削
力，已知条件如下：①岩石参数：单轴抗压强度20MPa；②切削参数：切削深度选择为6mm，环
切速度v_y为220mm/min，链切速度v_x为45000mm/min，切槽宽度D为172mm。图2示意了链刀切削
岩土的模型，切刀201厚度d为22mm，切削角为81°，η取值为0.4～0.7之间。

根据链刀切削岩土受力公式计算得到单把链刀水平载荷：

F_x＝η·σ_s·h·B·sinδ＝0.55×20×10⁶×6×10^-3×22×10^-3×sin81°≈1.4kN(B≈
d)

根据机械设计手册进行链条选型计算，得到链条1截距L₀为88.9mm。依据预切槽设
备的设计要求，链条1总长L为20m。图3所示为实施例预切槽设备的环形链刀的整体结构示
意图。

计算链刀组2每组链刀个数n≥D/d＝172/22≈8。图4a为切槽设备链刀布置的主视
图，链刀201在刀座202上的布置的横向宽度满足了切槽宽度D。

下面对链刀组组内链刀布置形式的具体实施过程进行说明：

如图4b所示为链刀201在刀座202上的不同布置方式，链刀组件21、22为单把链刀
竖直布置，主要参数有边距Lc；链刀组件23为双把链刀竖直布置，主要参数有链刀偏心距
L_D，中心边距Lc；链刀组件24、25为双把链刀倾斜布置，主要参数有链刀偏心距L_D，中心边距
Lc，夹角α；链刀组件26为中间直链刀两侧斜链刀布置，具体参数有链刀偏心距L_D，中心边距
Lc，夹角α。根据上述以确定每组链刀个数为8，刀座个数大于3，参照图4b选取链刀组件21、
22、23、24、25，共5个链刀组件，8把链刀，保证了切槽宽度要求。具体链刀在刀座上的布置参
数如表1所示。

表1本发明实施例链刀在刀座上的布置参数

根据上述所确定的链刀组件个数以及链刀组件种类，根据链刀组内沿链条方向链
刀的布置原则有4种布置方式，如图5所示从中间向两侧布刀链刀组A、反向从中间向两侧布
刀链刀组B、交错布刀链刀组C、双刀在前布刀链刀组D。箭头方向为链条运动的方向。

上述参数及布置形式确定后，计算链刀组数N：

完成上述链刀布刀方案后，利用计算机辅助设计软件将预切槽设备链刀布置的参
数整合生成三维实体模型。将该模型导入LS-DYNA，建立预切槽设备单组链刀破岩仿真模
型，各个链刀组进行贯入度在4mm、6mm、8mm下的破岩仿真计算。如图6所示为从中间向两侧
布刀链刀组A切削岩土的模型。

基于LS-DYNA仿真模型得到图8的LS-DYNA预切槽设备单组链刀破岩仿真中直链刀
切削力变化曲线；图9的LS-DYNA预切槽设备单组链刀破岩仿真中各个链刀平均水平载荷；
图10的LS-DYNA预切槽设备单组链刀破岩仿真比能耗曲线。根据数值仿真结果，按照预切槽
设备链刀布置评定指标计算不同种布置方案的切槽完成度，刀具受力均匀度，切削比能耗。

将上述的不同种布置方案的三维实体模型导入EDEM软件，建立EDEM预切槽设备单
组链刀排渣仿真模型，如图7所示。在渣土腔4中生成模拟渣土，随后链刀组2沿箭头方向运
动，模拟不同种布置方案下单组链刀在渣土中的移动过程，统计排出渣土量和残留渣土量，
按照预切槽设备链刀布置评定指标计算链刀组的排渣性能。

经过上述过程，本发明得到了在一定工况下不同种布刀方案的各个评价参数指
标。根据该指标和实际工况优选出最适合的最终方案。本发明的实施保证了预切槽设备高
效开挖切槽，满足施工要求，并且具备地质适应性，保证了链刀的排渣性能。