基于力学分析的TBM掘进总推力预测模型研究

提出一种基于力学分析的全断面岩石隧道掘进机(Tunnel boring machine，TBM)掘进装备总推力的预测建模方法。在TBM 装备掘进过程中，总推力的影响因素多且复杂，主要包括施工地质条件、装备结构特征、装备掘进状态等几类核心参量。从分析装备与地质间相互作用的力学特征入手，通过求解滚刀与岩石接触弧线上岩石单元体的极限应力状态，建立能反映地质、操作等关键参量影响的刀盘破岩力计算表达式。在刀盘载荷分析基础上，补充考虑装备护盾、后续设备等部件上作用的载荷分量，建立TBM装备掘进总推力预测模型，并结合我国两个典型工程案例对所建模型进行分析与验证。进一步引入单位贯入度对应总推力值，作为讨论TBM载荷地质适应性的指标，近似剥离操作参数的影响，分析载荷与地质参数间的内在相关关系。分析结果表明，在各个地质参数中，单轴抗压强度是对掘进总推力起到核心影响的关键地质参数，与单位贯入度对应的总推力间存在近似的线性关系。本工作可对不同地质条件与不同操作状态下，TBM 装备掘进总推力进行预估计算，为装备载荷的优化设计与智能控制提供参考依据。