Basierend auf den praktischen Anforderungen der TBM-Bohrkopfhersteller wurde ein grundlegender Design-Workflow für Bohrköpfe etabliert. Durch die Integration geologischer Tunnelbedingungen, Bohrkopfstrukturparameter und betrieblicher Tunnelbauparameter wurden Rechenmodelle für wichtige Konstruktionselemente -wie das Bohrlochlayout, die Öffnungskonfiguration und das Bohrkopfkörperdesign- entwickelt, die zum Vorschlag einer entsprechenden Entwurfsmethodik zur Verbesserung der Anpassungsfähigkeit des TBM-Bohrkopfs an bestimmte geologische Umgebungen führten. Dieser Design-Workflow umfasst die Auswahl des Schneidkopfkörpertyps, der Schneidanordnung, des Designs der Schmutzrutsche und des Designs der Stützstruktur.
Bei praktischen technischen Anwendungen müssen sich die Auswahl der Fräser und die Bestimmung der primären Betriebsparameter (einschließlich Fräserabstand, Eindringtiefe, Schubkraft und Drehmoment) an den vorherrschenden geologischen Bedingungen orientieren. Tools wie ANSYS werden zur Durchführung von Simulationen für die mechanische Leistungsanalyse (insbesondere zur Bewertung maximaler Verformungen und Spannungsniveaus) verwendet, während Simulationen mit der Diskreten-Elemente-Methode (DEM) zur Analyse der Effizienz der Schlammentfernung eingesetzt werden. Darüber hinaus kann eine Dehnungsrekonstruktionsmethode-auf Basis neuronaler BP-Netze und Finite-Elemente-Analyse (FEA)- zur Überwachung der Dehnung an kritischen Stellen am Bohrkopf der TBM eingesetzt werden, um so die mit der Dehnungsüberwachung unter schwierigen Betriebsbedingungen verbundenen Herausforderungen zu bewältigen.
Die Konstruktion des Bohrkopfes muss komplexe geologische Umgebungen effektiv berücksichtigen, darunter Gesteinsschichten mit hoher -Härte, wasserreiche Sandschichten und zusammengesetzte Bodenformationen. Insbesondere unterscheidet sich die Konstruktion von Bohrköpfen für Hartgesteins-TBMs, die im Kohlebergbau eingesetzt werden, von denen herkömmlicher Hartgesteins-TBMs, da sie bestimmte Maß- und Gewichtsbeschränkungen einhalten müssen, die durch die Anforderungen für den Transport und die Montage unter Tage auferlegt werden. Designinnovationen werden häufig auf spezifische Projektanforderungen zugeschnitten; Beispiele hierfür sind die gezielten Konstruktionsmerkmale, die für die Hartgesteins-TBM „Caucasus“ übernommen wurden-wie synchrone Tunnelvortriebs- und Segmentaufrichtungstechnologie, aktive Gelenksysteme und bi-rotierende Bohrköpfe.
