CN102262712B - 上下分层地质条件下盾构刀盘正面载荷的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种上下分层地质条件下盾构刀盘正面载荷的计算方法，该方法分为五个步骤：1.判定开挖面地质情况，开挖面分为上下两个地质层：工况1是指上层地质覆盖深度小于刀盘半径；工况2是指上层地质覆盖深度大于刀盘半径。其它四个步骤分别是：2.若属工况1，则计算工况1下的刀盘正面推力F₁；3.计算工况1下的刀盘正面扭矩T₁；4.若属工况2，则计算工况2下的刀盘正面推力F₂；5.计算工况2下的刀盘正面扭矩T₂，不同工况有不同的计算公式。本发明载荷确定方法更接近施工实际情况，与目前常用的按均匀单一地质条件近似确定载荷的方法相比，可显著提高计算精度，从而为盾构掘进过程中操作人员调整载荷参数提供更为科学的参考依据。

Description

上下分层地质条件下盾构刀盘正面载荷的计算方法

技术领域

本发明属于盾构机械施工技术，具体涉及一种在某种地质条件下预测盾构机刀盘正面载荷的计算方法。

背景技术

近年来，随着许多城市逐步发展地下交通建设，盾构施工法作为一种暗挖隧道的工程方法，以其对周围环境扰动小等优点被越来越广泛的应用于地铁工程施工。众所周知，盾构掘进是一个多因素耦合影响的复杂施工过程，刀盘与前方待开挖土体间不断发生切削、挤压、摩擦等相互作用，因此盾构刀盘正面载荷是盾构设计及施工过程中的重要参数。但由于盾构施工是一种暗挖工法，掘进过程中刀盘正面始终包围在岩土中，位置隐蔽，条件恶劣，难以实现载荷的直接测量。目前已有的盾构刀盘载荷相关计算方法只考虑了单一地质条件，而在绝大多数实际隧道工程中，刀盘前方待开挖土体自上而下分为不同地质层，按现有方法确定载荷误差较大。因此，提出一种分层地质条件下盾构刀盘正面载荷的计算方法，具有较大的实用价值，同时也是本行业之急需。

发明内容

本发明的目的是，提出一种盾构在上下分层地质条件下掘进时刀盘正面载荷的计算方法，为刀盘设计及施工参数调整提供更为准确的依据。

盾构刀盘正面载荷包括推力和扭矩，本发明的计算方法分为以下五个步骤：

(1)判定开挖面地质情况；

判定的开挖面地质情况包括地质工况1和地质工况2两种：工况1是指开挖面分上下两个地质层，上层地质覆盖深度小于刀盘半径，下层地质覆盖深度大于刀盘半径；工况2也是指开挖面分上下两个地质层，但上层地质覆盖深度大于刀盘半径，而下层地质覆盖深度小于刀盘半径。

(2)若属于地质工况1，则计算工况1下的刀盘正面推力F₁；

(3)计算地质工况1下的刀盘正面扭矩T₁；

(4)若属于地质工况2，则计算工况2下的刀盘正面推力F₂；

(5)计算地质工况2下的刀盘正面扭矩T₂；

其中所述步骤(2)中工况1的刀盘正面推力F₁计算公式为：

$F_1=(1-\mathrm{\η})[\frac{2E_1\mathrm{\δ}}{\mathrm{\π}(1-{{\mathrm{\μ}}_1}^2)R}+K_1{\mathrm{\γ}}_1(H-R+\frac{a}{2})][R^2\arccos \left(\frac{R-a}{R}\right)-R(R-a)\sqrt{2\mathrm{Ra}-a^2}]$

$+(1-\mathrm{\η})[\frac{2E_2\mathrm{\δ}}{\mathrm{\π}(1-{{\mathrm{\μ}}_2}^2)R}+K_2{\mathrm{\γ}}_2(H+\frac{a}{2})]\left\{R^2\right[\mathrm{\π}-\arccos \left(\frac{R-a}{R}\right)]+(R-a)\sqrt{2\mathrm{Ra}-a^2}\}+\mathrm{p\π}{R}^2\mathrm{\η}$

式中：a为上层土质的覆盖深度(m)，E₁、E₂分别为上下两层土体的弹性模量(MPa)，μ₁，μ₂分别为上下两层土体的泊松比，K₁、K₂分别为上下两层土体的静止土压力系数，γ₁、γ₂分别为上下两层土体的容重(kN/m³)，δ为刀盘每转切入深度(m/r)，p为密封舱平均压力(kPa)，R为刀盘半径(m)，η为刀盘开口率，H为地表至盾构中心轴线处埋深(m)。

其中所述步骤(3)中工况1的刀盘正面扭矩T₁计算公式为：

$T_1=[\frac{G_1{f}_1(1-\mathrm{\η})\mathrm{\δ}}{1-{\mathrm{\μ}}_1}+\frac{c_{1}h}{2\mathrm{\π}}+\frac{2}{3}{K}_1{\mathrm{\γ}}_1(H-R+\frac{a}{2})(1-\mathrm{\η})f_{1}R][R^2\arccos \left(\frac{R-a}{R}\right)-R(R-a)\sqrt{2\mathrm{Ra}-a^2}]$

$+[\frac{G_2{f}_2(1-\mathrm{\η})\mathrm{\δ}}{1-{\mathrm{\μ}}_2}+\frac{c_{2}h}{2\mathrm{\π}}+\frac{2}{3}{K}_2{\mathrm{\γ}}_2(H+\frac{a}{2})(1-\mathrm{\η})f_{2}R]\left\{R^2\right[\mathrm{\π}-\arccos \left(\frac{R-a}{R}\right)]+(R-a)\sqrt{2\mathrm{Ra}-a^2}\}$

式中：G₁、G₂分别为上下两层土体的剪切模量(MPa)，c₁、c₂分别为上下两层土体的粘聚力(kPa)，f₁、f₂分别为上下两层土体与刀盘间的摩擦系数，h为刀具宽度(m)，其它参数定义同前。

其中所述步骤(4)中工况2的刀盘正面推力F₂计算公式为：

$F_2=(1-\mathrm{\η})[\frac{2E_2\mathrm{\δ}}{\mathrm{\π}(1-{{\mathrm{\μ}}_2}^2)R}+K_2{\mathrm{\γ}}_2(H-\frac{a}{2})][R^2\arccos \left(\frac{a-R}{R}\right)-R(a-R)\sqrt{2\mathrm{Ra}-a^2}]$

$+(1-\mathrm{\η})[\frac{2E_1\mathrm{\δ}}{\mathrm{\π}(1-{{\mathrm{\μ}}_1}^2)R}+K_1{\mathrm{\γ}}_1(H+R-\frac{a}{2})]\left\{R^2\right[\mathrm{\π}-\arccos \left(\frac{a-R}{R}\right)]+(a-R)\sqrt{2\mathrm{Ra}-a^2}\}+\mathrm{p\π}{R}^2\mathrm{\η}$

式中参数定义同前。

其中所述步骤(5)中工况2的刀盘正面扭矩T₂计算公式为：

$T_2=[\frac{G_2{f}_2(1-\mathrm{\η})\mathrm{\δ}}{1-{\mathrm{\μ}}_2}+\frac{c_{2}h}{2\mathrm{\π}}+\frac{2}{3}{K}_2{\mathrm{\γ}}_2(H-\frac{a}{2})(1-\mathrm{\η})f_{2}R][R^2\arccos \left(\frac{a-R}{R}\right)-R(a-R)\sqrt{2\mathrm{Ra}-a^2}]$

$+[\frac{G_1{f}_1(1-\mathrm{\η})\mathrm{\δ}}{1-{\mathrm{\μ}}_1}+\frac{c_{1}h}{2\mathrm{\π}}+\frac{2}{3}{K}_1{\mathrm{\γ}}_1(H+R-\frac{a}{2})(1-\mathrm{\η})f_{1}R]\left\{R^2\right[\mathrm{\π}-\arccos \left(\frac{a-R}{R}\right)]+(a-R)\sqrt{2\mathrm{Ra}-a^2}\}$

式中参数定义同前。

本发明的特点以及产生的积极效果是，考虑地质上下分层情况的载荷确定方法更接近施工实际情况，因此与目前常用的按均匀单一地质条件近似确定载荷的方法相比，可显著提高计算精度，从而为盾构掘进过程中操作人员调整载荷参数提供更为科学的参考依据。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明的计算过程作进一步的说明，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。

本实施例结合某地铁工程施工过程。该工程采用盾构施工法，共掘进800环，任意选取其中的第20环和第50环为例，给出盾构掘进到这两环时盾构刀盘俯仰弯矩的详细计算步骤，其他各环均可按照相同的方法进行计算。

上下分层地质条件下掘进时刀盘正面载荷的计算方法分为五个步骤：

(1)判定开挖面地质情况；

(2)若属于地质工况1，则计算工况1下的刀盘正面推力F₁；

(3)计算地质工况1下的刀盘正面扭矩T₁；

(4)若属于地质工况2，则计算工况2下的刀盘正面推力F₂；

(5)计算地质工况2下的刀盘正面扭矩T₂；

首先确定目标工程的地质情况属于地质工况1还是地质工况2：

由地质报告获取目标工程的地质分层情况及地质参数，该工程第20环处地质条件属于工况1，上层为粉质粘土下层为粉砂，上层土体厚度a₁＝2m。

该工程第50环处地质条件属于工况2，上层为粉质粘土下层为粉砂，上层土体厚度a₂＝4m。

具体地质参数为(粉质粘土对应参数下标为1，粉砂对应参数下标为2)：弹性模量E₁＝8.2MPa，E₂＝18.0MPa；剪切模量G₁＝3.15MPa，G₂＝7.32MPa；泊松比μ₁＝0.30，μ₂＝0.23；粘聚力c₁＝42.50kPa，c₂＝25.30kPa；容重γ₁＝20.0kN/m³，γ₂＝24.20kN/m³；静止土压力系数K₁＝0.40，K₂＝0.30；刀盘与土体间摩擦系数f₁＝0.20，f₂＝0.15。

第二步，计算工况1下第20环处的刀盘正面推力F₁：

盾构机刀盘结构参数如下：刀盘直径R＝3.10m，刀盘开口率η＝30％，刀具宽度h＝0.10m；

在掘进过程中，由盾构机自动采集到第20环处时，刀盘每转切入深度δ＝0.02m/r，密封舱平均压力p＝195.30kPa，刀盘中心线埋深H＝11.50m，

根据

$F_1=(1-\mathrm{\η})[\frac{2E_1\mathrm{\δ}}{\mathrm{\π}(1-{{\mathrm{\μ}}_1}^2)R}+K_1{\mathrm{\γ}}_1(H-R+\frac{a}{2})][R^2\arccos \left(\frac{R-a}{R}\right)-R(R-a)\sqrt{2\mathrm{Ra}-a^2}]$

$+(1-\mathrm{\η})[\frac{2E_2\mathrm{\δ}}{\mathrm{\π}(1-{{\mathrm{\μ}}_2}^2)R}+K_2{\mathrm{\γ}}_2(H+\frac{a}{2})]\left\{R^2\right[\mathrm{\π}-\arccos \left(\frac{R-a}{R}\right)]+(R-a)\sqrt{2\mathrm{Ra}-a^2}\}+\mathrm{p\π}{R}^2\mathrm{\η}$

计算得到F₁＝4476.88kN。

第三步，计算工况1下第20环处的刀盘正面扭矩T₁：

根据

$T_1=[\frac{G_1{f}_1(1-\mathrm{\η})\mathrm{\δ}}{1-{\mathrm{\μ}}_1}+\frac{c_{1}h}{2\mathrm{\π}}+\frac{2}{3}{K}_1{\mathrm{\γ}}_1(H-R+\frac{a}{2})(1-\mathrm{\η})f_{1}R][R^2\arccos \left(\frac{R-a}{R}\right)-R(R-a)\sqrt{2\mathrm{Ra}-a^2}]$

$+[\frac{G_2{f}_2(1-\mathrm{\η})\mathrm{\δ}}{1-{\mathrm{\μ}}_2}+\frac{c_{2}h}{2\mathrm{\π}}+\frac{2}{3}{K}_2{\mathrm{\γ}}_2(H+\frac{a}{2})(1-\mathrm{\η})f_{2}R]\left\{R^2\right[\mathrm{\π}-\arccos \left(\frac{R-a}{R}\right)]+(R-a)\sqrt{2\mathrm{Ra}-a^2}\}$

计算得到T₁＝932.39kNm。

第四步，计算工况2下，第50环处的刀盘正面推力F₂：

刀盘结构参数与第二步中结构参数相同，盾构掘进到第50环处时，刀盘每转切入深度δ＝0.03m/r，密封舱压力p＝218.5kPa，刀盘中心线埋深H＝11.80m，

根据

$F_2=(1-\mathrm{\η})[\frac{2E_2\mathrm{\δ}}{\mathrm{\π}(1-{{\mathrm{\μ}}_2}^2)R}+K_2{\mathrm{\γ}}_2(H-\frac{a}{2})][R^2\arccos \left(\frac{a-R}{R}\right)-R(a-R)\sqrt{2\mathrm{Ra}-a^2}]$

$+(1-\mathrm{\η})[\frac{2E_1\mathrm{\δ}}{\mathrm{\π}(1-{{\mathrm{\μ}}_1}^2)R}+K_1{\mathrm{\γ}}_1(H+R-\frac{a}{2})]\left\{R^2\right[\mathrm{\π}-\arccos \left(\frac{a-R}{R}\right)]+(a-R)\sqrt{2\mathrm{Ra}-a^2}\}+\mathrm{p\π}{R}^2\mathrm{\η}$

计算得到F₂＝4792.72kN。

第五步，计算工况2下，第50环处的刀盘正面扭矩T₂：

根据

$T_2=[\frac{G_2{f}_2(1-\mathrm{\η})\mathrm{\δ}}{1-{\mathrm{\μ}}_2}+\frac{c_{2}h}{2\mathrm{\π}}+\frac{2}{3}{K}_2{\mathrm{\γ}}_2(H-\frac{a}{2})(1-\mathrm{\η})f_{2}R][R^2\arccos \left(\frac{a-R}{R}\right)-R(a-R)\sqrt{2\mathrm{Ra}-a^2}]$

$+[\frac{G_1{f}_1(1-\mathrm{\η})\mathrm{\δ}}{1-{\mathrm{\μ}}_1}+\frac{c_{1}h}{2\mathrm{\π}}+\frac{2}{3}{K}_1{\mathrm{\γ}}_1(H+R-\frac{a}{2})(1-\mathrm{\η})f_{1}R]\left\{R^2\right[\mathrm{\π}-\arccos \left(\frac{a-R}{R}\right)]+(a-R)\sqrt{2\mathrm{Ra}-a^2}\}$

计算得到T₂＝1201.21kNm。

至此，已预先计算出该地铁工程掘进至第20环和第50环处时，盾构刀盘正面推力与扭矩，其余各环均可按照相同方法确定。由此可获得盾构在整个施工过程中的刀盘正面载荷值，为盾构施工提供快速有效的参数调整依据，可直接用于施工技术。

Claims (1)

1.上下分层地质条件下盾构刀盘正面载荷的计算方法，刀盘正面载荷包括正面推力和正面扭矩两部分，其特征在于计算需要以下几个步骤：

（1）判定开挖面地质情况；

所述步骤（1）中判定的地质情况包括两种：地质工况1是指开挖面分上下两个地质层，上层地质覆盖深度小于刀盘半径，下层地质覆盖深度大于刀盘半径；地质工况2是指开挖面分上下两个地质层，上层地质覆盖深度大于刀盘半径，下层地质覆盖深度小于刀盘半径；

（2）若属于工况1，则计算工况1下的刀盘正面推力F₁；

$F_1=(1-\mathrm{\η})[\frac{2E_1\mathrm{\δ}}{\mathrm{\π}(1-{{\mathrm{\μ}}_1}^2)R}+K_1{\mathrm{\γ}}_1(H-R+\frac{a}{2})][R^2\arccos \left(\frac{R-a}{R}\right)-R(R-a)\sqrt{2\mathrm{Ra}-a^2}]$

$+(1-\mathrm{\η})[\frac{2E_2\mathrm{\δ}}{\mathrm{\π}(1-{{\mathrm{\μ}}_2}^2)R}+K_2{\mathrm{\γ}}_2(H+\frac{a}{2})]\left\{R^2\right[\mathrm{\π}-\arccos \left(\frac{R-a}{R}\right)]+(R-a)\sqrt{2\mathrm{Ra}-a^2}\}+\mathrm{p\π}{R}^2\mathrm{\η}$

式中：a为上层土质的覆盖深度，单位为m，E₁、E₂分别为上下两层土体的弹性模量，单位为MPa，μ₁,μ₂分别为上下两层土体的泊松比，K₁、K₂分别为上下两层土体的静止土压力系数，γ₁、γ₂分别为上下两层土体的容重，单位为kN/m³，δ为刀盘每转切入深度，单位为m/r，R为刀盘半径，单位为m，η为刀盘开口率，H为地表至盾构中心轴线处埋深，单位为m，p为密封舱平均压力，单位为kPa；

（3）计算工况1下的刀盘正面扭矩T₁；

$T_1=[\frac{G_1{f}_1(1-\mathrm{\η})\mathrm{\δ}}{1-{\mathrm{\μ}}_1}+\frac{c_{1}h}{2\mathrm{\π}}+\frac{2}{3}{K}_1{\mathrm{\γ}}_1(H-R+\frac{a}{2})(1-\mathrm{\η})f_{1}R][R^2\arccos \left(\frac{R-a}{R}\right)-R(R-a)\sqrt{2\mathrm{Ra}-a^2}]$

$+[\frac{G_2{f}_2(1-\mathrm{\η})\mathrm{\δ}}{1-{\mathrm{\μ}}_2}+\frac{c_{2}h}{2\mathrm{\π}}+\frac{2}{3}{K}_2{\mathrm{\γ}}_2(H+\frac{a}{2})(1-\mathrm{\η})f_{2}R]\left\{R^2\right[\mathrm{\π}-\arccos \left(\frac{R-a}{R}\right)]+(R-a)\sqrt{2\mathrm{Ra}-a^2}\}$

式中：G₁、G₂分别为上下两层土体的剪切模量，单位为MPa，c₁、c₂分别为上下两层土体的粘聚力，单位为kPa，f₁、f₂分别为上下两层土体与刀盘间的摩擦系数，h为刀具宽度，单位为m，其它参数定义同前；

（4）若属于工况2，则计算工况2下的刀盘正面推力F₂；

$F_2=(1-\mathrm{\η})[\frac{2E_2\mathrm{\δ}}{\mathrm{\π}(1-{{\mathrm{\μ}}_2}^2)R}+K_2{\mathrm{\γ}}_2(H-\frac{a}{2})][R^2\arccos \left(\frac{a-R}{R}\right)-R(a-R)\sqrt{2\mathrm{Ra}-a^2}]$

$+(1-\mathrm{\η})[\frac{2E_1\mathrm{\δ}}{\mathrm{\π}(1-{{\mathrm{\μ}}_1}^2)R}+K_1{\mathrm{\γ}}_1(H+R-\frac{a}{2})]\left\{R^2\right[\mathrm{\π}-\arccos \left(\frac{a-R}{R}\right)]+(a-R)\sqrt{2\mathrm{Ra}-a^2}\}+\mathrm{p\π}{R}^2\mathrm{\η}$

式中参数定义同前；

（5）计算工况2下的刀盘正面扭矩T₂；

$T_2=[\frac{G_2{f}_2(1-\mathrm{\η})\mathrm{\δ}}{1-{\mathrm{\μ}}_2}+\frac{c_{2}h}{2\mathrm{\π}}+\frac{2}{3}{K}_2{\mathrm{\γ}}_2(H-\frac{a}{2})(1-\mathrm{\η})f_{2}R][R^2\arccos \left(\frac{a-R}{R}\right)-R(a-R)\sqrt{2\mathrm{Ra}-a^2}]$

$+[\frac{G_1{f}_1(1-\mathrm{\η})\mathrm{\δ}}{1-{\mathrm{\μ}}_1}+\frac{c_{1}h}{2\mathrm{\π}}+\frac{2}{3}{K}_1{\mathrm{\γ}}_1(H+R-\frac{a}{2})(1-\mathrm{\η})f_{1}R]\left\{R^2\right[\mathrm{\π}-\arccos \left(\frac{a-R}{R}\right)]+(a-R)\sqrt{2\mathrm{Ra}-a^2}\}$

式中参数定义同前。