CN102289588B - 上下分层地质条件下盾构刀盘俯仰弯矩的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种上下分层地质条件下盾构刀盘俯仰弯矩的计算方法，该方法分为三个步骤：1.判定开挖面地质分层情况，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。其它二个步骤分别是：2.若属工况1，则计算工况1下刀盘的俯仰弯矩M₁；3.若属工况2，则计算工况2下刀盘的俯仰弯矩M₂，不同工况有不同的计算公式。本发明根据地质分层情况预先确定工程全线的俯仰弯矩控制目标，并可随着掘进过程中地质条件和操作状态的改变随时进行调整，改善了原有控制方法的滞后性，为维持盾构高效安全的直线前行提供科学有效的技术指导。

Description

上下分层地质条件下盾构刀盘俯仰弯矩的计算方法

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俯仰弯矩的计算方法。

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。在绝大多数隧道工程中，开挖面土体由于自然沉积等原因自上而下分为不同地质层，并且由于土体的自重会引起土体压力梯度随着埋深的增大而逐渐加大。因此当盾构机在上下分层地质中掘进时，由于刀盘前方待开挖土体的不均匀分布，以及沿埋深方向土体压力梯度的逐渐增大，会引起盾构的掘进轨迹在深度方向发生向上或向下的偏移。为保证盾构直线前进，避免盾首抬起或俯下，其驱动系统需要给刀盘施加一个俯仰弯矩。目前，该弯矩的施加主要依靠盾构机操纵人员的经验，在掘进过程中一旦发现盾首发生偏移，立即对弯矩进行调整，当然就存在一定的滞后。特别是在某些地质条件变化剧烈的施工段，由于缺乏预先的调整依据，常常会造成不必要的损失。因此，提出一种盾构在上下分层地质中掘进时刀盘俯仰弯矩的计算方法，是盾构施工领域亟待解决的问题。

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中掘进时刀盘俯仰弯矩的计算方法，为盾构施工提供有效的参数调整依据。

本发明的计算方法分为以下三个步骤：

(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)若属于地质分层工况1，则计算工况1下刀盘的俯仰弯矩M₁；

(3)若属于地质分层工况2，则计算工况2下刀盘的俯仰弯矩M₂；

具体计算式为：

$M_1=(1-\mathrm{\η})[\frac{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\π}}(\frac{E_1}{1-{{\mathrm{\μ}}_1}^2}-\frac{E_2}{1-{{\mathrm{\μ}}_2}^2})+K_1{\mathrm{\γ}}_1(\frac{4\mathrm{HR}}{3\mathrm{\π}}-\frac{R^2}{4})-K_2{\mathrm{\γ}}_2(\frac{4\mathrm{HR}}{3\mathrm{\π}}+\frac{R^2}{4})]$

$\·[R^2\arccos \left(\frac{R-a}{R}\right)-R(R-a)\sqrt{2\mathrm{Ra}-a^2}]$

$M_2=(1-\mathrm{\η})[\frac{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\π}}(\frac{E_1}{1-{{\mathrm{\μ}}_1}^2}-\frac{E_2}{1-{{\mathrm{\μ}}_2}^2})+K_1{\mathrm{\γ}}_1(\frac{4\mathrm{HR}}{3\mathrm{\π}}-\frac{R^2}{4})-K_2{\mathrm{\γ}}_2(\frac{4\mathrm{HR}}{3\mathrm{\π}}+\frac{R^2}{4})]$

$\·[R^2\arccos \left(\frac{a-R}{R}\right)-R(a-R)\sqrt{2\mathrm{Ra}-a^2}]$

式中各参数定义：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)，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)。

上述M₁与M₂两个公式的计算结果为正值时，表示需要给盾构刀盘施加一个使其下俯的弯矩以保证盾构直线掘进，弯矩的大小为|M₁|或|M₂|，当计算结果为负值时，则表示需要施加一个使其上仰的弯矩，弯矩的大小亦为|M₁|或|M₂|。

本发明的特点以及产生的积极效果是，当盾构机在上下分层地质条件中掘进时，可根据地质分层情况预先确定工程全线的俯仰弯矩控制目标，并可随着掘进过程中地质条件和操作状态的改变随时进行调整，改善了原有控制方法的滞后性，为维持盾构高效安全的直线前行提供科学有效的技术指导。

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。

盾构在上下分层地质条件中掘进时刀盘俯仰弯矩的计算方法

(1)判定开挖面地质情况；

(2)若属于地质分层工况1，则计算工况1下刀盘的俯仰弯矩M₁；

(3)若属于地质分层工况2，则计算工况2下刀盘的俯仰弯矩M₂。

首先确定目标工程的地质情况属于分层工况1还是分层工况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；泊松比μ₁＝0.30，μ₂＝0.23；容重γ₁＝20.0kN/m³，γ₂＝24.20kN/m³；静止土压力系数K₁＝0.40，K₂＝0.30。

第二步，计算工况1下第20环处的刀盘俯仰弯矩M₁：

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％；

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，刀盘中心线埋深H＝11.50m，

根据

$M_1=(1-\mathrm{\η})[\frac{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\π}}(\frac{E_1}{1-{{\mathrm{\μ}}_1}^2}-\frac{E_2}{1-{{\mathrm{\μ}}_2}^2})+K_1{\mathrm{\γ}}_1(\frac{4\mathrm{HR}}{3\mathrm{\π}}-\frac{R^2}{4})-K_2{\mathrm{\γ}}_2(\frac{4\mathrm{HR}}{3\mathrm{\π}}+\frac{R^2}{4})]$

$\·[R^2\arccos \left(\frac{R-a}{R}\right)-R(R-a)\sqrt{2\mathrm{Ra}-a^2}]$

计算得到M₁＝-107.66kNm，计算结果为负值，说明(掘进到20环时)需要给刀盘施加一个使其上仰的弯矩，具体数值为107.66kNm。

第三步，计算工况2下，第50环处的刀盘俯仰弯矩M₂：

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，刀盘中心线埋深H＝11.80m，

根据

$M_2=(1-\mathrm{\η})[\frac{\mathrm{\δ}}{\mathrm{\π}}(\frac{E_1}{1-{{\mathrm{\μ}}_1}^2}-\frac{E_2}{1-{{\mathrm{\μ}}_2}^2})+K_1{\mathrm{\γ}}_1(\frac{4\mathrm{HR}}{3\mathrm{\π}}-\frac{R^2}{4})-K_2{\mathrm{\γ}}_2(\frac{4\mathrm{HR}}{3\mathrm{\π}}+\frac{R^2}{4})]$

$\·[R^2\arccos \left(\frac{a-R}{R}\right)-R(a-R)\sqrt{2\mathrm{Ra}-a^2}]$

计算得到M₂＝-336.71kNm，计算结果仍为负值，说明(掘进到50环时)需要给刀盘施加一个使其上仰的弯矩，具体数值为336.71kNm。

至此，为保证盾构直线掘进，已预先计算出该地铁工程掘进至第20环和第50环处时，盾构刀盘需要调整俯仰弯矩的具体参数。其余各环均可按照相同方法确定，由此可预先获得盾构在整个施工过程中，掘进到不同地质条件时的刀盘俯仰弯矩，为盾构施工提供科学有效的施工技术指导。

Claims (1)

1.上下分层地质条件下盾构刀盘俯仰弯矩的计算方法，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）若属于地质工况1，则计算工况1下刀盘的俯仰弯矩M₁； 

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； 

（3）若属于地质工况2，则计算工况2下刀盘的俯仰弯矩M₂； 

式中各参数定义同前； 

上述M₁与M₂两个公式的计算结果为正值时，表示需要给盾构刀盘施加一个使其下俯的弯矩，弯矩的大小为|M₁|或|M₂|，当计算结果为负值时，则表示需要施加一个使其上仰的弯矩，弯矩的大小亦为|M₁|或|M₂|。