CN102562079B - 盾构掘进中沿深度方向调向时俯仰弯矩的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种盾构掘进中沿深度方向调向时俯仰弯矩的计算方法，为盾构施工提供科学有效的参数控制依据。计算方法分为四个步骤：(1)计算沿深度方向调向时刀盘的俯仰弯矩M₁；(2)计算沿深度方向调向时盾壳挤压土体形成的俯仰弯矩M₂；(3)计算沿深度方向调向时盾壳摩擦形成的俯仰弯矩M₃；(4)计算沿深度方向调向时牵引后续设备形成的俯仰弯矩M₄，总俯仰弯矩M＝M₁+M₂+M₃+M₄。当盾构机在上下分层地质条件中掘进时，本发明可根据工程沿线地质分层情况及预设掘进轨迹，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沿预设路线掘进提供科学有效的数据依据。

Description

盾构掘进中沿深度方向调向时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，具体涉及一种盾构掘进沿深度方向调向时预测其俯仰弯矩的计算方法。 

背景技术

近年来，随着许多城市大力发展地下交通建设，盾构施工法作为一种暗挖隧道方法，以其对周围环境扰动小等优点被广泛应用于地铁工程施工。在盾构掘进过程中，其载荷值（推力、扭矩及弯矩等）均需随着地质条件、掘进速度及掘进轨迹的变化实时调整。其中推力和扭矩用于驱动盾构整体向前推进以及刀盘的旋转，而弯矩则用于控制盾构的掘进轨迹。在大多数隧道工程中，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，地质条件的改变会引起盾构掘进时在深度方向发生偏移，并且由于隧道工程预设掘进路线在深度方向通常为曲线掘进，需要通过设定并实时调整俯仰弯矩实现盾构沿深度方向的调向，保证盾构按照预设路线掘进。目前，该俯仰弯矩的调整主要依靠盾构机操纵人员的经验，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，常常使得盾构实际掘进线路与预设轨迹发生偏离，造成较大的损失。因此，提出一种盾构掘进中考虑沿深度方向调向时俯仰弯矩的计算方法，是盾构施工领域亟待解决的难题。 

发明内容

本发明的目的是，提出一种盾构掘进中沿深度方向调向时俯仰弯矩的计算方法，为盾构施工提供科学有效的参数控制依据。 

本发明的计算方法分为以下四个步骤： 

（1）计算沿深度方向调向时刀盘的俯仰弯矩M₁； 

（2）计算沿深度方向调向时盾壳挤压土体形成的俯仰弯矩M₂； 

（3）计算沿深度方向调向时盾壳摩擦形成的俯仰弯矩M₃； 

（4）计算沿深度方向调向时牵引后续设备形成的俯仰弯矩M₄； 

具体计算式为： 

$M_i=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[\frac{(1-\mathrm{\η})E_i{h}_i{y}_i(\mathrm{\δ}+y_i\tan \mathrm{\α})}{1-{{\mathrm{\μ}}_i}^2}+(1-\mathrm{\η})K_{0i}{\mathrm{\γ}}_i{y}_i{h}_i(H-y_i)x_i]$

$M_2=\frac{{\stackrel{\‾}{E}\mathrm{RL}}^2\tan \mathrm{\α}}{3(1-{\stackrel{\‾}{\mathrm{\μ}}}^2)}$

M₃=-RWf₁

M₄=-RW_bf₂

沿深度方向调向时盾构总俯仰弯矩：M=M₁+M₂+M₃+M₄

式中：n表示设定的掘进面自上而下地质层数；h_i为第i层的厚度(m)；y_i为第i层地质的中心与掘进面中心的高度差(m)，当第i层地质处于掘进面上半部分时y_i值取正，处于掘进面下半部分时y_i值取负；x_i为掘进面上第i层地质中心的宽度(m)，具体可参见附图1；E_i为掘进面上第i层土体的弹性模量(MPa)，

为掘进面土体的平均弹性模量(MPa)，μ_i为掘进面上第i层土体的泊松比，

为掘进面土体的平均泊松比，K_0i为掘进面上第i层土体的静止土压力系数，γ_i为掘进面上第i层土体的容重(kN/m³)；α为刀盘俯仰角(°)，盾构下俯时俯仰角为正值，上仰时俯仰角为负值；W为盾体重量(吨)，W_b为后续设备重量(吨)，f₁为盾壳与土体间摩擦系数，f₂为后续设备与轨道间摩擦系数；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，L为盾壳长度(m)，H为地表至盾构中心轴线处埋深(m)。 

上述俯仰弯矩M的计算公式的结果为正值时，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按预设轨迹掘进，弯矩的大小为|M|，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|M|。 

本发明的特点以及产生的积极效果是，当盾构在上下分层地质条件中掘进时，可根据工程沿线地质分层情况及预设掘进轨迹，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沿预设路线掘进提供科学有效的数据依据。 

附图说明

所示附图为开挖面地质分层参数示意图。 

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。 

盾构掘进中沿深度方向调向时俯仰弯矩的计算方法，分为以下四个步骤： 

（1）计算沿深度方向调向时刀盘的俯仰弯矩M₁

$M_i=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[\frac{(1-\mathrm{\η})E_i{h}_i{y}_i(\mathrm{\δ}+y_i\tan \mathrm{\α})}{1-{{\mathrm{\μ}}_i}^2}+(1-\mathrm{\η})K_{0i}{\mathrm{\γ}}_i{y}_i{h}_i(H-y_i)x_i]$

式中：n表示设定的掘进面自上而下地质层数；h_i为第i层的厚度(m)；y_i为第i层地质的中心与掘进面中心的高度差(m)，当第i层地质处于掘进面上半部分时y_i值取正，处于掘进面下半部分时y_i值取负；x_i为掘进面上第i层地质中心的宽度(m)；E_i为掘进面第i层土体的弹性模量(MPa)；μ_i为掘进面第i层土体的泊松比；K_0i为掘进面第i层土体的静止土压力系数；γ_i为掘进面上第i层土体的容重(kN/m³)；α为刀盘俯仰角(°)，盾构下俯时俯仰角为正值，上仰时俯仰角为负值；δ为刀盘每转切入深度(m/r)，η为刀盘开口率，H为地表至盾构中心轴线处埋深(m)。 

（2）计算沿深度方向调向时盾壳挤压土体形成的俯仰弯矩M₂

$M_2=\frac{{\stackrel{\‾}{E}\mathrm{RL}}^2\tan \mathrm{\α}}{3(1-{\stackrel{\‾}{\mathrm{\μ}}}^2)}$

式中：R为刀盘半径(m)；L为盾壳长度(m)；为掘进面土体的平均弹性模量(MPa)；

为掘进面土体的平均泊松比。 

（3）计算沿深度方向调向时盾壳摩擦形成的俯仰弯矩M₃

M₃=-RWf₁

式中：W为盾体重量(吨)；f₁为盾壳与土体间摩擦系数。 

（4）计算沿深度方向调向时牵引后续设备形成的俯仰弯矩M₄

M₄=-RW_bf₂

式中：W_b为后续设备重量(吨)；f₂为后续设备与轨道间摩擦系数。 

沿深度方向调向时盾构总俯仰弯矩：M=M₁+M₂+M₃+M₄

总俯仰弯矩M的计算结果为正值时，需要给盾构刀盘施加一个使其下俯的弯矩以保证盾构按预设轨迹掘进，弯矩的大小为|M|，当M的计算结果为负值时，则需要施加一个使其上仰的弯矩，弯矩的大小亦为|M|。 

以某地铁工程作为实施例。该工程所使用的盾构机结构参数如下：刀盘半径R=3.2m，刀盘开口率η=44%，盾壳长度L=8.2m，盾体重量W=100吨，后续设备重量W_b=120吨。该工程掘进到第100环时处于沿深度方向调向状态，因此以掘进到该环时的地质条件与操作状态为例，给出计算盾构掘进到该环时所需俯仰弯矩的详细步骤，其他各环均可按照相同的方法进行计算。 

计算中所涉及的地质参数均取自地质报告，该工程第100环处的地质参数如下：开挖面 自上而下共分n=4层。第1层为淤泥质粉质粘土：弹性模量E₁=4.4MPa，泊松比μ₁=0.44，静止土压力系数K₀₁=0.8，土体容重γ₁=18.7kN/m³，地质层厚度h₁=1.0m，高度差y₁=2.7m，宽度x₁=3.4m。第2层为粉质粘土：E₂=5.5MPa，μ₂=0.29，K₀₂=0.4，γ₂=19.9kN/m³，h₂=2.2m，y₂=1.1，x₂=6.0m。第3层为粉土：E₃=7.6MPa，μ₃=0.29，K₀₃=0.4，γ₃=20.7kN/m³，h₃=1.8m，y₃=-0.9m，x₃=6.2m。第4层为粉砂：E₄=8.9MPa，μ₄=0.23，K₀₄=0.3，γ₄=24.2kN/m³，h₄=1.4m，y₄=-2.5m，x₄=4.0m。此外，盾壳与土体间摩擦系数f₁=0.2，后续设备与轨道间摩擦系数f₂=0.1，平均弹性模量

，平均泊松比 

计算中所涉及的操作参数均由盾构机自动记录，该工程掘进至第100环处时的操作参数如下，刀盘每转切入深度δ=0.03mr，俯仰角α=8°，地表至掘进机中心线埋深H=13.8m。 

第一步计算刀盘俯仰弯矩M₁： 

由 $M_i=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[\frac{(1-\mathrm{\η})E_i{h}_i{y}_i(\mathrm{\δ}+y_i\tan \mathrm{\α})}{1-{{\mathrm{\μ}}_i}^2}+(1-\mathrm{\η})K_{0i}{\mathrm{\γ}}_i{y}_i{h}_i(H-y_i)x_i],$ 得到M₁=92.6kNm 

第二步计算盾壳挤压土体形成的俯仰弯矩M₂： 

由 $M_2=\frac{{\stackrel{\‾}{E}\mathrm{RL}}^2\tan \mathrm{\α}}{3(1-{\stackrel{\‾}{\mathrm{\μ}}}^2)},$ 得到M₂=73.8kNm 

第三步计算盾壳摩擦形成的俯仰弯矩M₃： 

由M₃=-RWf₁，得到M₃=-640.0kNm 

第四步计算牵引后续设备形成的俯仰弯矩M₄： 

由M₄=-RW_bf₂，得到M₄=-384.0kNm 

第五步计算沿深度方向调向时盾构总俯仰弯矩M： 

由M=M₁+M₂+M₃+M₄，得到M=-857.6kNm。计算结果为负值，说明掘进到第100环时需要给刀盘施加一个使其上仰，大小为857.6kNm的俯仰弯矩。 

至此，为保证盾构沿预设路线掘进，已计算出该地铁工程掘进至第100环处时，盾构所需的俯仰弯矩值。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段工程标段中的俯仰弯矩预设方案，为盾构施工提供科学有效的数据依据。 

Claims (1)

1.盾构掘进中沿深度方向调向时俯仰弯矩的计算方法，其特征在于具体计算分为以下四个步骤：

（1）计算沿深度方向调向时刀盘的俯仰弯矩M₁；

$M_i=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[\frac{(1-\mathrm{\η})E_i{h}_i{y}_i(\mathrm{\δ}+y_i\tan \mathrm{\α})}{1-{{\mathrm{\μ}}_i}^2}+(1-\mathrm{\η})K_{0i}{\mathrm{\γ}}_i{y}_i{h}_i(H-y_i)x_i]$

式中：n表示设定的掘进面自上而下地质层数；h_i为第i层的厚度；y_i为第i层地质的中心与掘进面中心的高度差，当第i层地质处于掘进面上半部分时y_i值取正，处于掘进面下半部分时y_i值取负；x_i为掘进面上第i层地质中心的宽度；E_i为掘进面第i层土体的弹性模量；μ_i为掘进面第i层土体的泊松比；K_0i为掘进面第i层土体的静止土压力系数；γ_i为掘进面上第i层土体的容重；α为刀盘俯仰角，盾构下俯时俯仰角为正值，上仰时俯仰角为负值；δ为刀盘每转切入深度，η为刀盘开口率，H为地表至盾构中心轴线处埋深，

（2）计算沿深度方向调向时盾壳挤压土体形成的俯仰弯矩M₂；

$M_2=\frac{{\stackrel{\‾}{E}\mathrm{RL}}^2\tan \mathrm{\α}}{3(1-{\stackrel{\‾}{\mathrm{\μ}}}^2)}$

式中R为刀盘半径；L为盾壳长度；

为掘进面土体的平均弹性模量；

为掘进面土体的平均泊松比，

（3）计算沿深度方向调向时盾壳摩擦形成的俯仰弯矩M₃；

M₃=-RWf₁

式中W为盾体重量(吨)；f₁为盾壳与土体间摩擦系数，

（4）计算沿深度方向调向时牵引后续设备形成的俯仰弯矩M₄；

M₄=-RW_bf₂

式中W_b为后续设备重量；f₂为后续设备与轨道间摩擦系数；

沿深度方向调向时盾构总俯仰弯矩：M=M₁+M₂+M₃+M₄

总俯仰弯矩M的计算结果为正值时，需要给盾构刀盘施加一个使其下俯的弯矩以保证盾构按预设轨迹掘进，弯矩的大小为|M|，当M的计算结果为负值时，则需要施加一个使其上仰的弯矩，弯矩的大小亦为|M|。