CN102562086B - 盾构掘进左右转向时回转弯矩的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种盾构掘进中进行左右转向时回转弯矩的计算方法，为盾构施工提供科学有效的参数控制依据。计算方法分为以下二个步骤：(1)计算左右转向时刀盘的回转弯矩M₁；(2)计算左右转向时盾壳挤压土体形成的回转弯矩M₂，进行左右转向时盾构总回转弯矩M＝M₁+M₂。当盾构机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回转弯矩控制目标，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

盾构掘进左右转向时回转弯矩的计算方法

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中进行左右转向时预测其回转弯矩的计算方法。

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。在隧道工程中，盾构预设掘进路线在左右方向多为曲线掘进，需要通过设定并实时调整回转弯矩实现盾构左右转向，从而保证盾构按照预设路线掘进。目前，该回转弯矩的施加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，常常会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进行左右转向时回转弯矩的计算方法，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进行左右转向时回转弯矩的计算方法，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二个步骤：

（1）计算左右转向时刀盘的回转弯矩M₁；

（2）计算左右转向时盾壳挤压土体形成的回转弯矩M₂；

具体计算式为：

$M_1=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left[\frac{(1-\mathrm{\η})E_i{h}_i{x_i}^2\tan \mathrm{\β}}{8(1-{{\mathrm{\μ}}_i}^2)}\right]$

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

进行左右转向时盾构总回转弯矩M=M₁+M₂。

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)；x_i为掘进面第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)；

为掘进面土体的平均弹性模量；μ_i为掘进面第i层土体的泊松比；

为掘进面土体的平均泊松比；β为刀盘回转角（°），盾构左转时回转角为正值，右转时回转角为负值；R为刀盘半径(m)；η为刀盘开口率；L为盾壳长度(m)。

上述回转弯矩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左转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右转的弯矩，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回转弯矩控制目标，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。

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。

盾构掘进左右转向时回转弯矩的计算方法，具体计算分为以下二个步骤：

（1）计算左右转向时刀盘的回转弯矩M₁

$M_1=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left[\frac{(1-\mathrm{\η})E_i{h}_i{x_i}^2\tan \mathrm{\β}}{8(1-{{\mathrm{\μ}}_i}^2)}\right]$

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)；x_i为掘进面第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，β为刀盘回转角（°），盾构左转时回转角为正值，右转时回转角为负值；η为刀盘开口率。

（2）计算左右转向时盾壳挤压土体形成的回转弯矩M₂

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

式中：

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

为掘进面土体的平均泊松比。

进行左右转向时盾构总回转弯矩：M=M₁+M₂。

总回转弯矩M的计算公式的结果为正值时，需要给盾构刀盘施加一个使其左转的弯矩以保证盾构按预设轨迹掘进，弯矩的大小为|M|，当M计算结果为负值时，则需要施加一个使其右转的弯矩，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。该工程掘进到第150环时处于左右调向状态，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回转弯矩的详细步骤，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150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，地质层厚度h₁=0.5m，宽度x₁=2.4m。第2层为粉质粘土：E₂=5.5MPa，μ₂=0.29，h₂=2.7m，x₂=5.8m。第3层为粉土：E₃=7.6MPa，μ₃=0.29，h₃=2.3m，x₃=6.0m。第4层为粉砂：E₄=8.9MPa，μ₄=0.23，h₄=0.9m，x₄=3.2m。此外，平均弹性模量

平均泊松比

计算中所涉及的操作参数由盾构机自动记录，该工程掘进至第150环处时的操作参数为，回转角β=4°。

第一步计算刀盘回转弯矩M₁：

由 $M_1=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left[\frac{(1-\mathrm{\η})E_i{h}_i{x_i}^2\tan \mathrm{\β}}{8(1-{{\mathrm{\μ}}_i}^2)}\right],$ 得到M₁=9.4kNm

第二步计算盾壳挤压土体形成的回转弯矩M₂：

由 $M_2=\frac{\stackrel{\‾}{E}R{L}^2\tan \mathrm{\β}}{3(1-{\stackrel{\‾}{\mathrm{\μ}}}^2)},$ 得到M₂=36.5kNm

第三步计算左右调向时盾构总回转弯矩M：

由M=M₁+M₂，得到M=45.9kNm。计算结果为正值，说明掘进到第150环时需要给刀盘施加一个使其左转，大小为45.9kNm的回转弯矩。

至此，为保证盾构沿预设路线掘进，已预先计算出该地铁工程掘进至第150环处时，盾构所需的回转弯矩值。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回转弯矩预设方案，为盾构施工提供科学有效的数据依据。

Claims (1)

1.盾构掘进左右转向时回转弯矩的计算方法，其特征在于具体计算分为以下二个步骤：

（1）计算左右转向时刀盘的回转弯矩M₁，

$M_1=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left[\frac{(1-\mathrm{\η})E_i{h}_i{x_i}^2\tan \mathrm{\β}}{8(1-{{\mathrm{\μ}}_i}^2)}\right]$

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；x_i为掘进面第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；β为刀盘回转角，盾构左转时回转角为正值，右转时回转角为负值；η为刀盘开口率，

（2）计算左右转向时盾壳挤压土体形成的回转弯矩M₂，

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

式中：

为掘进面土体的平均弹性模量；R为刀盘半径；L为盾壳长度；为掘进面土体的平均泊松比，

进行左右转向时盾构总回转弯矩：M=M₁+M₂，

总回转弯矩M的计算公式的结果为正值时，需要给盾构刀盘施加一个使其左转的弯矩以保证盾构按预设轨迹掘进，弯矩的大小为|M|，当M计算结果为负值时，则需要施加一个使其右转的弯矩，弯矩的大小亦为|M|。