CN103352705A - 盾构机刀盘系统推力的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构机刀盘系统推力的计算方法，该方法分为以下四个步骤：（1）计算刀盘闭合部分与地质间的掘进挤压力F₁；（2）计算刀盘闭合部分由覆土埋深引起的静土压力F₂；（3）计算刀盘开口部分的密封舱压力F₃；（4）根据F₁、F₂、F₃之和计算刀盘系统推力F。本发明的特点是，当盾构在岩土混合地质中掘进时，可根据工程沿线详细的地质分层信息和每一层岩体或土体的性质参数，预先计算相应的刀盘系统推力，计算结果更接近实际施工情况。与目前已有的计算方法相比，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

盾构机刀盘系统推力的计算方法

技术领域

本发明属于盾构机械施工技术，具体涉及一种盾构机在掘进时刀盘系统推力的计算方法。

背景技术

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城市地下交通、各类输运管道等大型隧道工程建设中。盾构刀盘系统推力是贯穿装备运行始终的重要参数，而且该推力与施工地质条件、装备掘进速度、装备结构特征等均密切相关。因此盾构掘进过程中刀盘系统推力的确定是其设计及施工环节的核心技术之一。目前采用的刀盘系统推力确定方法，是将待掘进地质简化为某些特定情况，如单一均匀地质以及掘进面分为上下两层地质的简单情况。然而，许多实际隧道工程掘进面地质的情况是十分复杂的，不仅包含很多地质层，并且可能既包含岩层又包含土层，称为岩土混合地质（如附图所示）。不同地质层之间的物性参数相差很大，计算刀盘系统推力时需要逐一考虑每一层地质的影响。所以这种计算方法难以满足复杂工况下对刀盘推力的准确计算，为此提出一种新的计算方法，以解决类似于岩土混合类复杂地质工程掘进施工中亟待解决的难题。

发明内容

本发明的目的是，提出一种盾构机在岩土混合地质中掘进时刀盘系统推力的计算方法，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）计算刀盘闭合部分与地质间的掘进挤压力F₁；

（2）计算刀盘闭合部分由覆土埋深引起的静土压力F₂；

（3）计算刀盘开口部分的密封舱压力F₃；

（4）根据F₁、F₂、F₃之和计算刀盘系统推力F；

具体计算式为：

$F_1=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{(1-\mathrm{\η})E_i{h}_i\mathrm{\δ}}{{1-\mathrm{\μ}}_i^2}$

$F_2=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left[2(1-\mathrm{\η})x_i{K}_{0i}{\mathrm{\γ}}_i{h}_i(H-y_i)\right]$

F₃=πR²ηp_m

F=F₁+F₂+F₃

式中：n为掘进面地质分层数；η为刀盘开口率；δ为刀盘每转切入深度；E_i为第i层地质的弹性模量；μ_i为第i层地质的泊松比；h_i为第i层地质的厚度；K_0i为第i层地质的静土压系数；γ_i为第i层地质的容重；x_i为第i层地质中心的宽度；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；H为地表至装备中轴线处的埋深；R为刀盘半径；p_m为密封舱平均土压力。

本发明的特点以及产生的积极效果是，当盾构在岩土混合地质中掘进时，可根据工程沿线详细的地质分层信息和每一层岩体或土体的性质参数，预先计算相应的刀盘系统推力。计算结果更接近实际施工情况，与目前已有的简化为单一均匀地质或掘进面分上下两层地质的近似计算方法相比，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。

附图说明

所示附图为掘进面上岩土混合地质分布参数示意图。

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。

盾构在岩土混合地质中掘进时刀盘系统推力的计算方法，分为以下四个步骤：

（1）计算刀盘闭合部分与地质间的掘进挤压力F₁；

$F_1=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{(1-\mathrm{\η})E_i{h}_i\mathrm{\δ}}{1-{\mathrm{\μ}}_i^2}$

式中：n为掘进面地质分层数；η为刀盘开口率；δ为刀盘每转切入深度(m/r)；E_i(kPa)为第i层地质的弹性模量；μ_i为第i层地质的泊松比；h_i(m)为第i层地质的厚度。

（2）计算刀盘闭合部分由覆土埋深引起的静土压力F₂；

$F_2=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left[2(1-\mathrm{\η})x_i{K}_{0i}{\mathrm{\γ}}_i{h}_i(H-y_i)\right]$

式中：K_0i为第i层地质的静土压系数；γ_i(kN/m³)为第i层地质的容重；x_i(m)为第i层地质中心的宽度；y_i(m)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；H(m)为地表至装备中轴线处的埋深。

（3）计算刀盘开口部分的密封舱压力F₃；

F₃=πR²ηp_m

式中：R为刀盘半径(m)；p_m(kPa)为密封舱平均土压力。

（4）根据F₁、F₂、F₃之和计算刀盘系统推力F；

F=F₁+F₂+F₃

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%。以该工程掘进到第200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刀盘系统推力的详细步骤，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200环处的地质参数如下：掘进面自上而下共分n=3层。

第1层为粉质粘土：弹性模量E₁=5.2MPa，泊松比μ₁=0.3，静止土压力系数K₀₁=0.43，容重γ₁=19.7kN/m³，地质层厚度h₁=3.2m，高度差y₁=1.6m，宽度x₁=2.8m。

第2层为砾质粘土：E₂=5.0MPa，μ₂=0.32，K₀₂=0.47，γ₂=17.0kN/m³，h₂=2.6m，y₂=-1.3m，x₂=2.9m。

第3层为全风化花岗岩：E₃=30.0MPa，μ₃=0.26，K₀₃=0.39，γ₃=18.8kN/m³，h₃=0.6m，y₃=-2.9m，x₃=1.4m。

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200环处时的操作参数如下，刀盘每转切入深度δ=0.035m/r，密封舱平均土压力p_m=150kPa，地表至装备中轴线处埋深H=12.4m。

第一步计算刀盘闭合部分与地质间的掘进挤压力F₁：

由 $F_1=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{(1-\mathrm{\η})E_i{h}_i\mathrm{\δ}}{1-{\mathrm{\μ}}_i^2},$ 得到F₁=1020.8kN

第二步计算刀盘闭合部分由覆土埋深引起的静土压力F₂：

由 $F_2=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left[2(1-\mathrm{\η})x_i{K}_{0i}{\mathrm{\γ}}_i{h}_i(H-y_i)\right],$ 得到F₂=1948.0kN

第三步计算刀盘开口部分的密封舱压力F₃：

由F₃=πR²ηp_m，得到F₃=2122.1kN

第四步计算刀盘系统推力F：

由F=F₁+F₂+F₃，得到F=5090.9kN。

至此，已计算出该地铁工程掘进至第200环处时，盾构掘进所需的刀盘系统推力值。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个工程标段中的刀盘系统推力设定与调控方案，为盾构施工提供科学有效的数据依据。

Claims (1)

1.盾构机刀盘系统推力的计算方法，其特征是该计算方法分为以下四个步骤：

（1）计算刀盘闭合部分与地质间的掘进挤压力F₁；

$F_1=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{(1-\mathrm{\η})E_i{h}_i\mathrm{\δ}}{1-{\mathrm{\μ}}_i^2}$

（2）计算刀盘闭合部分由覆土埋深引起的静土压力F₂；

$F_2=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left[2(1-\mathrm{\η})x_i{K}_{0i}{\mathrm{\γ}}_i{h}_i(H-y_i)\right]$

（3）计算刀盘开口部分的密封舱压力F₃；

F₃=πR²ηp_m

（4）根据F₁、F₂、F₃之和计算刀盘系统推力F；

F=F₁+F₂+F₃

式中：n为掘进面地质分层数；η为刀盘开口率；δ为刀盘每转切入深度；E_i为第i层地质的弹性模量；μ_i为第i层地质的泊松比；h_i为第i层地质的厚度；K_0i为第i层地质的静土压系数；γ_i为第i层地质的容重；x_i为第i层地质中心的宽度；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；H为地表至装备中轴线处的埋深；R为刀盘半径；p_m为密封舱平均土压力。

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