CN103899328B - 曲面型土压平衡盾构刀盘正面扭矩的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种曲面型土压平衡盾构刀盘正面扭矩的计算方法，具体分为以下四个步骤：计算掘进界面静土压引起的摩擦扭矩T₁；计算刀盘掘进引起的摩擦扭矩T₂；计算刀具切土扭矩T₃；最后出计算刀盘正面扭矩为T＝T₁+T₂+T₃。由此可计算出整个工程中曲面型土压平衡盾构在不同地质条件和掘进速度下所需的刀盘正面扭矩值。由于综合考虑了地质条件、掘进速度、刀盘几何构型等核心因素的影响，因而计算结果准确可靠。而且能随时根据地质条件与掘进速度的改变灵活调整扭矩参数，为曲面型土压平衡盾构刀盘设计以及施工过程中扭矩参数的设定与实时调整提供了可靠的数据依据。

Description

曲面型土压平衡盾构刀盘正面扭矩的计算方法

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过程中刀盘驱动扭矩的计算方法。

背景技术

盾构是地下工程中的典型掘进装备，具有结构复杂、体积庞大、重型巨载等特点，目前已被广泛应用于各类隧道工程建设中。盾构掘进过程中刀盘驱动扭矩的确定是其设计及施工环节的核心技术之一。刀盘驱动扭矩包括刀盘正面扭矩、侧面摩擦扭矩、以及刀盘背面的搅拌扭矩等。其中刀盘侧面摩擦扭矩以及刀盘背面搅拌扭矩已有相应的计算方法。刀盘正面扭矩是由刀盘与掘进界面地质间不断相互作用引起的，与掘进地质条件、装备掘进速度、装备结构特征等密切相关。根据盾构刀盘侧剖面的形状，一般又分为平面型盾构和曲面型盾构。目前对于平面型盾构刀盘正面扭矩的计算方法，虽然不太成熟但基本能适用，主要问题是该计算方法未考虑刀盘形状参数对扭矩的影响。因此提出一种曲面型土压平衡盾构刀盘正面扭矩的计算方法，早已成为本行业之急需。

发明内容

本发明的目的是，提出一种曲面型土压平衡盾构刀盘正面扭矩的计算方法，为盾构施工提供可靠的参数控制依据。

本发明的计算方法分为以下四个步骤：

（1）计算掘进界面静土压引起的摩擦扭矩T₁：

$T_1=(1-\mathrm{\η})f{K}_0\mathrm{\γ}{\mathrm{\ρ}}^3[\mathrm{\πH}(\arcsin \frac{R}{\mathrm{\ρ}}-\frac{R}{\mathrm{\ρ}}\mathrm{\λ})-\frac{\mathrm{\ρ}}{3}(2+\mathrm{\λ}){(1-\mathrm{\λ})}^2]$

式中：η为刀盘开口率，R为刀盘半径，ρ为刀盘曲率，λ为刀盘形状影响系数，可通过计算，K₀为掘进界面静止土压力系数，γ为土体容重，H为地表至盾构机中心线埋深，f为刀盘与土体间摩擦系数；

（2）计算刀盘掘进引起的摩擦扭矩T₂：

$T_2=\frac{\mathrm{\πf}(1-\mathrm{\η})E{\mathrm{\ρ}}^2\mathrm{\δ}}{1-{\mathrm{\μ}}^2}\left(\frac{1-\mathrm{\λ}}{\mathrm{\λ}}\right)$

式中：E为土体弹性模量，μ为土体泊松比，δ为刀盘每转切入深度；

（3）计算刀具切土扭矩T₃：

式中：p_m为土仓压力，c为土体内聚力，为土体内摩擦角；

（4）计算刀盘正面扭矩为T＝T₁+T₂+T₃。

本发明的特点以及产生的积极效果是，对于曲面型土压平衡盾构刀盘正面扭矩计算快速准确。由于综合考虑了地质条件、掘进速度、刀盘几何构型等核心因素的影响，因而计算结果准确可靠。而且能随时根据地质条件与掘进速度的改变灵活调整扭矩参数，为曲面型土压平衡盾构刀盘设计以及施工过程中扭矩参数的设定与实时调整提供了可靠的数据依据。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明的计算步骤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。

曲面型土压平衡盾构刀盘正面扭矩的计算方法分为以下四个步骤：

（1）计算掘进界面静土压引起的摩擦扭矩T₁：

$T_1=(1-\mathrm{\η})f{K}_0\mathrm{\γ}{\mathrm{\ρ}}^3[\mathrm{\πH}(\arcsin \frac{R}{\mathrm{\ρ}}-\frac{R}{\mathrm{\ρ}}\mathrm{\λ})-\frac{\mathrm{\ρ}}{3}(2+\mathrm{\λ}){(1-\mathrm{\λ})}^2]$

式中：η为刀盘开口率，R(m)为刀盘半径，ρ(m)为刀盘曲率，λ为刀盘形状影响系数可通过计算，K₀为掘进界面静止土压力系数，γ(kN/m³)为土体容重，H(m)为地表至盾构机中心线埋深，f为刀盘与土体间摩擦系数。

（2）计算刀盘掘进引起的摩擦扭矩T₂：

$T_2=\frac{\mathrm{\πf}(1-\mathrm{\η})E{\mathrm{\ρ}}^2\mathrm{\δ}}{1-{\mathrm{\μ}}^2}\left(\frac{1-\mathrm{\λ}}{\mathrm{\λ}}\right)$

式中：E(kPa)为土体弹性模量，μ为土体泊松比，δ(m/rev)为刀盘每转切入深度。

（3）计算刀具切土扭矩T₃：

式中：p_m(kPa)为土仓压力，c(kPa)为土体内聚力，(kPa)为土体内摩擦角。

（4）计算刀盘正面扭矩：T＝T₁+T₂+T₃。

实施例：该地铁工程所使用的盾构刀盘结构参数如下：刀盘半径R＝3.2m，刀盘曲率ρ＝4.4m，刀盘开口率η＝44%。以工程掘进到第300环时的地质条件与操作状态为例，给出计算掘进到该环时，盾构刀盘正面扭矩值的详细步骤，其它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300环处的地质参数如下：弹性模量E＝4.4MPa，泊松比μ＝0.44，静止土压力系数K₀＝0.6，容重γ＝18.7kN/m³，内摩擦角＝6.6°，粘聚力c＝14.9kPa，刀盘与土体间摩擦系数f＝0.1，地表至盾构机中心线埋深H＝12.8m。

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300环处时的操作参数如下，刀盘每转切入深度δ＝0.03m/rev，土仓压力p_m＝258kPa。

（1）计算掘进界面静土压引起的摩擦扭矩T₁：

由 $T_1=(1-\mathrm{\η})f{K}_0\mathrm{\γ}{\mathrm{\ρ}}^3[\mathrm{\πH}(\arcsin \frac{R}{\mathrm{\ρ}}-\frac{R}{\mathrm{\ρ}}\mathrm{\λ})-\frac{\mathrm{\ρ}}{3}(2+\mathrm{\λ}){(1-\mathrm{\λ})}^2]$ 得到T₂＝650.6kNm

（2）计算刀盘掘进引起的摩擦扭矩T₂：

由 $T_2=\frac{\mathrm{\πf}(1-\mathrm{\η})E{\mathrm{\ρ}}^2\mathrm{\δ}}{1-{\mathrm{\μ}}^2}\left(\frac{1-\mathrm{\λ}}{\mathrm{\λ}}\right)$ 得到T₁＝250.6kNm

（3）计算刀具切土扭矩T₃：

由得到T₃＝44.8kNm

（4）计算刀盘正面扭矩T：

由T＝T₁+T₂+T₃，得到T＝946.0kNm

至此，已计算出该地铁工程掘进至第300环处时的曲面型土压平衡盾构刀盘正面扭矩值，其余各环均可按照相同方法确定。由此可计算出整个工程中曲面型土压平衡盾构在不同地质条件和掘进速度下所需的刀盘正面扭矩值，为盾构施工提供科学有效的数据依据。

Claims (1)

1.曲面型土压平衡盾构刀盘正面扭矩的计算方法，其特征是：所述计算方法分为以下四个步骤：

(1)计算掘进界面静土压引起的摩擦扭矩T₁：

$T_1=(1-\mathrm{\η}){\mathrm{fK}}_0{\mathrm{\γ\ρ}}^3\[\mathrm{\π}H(arcsin\frac{R}{\mathrm{\ρ}}-\frac{R}{\mathrm{\ρ}}\mathrm{\λ})-\frac{\mathrm{\ρ}}{3}(2+\mathrm{\λ}){(1-\mathrm{\λ})}^2\]$

式中：η为刀盘开口率，R为刀盘半径，ρ为刀盘曲率，λ为刀盘形状影响系数，通过计算，K₀为掘进界面静止土压力系数，γ为土体容重，H为地表至盾构机中心线埋深，f为刀盘与土体间摩擦系数；

(2)计算刀盘掘进引起的摩擦扭矩T₂：

$T_2=\frac{\mathrm{\π}f(1-\mathrm{\η}){\mathrm{E\ρ}}^2\mathrm{\δ}}{1-{\mathrm{\μ}}^2}\left(\frac{1-\mathrm{\λ}}{\mathrm{\λ}}\right)$

式中：E为土体弹性模量，μ为土体泊松比，δ为刀盘每转切入深度；

(3)计算刀具切土扭矩T₃：

式中：p_m为土仓压力，c为土体内聚力，为土体内摩擦角；

(4)计算刀盘正面扭矩为T＝T₁+T₂+T₃。