CN110185456B - 一种盾构推进系统快速实现抗偏载的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构推进系统快速实现抗偏载方法，根据盾构在掘进过程中外力作用在推进系统的合外阻力矩方向，通过调节与合外阻力矩垂直方向距离最近的两个推进液压缸在圆周上的布局位置，用来抵消外力矩在推进系统上的作用效果，进而快速实现盾构推进系统的抗偏载效果，每次只需调节与合外阻力矩垂直方向的两个推进液压缸的布局位置，而不需要一次移动所有的液压缸就能实现抗偏载，调节速度变快，操作更简便，提高了可行性。

Description

一种盾构推进系统快速实现抗偏载的方法

技术领域

本发明属于盾构隧道技术领域，尤其涉及一种盾构推进系统快速实现抗偏载的方法。

背景技术

推进系统是土压平衡盾构的关键组成部分，主要承担着整个盾构的顶进任务。推进系统工作性能的优劣直接决定隧道工程质量与施工速度。但现有的非分区和分区系统，都不能解决盾构由于特殊地质条件或自重，外部变向载荷所带来的偏载现象；而有的提出同时调节圆周上所有液压缸的布局位置来适应外部变向载荷，这种方法虽然能解决外部变向载荷所带来的偏载现象，但一次调节多个推进液压缸的位置不仅控制方法复杂，调节速度慢，而且成本较高。

发明内容

本发明的目的是针对以上问题，提供一种盾构推进系统快速实现抗偏载的方法，根据盾构在掘进过程中外力作用在推进系统的合外阻力矩方向，通过调节与合外阻力矩垂直方向距离最近的两个推进液压缸在圆周上的布局位置，用来抵消外力矩在推进系统上的作用效果，进而快速实现盾构推进系统的抗偏载。

一种盾构推进系统快速实现抗偏载的方法，具体包含如下步骤：

步骤1：在盾构上的每个液压缸进油口上安装压力传感器，所述压力传感器与信号采集及数据处理系统连接；所述信号采集及数据处理系统分别与客户端显示模块连接；

步骤2：建立空间坐标系；液压缸在盾构机上成圆周排布，以圆周圆心为坐标原点，z轴平行液压缸与盾构掘进方向相反，y轴垂直z轴指向地面，x轴由右手定则确定；

步骤3：通过信号采集及数据处理系统将步骤1中的压力传感器测得的压力值通过其内置的数据分析模块转换为推力值，然后结合步骤2所建立的坐标系确定每个液压缸在圆周上的排布位置坐标，再通过数据分析模块反推出每个液压缸上x与y方向的外阻力矩；

步骤4：根据矢量合成原理，所有液压缸的外阻力矩通过数据分析模块自动合成得到合外阻力矩；

步骤5：通过分析得出合外阻力矩的方向，过原点并垂直于合外阻力矩方向的线设置为布局对称轴，通过实时调节最靠近布局对称轴的两个液压缸在滑槽内的位置来抗偏载；具体为：基于面向盾构掘进方向，以布局圆周竖直方向为分界线，当合外阻力矩方向指向分界线左侧，且布局对称轴相对于合外阻力矩沿圆周顺时针旋转90度后，最靠近布局对称轴所在位置的两个液压缸采用相背调节；或者布局对称轴相对于合外阻力矩沿圆周逆时针旋转90度后，最靠近布局对称轴所在位置的两个液压缸采用相对调节；基于面向盾构掘进方向，当合外阻力矩方向指向分界线右侧时，液压缸调节方式与在左侧相同。

进一步的，所述步骤3中通过数据分析模块，反推出x与y方向的外阻力矩的具体计算公式如下：

Mx和My为x轴方向与y轴方向的外阻力矩；D为液压缸缸径；Pi(i＝1,2,…,N)是第i台推进液压缸的压力值；Fz为z轴方向的合阻力；F_i(i＝1,2,…,N)是第i台推进液压缸的推力；设推进系统共有N台液压缸，(x_i,y_i)是第i台液压缸的施力坐标点。

本发明的有益效果：

1、每次只需调节与合外阻力矩垂直方向最靠近的两个推进液压缸的布局位置，而不需要一次移动所有的液压缸就能实现抗偏载，调节速度快、成本较低、操作更简便。

2、本发明实现抗偏载的布局设计方法不仅仅只适应上软下硬地层，或左软右硬地层，还能适应于复合地层，适应范围广。

3、实时根据地层条件调整两个液压缸的位置实现抗偏载，减少了盾构掘进路线与设计线路之间的偏差，提高了盾构施工质量。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

图2为本发明盾构均匀排布推进系统受力模型简图；

图3为本发明盾构推进系统的测试模型简图；

图4为本发明盾构推进系统推进液压缸的均匀布局简图；

图5为本发明合外阻力矩不通过推进液压缸截面正中心；其中(a)为合外阻力在分界线左侧，布局对称轴顺时针转动90°与合外阻力方向重合调节示意图；(b)为合外阻力在分界线左侧，布局对称轴逆时针转动90°与合外阻力方向重合调节示意图；

图6为本发明合外阻力矩通过推进液压缸截面正中心的调节示意图；其中(c)为合外阻力在分界线右侧，布局对称轴逆时针转动90°与合外阻力方向重合调节示意图；(b)为合外阻力在分界线右侧，布局对称轴顺时针转动90°与合外阻力方向重合调节示意图；

图中：1、盾头；2、盾壳；3、滑槽；4、推进液压缸；5、圆形隔板；6、撑挡；7、管片。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明方法进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

根据图1所示，一种盾构推进系统快速实现抗偏载的方法，具体包含如下步骤：

步骤1：在盾构上的每个液压缸上安装压力传感器，所述压力传感器与信号采集及数据处理系统连接；所述信号采集及数据处理系统分别与客户端显示模块连接，如图3所示；

步骤2：建立空间坐标系；液压缸在盾构机上成圆周排布，以圆周圆心为坐标原点，z轴平行液压缸与盾构掘进方向相反，y轴垂直z轴指向地面，x轴由右手定则确定，如图2所示；

步骤3：通过信号采集及数据处理系统将步骤1中的压力传感器测得的压力值通过其内置的数据分析模块转换为推力值，然后结合步骤2所建立的坐标系确定每个液压缸在圆周上的排布位置坐标，再通过数据分析模块反推出每个液压缸上x与y方向的外阻力矩；先计算每个液压缸x方向和y方向的外力矩，然后对其求相反值和相反方向就是外阻力矩大小和方向；具体计算公式如下：

Mx和My为x轴方向与y轴方向的外阻力矩；D为液压缸缸径；Pi(i＝1,2,…,N)是第i台推进液压缸的压力值；Fz为z轴方向的合阻力；F_i(i＝1,2,…,N)是第i台推进液压缸的推力；设推进系统共有N台液压缸，(x_i,y_i)是第i台液压缸的施力坐标点。

步骤4：根据矢量合成原理，所有液压缸的外阻力矩在数据分析模块上自动合成得到合外阻力矩；

步骤5：通过分析得出合外阻力矩的方向，过原点并垂直于合外阻力矩方向的线设置为布局对称轴，通过实时调节最靠近布局对称轴的两个液压缸在滑槽内的位置来抗偏载；具体为：基于面向盾构掘进方向，以布局圆周竖直方向为分界线，当合外阻力矩方向指向分界线左侧，且布局对称轴相对于合外阻力矩沿圆周顺时针旋转90度后，最靠近布局对称轴所在位置的两个液压缸采用相背调节；或者布局对称轴相对于合外阻力矩沿圆周逆时针旋转90度后，最靠近布局对称轴所在位置的两个液压缸采用相对调节；基于面向盾构掘进方向，当合外阻力矩方向指向分界线右侧时，液压缸调节方式与在左侧相同。

如图3所示，本发明推进系统主要包括盾头1、盾壳2、滑槽3、推进液压缸4、圆形隔板5、撑挡6。其中，滑槽3均匀布置在圆形隔板5中，推进液压缸4右端穿过滑槽3并与撑挡6铰接，最终顶在管片7上，通过管片7的反作用力推动盾构向前掘进。

如图4-图6所示，当推进系统液压缸的推力以及布局参数已知，其中推力由压力传感器测得的压力数据经数据分析模块转换得来，布局参数是盾构系统原有液压缸的排布位置，由步骤2中空间坐标系可得到；数据分析模块结合推力数据和布局参数经过步骤3中的计算公式计算出x与y方向的外阻力矩Mx与My,通过矢量合成得到如图5所示合外阻力矩M，此合外阻力矩的方向不通过推进液压缸4截面正中心，根据右手定则可知，其产生的合作用效果是以合外阻力矩为转动轴，绕其做旋转运动，根据力学平衡可知，为了抵消合外阻力矩，实现盾构抗偏载，此时只需使推进液压缸4提供的合推力矩方向与合外阻力矩方向相反，大小相等即可，即合外阻力矩上部分推进液压缸4提供的推力应小于合外阻力矩下部分推进液压缸提供的推力，而根据力学常识易知，在垂直合外阻力矩方向处施加推力产生的作用效果最显著，故只需调节最靠近合外阻力矩垂直方向的两个液压缸的位置，即调节图5(a)中A区域中的两个液压缸的位置，使其在滑槽3中的位置向布局对称轴靠近；或者调节图5(b)中C区域的两个液压缸的位置，使其在滑槽3中的位置背离布局对称轴移动，从而实现盾构的抗偏载。

同理可得，当合外阻力矩通过推进液压缸4截面正中心并且方向如图5所示，此时合外阻力矩方向右边推进液压缸4提供的合推力应大于左边液压缸提供的合推力，故调节图6(c)中E区域中的两个液压缸的位置，使其在滑槽3中的位置向布局对称轴靠近；调节图6(d)中G区域的两个液压缸的位置，使其在滑槽3中的位置背离布局对称轴移动，从而达到抵消合外阻力矩作用的效果，进而实现盾构的抗偏载。

一次只需调节两个液压缸的布局位置就能快速实现盾构抗偏载，适用于土压平衡式盾构，信号采集及数据处理系统计算得到的结果通过客户端显示模块显示。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种盾构推进系统快速实现抗偏载的方法，其特征在于，具体包含如下步骤：

步骤1：在盾构上的每个液压缸进油口上安装压力传感器，所述压力传感器与信号采集及数据处理系统连接；所述信号采集及数据处理系统分别与客户端显示模块连接；

步骤2：建立空间坐标系；液压缸在盾构机上成圆周排布，以圆周圆心为坐标原点，z轴平行液压缸与盾构掘进方向相反，y轴垂直z轴指向地面，x轴由右手定则确定；

步骤3：通过信号采集及数据处理系统将步骤1中的压力传感器测得的压力值通过其内置的数据分析模块转换为推力值，然后结合步骤2所建立的坐标系确定每个液压缸在圆周上的排布位置坐标，再通过数据分析模块反推出每个液压缸上x与y方向的外阻力矩；

步骤4：根据矢量合成原理，所有液压缸的外阻力矩通过数据分析模块自动合成得到合外阻力矩；

步骤5：通过分析得出合外阻力矩的方向，过原点并垂直于合外阻力矩方向的线设置为布局对称轴，通过实时调节最靠近布局对称轴的两个液压缸在滑槽内的位置来抗偏载；具体为：基于面向盾构掘进方向，以布局圆周竖直方向为分界线，当合外阻力矩方向指向分界线左侧，且布局对称轴相对于合外阻力矩沿圆周顺时针旋转90度后，靠近布局对称轴所在位置的两个液压缸采用相背调节；或者布局对称轴相对于合外阻力矩沿圆周逆时针旋转90度后，靠近布局对称轴所在位置的两个液压缸采用相对调节；基于面向盾构掘进方向，当合外阻力矩方向指向分界线右侧时，液压缸调节方式与在左侧相同。

2.根据权利要求1所述的一种盾构推进系统快速实现抗偏载的方法，其特征在于，所述步骤3中通过数据分析模块，反推出x与y方向的外阻力矩的具体计算公式如下：

Mx和My为x轴方向与y轴方向的外阻力矩；D为液压缸缸径；Pi(i＝1,2,…,N)是第i台推进液压缸的压力值；Fz为z轴方向的合阻力；F_i(i＝1,2,…,N)是第i台推进液压缸的推力；设推进系统共有N台液压缸，(x_i,y_i)是第i台液压缸的施力坐标点。

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