CN110362899B - 用于超大直径盾构过基岩突起段的刀盘扭矩计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于超大直径盾构过基岩突起段的刀盘扭矩计算方法，包括如下步骤：（1）参数获取：获取滚刀及软土刀具相对刀盘中心位置的几何关系和刀盘、主轴承的参数；获取不同地层与刀盘之间的位置关系、地层的物理力学特征参数;（2）地层高度分段函数建立：利用搜集特征，将刀盘中心位置确定为坐标原点，向上为Y轴正方向，建立侧向土压力与地层高度的分段函数;（3）建立扭矩表达式，获得各分项扭矩；（4）计算总扭矩：对各子项扭矩表达式求和并进行求解。本发明充分考虑设备、地层的情况，较准确的计算出刀盘在基岩突起段或土岩互层条件下刀盘扭矩随时间变化情况，为盾构设计、现场施工等提供指导。

Description

用于超大直径盾构过基岩突起段的刀盘扭矩计算方法

技术领域

本发明涉及配置滚刀及软土刀具的大直径泥水盾构，施工线路需要经过基岩突起段的盾构刀盘扭矩计算方法，尤其涉及一种用于超大直径盾构过基岩突起段的刀盘扭矩计算方法。

背景技术

泥水盾构作为一种机械化隧道施工装备被广泛应用在大断面隧道修建中，具有施工速度快、安全性高的优点，尤其适合在富水环境、对地层沉降控制严格的场合。在复合地层条件下施工的泥水盾构一般配置滚刀和软土刀具，在基岩突起段或者土岩互层的条件下，盾构刀盘扭矩的计算直接关系到盾构设计中载荷的估算、施工中关键掘进参数的确定。不管在盾构设计、施工中，基岩突起或土岩互层条件下刀盘的扭矩估算都非常的重要，为了提高扭矩计算的精度，提出一种用于超大直径盾构过基岩突起段的刀盘扭矩计算方法，现阶段要求能够准确计算基岩段盾构的扭矩，对盾构的设计、施工提供指导。

相关的技术文件中，已公开的中国专利文献中，申请号为CN201810034645.5，名为一种基于量纲分析的盾构刀盘扭矩计算方法的专利，综合考虑刀盘直径、掘进速度、刀盘转速等影响因素，因而预估准确可靠。还有已公开的中国专利文献中，申请号为CNCN201910004164.4，名为一种盾构刀盘扭矩确定方法及系统的专利，根据所述刀盘扭矩计算模型确定盾构刀盘扭矩。采用本发明的方法或系统能够实现盾构装备掘进过程中的刀盘扭矩快速准确的计算，然而，申请人认为现阶段的计算方法主要分为适用土压盾构模型(CN201810034645.5)或一种根据施工现场采集的数据实现对扭矩回归预测，进而实现对设备扭矩的计算。

进一步的，申请人认为，相比土压盾构，对泥水盾构推力、扭矩计算模型研究较少。在基岩突起段，即下部地层为岩石，上部为软土或砂层等软弱地层,盾构通过泥水压力实现对掌子面的支护，这一点与土压盾构完全不同。例如，在中国南方沿海某地为加快区域经济发展规划了海湾通道工程，该通道全长近7.0km，其中盾构段达到3.0km，根据线路特点可划分为全断面软土段、含孤石的软土段、基岩突起段，其中3段海域基岩突起段侵入隧道范围极大增加了工程难度。由于盾构的特殊性、地层的复杂性，并不能直接使用上述现有技术中所提及的计算方法来预测扭矩，必须采用新的计算方法来解决盾构设计、施工中扭矩预测问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有泥水盾构刀盘扭矩计算方法少且精度差、可操作性不强的缺陷，本发明提供了一种用于超大直径盾构过基岩突起段的刀盘扭矩计算方法，具有可操作性强、计算精度高，具有较广泛的应用前景，尤其适用于在基岩突起段、土岩互层条件下施工的大直径泥水盾构。

本发明的具体方案是：

设计一种用于超大直径盾构过基岩突起段的刀盘扭矩计算方法，包括如下步骤：

(1)参数获取：获取滚刀及软土刀具相对刀盘中心位置的几何关系和刀盘、主轴承的参数；获取不同地层与刀盘之间的位置关系、地层的物理力学特征参数；

(2)地层高度分段函数建立：利用地勘资料确定刀盘面板底部以上位置各地层的覆盖厚度、各地层的物理力学特征，将刀盘中心位置确定为坐标原点，向上为Y轴正方向；

(3)建立扭矩表达式，获得子项扭矩：建立刀具切削岩土体过程中扭矩的表达式(按照CSM模型计算滚刀处于岩石地层，同时计算扭矩和垂向力)，获得主轴承摩擦阻力矩、主轴承密封摩擦阻力矩和刀盘在泥浆的阻力矩表达式；

(4)计算总扭矩：对各子项扭矩表达式求和并进行求解：对步骤(3)中的各子项扭矩进行求和，形成扭矩关于时刻t、角速度ω的表达式并编制计算程序，求得刀盘扭矩用于盾构设计及施工应用。

步骤(1)中，测定刀具中心至面板中心距离r，刀具与中心连线和水平方向夹角θ₀，对滚刀的倾角κ_i，主轴承径向滚子轴承接触处到盾构中心轴线距离R_r，主轴承外圈半径R_b，通过技术手册获取刀盘质量W_c，排水量V_c。

步骤(2)中，引入时间变量t，刀盘转速n,角速度为刀具与X轴夹角θ_ti＝θ_0i+ωt，t时刻刀具i在Y轴上投影为r_isinθ_ti，依据r_isinθ_ti判断落入的地层，从而计算刀具的载荷，进一步使用CSM公式计算滚刀在岩石地层的载荷，

式中：R为滚刀半径，mm；T为滚刀刀尖宽度，mm；S为刀间距；为滚刀与岩石的接触角/>弧度；h为滚刀贯入度；/>为刀尖压力分布系数，随刀尖宽度增加而减小；σ_c为岩石单轴抗压强度，MPa；σ_t为岩石单轴抗拉强度，MPa；C为无量纲系数，C≈2.12，

F_ir为滚刀i的法向力，该力与刀盘平面平行并驱动滚刀转动；F_iv为滚刀i受到的垂向力，κ_i为滚刀的倾角，

式中，F₁₁为滚刀切削岩石产生的垂向力，T₁₁为滚刀切削岩石产生的阻力矩，r_i为滚刀的安装半径。

步骤(3)中，刀盘配置滚刀和切刀，滚刀与切刀见刀高差大于0，将滚刀与土体接触面简化为平行于掌子面的投影面S_o及垂直于掌子面的投影面S_h，S_o、S_h与滚刀结构、滚刀贯入土体深度相关，σ_xi为第i把滚刀处侧向土压力，滚刀与软土作用垂向力为F₁₂，与软土挤压过程中的阻力矩为T₁₂，将在软土、岩石两部分滚刀垂向力、扭矩进行加和形成滚刀垂向力和扭矩。

拟定滚刀处于硬岩地层时，单把切刀垂向力为0，扭矩也为0，切刀处于软土地层时，计算单把切刀的垂向力F_jv和扭矩并求和，

步骤(3)中，主轴承摩擦阻力矩T₃包括分作用在轴向轴承上阻力矩T₃₁，分作用在径向轴承上产生的阻力矩T₃₂。

F＝F₁₁+F₁₂+F₁₃+P_slurry·πR_b ²

T₃₁＝F·μ_b·R_t

T₃₂＝W_ch·μ_b·R_r

W_ch＝W_cg-γ_泥水V_c

式中：μ_b为滚动摩擦系数；W_ch为泥水中刀盘的浮重；刀盘质量W_c；排水量V_c；中心泥水压力P_slurry影响。

步骤(3)中，所述主轴承密封摩擦阻力矩T₄＝2πR_s ²P_sn_sμ_s，其中R_s为密封圈安装半径；P_s为密封线压力；n_s为密封圈数目；μ_s为金属与密封圈之间的摩擦系数；

步骤(3)中，通过盾构在空转阶段的扭矩减去主轴承摩擦阻力矩、主轴承密封阻力矩后近似为T₅,通过数据拟合可得到A_e、B_e的值，形成T₅关于角速度ω的表达关系刀盘在泥浆的阻力矩其中膨润土泥浆可通过Herschel-Bulkley描述来拟合，n₁为拟合的流动指数。

本发明的有益效果在于：

(1)通过对盾构装备、地质信息的获取，建立了刀盘扭矩的精确模型，考虑了大直径盾构掌子面地层的复杂性，能够计算滚刀、切刀耦合作用下刀盘的扭矩随时间变化情况，而且通过编制计算程序，能够计算不同岩石侵入高度下盾构刀盘的扭矩特性，为盾构在设计阶段扭矩边界条件设定、施工阶段方案编制、掘进参数选取等都有指导作用；

(2)可以依据地层分层特点、地层力学特征等，提前对未掘进地层盾构施工时的扭矩预测，计算结果精确，适应的地层范围广。

附图说明

图1为本发明的一个优选实施的流程图；

图2为刀具在刀盘上的位置图(“+”表示软土刀具，“o”表示滚刀)；

图3为刀盘与地层的位置关系图；

图4为刀盘扭矩随时间变化曲线；

图5为投影面的示意图；

图6为淤泥层刀盘实际扭矩与理论扭矩对比图；

图7为伸缩摆动式主驱动油缸推力及总推力两个重要指标的理论值和实际值的对比图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

实施例1：一种用于超大直径盾构过基岩突起段的刀盘扭矩计算方法，参见图1至图4，设计包括如下步骤：

(1)参数获取：获取滚刀及软土刀具相对刀盘中心位置的几何关系和刀盘、主轴承的参数；获取不同地层与刀盘之间的位置关系、地层的物理力学特征参数；

(2)地层高度分段函数建立：利用地勘资料确定刀盘面板底部以上位置各地层的覆盖厚度、各地层的物理力学特征，将刀盘中心位置确定为坐标原点，向上为Y轴正方向；

(3)建立扭矩表达式，获得子项扭矩：建立刀具切削岩土体过程中扭矩的表达式，获得主轴承摩擦阻力矩、主轴承密封摩擦阻力矩和刀盘在泥浆的阻力矩表达式；

(4)计算总扭矩：对各子项扭矩表达式求和并进行求解：对步骤(3)中的各子项扭矩进行求和，形成扭矩关于时刻t、角速度ω的表达式并编制计算程序，求得刀盘扭矩用于盾构设计及施工应用。

步骤(1)中，测定刀具中心至面板中心距离r，刀具与中心连线和水平方向夹角θ₀，对滚刀的倾角κ_i，主轴承径向滚子轴承接触处到盾构中心轴线距离R_r，主轴承外圈半径R_b，通过技术手册获取刀盘质量W_c，排水量V_c。

步骤(2)中，步骤(2)中，引入时间变量t，刀盘转速n,角速度为刀具与X轴夹角θ_ti＝θ_0i+ωt，t时刻刀具i在Y轴上投影为r_isinθ_ti，依据r_isinθ_ti判断落入的地层，从而计算刀具的载荷，进一步使用CSM公式计算滚刀在岩石地层的载荷，，

式中：

R为滚刀半径，mm；T为滚刀刀尖宽度，mm；S为刀间距；为滚刀与岩石的接触角弧度；h为滚刀贯入度；/>为刀尖压力分布系数，随刀尖宽度增加而减小；σ_c为岩石单轴抗压强度，MPa；σ_t为岩石单轴抗拉强度，MPa；C为无量纲系数，C≈2.12，

F_ir为滚刀i的法向力，该力与刀盘平面平行并驱动滚刀转动；F_iv为滚刀i受到的垂向力，κ_i为滚刀的倾角。

式中，F₁₁为滚刀切削岩土产生的垂向力，T₁₁为滚刀切削岩土产生的阻力矩，r_i为滚刀的安装半径。

步骤(3)中，刀盘配置滚刀和切刀，滚刀与切刀见刀高差大于0，将滚刀与土体接触面简化为平行于掌子面的投影面S_o及垂直于掌子面的投影面S_h，S_o、S_h与滚刀结构、滚刀贯入土体深度相关，σ_xi为第i把滚刀处侧向土压力，滚刀与软土作用垂向力为F₁₂，与软土挤压过程中的阻力矩为T₁₂，将在软土、岩石两部分滚刀垂向力、扭矩进行加和形成滚刀垂向力和扭矩。

拟定单把切刀垂向力为0，扭矩也为0，切刀处于软土地层时，计算单把切刀的垂向力

F_jv和扭矩并求和，

步骤(3)中，主轴承摩擦阻力矩T₃包括分作用在轴向轴承上阻力矩T₃₁，分作用在径向轴承上产生的阻力矩T₃₂。

F＝F₁₁+F₁₂+F₁₃+P_slurry·πR_b ²

T₃₁＝F·μ_b·R_t

T₃₂＝W_ch·μ_b·R_r

W_ch＝W_cg-γ_泥水V_c

式中：μ_b为滚动摩擦系数；W_ch为泥水中刀盘的浮重；刀盘质量W_c；排水量V_c；中心泥水压力P_slurry影响。

步骤(3)中，所述主轴承密封摩擦阻力矩T₄＝2πR_s ²P_sn_sμ_s，其中R_s为密封圈安装半径；P_s为密封线压力；n_s为密封圈数目；μ_s为金属与密封圈之间的摩擦系数；

步骤(3)中，通过盾构在空转阶段的扭矩减去主轴承摩擦阻力矩、主轴承密封阻力矩后近似为T₅,通过数据拟合可得到A_e、B_e的值，形成T₅关于角速度ω的表达关系刀盘在泥浆的阻力矩其中膨润土泥浆可通过Herschel-Bulkley描述来拟合，n₁为拟合的流动指数。

具体的工作过程中：

图3为刀盘与地层位置图，刀盘中心埋深h₀＝28.60m，水层h_w＝2.89m，h₁＝0m，刀盘面板内②₁淤泥地层h₂＝6.48m，②₃淤泥混砂h₃＝1.48m，③₄中粗砂地层h₄＝6.05m，岩层h_R＝1m，地层详细参数见表0-1。

表0-1 地层力学性质参数

Tab.1 Parameters of stratigraphic mechanical properties

地层编号	岩土名称	天然重度γ/kN/m3	粘聚力/kPa	内摩擦角/°	侧压力系数k
						②1	淤泥	15.4	9	3.2	0.82
②3	淤泥混砂	18.5	0	8	0.54
						③4	中粗砂	20.0	0	30	0.33

根据提出的模型，编制掘进时总推力、扭矩计算模型并与实际工况数据进行比对，实际掘进中P_slurry＝3.18bar，转速1rpm，贯入度P_r在4.2mm/r左右波动。图4为刀盘掘进工况扭矩与理论预测扭矩的对比，从图中可见实际扭矩在2300kN～3200kN，理论扭矩在2400kN～3050kN,实际扭矩与理论扭矩高度吻合。

本实施中，根据超大直径泥水盾构的特点，分析了泥水盾构扭矩的主要组成分项，结合地层特点给出了扭矩的分项计算模型并编制计算程序，通过与现场掘进数据进行对比验证及分析得出如下结论：

推力、扭矩的现场实测值与理论预测值误差在±10％内，两者具有较高的吻合度，证明该模型的准确有效性，通过与Krause模型、Ugur Ates回归在精确上有较大提高，能够依据盾构的结构、地层等参数合理的估算出推力、扭矩值，更好的为盾构设计、施工提供指导。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于超大直径盾构过基岩突起段的刀盘扭矩计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)参数获取：获取滚刀及软土刀具相对刀盘中心位置的几何关系和刀盘、主轴承的参数；获取不同地层与刀盘之间的位置关系、地层的物理力学特征参数；

(2)地层高度分段函数建立：利用地勘资料确定刀盘面板底部以上位置各地层的覆盖厚度、各地层的物理力学特征，将刀盘中心位置确定为坐标原点，向上为Y轴正方向；

具体为，引入时间变量t，刀盘转速n,角速度为刀具与X轴夹角θ_ti＝θ_0i+ωt，t时刻刀具i在Y轴上投影为r_isinθ_ti，r_i为滚刀的安装半径，θ_0i为刀具i与中心连线和水平方向的夹角，依据r_isinθ_ti判断落入的地层，从而计算刀具的载荷，进一步使用CSM公式计算滚刀在岩石地层的载荷，

式中：R为滚刀半径，mm；T为滚刀刀尖宽度，mm；S为刀间距；为滚刀与岩石的接触角弧度；h为滚刀贯入度；Ψ为刀尖压力分布系数，随刀尖宽度增加而减小；σ_c为岩石单轴抗压强度，MPa；σ_t为岩石单轴抗拉强度，MPa；C为无量纲系数，C≈2.12，

F_ir为滚刀i的法向力，该力与刀盘平面平行并驱动滚刀转动；F_iv为滚刀i受到的垂向力，κ_i为滚刀测量倾角，

式中，F₁₁为滚刀切削岩土产生的垂向力，T₁₁为滚刀切削岩土产生的阻力矩，r_i为滚刀的安装半径；

(3)建立扭矩表达式，获得子项扭矩：建立刀具切削岩土体过程中扭矩的表达式，按照CSM模型计算滚刀处于岩石地层，同时计算扭矩和垂向力，获得主轴承摩擦阻力矩、主轴承密封摩擦阻力矩和刀盘在泥浆的阻力矩表达式；

所述主轴承摩擦阻力矩T₃包括分作用在轴向轴承上阻力矩T₃₁，分作用在径向轴承上产生的阻力矩T₃₂，

F＝F₁₁+F₁₂+F₁₃+P_slurry·πR_b ²

T₃₁＝F·μ_b·R_t

T₃₂＝W_ch·μ_b·R_r

W_ch＝W_cg-γ_泥水V_c

式中：μ_b为滚动摩擦系数；W_ch为泥水中刀盘的浮重；刀盘质量W_c；排水量V_c；中心泥水压力P_slurry影响；R_r为主轴承径向滚子轴承接触处到盾构中心轴线距离；R_b为主轴承外圈半径；

通过盾构在空转阶段的扭矩减去主轴承摩擦阻力矩、主轴承密封阻力矩后近似为T₅,通过数据拟合可得到A_e、B_e的值，形成T₅关于角速度ω的表达关系刀盘在泥浆的阻力矩其中膨润土泥浆可通过Herschel-Bulkley描述来拟合，n₁为拟合的流动指数；

(4)计算总扭矩：对各子项扭矩表达式求和并进行求解：对步骤(3)中的各子项扭矩进行求和，形成扭矩关于时刻t、角速度ω的表达式并编制计算程序，求得刀盘扭矩用于盾构设计及施工应用。

2.根据权利要求1所述的用于超大直径盾构过基岩突起段的刀盘扭矩计算方法，其特征在于，步骤(3)中，刀盘配置滚刀和切刀，滚刀与切刀见刀高差大于0，将滚刀与土体接触面简化为平行于掌子面的投影面S_o及垂直于掌子面的投影面S_h，S_o、S_h与滚刀结构、滚刀贯入土体深度相关，σ_xi为第i把滚刀处侧向土压力，滚刀与软土作用垂向力为F₁₂，与软土挤压过程中的阻力矩为T₁₂，将在软土、岩石两部分滚刀垂向力、扭矩进行加和形成滚刀垂向力和扭矩。

3.根据权利要求1所述的用于超大直径盾构过基岩突起段的刀盘扭矩计算方法，其特征在于，切刀处于硬岩地层时，拟定单把切刀垂向力为0，扭矩也为0，切刀处于软土地层时，计算单把切刀的垂向力F_jv和扭矩并求和，

4.根据权利要求1所述的用于超大直径盾构过基岩突起段的刀盘扭矩计算方法，其特征在于，步骤(3)中，所述主轴承密封摩擦阻力矩T₄＝2πR_s ²P_sn_sμ_s，其中R_s为密封圈安装半径；P_s为密封线压力；n_s为密封圈数目；μ_s为金属与密封圈之间的摩擦系数。