CN111577303A - 适用于不同地层和埋深的盾构机掘进是否安全的计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于评价在不同地质条件、覆土深度的情况下，盾构机掘进是否安全的力学计算方法，包括以下步骤：(1)根据不同地层条件计算盾构机在掘进过程中土体与盾构机壳体之间的摩擦力P1，(2)计算管片与盾构机壳体之间的摩擦力P2，计算公式为：
Figure DDA0002473949770000011
(3)计算盾构机上其它结构或机构提供的反向扭矩Pf；(4)根据公式Pmax＝1/k(P1T1+P2T2+nP3T3+Pf)，计算盾构机的抗扭转力矩Pmax；(5)将Pmax和Mmax进行比较，以对盾构机掘进是否安全进行判断，其中，Mmax为土体对盾构机刀盘旋转产生的阻力扭矩，取盾构机主驱动正常运行时的输出扭矩，单位为：kN·m，当Pmax≥Mmax时，表示盾构机掘进安全。

Description

适用于不同地层和埋深的盾构机掘进是否安全的计算方法
技术领域
本发明涉及盾构机械技术领域，具体涉及一种用于评价在不同地质条件、覆土深度的情况下，盾构机掘进是否安全的力学计算方法。
背景技术
盾构隧道是通过盾构机械在地中推进，利用盾构机外壳和管片支承四周围岩，经由刀盘旋转，在开挖面前方进行土体切削开挖，依靠千斤顶在后方进行加压顶进，使用预制混凝土管片拼装等工序下建成的地下空间结构。盾构隧道的施工可实现自动化作业，施工劳动强度低，开挖和衬砌过程安全掘进速度快，不影响地面交通与设施，是修建隧道的主要工法之一。
在盾构隧道的掘进过程中，盾构机受刀盘旋转切削土体时产生的扭矩力、土体和盾构机壳体间的摩擦力以及管片和盾构壳体间的摩擦阻力的影响。这些力的大小和相互关系，与隧道所处的地质条件、覆土深度、隧道埋深、断面面积、盾构自重、掘进速度、盾构机壳体半径、管片环中心半径、盾构机上其它机构提供的反向扭矩等因素有关，这些因素不仅是盾构机设计的关键参数，也影响着盾构隧道的施工安全和施工质量。长期以来，盾构机核心设计技术一直被国外垄断，国内盾构机的制造业缺乏理论计算公式作为指导，因此，亟需一种适用于不同地层的盾构机安全掘进的理论用于支撑盾构机的设计和制造，并确保盾构机在盾构隧道中的安全施工。
发明内容
为了实现对盾构机的设计、制造以及安全施工提供理论指导，本发明所要解决的技术问题是：提供一种盾构机最大抗扭转力矩的计算方法，用于评价盾构机在不同地层和埋深情况下，掘进的安全性。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种适用于不同地层和埋深的盾构机掘进是否安全的计算方法，包括以下步骤：
(1)根据不同地层条件计算盾构机在掘进过程中土体与盾构机壳体之间的摩擦力P1，单位：kN，具体包括以下两种情况：
(a)当盾构机在无自稳性或自稳性较差的软土地层中掘进时，
软土地层土体与盾构机壳体之间的摩擦力为P1a，计算公式为：
Figure BDA0002473949750000021
其中，c为盾体与土体接触系数(0＜c＜1)；
Figure BDA0002473949750000022
为土体与盾壳钢板之间的摩擦系数；A为盾构机壳体的外径，单位：m；L为盾体的长度，单位：m；F1为盾构机顶部所受垂直土压力，单位：kN/m2；F2为地层对盾构机底部的抗力，单位：kN/m2；F3为盾构机顶部的侧向土压力，单位：kN/m2；F4为盾构机底部侧向土压力，单位为：kN/m2；
(b)当盾构机在岩石地层中进行掘进时，硬质地层土体与盾构机壳体之间的摩擦力为P1b，计算公式为：
Figure BDA0002473949750000023
其中，
Figure BDA0002473949750000024
为硬质土体与盾壳钢板之间的摩擦系数，M盾构机质量，单位为：Kg；
P1取两者中的较小值，即：P1＝min(P1a，P1b)；
(2)计算管片与盾构机壳体之间的摩擦力P2，单位：kN，计算公式为：
Figure BDA0002473949750000025
其中，
Figure BDA0002473949750000026
为管片与盾构机壳体之间的摩擦系数，MS为环管片的重量，单位：kN；
(3)计算盾构机上其它结构或机构提供的反向扭矩Pf，单位：kN·m；计算公式为：Pf＝Mf1×d1+Mf2×d2+Mf3×d3+…Mfn×dn，其中Mf1、Mf2，Mf3......，Mfn表示盾构机上其它结构或机构的重量(kN)，d1、d2、d3.......、dn表示盾构机上其它结构或机构的重心到盾构机重心的水平投影距离，其中产生与盾构机刀盘扭矩相反的扭矩时取正值，产生与盾构机刀盘扭矩相同的扭矩时取负值，单位：m；
(4)根据公式Pmax＝1/k(P1T1+P2T2+nP3T3+Pf)，计算出盾构机的最大抗扭转力矩Pmax，其中，k为掘进安全系数；T1为盾构机壳体半径或等效半径，单位：m；T2为管片环外圆半径，单位：m；n为盾构机顶推进液压缸的数量；P3为单个推进液压缸允许的最大侧向力，单位：kN；T3为管片环中心圆半径，单位：m；
(5)将Pmax和Mmax进行比较，以对盾构机掘进是否安全进行判断，其中，Mmax为土体对盾构机刀盘旋转产生的阻力扭矩，可取主驱动正常运行时输出扭矩，由设备厂家提供，单位为：kN·m，当Pmax≥Mmax时，表示盾构机掘进安全。
更进一步地，在所述步骤(1)中，当所述软土地层为粉砂时，
Figure BDA0002473949750000027
取值范围为0.05～0.55；当所述软土地层为粘土时，
Figure BDA0002473949750000028
取值范围为0.1～0.45；当所述软土地层为亚粘土时，
Figure BDA0002473949750000031
取值范围为0.1～0.6；当所述硬质地层为砂石时，
Figure BDA0002473949750000032
取值范围为0.2～0.7；当所述硬质地层为砾石时，
Figure BDA0002473949750000033
取值范围为0.3～0.8。
更进一步地，在所述步骤(2)中，管片与盾构机壳体之间的摩擦系数
Figure BDA0002473949750000034
取值范围为0.3～0.7。
更进一步地，在所述步骤(4)中，掘进安全系数k，取值范围k≥1.2。
本发明同现有技术相比具有以下优点及效果：
(1)相比于传统经验法或类比法进行盾构隧道施工，本计算方法考虑了盾构机掘进过程中的施工情况和工法特点，包括隧道所处的地质条件、覆土深度、隧道埋深、断面面积、盾构机自重、管片环中心半径、盾构机壳体半径、盾构机上其它结构或机构提供的反向扭矩Pf等对盾构机抗扭能力有影响的重要因素，计算符合盾构机实际施工情况，更为精确。
(2)本发明所述的计算方法可为盾构机制造提供设计基础参数，也可为盾构机隧道掘进过程中提供理论计算方法，对确保工程安全施工有着重要的意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述盾构机的主视图；
图2为本发明所述盾构机上各力矩对应盾构机转动方向的标注示意图；
图3为盾构机壳体半径或等效半径T1、管片环外圆半径T2、管片环中心圆半径T3的标注示意图；
标号说明：1、盾构机壳体；2、隧道管片外侧；3、推进液压缸；4、盾构机刀盘；5、隧道管片内侧。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例1：如图1至3所示，一种适用于不同地层和埋深的盾构机掘进是否安全的计算方法，包括以下步骤：
(1)根据不同地层条件计算盾构机在掘进过程中土体与盾构机壳体之间的摩擦力P1，单位：kN，具体包括以下两种情况：
(a)当盾构机在无自稳性或自稳性较差的软土地层中掘进时，
软土地层土体与盾构机壳体1之间的摩擦力为P1a，计算公式为：
Figure BDA0002473949750000041
其中，c为盾体与土体接触系数，与刀盘超挖量、地质、掘进速度、外载荷情况有关、可通过理论分析和现场岩土试验综合给出，取值范围为：0＜c＜1；
Figure BDA0002473949750000042
为土体与盾壳钢板之间的摩擦系数；A为盾构机壳体1的外径，单位：m；L为盾体的长度，单位：m；F1为盾构机顶部所受垂直土压力，单位：kN/m2；F2为地层对盾构机底部的抗力，单位：kN/m2；F3为盾构机顶部的侧向土压力，单位：kN/m2；F4为盾构机底部侧向土压力，单位为：kN/m2；
(b)当盾构机在岩石地层中进行掘进时，硬质地层土体与盾构机壳体1之间的摩擦力为P1b，计算公式为：
Figure BDA0002473949750000043
其中，
Figure BDA0002473949750000044
为硬质土体与盾壳钢板之间的摩擦系数，M盾构机质量，单位为：Kg；
P1取两者中的较小值，即：P1＝min(P1a，P1b)；同一隧道中，可能会遇到软土或岩层等不同的地层，取两种地层的最小阻力值作为计算参数，才能保证盾构机在隧道中的安全掘进。
(2)计算管片与盾构机壳体1之间的摩擦阻力P2，单位：kN，计算公式为：
Figure BDA0002473949750000045
其中，
Figure BDA0002473949750000046
为管片与盾构机壳体之间的摩擦系数，MS为环管片的重量，单位：kN；
(3)计算盾构机上其它结构或机构提供的反向扭矩Pf，单位：kN·m；计算公式为：Pf＝Mf1×d1+Mf2×d2+Mf3×d3+…Mfn×dn，其中Mf1、Mf2，Mf3.......，Mfn表示盾构机上其它结构或机构的重量(kN)，d1、d2、d3.......、dn表示盾构机上其它结构或机构的重心到盾构机重心的水平投影距离，其中产生与盾构机刀盘4扭矩相反的扭矩时取正值，产生与盾构机刀盘4扭矩相同的扭矩时取负值，单位：m；
(4)根据公式Pmax＝1/k(P1T1+P2T2+nP3T3+Pf)，计算盾构机的抗扭转力矩Pmax，其中，k为掘进安全系数，与地层条件、覆土深度、隧道埋深、断面面积、盾构自重有关，可通过理论分析和现场岩土试验综合给出；
T1为盾构机壳体1半径或等效半径，单位：m；
T2为管片环外圆半径，单位：m；
T3为管片环中心圆半径，单位：m；
n为盾构机顶推进液压缸3的数量；
P3为单个推进液压缸3允许的最大侧向力，单位：kN；T1、T2、T3的标注如图2所示，隧道管片外侧2、隧道管片内侧5的标注，如图3所示。
(5)将Pmax和Mmax进行比较，以对盾构机掘进是否安全进行判断，其中，Mmax为土体对盾构机刀盘旋转产生的阻力扭矩，可取主驱动正常运行时输出扭矩，由设备厂家提供，单位为：kN·m，当Pmax≥Mmax时，表示盾构机掘进安全。
其中，在本实施例1中各力矩：Mmax、P1T1、P2T2、nP3T3、Pf对应于盾构机刀盘转动方向的标注示意，如图2所示。
在所述步骤(1)中，不同地层条件下，土体与盾壳钢板之间的摩擦系数
Figure BDA0002473949750000058
可通过实验取得，如无试验数据，可参考经验取值范围如表1所示。
表1：不同土体类型与盾壳钢板之间的摩擦系数
Figure BDA0002473949750000051
取值范围表：
地层土体类型 摩擦系数
砾石 0.3～0.8
砂石 0.2～0.7
亚粘土 0.1～0.6
粉砂 0.05～0.55
粘土 0.1～0.45
在本实施例1中，具体计算时，当所述软土地层为粉砂时，
Figure BDA0002473949750000052
取值为0.3；当所述软土地层为粘土时，
Figure BDA0002473949750000053
取值为0.2；当所述软土地层为亚粘土时，
Figure BDA0002473949750000054
取值为0.35；当所述硬质地层为砂石时，
Figure BDA0002473949750000055
取值为0.45；当所述硬质地层为砾石时，
Figure BDA0002473949750000056
取值为0.55。
在本发明所述步骤(2)中，管片与盾构机壳体之间的摩擦系数
Figure BDA0002473949750000057
取值为0.5。在本发明实施例1中，所述步骤(4)中，掘进安全系数k，取值范围k≥1.2。
在本发明实施例1所述的适用于不同地层和埋深的盾构机掘进是否安全的计算方法中，通过同时考虑盾构机在隧道掘进过程中，不同土体与盾构机壳体1之间的摩擦力P1、环管片与盾构机壳体1之间的摩擦力P2、单个推进液压缸3允许的最大侧向力P3、盾构机上其它结构或机构提供的方向扭矩Pf、管片环外圆半径T2、管片环中心圆半径T3、盾构机壳体1半径或等效半径T1、盾构机推进液压缸3的数量n来计算盾构机的最大抗扭转力矩Pmax，并将其和盾构机主驱动正常运行时输出扭矩Mmax进行比较，当Pmax≥Mmax时，表示盾构机掘进安全。
在本发明实施例1所述的适用于不同地层和埋深的盾构机掘进是否安全的计算方法中，公式Pmax＝1/k(P1T1+P2T2+nP3T3+Pf)以及公式中的各个参数均为盾构机的设计、制造提供了一定的理论基础，同时为盾构机的施工安全提供了一定的保障。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种适用于不同地层和埋深的盾构机掘进是否安全的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据不同地层条件计算盾构机在掘进过程中土体与盾构机壳体之间的摩擦力P1，单位：kN，具体包括以下两种情况：
(a)当盾构机在无自稳性或自稳性较差的软土地层中掘进时，软土地层土体与盾构机壳体之间的摩擦力为P1a，计算公式为：
Figure FDA0002473949740000011
其中，c为盾体与土体接触系数(0＜c＜1)；
Figure FDA0002473949740000012
为土体与盾壳钢板之间的摩擦系数；A为盾构机壳体的外径，单位：m；L为盾体的长度，单位：m；F1为盾构机顶部所受垂直土压力，单位：kN/m2；F2为地层对盾构机底部的抗力，单位：kN/m2；F3为盾构机顶部的侧向土压力，单位：kN/m2；F4为盾构机底部侧向土压力，单位为：kN/m2；
(b)当盾构机在岩石地层中进行掘进时，硬质地层土体与盾构机壳体之间的摩擦力为P1b，计算公式为：
Figure FDA0002473949740000013
其中，
Figure FDA0002473949740000014
为硬质土体与盾壳钢板之间的摩擦系数，M盾构机质量，单位为：Kg；
P1取两者中的较小值，即：P1＝min(P1a，P1b)；
(2)计算管片与盾构机壳体之间的摩擦阻力P2，单位：kN，计算公式为：
Figure FDA0002473949740000015
其中，
Figure FDA0002473949740000016
为管片与盾构机壳体之间的摩擦系数，MS为环管片的重量，单位：kN；
(3)计算盾构机上其它结构或机构提供的反向扭矩Pf，单位：kN·m；计算公式为：Pf＝Mf1×d1+Mf2×d2+Mf3×d3+…Mfn×dn，其中Mf1、Mf2，Mf3……，Mfn表示盾构机上其它结构或机构的重量(kN)，d1、d2、d3……、dn表示盾构机上其它结构或机构的重心到盾构机重心的水平投影距离，其中产生与盾构机刀盘扭矩相反的扭矩时取正值，产生与盾构机刀盘扭矩相同的扭矩时取负值，单位：m；
(4)根据公式Pmax＝1/k(P1T1+P2T2+nP3T3+Pf)，计算盾构机的最大抗扭转力矩Pmax，其中，k为掘进安全系数；T1为盾构机壳体半径或等效半径，单位：m；T2为管片环外圆半径，单位：m；n为盾构机顶推进液压缸的数量；P3为单个推进液压缸允许的最大侧向力，单位：kN；T3为管片环中心圆半径，单位：m；
(5)将Pmax和Mmax进行比较，以对盾构机掘进是否安全进行判断，其中，Mmax为土体对盾构机刀盘旋转产生的阻力扭矩，取盾构机主驱动正常运行时的输出扭矩，单位为：kN·m，当Pmax≥Mmax时，表示盾构机掘进安全。
2.根据权利要求1所述的一种适用于不同地层和埋深的盾构机掘进是否安全的计算方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，当所述软土地层为粉砂时，
Figure FDA0002473949740000021
取值范围为0.05～0.55；当所述软土地层为粘土时，
Figure FDA0002473949740000022
取值范围为0.1～0.45；当所述软土地层为亚粘土时，
Figure FDA0002473949740000023
取值范围为0.1～0.6；当所述硬质地层为砂石时，
Figure FDA0002473949740000024
取值范围为0.2～0.7；当所述硬质地层为砾石时，
Figure FDA0002473949740000025
取值范围为0.3～0.8。
3.根据权利要求1所述的一种适用于不同地层和埋深的盾构机掘进是否安全的计算方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，管片与盾构机壳体之间的摩擦系数
Figure FDA0002473949740000026
取值范围为0.3～0.7。
4.根据权利要求1所述的一种适用于不同地层和埋深的盾构机掘进是否安全的计算方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，掘进安全系数k，取值范围k≥1.2。
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