盾构掘进中沿深度方向调向时俯仰弯矩的计算方法

摘要

本发明提出了一种盾构掘进中沿深度方向调向时俯仰弯矩的计算方法，为盾构施工提供科学有效的参数控制依据。计算方法分为四个步骤：(1)计算沿深度方向调向时刀盘的俯仰弯矩M1；(2)计算沿深度方向调向时盾壳挤压土体形成的俯仰弯矩M2；(3)计算沿深度方向调向时盾壳摩擦形成的俯仰弯矩M3；(4)计算沿深度方向调向时牵引后续设备形成的俯仰弯矩M4，总俯仰弯矩M＝M1+M2+M3+M4。当盾构机在上下分层地质条件中掘进时，本发明可根据工程沿线地质分层情况及预设掘进轨迹，预先确定工程全线的俯仰弯矩控制目标，并可随着掘进过程中地质条件和操作状态的改变随时进行调整，改善了原有控制方法的滞后性，为维持盾构高效安全的沿预设路线掘进提供科学有效的数据依据。

主权项

1.盾构掘进中沿深度方向调向时俯仰弯矩的计算方法，其特征在于具体计算分为以下四个步骤：(1)计算沿深度方向调向时刀盘的俯仰弯矩M₁；$M_1=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}[\frac{(1-\eta )E_i{h}_i{y}_i(\delta +y_i\tan \alpha )}{1-{{\mu }_i}^2}+(1-\eta )K_{0i}{\gamma }_i{y}_i{h}_i(H-y_i)x_i]$式中：n表示设定的掘进面自上而下地质层数；h_i为第i层的厚度(m)；y_i为第i层地质的中心与掘进面中心的高度差(m)，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；x_i为掘进面上第i层地质中心的宽度(m)；E_i为掘进面第i层土体的弹性模量(MPa)；μ_i为掘进面第i层土体的泊松比；K_0i为掘进面第i层土体的静止土压力系数；γ_i为掘进面上第i层土体的容重(kN/m³)；α为刀盘俯仰角(°)，盾构下俯时俯仰角为正值，上仰时俯仰角为负值；δ为刀盘每转切入深度(m/r)，η为刀盘开口率，H为地表至盾构中心轴线处埋深(m)，(2)计算沿深度方向调向时盾壳挤压土体形成的俯仰弯矩M₂；$M_2=\frac{\bar{E}R{L}^2\tan \alpha }{3(1-{\bar{\mu }}^2)}$式中R为刀盘半径(m)；L为盾壳长度(m)；为掘进面土体的平均弹性模量(MPa)；为掘进面土体的平均泊松比，(3)计算沿深度方向调向时盾壳摩擦形成的俯仰弯矩M₃；M₃＝-RWf₁式中W为盾体重量(吨)；f₁为盾壳与土体间摩擦系数，(4)计算沿深度方向调向时牵引后续设备形成的俯仰弯矩M₄；M₄＝-RW_bf₂式中W_b为后续设备重量(吨)；f₂为后续设备与轨道间摩擦系数；沿深度方向调向时盾构总俯仰弯矩：M＝M₁+M₂+M₃+M₄总俯仰弯矩M的计算结果为正值时，需要给盾构刀盘施加一个使其下俯的弯矩以保证盾构按预设轨迹掘进，弯矩的大小为|M|，当M的计算结果为负值时，则需要施加一个使其上仰的弯矩，弯矩的大小亦为|M|。