左右转向时盾构推进油缸水平分区压力配比的确定方法.pdf

一种左右转向时盾构推进油缸水平分区压力配比的确定方法，包括：1)计算盾构机左右转向时的回转弯矩Mh；2)计算B区推进油缸的位置偏移量RB；3)计算D区推进油缸的位置偏移量RD；4)计算D区与B区推进油缸压力的配比值：式中：Dh为单个油缸直径，单位mm；P′为B区油缸基准压力，单位kPa。本发明当盾构机掘进中伴有左右转向时，可根据地质条件、掘进速度及掘进轨迹，确定工程全线的推进油缸水平分区压力配比的定量控制目标，改善了原有经验控制方式的滞后性和不确定性，为维持盾构机高效安全的沿预设路线掘进提供科学的数据依据。

1.  一种左右转向时盾构推进油缸水平分区压力配比的确定方法，其特征在于，包括如 下步骤：
1)计算盾构机左右转向时的回转弯矩M_h：
M h = Σ i = 1 n [ ( 1 - η ) E i h i x i 2 tan β 8 ( 1 - μ i 2 ) ] + E ‾ RL 2 tan β 3 ( 1 - μ ‾ 2 ) ]]>
式中：n表示掘进面地质分层数；h_i为第i层地质的厚度，单位m；x_i为掘进面第i层地 质中心的宽度，单位m；E_i为掘进面第i层土体的弹性模量单位MPa；μ_i为掘进面第i层土 体的泊松比；为掘进面土体的平均弹性模量，单位MPa；为掘进面土体的平均泊松比； β为刀盘回转角，单位度，盾构机左转时回转角为正值，右转时回转角为负值；R为刀盘半 径，单位m；η为刀盘开口率；L为盾壳长度，单位m；
2)计算B区推进油缸的位置偏移量R_B：
R B = Σ j = 1 m r Bj ]]>
式中：r_Bj为B区第j个推进油缸至盾构机中心轴线的水平距离，单位m；m为B区推 进油缸的总个数；
3)计算D区推进油缸的位置偏移量R_D：
R D = Σ i = 1 n r Di ]]>
式中：r_Di为D区第i个推进油缸至盾构机中心轴线的水平距离，单位m；n为D区推 进油缸的总个数；
4)计算D区与B区推进油缸压力的配比值λ_DB：
λ DB = 4 M h π D h 2 P ′ R D + R B R D ]]>
式中：D_h为单个油缸直径，单位mm；P′为B区油缸基准压力，单位kPa。

左右转向时盾构推进油缸水平分区压力配比的确定方法
技术领域
本发明涉及一盾构推进油缸水平分区压力配比。特别是涉及一种左右转向时盾构推进油 缸水平分区压力配比的确定方法。
背景技术
近年来，随着许多城市大力发展地下交通建设，盾构施工法作为一种暗挖隧道方法、以 其对周围环境扰动小等优点被广泛应用于地铁工程施工。在盾构机掘进过程中，其推进油缸 不同分区的压力配比需根据地质条件、掘进速度及掘进轨迹的变化等多种因素确定。当盾构 机掘进中伴随左右转向时，需要准确设定并实时调整推进油缸B区和D区(水平方向的两个 分区)的压力匹配来实现装备在水平方向的控制，保证盾构机按照预设路线掘进。目前，该 推进油缸水平分区压力的配比设定与调整主要依靠盾构机操纵人员的经验，在某些地质条件 变化剧烈的施工段，由于缺乏定量的参数控制依据，可能导致盾构机实际掘进轨迹与预设线 路发生偏离，造成较大的损失。因此，提出一种左右转向时盾构机推进油缸水平分区压力配 比的确定方法，早已成为盾构机施工领域之急需。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够为盾构机施工提供可靠的参数控制依据的 左右转向时盾构推进油缸水平分区压力配比的确定方法。
本发明所采用的技术方案是：一种左右转向时盾构推进油缸水平分区压力配比的确定方 法，包括如下步骤：
1)计算盾构机左右转向时的回转弯矩M_h：
M h = Σ i = 1 n [ ( 1 - η ) E i h i x i 2 tan β 8 ( 1 - μ i 2 ) ] + E ‾ R L 2 tan β 3 ( 1 - μ ‾ 2 ) ]]>
式中：n表示掘进面地质分层数；h_i为第i层地质的厚度，单位m；x_i为掘进面第i层地 质中心的宽度，单位m；E_i为掘进面第i层土体的弹性模量单位MPa；μ_i为掘进面第i层土 体的泊松比；为掘进面土体的平均弹性模量，单位MPa；为掘进面土体的平均泊松比；β 为刀盘回转角，单位度，盾构机左转时回转角为正值，右转时回转角为负值；R为刀盘半径， 单位m；η为刀盘开口率；L为盾壳长度，单位m；
2)计算B区推进油缸的位置偏移量R_B：
R B = Σ j = 1 m r Bj ]]>
式中：r_Bj为B区第j个推进油缸至盾构机中心轴线的水平距离，单位m；m为B区推进 油缸的总个数；
3)计算D区推进油缸的位置偏移量R_D：
R D = Σ i = 1 n r Di ]]>
式中：r_Di为D区第i个推进油缸至盾构机中心轴线的水平距离，单位m；n为D区推进 油缸的总个数；
4)计算D区与B区推进油缸压力的配比值λ_DB：
λ DB = 4 M h π D h 2 P ′ R D + R B R D ]]>
式中：D_h为单个油缸直径，单位mm；P′为B区油缸基准压力，单位kPa。
本发明的左右转向时盾构推进油缸水平分区压力配比的确定方法，当盾构机掘进中伴有 左右转向时，可根据地质条件、掘进速度及掘进轨迹，确定工程全线的推进油缸水平分区压 力配比的定量控制目标，改善了原有经验控制方式的滞后性和不确定性，为维持盾构机高效 安全的沿预设路线掘进提供科学的数据依据。
附图说明
图1是本发明中盾构机推进油缸水平分区位置示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的左右转向时盾构推进油缸水平分区压力配比的确定方 法做出详细说明，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。
本发明的左右转向时盾构推进油缸水平分区压力配比的确定方法，包括如下步骤：
1)计算盾构机左右转向时的回转弯矩M_h：
M h = Σ i = 1 n [ ( 1 - η ) E i h i x i 2 tan β 8 ( 1 - μ i 2 ) ] + E ‾ R L 2 tan β 3 ( 1 - μ ‾ 2 ) ]]>
式中：n表示掘进面地质分层数；h_i为第i层地质的厚度，单位m；x_i为掘进面第i层地 质中心的宽度，单位m；E_i为掘进面第i层土体的弹性模量单位MPa；μ_i为掘进面第i层土 体的泊松比；为掘进面土体的平均弹性模量，单位MPa；为掘进面土体的平均泊松比；β 为刀盘回转角，单位度(°)，盾构机左转时回转角为正值，右转时回转角为负值；R为刀盘 半径，单位m；η为刀盘开口率；L为盾壳长度，单位m；
2)计算B区推进油缸的位置偏移量R_B：
R B = Σ j = 1 m r Bj ]]>
式中：r_Bj为B区第j个推进油缸至盾构机中心轴线的水平距离，单位m；m为B区推进 油缸的总个数；
3)计算D区推进油缸的位置偏移量R_D：
R D = Σ i = 1 n r Di ]]>
式中：r_Di为D区第i个推进油缸至盾构机中心轴线的水平距离，单位m；n为D区推进 油缸的总个数；
4)计算D区与B区推进油缸压力的配比值λ_DB：
λ DB = 4 M h π D h 2 P ′ R D + R B R D ]]>
式中：D_h为单个油缸直径，单位mm；P′为B区油缸基准压力，单位kPa。
下面是具体实例：
本实例的工程所使用的盾构机结构参数如下：刀盘半径R＝3.2m，刀盘开口率η＝44％， 盾壳长度L＝8.2m，单个油缸直径D_h＝450mm，B区共有5个油缸，各油缸至盾构机中心轴 线的水平距离分别为r_B1＝2.56m，r_B2＝2.78m，r_B3＝2.91m，r_B4＝2.78m，r_B5＝2.56m，D区 共有5个油缸，各油缸至盾构机中心轴线的水平距离分别为r_D1＝2.56m，r_D2＝2.78m， r_D3＝2.91m，r_D4＝2.78m，r_D5＝2.56m。该工程掘进到第150环时伴有左右调向，因此以掘 进到该环时的地质条件与操作状态为例，给出计算盾构机掘进到该环时所需推进油缸水平分 区压力配比的详细步骤，其他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150环处的地质参数如下：开挖面 地质共分n＝4层，第1层为粉土：弹性模量E₁＝7.6MPa，泊松比μ₁＝0.29，地质层厚度 h₁＝0.5m，宽度x₁＝2.4m。第2层为砾质粘土：E₂＝20MPa，μ₂＝0.30，h₂＝2.7m，x₂＝5.8m。 第3层为砂质粘土：E₃＝18.0MPa，μ₃＝0.29，h₃＝2.3m，x₃＝6.0m。第4层为粉砂： E₄＝8.9MPa，μ₄＝0.23，h₄＝0.9m，x₄＝3.2m。此外，平均弹性模量平均 泊松比
计算中所涉及的操作参数由盾构机自动记录，该工程掘进至第150环处时回转角β＝1°， B区油缸基准压力P′＝12.8MPa。
第一步计算盾构机左右转向时的回转弯矩M_h：
将上述相关参数代入公式 M h = Σ i = 1 n [ ( 1 - η ) E i h i x i 2 tan β 8 ( 1 - μ i 2 ) ] + E ‾ R L 2 tan β 3 ( 1 - μ ‾ 2 ) , ]]>可得：
M_h＝27465.89kNm；
第二步计算B区推进油缸的位置偏移量R_B：
将上述相关参数代入公式可得R_B＝13.59m；
第三步计算D区推进油缸的位置偏移量R_D：
将上述相关参数代入公式可得R_D＝13.59m；
第四步计算D区与B区推进油缸压力的配比值λ_DB：
将上述相关参数和第一步～第三步的结果代入公式可得λ_DB＝1.99。
至此，已计算出该地铁工程掘进至第150环处时，D区与B区推进油缸压力的配比值 λ_DB＝1.99。掘进至150环处时D区油缸压力应为B区油缸基准压力P′＝12.8MPa的1.99倍， 即25.5MPa。其余各环均可按照相同方法计算，由此可预先确定整个工程标段中的推进油缸 水平分区压力的定量控制目标，为保证盾构机沿预定路线掘进提供科学有效的数据依据。