分层地质中盾构机推进油缸垂直分区压力配比的确定方法.pdf

一种分层地质中盾构推进油缸垂直分区压力配比的确定方法，包括如下步骤：计算地质不均引起的偏心矩Mv：计算A区推进油缸的位置偏移量RA：计算C区推进油缸的位置偏移量RC：计算C区与A区推进油缸压力的配比值λCA：本发明改善了原有经验控制方式的滞后性和不确定性，能够为保证盾构机在复杂地层条件下高效安全的掘进提供科学的数据依据。

1.  一种分层地质中盾构推进油缸垂直分区压力配比的确定方法，其特征在于，包括如 下步骤：
1)计算地质不均引起的偏心矩M_v：
M v = Σ i = 1 n [ ( 1 - η ) E i h i y i δ 1 - μ i 2 + ( 1 - η ) K 0 i γ i y i h i ( H - y i ) x i ] - RWf 1 - RW b f 2 ]]>
式中：n表示掘进面地质分层数；h_i为第i层的厚度，单位m；y_i为第i层地质的中心 与掘进面中心的高度差，单位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，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；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，单位kN/m³；δ为刀盘每转切入深度，单 位m/rev；η为刀盘开口率；H为地表至盾构中心轴线处埋深，单位m；W为盾体重量，单 位吨；W_b为后续设备重量，单位吨；f₁为盾壳与土体间摩擦系数；f₂为后续设备与轨道间 摩擦系数；R为刀盘半径，单位m；
2)计算A区推进油缸的位置偏移量R_A：
R A = Σ i = 1 n r Ai ]]>
式中：r_Ai为A区第i个推进油缸至盾构机中心轴线的垂直距离，单位m；n为A区推进油 缸的总个数；
3)计算C区推进油缸的位置偏移量R_C：
R C = Σ j = 1 m r cj ]]>
式中：r_cj为C区第j个推进油缸至盾构机中心轴线的垂直距离，单位m；m为C区推进油 缸的总个数；
4)计算C区与A区推进油缸压力的配比值λ_CA：
λ CA = R A R C - 4 M v π D h 2 PR C ]]>
式中：D_h为单个油缸直径，单位mm；P为A区油缸基准压力，单位kPa。

分层地质中盾构机推进油缸垂直分区压力配比的确定方法
技术领域
本发明涉及一种分层地质中盾构机推进油缸垂直分区压力配比。特别是涉及一种分层地 质中盾构机推进油缸垂直分区压力配比的确定方法。
背景技术
盾构机是地下工程中的典型掘进装备，具有结构复杂、体积庞大、重型巨载等特点，目 前已被广泛应用于各类隧道工程建设中。在大多数隧道工程中，掘进界面土体由于自然沉积 等原因自上而下分为若干地质层，加之土体本身的自重，均会引起掘进界面上土体在垂直方 向存在压力梯度。因此当盾构机在分层地质中掘进时，装备在垂直方向有偏移趋势，需要通 过推进油缸A区和C区(垂直方向的两个分区)的压力配比设定来实现装备在垂直方向的控 制。目前，垂直推进油缸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，可能导致盾构机发生偏移或 下沉，造成较大的损失。因此，分层地质中盾构机推进油缸垂直分区压力配比的确定方法， 是盾构机施工领域急需解决的问题。
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 分层地质中盾构机推进油缸垂直分区压力配比的确定方法。
本发明所采用的技术方案是：一种分层地质中盾构推进油缸垂直分区压力配比的确定方 法，包括如下步骤：
1)计算地质不均引起的偏心矩M_v：
M v = Σ i = 1 n [ ( 1 - η ) E i h i y i δ 1 - μ i 2 + ( 1 - η ) K 0 i γ i y i h i ( H - y i ) x i ] - RWf 1 - RW b f 2 ]]>
式中：n表示掘进面地质分层数；h_i为第i层的厚度，单位m；y_i为第i层地质的中心与 掘进面中心的高度差，单位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，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；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，单位kN/m³；δ为刀盘每转切入深度，单位m/rev； η为刀盘开口率；H为地表至盾构中心轴线处埋深，单位m；W为盾体重量，单位吨；W_b为 后续设备重量，单位吨；f₁为盾壳与土体间摩擦系数；f₂为后续设备与轨道间摩擦系数；R为 刀盘半径，单位m；
2)计算A区推进油缸的位置偏移量R_A：
R A = Σ i = 1 n r Ai ]]>
式中：r_Ai为A区第i个推进油缸至盾构机中心轴线的垂直距离，单位m；n为A区推进油缸 的总个数；
3)计算C区推进油缸的位置偏移量R_C：
R C = Σ j = 1 m r cj ]]>
式中：r_cj为C区第j个推进油缸至盾构机中心轴线的垂直距离，单位m；m为C区推进油缸 的总个数；
4)计算C区与A区推进油缸压力的配比值λ_CA：
λ CA = R A R C - 4 M v π D h 2 PR C ]]>
式中：D_h为单个油缸直径，单位mm；P为A区油缸基准压力，单位kPa。
本发明的分层地质中盾构机推进油缸垂直分区压力配比的确定方法，当盾构机在分层地 质中掘进时，可根据工程沿线地质分层情况，预先确定工程全线的推进油缸垂直分区压力配 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，能够为保证盾构机在复 杂地层条件下高效安全的掘进提供科学的数据依据。
附图说明
图1是本发明中盾构推进油缸垂直分区位置示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的分层地质中盾构推进油缸垂直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。
本发明的分层地质中盾构推进油缸垂直分区压力配比的确定方法，包括如下步骤：
1)计算地质不均引起的偏心矩M_v：
M v = Σ i = 1 n [ ( 1 - η ) E i h i y i δ 1 - μ i 2 + ( 1 - η ) K 0 i γ i y i h i ( H - y i ) x i ] - RWf 1 - RW b f 2 ]]>
式中：n表示掘进面地质分层数；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)；δ为刀盘每转切入深度(m/rev)；η为刀盘开口率；H为地表至盾 构中心轴线处埋深(m)；W为盾体重量(吨)；W_b为后续设备重量(吨)；f₁为盾壳与土体间摩擦 系数；f₂为后续设备与轨道间摩擦系数；R为刀盘半径(m)；
2)计算A区推进油缸的位置偏移量R_A：
R A = Σ i = 1 n r Ai ]]>
式中：r_Ai为A区第i个推进油缸至盾构机中心轴线的垂直距离(m)；n为A区推进油缸 的总个数；
3)计算C区推进油缸的位置偏移量R_C：
R C = Σ j = 1 m r cj ]]>
式中：r_cj为C区第j个推进油缸至盾构机中心轴线的垂直距离(m)；m为C区推进油缸 的总个数；
4)计算C区与A区推进油缸压力的配比值λ_CA：
λ CA = R A R C - 4 M v π D h 2 PR C ]]>
式中：D_h为单个油缸直径(mm)；P为A区油缸基准压力(kPa)。
下面以某地铁工程作为实施例。
该工程所使用的盾构机结构参数如下：刀盘开口率η＝44％，刀盘半径R＝3.2m，盾体 重量W＝100吨，后续设备重量W_b＝120吨，单个油缸直径D_h＝440mm，A区共有6个油缸， 各油缸至盾构中心轴线的垂直距离分别为r_A1＝2.12m，r_A2＝2.74m，r_A3＝2.96m，r_A4＝2.96m， r_A5＝2.74m，r_A6＝2.12m，C区共有6个油缸，各油缸至盾构中心轴线的垂直距离分别为 r_C1＝2.12m，r_C2＝2.74m，r_C3＝2.96m，r_C4＝2.96m，r_C5＝2.74m，r_C6＝2.12m。该工程掘进 到第200环时处于分层地质中，以掘进到该环时的地质条件与操作状态为例给出确定盾构机 推进油缸垂直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200环处的地质参数如下：开挖面 自上而下共分n＝4层。第1层为淤泥质粉质粘土：弹性模量E₁＝4.4MPa，泊松比μ₁＝0.44， 静止土压力系数K₀₁＝0.6，土体容重γ₁＝18.7kN/m³，地质层厚度h₁＝1.0m，高度差y₁＝2.7m， 宽度x₁＝3.4m。第2层为粉质粘土：E₂＝5.5MPa，μ₂＝0.29，K₀₂＝0.4，γ₂＝19.9kN/m³， h₂＝2.2m，y₂＝1.1，x₂＝6.0m。第3层为砂质粘土：E₃＝18.0MPa，μ₃＝0.29，K₀₃＝0.4， γ₃＝25.9kN/m³，h₃＝1.8m，y₃＝-0.9m，x₃＝6.2m。第4层为砾质粘土：E₄＝20MPa， μ₄＝0.30，K₀₄＝0.4，γ₄＝26.9kN/m³，h₄＝1.4m，y₄＝-2.5m，x₄＝4.0m。此外，盾壳与 土体间摩擦系数f₁＝0.2，后续设备与轨道间摩擦系数f₂＝0.2。
计算中所涉及的操作参数均由盾构机自动记录，该工程掘进至第200环处时的操作参数 如下，刀盘每转切入深度δ＝0.06m/rev，地表至掘进机中心线埋深H＝13.8m，A区油缸基 准压力P＝5.2MPa。
第一步计算地质不均引起的偏心矩M_v：
由 M v = Σ i = 1 n [ ( 1 - η ) E i h i y i δ 1 - μ i 2 + ( 1 - η ) K 0 i γ i y i h i ( H - y i ) x i ] - RWf 1 - RW b f 2 , ]]>得到 M_v＝5453.09kNm；
第二步计算A区推进油缸的位置偏移量R_A：
由得到R_A＝15.64m；
第三步计算C区推进油缸的位置偏移量R_C：
由得到R_C＝15.64m；
第四步计算C区与A区推进油缸压力的配比值λ_CA：
由 λ CA = R A R C - 4 M v π D h 2 PR C , ]]>得到λ_CA＝1.44。
至此，已计算出该地铁工程掘进至第200环处时，C区与A区推进油缸压力的配比值 λ_CA＝1.44。掘进至200环处时C区油缸压力应调整为A区油缸基准压力P＝5.2MPa的1.44 倍，即7.5MPa。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推进油缸 垂直分区压力的定量控制目标，为盾构机施工提供科学有效的数据依据。