一种小曲率半径盾构隧道推进参数确定方法

1.本技术涉及盾构隧道施工技术领域，特别涉及一种小曲率半径盾构隧道推进参数确定方法。


背景技术：

2.随着社会、经济的高速发展，城市化进程的不断加剧，对地面资源的利用趋于饱和，城市地下空间资源的开发和利用成为社会可持续发展的重要方向之一。盾构法隧道施工以其施工速度快、安全高效、对城市地面环境干扰小等优点而成为地铁等地下隧道建设的主要功法之一。然而，随着城市地下空间的进一步开发，受深基坑与地下管道等影响，地铁轴线设计有时会出现小半径曲线，对盾构施工控制技术提出了更高的要求。
3.小曲率半径隧道轴线控制难度大。由于盾构机本身为直线型刚体，为了使隧道轴线与设计轴线拟合，因而，推进过程中需要进行连续纠偏，以精准地控制盾构机姿态。盾构机要依靠调整盾构推进压力实现曲线转弯和纠偏，隧道轴线半径越小，纠偏灵敏度越低，轴线就越难以控制，这极大地增加了轴线控制和纠偏难度。
4.在实际工程中，通常依据施工经验进行调整千斤顶力系分配，增加了施工难度，同时存在极大的安全隐患。因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。


技术实现要素：

5.本技术的目的在于提供一种小曲率半径盾构隧道推进参数确定方法，以解决或缓解上述现有技术中存在的问题。
6.为了实现上述目的，本技术提供如下技术方案：
7.本技术提供了一种小曲率半径盾构隧道推进参数确定方法，包括：步骤s1、根据所述小曲率半径盾构隧道盾构机推进时，所述盾构机与土体的摩擦系数、所述小曲率半径盾构隧道的土体浮容重、所述盾构机的法向土压力系数、所述盾构机的等效容重，基于预设的盾周土压力模型，确定所述小曲率半径盾构隧道盾构机推进时的盾周土压力；步骤s2、根据所述小曲率半径盾构隧道盾构机推进时，所述盾构机的正面土压力调整系数、所述盾构机的静止土压力系数、所述盾构机的水压力系数，基于预设的盾头土压力模型，确定所述小曲率半径盾构隧道盾构机推进时的盾头土压力；步骤s3、根据所述小曲率半径盾构隧道盾构机推进时的盾周土压力和所述小曲率半径盾构隧道盾构机推进时的盾头土压力，确定所述小曲率半径盾构隧道盾构机推进时的千斤顶总推力；步骤s4、根据所述小曲率半径盾构隧道的土体弹簧常数、所述盾构机转动过一次的转角，基于预设的推进转矩模型，确定所述小曲率半径盾构隧道盾构机推进时的转矩。
8.优选的，在步骤s1中，基于预设的盾周土压力模型：
[0009][0010]
计算所述小曲率半径盾构隧道盾构机推进时的盾周土压力f
s
；
[0011]
其中，μ表示所述小曲率半径盾构与土体的摩擦系数；l表示盾构机的总长度；γ
′
表示所述小曲率半径盾构隧道的土体浮容重；k
θ
表示盾构机的法向土压力系数；d表示盾构机的刀盘直径；h表示所述小曲率半径盾构隧道的土层厚度；γ
′
ε
表示盾构机的等效容重；θ表示所述盾构机的刀盘上的任一点与水平面的夹角。
[0012]
优选的，在步骤s1中，按照公式：
[0013][0014]
计算盾构机的法向土压系数k
θ
；
[0015]
其中，k
h
为所述盾构机周围水平向土压力系数；k
v
表示所述盾构机周围竖向土压力系数。
[0016]
优选的，在步骤s2中，基于预设的盾头土压力模型：
[0017][0018]
计算所述小曲率半径盾构隧道盾构机推进时的盾头土压力f
head
；
[0019]
其中，λ表示盾构机的正面土压力调整系数；d表示盾构机的刀盘直径；k0表示盾构机的静止土压力系数，机的静止土压力系数，为土体内摩擦角；γ
′
表示所述小曲率半径盾构隧道的土体浮容重；k
w
表示盾构机的水压力系数；γ
w
表示水容重；h表示所述小曲率半径盾构隧道的土层厚度。
[0020]
优选的，在步骤s2中，在砂土和粉土地层，所述盾构机的水压力系数k
w
＝1；在黏性土层，所述盾构机的水压力系数k
w
＝k0。
[0021]
优选的，土层为粘性土时，所述盾构机的正面土压力调整系数λ的取值范围为[1.05，1.12]。
[0022]
优选的，在步骤s3中，所述根据所述小曲率半径盾构隧道盾构机推进时的盾周土压力和所述小曲率半径盾构隧道盾构机推进时的盾头土压力，确定所述小曲率半径盾构隧道盾构机推进时的千斤顶总推力，具体为：对所述小曲率半径盾构隧道盾构机推进时的盾周土压力和所述小曲率半径盾构隧道盾构机推进时的盾头土压力进行和运算，确定所述小曲率半径盾构隧道盾构机推进时的千斤顶总推力。
[0023]
优选的，在步骤s4中，基于预设的推进转矩模型：
[0024][0025]
计算所述小曲率半径盾构隧道盾构机推进时的转矩m；
[0026]
其中，k表示小曲率半径盾构隧道的土体弹簧常数；α表示盾构机转动过一次的转角；d表示盾构机的刀盘直径；l
f
表示盾构机的前盾长度。
[0027]
优选的，在步骤s4中，按照公式：
[0028][0029]
计算所述小曲率半径盾头隧道的土体弹簧常数k；
[0030]
其中，e
s
为土体弹性模型；e
p
为所述盾构机的弹性模型；i
p
为所述盾构机的惯性矩；v为土体的泊松比。
[0031]
优选的，所述小曲率半径盾构隧道推进参数的确定方法还包括：根据所述小曲率半径盾构隧道盾构机推进时的千斤顶总推力和所述盾构机推进时的转矩，对所述盾构机转动一次转角进行推力分配。
[0032]
与最接近的现有技术相比，本技术实施例的技术方案具有如下有益效果：
[0033]
本技术实施例的一种小曲率半径盾构隧道推进参数确定方法，综合考虑土层地质条件、装备结构对盾构机的影响，快速准确的计算出小曲率半径盾构隧道盾构机推进过程中的千斤顶总推力以及转矩，为小曲率半径盾构隧道盾构机的轨迹规划、纠偏等提供可靠的依据，有利于小曲率半径盾构隧道盾构机在施工过程中对转弯时的推力进行精确分配和实时调整。
附图说明
[0034]
构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。其中：
[0035]
图1为根据本技术的一些实施例提供的一种小曲率半径盾构隧道推进参数确定方法的流程示意图；
[0036]
图2为根据本技术的一些实施例提供的盾构机盾壳法向静止土压力；
[0037]
图3为根据本技术的一些实施例提供的盾构机盾头压力示意图；
[0038]
图4为根据本技术的一些实施例提供的盾构机曲线段盾周土压力增量俯视示意图；
[0039]
图5为根据本技术的一些实施例提供的盾构机曲线段盾头土压力增量俯视示意图；
[0040]
图6为根据本技术的一些实施例提供的一种小曲率半径盾构隧道推进参数确定系统的结构示意图。
具体实施方式
[0041]
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。各个示例通过本技术的解释的方式提供而非限制本技术。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本技术的范围或精神的情况下，可在本技术中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本技术包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
[0042]
在本技术的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术而不是要求本技术必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。本技术中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0043]
图1为根据本技术的一些实施例提供的一种小曲率半径盾构隧道推进参数确定方法的流程示意图；如图1所示，该小曲率半径盾构隧道推进参数确定方法包括：
[0044]
步骤s1、根据小曲率半径盾构隧道盾构机推进时，盾构机与土体的摩擦系数、小曲率半径盾构隧道的土体浮容重、盾构机的法向土压力系数、盾构机的等效容重，基于预设的盾周土压力模型，确定小曲率半径盾构隧道盾构机推进时的盾周土压力；
[0045]
在本技术实施例中，预设的盾周土压力模型如公式(1)所示，公式(1)如下：
[0046][0047]
其中，f
s
表示小曲率半径盾构隧道盾构机推进时的盾周土压力，单位为千牛(kn)；μ表示小曲率半径盾构与土体的摩擦系数，无量纲；l表示盾构机的总长度，单位为米(m)；γ
′
表示小曲率半径盾构隧道的土体浮容重，单位为千牛每立方米(kn/m3)；k
θ
表示盾构机的法向土压力系数，无量纲；d表示盾构机的刀盘直径，单位为米(m)；h表示小曲率半径盾构隧道的土层厚度，单位为米(m)；γ
′
ε
表示盾构机的等效容重，单位为千牛每立方米(kn/m3)；θ表示所述盾构机的刀盘上任一点与水平面的夹角。
[0048]
在本技术实施例中，盾构机的等效容重γ
′
ε
按照公式(2)确定，公式(2)如下：
[0049][0050]
其中，w为盾构机及其附属设备的重力，单位为千牛(kn)。
[0051]
在本技术实施例中，盾构机的法向土压力系数k
θ
按照(3)确定，公式(3)如下：
[0052][0053]
其中，k
h
为盾构机周围水平向土压力系数；k
v
表示盾构机周围竖向土压力系数。
[0054]
在本技术实施例中，对于竖向土压力系数k
v
，在软黏土地层中，定义隧道顶土压力等于上覆土柱重量，即竖向土压力等于土体的自重应力，因此，k
v
＝1。对于水平向土压力系数k
h
，通过试验获得或者采用k
h
＝k0，其中，k0为静止土压力系数(无量纲)。
[0055]
在本技术实施例中，静止土压力系数k
h
按照公式(4)确定，公式(4)如下：
[0056][0057]
其中，表示土体内摩擦角，单位为(rad)。在此，土体的内摩擦角通过对土体进行土工试验测得，在此，不再一一赘述。
[0058]
在本技术实施例中，盾构机的盾壳受到的法向静止土压力如图2所示，通过对盾壳
受到的法向土压力在圆周方向进行积分，即可获取小曲率半径盾构隧道盾构机推进时的盾周土压力f
s
。具体的，盾构机顶部受到的法向土压力为k
v
γ
′
h；盾构机侧面受到的法向土压力为盾构机底部受到的法向土压力为k
v
(γ
′
ε
h+γ
′
ε
d)。
[0059]
步骤s2、根据小曲率半径盾构隧道盾构机推进时，盾构机的正面土压力调整系数、盾构机的静止土压力系数、盾构机的水压力系数，基于预设的盾头土压力模型，确定小曲率半径盾构隧道盾构机推进时的盾头土压力；
[0060]
在本技术实施例中，预设的盾头土压力模型如公式(5)所示，公式(5)如下：
[0061][0062]
其中，f
head
表示小曲率半径盾构隧道盾构机推进时的盾头土压力，单位为千牛(kn)；λ表示盾构机的正面土压力调整系数，无量纲；d表示盾构机的刀盘直径，单位为米(m)；k0表示盾构机的静止土压力系数，无量纲，表示盾构机的静止土压力系数，无量纲，表示盾构机的静止土压力系数，无量纲，为土体内摩擦角；γ
′
表示小曲率半径盾构隧道的土体浮容重，单位为千牛每立方米(kn/m3)；k
w
表示盾构机的水压力系数，无量纲；γ
w
表示水容重，单位为千牛每立方米(kn/m3)；h表示小曲率半径盾构隧道的土层厚度，单位为米(m)。
[0063]
在本技术实施例中，对于盾构机的水压力系数k
w
，在砂土和粉土地层等渗透性较好的地层，盾构机的水压力系数k
w
＝1；在黏性土层，盾构机的水压力系数k
w
＝k0。对于盾构机的正面土压力调整系数λ，通常根据土体扰动后的性质变化、盾构机的推进速度和盾构机的超载状况等因素确定，在土层为粘性土时，盾构机的正面土压力调整系数λ的取值范围为[1.05，1.12]。
[0064]
在本技术实施例中，盾构机的盾头受到的压力如图3所示，通常情况下，盾构机的盾头(刀盘)受到土压(内部)和水压(外部)的共同作用，可知，刀盘顶部受到的压力为：(k0γ
′
h+k
w
γ
w
h)；刀盘底部受到的压力为：k0γ
′
(h+d)+k
w
γ
w
(h+d)，因而，刀盘中部受到的平均压力为：压力为：由刀盘中部受到的平均压力和刀盘面积，即可确定小曲率半径盾构隧道盾构机推进时的盾头土压力f
head
。在此，需要说明是，设定地下水位线(地下水面)与土平面平行。
[0065]
步骤s3、根据小曲率半径盾构隧道盾构机推进时的盾周土压力和小曲率半径盾构隧道盾构机推进时的盾头土压力，确定小曲率半径盾构隧道盾构机推进时的千斤顶总推力；
[0066]
在本技术实施例中，对小曲率半径盾构隧道盾构机推进时的盾周土压力和小曲率半径盾构隧道盾构机推进时的盾头土压力进行和运算，确定小曲率半径盾构隧道盾构机推进时的千斤顶总推力。具体的，盾构机推进时的千斤顶总推力f
jack
按照公式(6)确定，公式(6)如下：
[0067]
f
jack
＝f
s
+f
head
………………………………
(6)
[0068]
在本技术实施例中，盾构机在推进过程中，通常分块施加推进力(按面积划分，可分为左侧驱动力和右侧驱动力)，推进时的千斤顶总推力为左侧驱动力和右侧驱动力之和。
[0069]
步骤s4、根据小曲率半径盾构隧道的土体弹簧常数、盾构机转动过一次的转角，基
于预设的推进转矩模型，确定小曲率半径盾构隧道盾构机推进时的转矩。
[0070]
在本技术实施例中，预设的推进转矩模型如公式(7)所示，公式(7)如下：
[0071][0072]
其中，k表示小曲率半径盾构隧道的土体弹簧常数，单位为千牛每米(kn/m)；α表示盾构机转动过一次的转角，单位为(rad)；d表示盾构机的刀盘直径，单位为米(m)；l
f
表示盾构机的前盾长度，单位为米(m)。
[0073]
在本技术实施例中，对于小曲率半径盾构隧道的土体弹簧常数k，按照公式(8)确定，公式(8)如下：
[0074][0075]
其中，e
s
为土体弹性模量，单位为千帕(kpa)；e
p
为盾构机的弹性模量，单位为千帕(kpa)；i
p
为盾构机的惯性矩，单位为四次方米(m4)；v为土体的泊松比，无量纲。在此，盾构机的弹性模量与盾构机的材料(钢)相关，通常情况下，盾构机的弹性模量采用对圆心的惯性矩。
[0076]
在本技术实施例中，由于盾构机转动会使盾壳和盾头挤压或远离土体，进而对旋转中心(o1)产生力矩。由于铰接位置在盾构机中部，将盾构机分为前盾(包括刀盘)与后盾，盾构机实际挤压(或远离)土体的部分主要为前盾。由于盾构机千斤顶推进的位置在盾构机中部，盾构机的旋转中心(o1)在盾构机前盾的端部，旋转后前盾盾周土压力变化量如图4所示。
[0077]
如图4所示，盾构机的前盾挤压土体产生被动土压力增量为δσ
p
；盾构机的后盾远离土体产生主动土压力增量为δσ
a
，其中，被动土压力增量δσ
p
和主动土压力增量δσ
a
在盾壳上呈线性变化。以盾构机旋转中心(o1)为界，盾构机两侧土体受力可分为主动区和被动区，在此，设定盾构机旋转时，主动区和被动区弹性模量一致，即对盾构机中心(o1)的转矩相同。有盾壳荷载增量(主动土压力增量和被动土压力增量)对o1产生的总转矩m
shield
如公式(9)所示，公式(9)如下：
[0078][0079]
其中，l
f
表示盾构机的前盾长度，单位为米(m)；α表示盾构机转动过一次的转角，单位为(rad)。盾头所受静止土压力以及水压力关于z轴对称，故对z轴力矩为零，旋转后的应力增量对z轴产生转矩作用，如图5所示。
[0080]
由图5可知，盾头(刀盘)任一点位移满足公式(10)，公式(10)如下：
[0081]
u＝αρcosθ
………………………………
(10)
[0082]
ρ为盾头任一点到盾头中心的距离，单位为米(m)。根据对称性可知，盾头应力增量同样可根据象限划分为4个部分，每一部分荷载增量对z轴产生力矩相同。因而，盾头土压力增量对z轴的总转矩m
head
如公式(11)所示，公式(11)如下：
[0083]
[0084]
由盾壳荷载增量对o1产生的总转矩m
shield
和盾头土压力增量对z轴的总转矩m
head
，即可得到小曲率半径盾构隧道盾构机推进时的转矩。
[0085]
在本技术实施中，小曲率半径盾构隧道中，盾构推进阻力的参数取值如表1所示：表1
[0086][0087][0088]
在一些可选实施例中，小曲率半径盾构隧道推进参数确定方法还包括：根据小曲率半径盾构隧道盾构机推进时的千斤顶总推力和盾构机推进时的转矩，对盾构机转动一次转角进行推力分配。
[0089]
具体的，根据盾构机推进时的转矩，可以确定盾构机转动一次转角α时，左侧驱动力和右侧驱动力产生的力矩差，由于盾构机在推进时，左侧驱动力和右侧驱动力的力臂相同且已知，因而，由盾构机推进时的转矩可确定处左侧驱动力和右侧驱动力的差值。进而，结合小曲率半径盾构隧道盾构机推进时的千斤顶总推力(左侧驱动力和右侧驱动力之和)，即可确定盾构机推进时的左侧驱动力和右侧驱动力。
[0090]
本技术实施例中，综合考虑土层地质条件、装备结构对盾构机的影响，快速准确的计算出小曲率半径盾构隧道盾构机推进过程中的千斤顶总推力以及力矩，为小曲率半径盾构隧道盾构机的轨迹规划、纠偏等提供可靠的依据，有利于小曲率半径盾构隧道盾构机在施工过程中对转弯时的推力进行精确分配和实时调整。
[0091]
图6为根据本技术的一些实施例提供的一种小曲率半径盾构隧道推进参数确定系统的结构示意图；如图6所示，该小曲率半径盾构隧道推进参数确定系统包括：盾周土压力单元、盾头土压力单元、总推力单元和转矩单元；
[0092]
其中，盾周土压力单元，配置为根据所述小曲率半径盾构隧道盾构机推进时，所述盾构机与土体的摩擦系数、所述小曲率半径盾构隧道的土体浮容重、所述盾构机的法向土压力系数、所述盾构机的等效容重，基于预设的盾周土压力模型，确定所述小曲率半径盾构隧道盾构机推进时的盾周土压力；
[0093]
盾头土压力单元，配置为根据所述小曲率半径盾构隧道盾构机推进时，所述盾构机的正面土压力调整系数、所述盾构机的静止土压力系数、所述盾构机的水压力系数，基于预设的盾头土压力模型，确定所述小曲率半径盾构隧道盾构机推进时的盾头土压力；
[0094]
总推力单元，配置为根据所述小曲率半径盾构隧道盾构机推进时的盾周土压力和
所述小曲率半径盾构隧道盾构机推进时的盾头土压力，确定所述小曲率半径盾构隧道盾构机推进时的千斤顶总推力；
[0095]
转矩单元，配置为根据所述小曲率半径盾构隧道的土体弹簧常数、所述盾构机转动过一次的转角，基于预设的推进转矩模型，确定所述小曲率半径盾构隧道盾构机推进时的转矩。
[0096]
本技术实施例提供的小曲率半径盾构隧道推进参数确定系统能够实现上述任一实施例所述的小曲率半径盾构隧道推进参数确定方法的步骤、流程，并达到相同的技术效果，在此不再一一赘述。
[0097]
以上所述仅为本技术的优选实施例，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。