一种用于盾构推进系统的等比级数布局方法与流程

本发明属于隧道工程技术领域，具体为一种用于盾构推进系统的等比级数布局方法。

背景技术：

盾构是一种用于隧道开挖的大型工程机械，具有施工速度快、不受气候及地面交通影响及一次快速成型等优点。近年来国内一、二线城市地铁建设基本采用盾构进行隧道施工，盾构已广泛应用于我国各类城市及工程隧道建设中。

在盾构的各个子系统中盾构推进系统是盾构的关键子系统，其主要承担着整个盾构的推进任务，现有的盾构四分区均匀系统，一般下分区液压缸数量比上分区多，且为左右对称的布局控制方式，从而使得下分区单个液压缸承受更小的推力，达到减少偏载且易于控制的目的。

在盾构施工过程中，受开挖面上岩土强度差异悬殊，曲线掘进施工，姿态调整纠偏及盾构本体结构“头重脚轻”等因素的影响，盾构受到的外部载荷在较大的范围内变化，四分区均匀系统由于液压缸排列布局的局限性，无法更好的适应不同地层开挖需求。

技术实现要素：

本发明的目的是针对以上问题，提供一种用于盾构推进系统的等比级数布局方法，解决盾构推进系统在兼顾按照管片要求的布局均匀性上解决面对实时地质条件、刀盘自重及变向引起的偏载现象。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：一种用于盾构推进系统的等比级数布局方法，包括盾体、支撑架和n个液压缸，所述的支撑架设置于盾体内部且与之固接，n个所述的液压缸呈环形布置于支撑架上，且关于中间平面对称，其推进方向与盾体移动方向一致；所述的中间平面与盾体端面垂直，且经过盾体轴线，以盾体轴线上的点为顶点，离中间平面最近的两第一个液压缸轴线与顶点形成的夹角为β，靠近中间平面的第二个液压缸与第一个液压缸轴线与顶点形成的夹角为β+δ，靠近中间平面的第三个液压缸与第二个液压缸轴线与顶点形成的夹角为β+δ+qδ，依次等比增加，靠近中间平面的第k个液压缸与第k-1个液压缸轴线与顶点形成的夹角为β+δ+qδ+···+q^kδ(k＝0,1,2,···,n/2-1)，所述的液压缸的一端衬垫在与支撑架固接的耐压硬质橡胶块上，另一端通过撑靴顶在管片上。

进一步的，两所述的第一个液压缸轴线与顶点形成的夹角β和等比级数首项δ，可结合以下四个公式求出：

n·β+(n(1-q)+(q^n/2-1)/(q+1))/(1-q)²·δ-2·π＝0(1-1)

φ-γ＝0(1-4)

式中：fz——外部载荷(kn)；

mx——外部载荷(kn·m)；

my——外部载荷(kn·m)；

通过数据采集并计算出外部载荷fz、mx和my的区间，代入以上公式求得β和δ。

进一步的，所述的中间平面与外部载荷mx和my的合力矩垂直。

进一步的，n个所述的液压缸分成多个分区，每个分区中液压缸的压力和速度单独控制。

进一步的，所述的输送机为螺旋输送机。

本发明的有益效果：

1、本发明采用非均匀布局思想，改善推力传递特性，解决了盾构推进系统面对实时地质条件、自重、变向等载荷改变时引起的偏载现象，增大了盾构的地质适用范围。

2、本发明中系统与传统推进系统相比，盾构推进系统在设计阶段就能根据不同地质调节设计出具有地质适应性的推进系统，等比级数排列方法兼顾推力点均匀，更有效的避免管片破裂。

3、本发明有效解决了四分区均匀系统由于液压缸排列布局的局限性，无法更好的适应不同地层开挖需求的问题。

附图说明

图1为本发明立体结构示意图。

图2为本发明侧视结构示意图。

图3为本发明液压缸布置角度示意图。

图中所述文字标注表示为：1、刀盘；2、盾体；3、支撑架；4、液压缸；5、撑靴；6、管片；7、输送机；8、中间平面。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

如图1所示，本发明的具体结构为：一种用于盾构推进系统的等比级数布局方法，包括盾体2、支撑架3和n个液压缸4，盾体2首端设有刀盘1，所述的支撑架3设置于盾体2内部且与之固接，所述的液压缸4的一端衬垫在与支撑架3固接的耐压硬质橡胶块上，另一端通过撑靴5顶在管片6上。通过管片6反作用力推动整个盾体2向前掘进，刀盘1在掘进时切割的岩土通过输送机7输出，盾构受到的岩土压力和自重等载荷作用于盾体2通过液压缸4传递到管片6上。

如图2-3所示，n个所述的液压缸4呈环形布置于支撑架3上(即液压缸4呈环形、对称等比级数布置于支撑架3上)，且关于中间平面8对称，其推进方向与盾体2移动方向一致；所述的中间平面8与盾体2端面垂直，且经过盾体2轴线，以盾体2轴线上的点为顶点，离中间平面8最近的两第一个液压缸4轴线与顶点形成的夹角为β(即从顶点做经过液压缸4轴线的垂线与顶点形成的夹角为β)，靠近中间平面8的第二个液压缸4与第一个液压缸4轴线与顶点形成的夹角为β+δ，靠近中间平面8的第三个液压缸4与第二个液压缸4轴线与顶点形成的夹角为β+δ+qδ，依次等比增加，靠近中间平面8的第k个液压缸4与第k-1个液压缸4轴线与顶点形成的夹角为β+δ+qδ+···+q^kδ(k＝0,1,2,···,n/2-1)，盾构在掘进前，根据盾构开挖路线的地质参数和盾构自重计算出盾构外部载荷fz、mx和my，两所述的第一个液压缸4轴线与顶点形成的夹角β和等比级数首项δ，可结合以下四个公式求出：

n·β+(n(1-q)+(q^n/2-1)/(q+1))/(1-q)²·δ-2·π＝0(1-1)

φ-γ＝0(1-4)

式中：fz——外部载荷(kn)；

mx——外部载荷(kn·m)；

my——外部载荷(kn·m)；

优选的，所述的中间平面8与外部载荷mx和my的合力矩垂直。

如图2所示，在复杂地质条件下，将液压缸4分成a、b、c、d、e、f多个分区，每个分区中液压缸4的压力和速度单独控制，简化操作人员对盾构左转、右转抬头和昂头的操作，以降低系统控制的复杂程度。

本发明采用等比级数法布置盾构推进系统液压缸，既能够兼顾管片安装要求推力点均匀，又能够解决盾构在开挖过程中由于特殊地质、变向载荷和自重引起的偏载，增大盾构的地质适用范围，减少偏载引起的管片破裂。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。