本发明涉及一种复合土压平衡盾构掘进中总推力的计算。特别是涉及一种复合土压平衡盾构在岩土混合地质掘进中总推力的计算方法。
背景技术：
复合型土压平衡盾构是在土压平衡盾构的基础上发展起来的一种适用于强度差别较大的土质以及盾构掘进断面岩土层不均匀等复杂地质条件中施工的新盾构，其施工方法是在刀盘上装有两种或两种以上的刀具，如切刀、滚刀，可切削软土、硬土、砂砾和软岩等不均匀地层，为了保持开挖面的稳定，在切削刀盘后的密封舱内充填开挖下来的土体，通过螺旋输送机出土，保持土压平衡的一种施工方法。其中总推力的确定是其设计及施工环节的核心技术之一，因此准确地计算隧道掘进机的总推力，定量地研究总推力的影响因素，对隧道掘进机的施工和设计十分重要。
目前已有针对总推力的研究主要包括：1.隧道掘进机在单一软土地层、硬岩地层掘进中总推力的计算；2.分析了隧道掘进机在岩土混合地质中切刀切土滚刀破岩产生的抵抗力，但是在分析刀盘正面、护盾侧面与岩土间的摩阻力时将复合地层结构简化成均质软土地层，未考虑掘进面下方硬岩层的存在以及如何分析硬岩层对总推力的作用机理，即忽略地层结构复杂性对隧道掘进机总推力的影响。综上所述，目前的研究仍缺乏针对复合土压平衡盾构在岩土混合地质掘进过程中总推力的计算方法，复合土压平衡盾构机通常在岩土混合地质中作业其工作环境恶劣且受力复杂，推进系统必须根据推力特性进行设计来维持较高的掘进效率并保证掘进精度。
复合土压平衡盾构在掘进过程中，其总推力是由刀盘上滚刀的破岩力、刀盘面板与软土层接触部分的掘进挤压力、刀盘面板与软土层接触部分由覆土埋深引起的静土压力、刀盘开口部分的密封舱压力，护盾与岩、土间的摩阻力，后续设备的牵引力几部分组成。因此，研究刀盘在岩土混合地质掘进过程中的总推力特性十分重要，需要提出一种新的计算方法来解决这一问题。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够为复合土压平衡盾构施工与设计提供可靠的参数控制依据的复合土压平衡盾构在岩土混合地质掘进中总推力的计算方法。
本发明所采用的技术方案是：一种复合土压平衡盾构在岩土混合地质掘进中总推力的计算方法，首先计算复合土压平衡盾构在掘进过程中的各种分力，包括：刀盘上滚刀的破岩力F1、刀盘面板与软土层接触部分的掘进挤压力F2、刀盘面板与软土层接触部分由覆土埋深引起的静土压力F3、刀盘开口部分的密封舱压力F4、护盾与软土间的摩阻力F5、护盾与岩石间的摩阻力F6和后续设备的牵引力F7；然后根据所计算的各种分力，计算掘进总推力F：
F＝F1+F2+F3+F4+F5+F6+F7
式中：掘进总推力F的单位kN。
所述刀盘上滚刀的破岩力F1的计算公式如下：
式中：刀盘上滚刀的破岩力F1的单位kN；P0为压碎区压力，单位MPa，根据岩石强度和切削几何参数计算，即：S为滚刀刀间距，单位mm，φ为滚刀与岩石接触弧度，单位rad，通过贯入度δ单位mm和滚刀半径r单位mm计算得到：T为滚刀刀尖宽度，单位mm；σc为岩石单轴抗压强度，单位MPa；σt为岩石抗拉强度，单位MPa；ψ为滚刀刀刃上压力分布系数；N为作用在硬岩层上的滚刀数量。
所述刀盘面板与软土层接触部分的掘进挤压力F2的计算公式如下：
式中：刀盘面板与软土层接触部分的掘进挤压力F2的单位kN；E为软土层地质的弹性模量，单位MPa；η为刀盘开口率；ν为软土层地质的泊松比；δ为贯入度，单位mm；D为刀盘直径，单位m；t为软土层面积占掘进面面积的比值。
所述刀盘面板与软土层接触部分由覆土埋深引起的静土压力F3的计算公式如下：
式中：刀盘面板与软土层接触部分由覆土埋深引起的静土压力F3的单位kN；D为刀盘直径，单位m；η为刀盘开口率；K为静止土压力系数；γ为软土的等效重度，单位kN/m3；h为隧道的有效覆土厚度，单位m，当隧道埋深大于刀盘直径即H>2D时，隧道顶部覆土产生拱效应的可能性大，此时采用太沙基松弛土压力理论得到有效覆土厚度，h计算公式为c为软土层地质的粘聚力，单位kPa；H(m)为隧道埋深；为软土层地质的内摩擦角；t为软土层面积占掘进面面积的比值。
所述刀盘开口部分的密封舱压力F4的计算公式如下：
式中：刀盘开口部分的密封舱压力F4的单位kN；D为刀盘直径，单位m；p为密封舱平均土压力，单位kPa；为软土层地质的内摩擦角，单位rad；ν为软土层地质的泊松比；l为盾构机密封舱长度，单位m；η为刀盘开口率。
所述护盾与软土间的摩阻力F5的计算公式如下：
式中：护盾与软土间的摩阻力F5的单位kN；μ1为护盾与软土间的摩擦系数；γ为软土的等效重度，单位kN/m3；D为刀盘直径，单位m；L为护盾长度，单位m；K为静止土压力系数；h为隧道的有效覆土厚度，单位m，当隧道埋深大于刀盘直径即H>2D时，隧道顶部覆土产生拱效应的可能性大，此时采用太沙基松弛土压力理论得到有效覆土厚度，h的计算公式为c为软土层地质的粘聚力，单位kPa；H为隧道埋深，单位m；为软土层地质的内摩擦角，单位rad；θ为隧道掘进面软土层对应的圆心角，单位rad。
所述护盾与岩石间的摩阻力F6的计算公式如下：
F6＝μ2[γ(πh-D)Ln+G1]
式中：护盾与岩石间的摩阻力F6的单位kN；μ2为护盾与岩石间的摩擦系数；γ为软土的等效重度，单位kN/m3；h为隧道的有效覆土厚度，单位m，当隧道埋深大于刀盘直径即H>2D时，隧道顶部覆土产生拱效应的可能性大，此时采用太沙基松弛土压力理论得到有效覆土厚度，h的计算公式为c为软土层地质的粘聚力，单位kPa；K为静止土压力系数；H为隧道埋深，单位m；为软土层地质的内摩擦角，单位rad；D为刀盘直径，单位m；L为护盾长度，单位m；n为软土地层相应的圆心角所对应的弦l'与刀盘直径的比值，当弦在隧道中心轴以上时n取此比值，当弦在隧道中心轴以下时n取值为1；G1为主机重量，单位kN。
所述后续设备的牵引力F7的计算公式如下：
F7＝μ3G2
式中：后续设备的牵引力F7的单位kN；μ3为后续设备与轨道间的摩擦系数；G2为后续设备重量，单位kN。
本发明的复合土压平衡盾构在岩土混合地质掘进中总推力的计算方法，对于复合土压平衡盾构在岩土混合地质掘进过程中总推力的计算快速准确。由于综合考虑了地质条件、操作状态、装备结构特征等核心因素的影响，因而计算结果准确可靠。并且能随时根据地质条件与掘进速度的改变灵活调整推力参数，为复合土压平衡盾构装备动力系统的设计以及施工过程中推力参数的设定与实时调整提供了可靠的数据依据。
附图说明
图1是复合岩土地层掘进面示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的复合土压平衡盾构在岩土混合地质掘进中总推力的计算方法做出详细说明。
本发明的复合土压平衡盾构在岩土混合地质掘进中总推力的计算方法，首先计算复合土压平衡盾构在掘进过程中的各种分力，包括：刀盘上滚刀的破岩力F1、刀盘面板与软土层接触部分的掘进挤压力F2、刀盘面板与软土层接触部分由覆土埋深引起的静土压力F3、刀盘开口部分的密封舱压力F4、护盾与软土间的摩阻力F5、护盾与岩石间的摩阻力F6和后续设备的牵引力F7；然后根据所计算的各种分力，计算掘进总推力F：
F＝F1+F2+F3+F4+F5+F6+F7
式中：掘进总推力F的单位kN。其中，
(1)所述刀盘上滚刀的破岩力F1的计算公式如下：
式中：刀盘上滚刀的破岩力F1的单位kN；P0为压碎区压力，单位MPa，根据岩石强度和切削几何参数计算，即：S为滚刀刀间距，单位mm，φ为滚刀与岩石接触弧度，单位rad，通过贯入度δ单位mm和滚刀半径r单位mm计算得到：T为滚刀刀尖宽度，单位mm；σc为岩石单轴抗压强度，单位MPa；σt为岩石抗拉强度，单位MPa；ψ为滚刀刀刃上压力分布系数；N为作用在硬岩层上的滚刀数量。
(2)所述刀盘面板与软土层接触部分的掘进挤压力F2的计算公式如下：
式中：刀盘面板与软土层接触部分的掘进挤压力F2的单位kN；E为软土层地质的弹性模量，单位MPa；η为刀盘开口率；ν为软土层地质的泊松比；δ为贯入度，单位mm；D为刀盘直径，单位m；t为软土层面积占掘进面面积的比值。
(3)所述刀盘面板与软土层接触部分由覆土埋深引起的静土压力F3的计算公式如下：
式中：刀盘面板与软土层接触部分由覆土埋深引起的静土压力F3的单位kN；D为刀盘直径，单位m；η为刀盘开口率；K为静止土压力系数；γ为软土的等效重度，单位kN/m3；h为隧道的有效覆土厚度，单位m，当隧道埋深大于刀盘直径即H>2D时，隧道顶部覆土产生拱效应的可能性大，此时采用太沙基松弛土压力理论得到有效覆土厚度，h计算公式为c为软土层地质的粘聚力，单位kPa；H(m)为隧道埋深；为软土层地质的内摩擦角；t为软土层面积占掘进面面积的比值。
(4)所述刀盘开口部分的密封舱压力F4的计算公式如下：
式中：刀盘开口部分的密封舱压力F4的单位kN；D为刀盘直径，单位m；p为密封舱平均土压力，单位kPa；为软土层地质的内摩擦角，单位rad；ν为软土层地质的泊松比；l为盾构机密封舱长度，单位m；η为刀盘开口率。
(5)所述护盾与软土间的摩阻力F5的计算公式如下：
式中：护盾与软土间的摩阻力F5的单位kN；μ1为护盾与软土间的摩擦系数；γ为软土的等效重度，单位kN/m3；D为刀盘直径，单位m；L为护盾长度，单位m；K为静止土压力系数；h为隧道的有效覆土厚度，单位m，当隧道埋深大于刀盘直径即H>2D时，隧道顶部覆土产生拱效应的可能性大，此时采用太沙基松弛土压力理论得到有效覆土厚度，h的计算公式为c为软土层地质的粘聚力，单位kPa；H为隧道埋深，单位m；为软土层地质的内摩擦角，单位rad；θ为隧道掘进面软土层对应的圆心角，单位rad，如图1所示。
(6)所述护盾与岩石间的摩阻力F6的计算公式如下：
F6＝μ2[γ(πh-D)Ln+G1]
式中：护盾与岩石间的摩阻力F6的单位kN；μ2为护盾与岩石间的摩擦系数；γ为软土的等效重度，单位kN/m3；h为隧道的有效覆土厚度，单位m，当隧道埋深大于刀盘直径即H>2D时，隧道顶部覆土产生拱效应的可能性大，此时采用太沙基松弛土压力理论得到有效覆土厚度，h的计算公式为c为软土层地质的粘聚力，单位kPa；K为静止土压力系数；H为隧道埋深，单位m；为软土层地质的内摩擦角，单位rad；D为刀盘直径，单位m；L为护盾长度，单位m；n为软土地层相应的圆心角所对应的弦l'与刀盘直径的比值，当弦在隧道中心轴以上时n取此比值，当弦在隧道中心轴以下时n取值为1，如图1所示；G1为主机重量，单位kN。
(7)所述后续设备的牵引力F7的计算公式如下：
F7＝μ3G2
式中：后续设备的牵引力F7的单位kN；μ3为后续设备与轨道间的摩擦系数；G2为后续设备重量，单位kN。
下面给出实施例：以某地铁工程作为实施例。该工程所使用的复合土压平衡盾构结构参数如下：刀盘直径D＝6.28m，刀盘开口率η＝0.29，盾构机密封舱长度l＝1m，滚刀半径r＝216mm，滚刀刀尖宽度T＝20mm，滚刀刀间距S＝100mm，护盾长度L＝7.565m，主机重量G1＝3700kN，后续设备重量G2＝1500kN，护盾与软土间摩擦系数μ1＝0.25，护盾与岩石间的摩擦系数μ2＝0.2，后续设备与轨道间的摩擦系数μ3＝0.25，滚刀刀刃上压力分布系数ψ＝0。以该工程掘进到第505环时的地质条件与操作状态为例，给出计算掘进到该处时装备总推力值的详细步骤，掘进至其它位置时的总推力均可按照相同的方法计算。
计算中所涉及的地质参数均取自地质报告，该工程第505环时的地质参数如下：软土层地质的弹性模量E＝25MPa，软土地层地质泊松比ν＝0.31，静止土压力系数K＝0.38，软土的等效重度γ＝19.5kN/m3，软土层地质的内摩擦角隧道埋深H＝32.56m，隧道的有效覆土厚度h＝15.13m，软土层面积占掘进面面积的比值t＝0.3965，岩石单轴抗压强度σc＝32.8MPa，岩石抗拉强度σt＝2.343MPa，作用在硬岩层的滚刀数量为N＝23。
计算中所涉及的操作参数均由装备自动记录，该工程掘进至第505环时的操作参数为，贯入度δ＝12.575mm，密封舱平均土压力p＝0.213MPa，隧道掘进面软土层对应的圆心角θ＝5.630rad，软土地层相应的圆心角所对应的弦l'与刀盘直径的比值n＝0.987。
(1)计算刀盘上滚刀的破岩力F1：
由计算得到F1＝1628.754kN
(2)计算刀盘面板与软土层接触部分的掘进挤压力F2：
由计算得到F2＝502.35kN
(3)计算刀盘面板与软土层接触部分由覆土埋深引起的静土压力F3：
由计算得到F2＝977.58kN
(4)计算刀盘开口部分的密封舱压力F4：
由计算得到F4＝2148.45kN
(5)计算护盾与软土间的摩擦力F5：
由计算得到F5＝2768.8kN
(6)计算护盾与岩石间的摩擦力F6：
由F6＝μ2[γ(πh-D)Ln+G1]，计算得到F6＝753.03kN
(7)计算后续设备的牵引力F7：
由F7＝μ3G2，计算得到F7＝357kN
(8)计算掘进总推力F：
由F＝F1+F2+F3+F4+F5+F6+F7，计算得到F＝9135.96kN。
至此，已计算出该工程中装备掘进至第505环时的总推力值，掘进至其余位置时的总推力均可按照相同方法确定。由此可计算出整个工程中复合土压平衡盾构在不同地质条件和操作状态下所需的总推力值，为复合土压平衡盾构隧道施工及设计提供科学有效的数据依据。