[發明專利]一種快速計算土壓平衡盾構機排土量的方法

有效

• 申請號: 202010186622.3
• 申請日: 2020-03-17
• 公開（公告）號: CN111414574B
• 公開（公告）日: 2023-08-08
• 發明（設計）人: 文祝;白祥瑞;韓松彤;戎曉力;張國凱;王振
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G06F17/11
• 分類號: G06F17/11;E21D9/12
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 汪清

本發明提出一種快速計算土壓平衡盾構機排土量的方法，包括通過分析提出了螺旋輸送機的能量關系方程，聯合螺旋輸送機的運動條件方程和受力狀態方程建立了可數值求解土壓平衡盾構機排土量的方程組；通過對該方程組中的唯一多余未知參數剪應力比例系數進行賦值的方式采用牛頓迭代法對該方程組進行數值求解，結合排土量相關的定義域條件確定其合理取值范圍及取值；將確定的剪應力比例系數代入該方程組既可以通過輸入螺旋輸送機入口處的土壓力、螺旋輸送機扭矩和螺旋輸送機轉速三個參數快速計算排土壓平衡盾構機的排土量；本發明充分利用土壓平衡盾構機自動同步記錄數據的特點，避免了人工記錄排土量導致的人為干擾，提高了排土量數據的可信度。

技術領域

本發明屬于土壓平衡盾構機開挖隧道領域，特別是一種快速計算土壓平衡盾構機排土量的方法。

背景技術

土壓平衡盾構機由于施工效率高、適用范圍廣、對地面生產生活影響較小等突出優點，已經成為中國城市地鐵線的主要施工方法之一。如圖1所示，土壓平衡盾構機利用連續且流動的改良性開挖料作為支護介質，通過控制推力、推進速度和和螺旋輸送機的轉速等參數，建立改良性開挖料在流經刀盤面板、土倉和螺旋輸送機過程中的受控體積動態平衡關系，進而實現掌子面的穩定和隧道的平穩掘進。但是土壓平衡盾構機開挖隧道會不可避免地擾動周圍土體，引起地層的損失并且導致地表沉降。特別是城市區域軟土地層的淺埋隧道盾構施工對地面及地下建構筑物存在嚴重的威脅，僅2019年就在杭州、青島、廈門和廣州發生了多起由盾構開挖地鐵隧道導致的地面塌陷事故。

土壓平衡盾構機的排土量是反應地層損失情況的關鍵和控制地表沉降的前提。但是，目前土壓平衡盾構機開挖隧道的施工過程中主要通過龍門吊稱重的方式人工記錄排土量，存在嚴重的人為干擾和信息滯后問題，給施工帶了嚴重的安全隱患。

發明內容

本發明的目的在于提供一種快速計算土壓平衡盾構機排土量的方法，以實現排土量的快速估算。

實現本發明目的的技術解決方案為：

一種快速計算土壓平衡盾構機排土量的方法，包括如下步驟：

步驟1、根據螺旋輸送機內排土的運動條件得到理論排土量表達式；

步驟2、根據螺旋輸送機內排土的受力分析得到螺旋輸送機入口處土壓力表達式；

步驟3、根據對螺旋輸送機內排土的做功分析，建立螺旋輸送機排土的能量關系方程；

步驟4、確定唯一的多余未知數剪應力比例系數的取值：將螺旋輸送機的幾何參數以及土壓平衡盾構機每環施工過程中實時采集的螺旋輸送機入口處的土壓力、螺旋輸送機扭矩和螺旋輸送機轉速三個時程數據，代入步驟1、步驟2、步驟3組成的方程組，對剪應力比例系數進行賦值并采用牛頓迭代法數值求解該方程組，結合定義域條件，根據排土率差值的期望，確定剪應力比例系數的取值范圍及最終取值；

步驟5、計算各環的理論排土量：將確定的剪應力比例系數、螺旋輸送機的幾何參數以及土壓平衡盾構機各環施工過程中實時采集的螺旋輸送機入口處的土壓力、螺旋輸送機扭矩和螺旋輸送機轉速三個時程數據再次代入步驟1、步驟2、步驟3組成的方程組，就可以數值計算得到各環的理論排土體積和排土重量。

本發明與現有技術相比，其顯著優點是：

本發明結合土壓平衡盾構機自動同步記錄了螺旋輸送機入口處的土壓力P，螺旋輸送機扭矩T和螺旋輸送機轉速n等關鍵參數的時程數據的特點，在對螺旋輸送機的排土運動條件，受力狀態和能量關系進行分析的基礎上提出了基于理論方程組數值求解排土量的方法；該方法一方面充分使用土壓平衡盾構機自動同步記錄的數據進行計算，避免了人工記錄排土量導致的人為干擾，提高了排土量數據的可信度；另一方面計算過程簡潔，可實現排土量的快速估算，為土壓平衡盾構機排土量的實時監控提供了技術基礎。

附圖說明

圖1是本發明設計研究領域土壓平衡盾構的施工簡圖。