[發明專利]一種朝上掘進法施工過程中刀盤扭矩的計算方法

在審

• 申請號: 202010620485.X
• 申請日: 2020-06-30
• 公開（公告）號: CN111783026A
• 公開（公告）日: 2020-10-16
• 發明（設計）人: 魏新江;王霄;魏綱;朱成偉;章麗莎;郝威;閆自海
• 申請（專利權）人: 浙大城市學院
• 主分類號: G06F17/10
• 分類號: G06F17/10
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 劉靜

本發明公開了一種朝上掘進法施工過程中刀盤扭矩的計算方法，該方法首先采用微元法計算刀盤正面摩阻力扭矩和刀盤側面摩阻力扭矩，然后計算刀盤背面摩阻力扭矩和刀盤開口處土體剪切摩阻力扭矩，之后判斷土體是黏性土還是無黏性土，計算刀具切削土體的扭矩，最后計算刀盤土倉的攪拌扭矩，將以上計算的六個扭矩相加即為總的刀盤扭矩的計算公式，從而計算出朝上掘進法施工過程中刀盤扭矩。本發明計算方法簡單，實用性強，考慮了土質條件的影響，適用于盾構隧道開挖引起上方建筑物的豎向位移計算及安全評估。

技術領域

本發明涉及土木建筑工程技術領域，尤其涉及一種朝上掘進法施工過程中刀盤扭矩的計算方法。

背景技術

近幾年，城市化進程加快、人口急劇增長、生態環境惡化、土地資源日漸匱乏，均導致城市面臨了巨大的空間壓力，地下空間的開發和利用日益成為擴大人民生產生活空間的主要解決方法。地下空間中，豎井的建設必不可少，其用途非常廣泛，可作為通風井、逃生井、工作井等。相比于采用傳統的明挖法進行豎井的施工，采用朝上掘進法(包括豎向頂管法、朝上掘進盾構法)進行施工具有不占用地面空間，施工時間短等優勢。

朝上掘進法施工過程中，應根究不同的地質條件選擇合適的頂管機(盾構機)及其刀盤。刀盤在切削土體的過程中，往往受到地層抗力和切削反力的作用，形成刀盤扭矩，這會對頂管的頂力、掘進速度、刀盤轉速等參數有較大的影響。因此，刀盤扭矩的研究對于選擇合適的頂管機(盾構機)類型、合理的施工參數以及刀盤、刀具的布置方式等具有重要的意義。

目前，關于朝上掘進法施工過程中刀盤扭矩的計算幾乎沒有研究成果，相對于水平掘進，朝上掘進法在掘進過程中開挖面的土壓力隨著掘進而變化，因此，無法繼續采用水平掘進法的刀盤扭矩進行直接計算，需要重新提出一個刀盤扭矩計算的新方法。

由于頂管機和盾構機的破土方式具有相似性，對應的刀盤扭矩計算原理也相似，因此本發明以朝上掘進輻條式土壓平衡頂管機為例，對其刀盤扭矩的計算進行說明。本發明方法包括但不限于朝上掘進輻條式土壓平衡盾構機的刀盤扭矩計算。

發明內容

本發明目的在于針對現有技術的不足，提出一種朝上掘進法施工過程中刀盤扭矩的計算方法。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種朝上掘進法施工過程中刀盤扭矩的計算方法，主要包括以下步驟：

步驟1：計算刀盤正面摩阻力扭矩T₁。

假定刀盤正面與地面的距離為H(m)，對頂管機的開挖面進行分析。假設刀盤正面與水平面平行，不考慮頂管機的傾斜及地面上的載荷影響，過刀盤中心的橫軸與刀盤邊緣的交點為 A、B，設刀盤正面上某一點到刀盤中心的連線與刀盤中心到B連線的夾角為θ，該點與刀盤中心的距離為r。則刀盤正面上的摩阻力扭矩T₁為：

式中：D為刀盤直徑，f為刀盤表面與土體間的摩擦系數，γ為上方土體的加權平均重度，H 為盾構機埋深，η為刀盤的開口率。

步驟2：計算刀盤側面摩阻力扭矩T₂。

采用微元法，刀盤側面上的摩阻力扭矩為：

式中：θ’為刀盤背面上某一點到刀盤中心的連線與刀盤中心到B連線的夾角，l為計算中所取微元至刀盤中心的距離，L為刀盤的厚度，R為刀盤的半徑，k為土體的側向土壓力系數。在水平盾構刀盤正面摩阻力扭矩計算時，側向土壓力系數k介于靜止土壓力系數k₀和被動土壓力系數k_p之間，取(1.1-1.3)k₀。

步驟3：計算刀盤背面摩阻力扭矩T₃、刀盤開口處土體剪切摩阻力扭矩T₄和刀具切削土體的扭矩T₅。