盾构机刀盘与土体相互作用模拟分析译文Word文档下载推荐.docx

盾构机刀盘与土体相互作用模拟分析译文Word文档下载推荐.docx

《盾构机刀盘与土体相互作用模拟分析译文Word文档下载推荐.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《盾构机刀盘与土体相互作用模拟分析译文Word文档下载推荐.docx（10页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

关键词:

土压力数值模拟盾构机掘进工作面稳定

中图法分类号TU473．5；

文献标志码A

在土压平衡盾构隧道挖掘中，对地表变形的控制是一个主要问题。

被挖掘出的土壤自身必须完全填补工作仓，为掘进工作面提供持续的支撑。

通过使用液压千斤顶将盾体向前推进的方式提供掘进工作面所需的支撑力来支撑土壤质量以及调节螺旋输送机的转动。

支撑力必须使土压和水压保持平衡。

对由泥浆盾构机或土压平衡盾构机驱动的浅圆形隧道进行地表稳定性分析时，需要将压力的测定在盾构机中加以应用。

这种压力必须能够同时避免靠近隧道表面的土体坍塌（主动失效）和隆起（被动失效）。

随着隧道直径的增加，开挖量急剧增加，并且在含有多种类型土壤层的复杂地层进行开挖的可能性也大大增加。

而与此同时，土壤本身的稳定性也降低。

超大直径盾构泥浆隧道存在的另一个应当考虑的问题是由泥浆密度不同而造成的支撑力不均匀现象[1]。

地表稳定性是选择合适挖掘隧道手段的最重要的参考因素之一。

这点尤其适用于机械化隧道开掘和隧道掘进机（TBM）），如土压平衡盾构机（EPBS）和泥浆盾构机。

最近几十年里，在外部约束作用下，对在不利的工程地质和水文地质条件下挖掘断面的不稳定性的控制已经逐渐发展起来。

根据Horn模型，三维失效方案中包括一个楔形土体和一个土筒仓。

由筒仓产生然后作用于楔型土体的垂直压力可根据Jancsecz和Steiner的Terzaghi结论计算。

基于Horn模型的筒仓理论和滑动机制的三维模型在排水条件下进行分析，同时由Anogostou和Kovari的研究结果可以了解到土压平衡盾构机仓中稳定水压力和有效压力的区别[2]。

Kanayasu指出,在大多数情况下的主动土压力被作为地表压力的最低许可水平，但是一般来说，目前还没有明确的原则来规定地表支撑力的选取[3]。

Bernat通过有限元方法进行了数值模拟，其目的是开发一个程序来预测盾构挖掘软土层过程中的运动。

该研究描述了一个二维建模过程并且对两种程序进行了比较。

观测结果并与实验数据比较发现，该建模适合于软土掘进中引起的沉降分析[4]。

Repetto描述了一个优化施工阶段管理的创新过程。

该过程包含了从参考的分析方法获得的数值方法结果检验。

该分析方法获得的结果通过一种数值方法被验证，以评估在变形和塑性区发展方面的实际后果[5]。

本研究的目的是分析盾构的刀盘和土体之间的相互作用以形成一个关于优化表面压力的正确的机械模型。

重点为作用于隧道表面土压力的沉积深度和土壤的摩擦角度的影响。

1、作用于盾构机刀盘的负荷计算

土压平衡盾构通过使用新挖掘出的土壤完全填满受压的工作仓为隧道表面提供持续支撑。

该支撑力是通过控制工作仓中的土壤的传入和传出实现的，即通过监管螺旋输送机旋转和开挖掘进速度来实现。

如图1所示为表面稳定性的计算模型。

当工作仓的受控地面达到最大密度时系统达到平衡，因为此时从螺旋输送机中获得的土壤量和实际压力与被刀盘转移的理论值是平衡的。

在这种状况下，被土压平衡盾构切削面的压力应与土压相平衡，并且刀盘前的工作面仍处于弹性域中。

图1表面稳定性的计算模型

调查显示，主动土压力与土壤横向膨胀相关，且为一最小值；

而被动土压力与横向压缩相关，且为一最大值。

如图2所示为土压力计算的三种模型。

图2土压力计算的三种模型

如果土壤中的横向应变为零，则相应的侧压力被称为静止土压力。

在自然（静止）状态下的土壤水平土压力可以表示如下：

P0=k0γz

（1）

其中：

P0为水平土压力，

z为沉积深度，

γ是土壤的单位重量，

k0为土压力系数。

k0=1-sinφ

（2）

其中，φ为摩擦角。

作为近似表达式，土压力系数可如下确定：

对于砂土，k0=0.34～0.45；

对于粘土　k0=0.50～0.70。

对于垂直、平稳盾构机刀盘，Rankine所述的主动土压力Pa取决于内摩擦角φ和土壤的粘结力c，可以表示为:

（3）

被动土压力Pp如下式：

（4）

2、土压平衡盾构机的最佳推力计算

根据力学平衡原理，如图3所示，土压平衡盾构机的推力主要由主动或被动土压力以及摩擦阻力来平衡。

F=Fp+Ff（5）

其中F是土压平衡盾构的推力，Fp为土压力的合力，Ff为摩擦阻力，如图4所示，土压力最小合力是由主动土压力来平衡的。

该最小合力可表示如下：

（6）

其中L是土压平衡盾构机的长度，R为盾构机的半径，H为盾构机的沉积深度。

如图5所示，土压力的最大合力由被动土压来平衡的。

该最大合力可表示如下：

（7）

图3土压平衡盾构机的计算力平衡简图

图4土压平衡盾构机工作面的土压力

表1不同地质条件下摩擦阻力占总推力的百分比

如图5所示，由EPB盾构机外壳和土体之间摩擦产生的阻力可表示为：

（8）

其中f是土压平衡盾构机外壳和土体之间的摩擦系数，f=0.45。

表1列出了在不同的地质条件下摩擦阻力占总推力的百分比。

图5土压平衡盾构机壳体上的土压力

3、土压平衡盾构机中盾构机刀盘与土壤之间的相互作用

一般地，如果工作面支撑力在主动地面压力和静止地面压力之间，则认为开挖的稳定性在控制范围之内。

当地面朝向刀盘或向其相反的方向发生塑性变形时，土压力分别为主动或被动土压力（也就是说，地面受到了盾构机的影响）。

如图6为土压平衡盾构机旋转刀盘的简图。

如图7、图8为摩擦角度和内聚力对土压力的影响。

如图9为沉积深度对土压力的影响。

如图10为盾构机前体仓隔板的压力分布。

图6土压平衡盾构刀盘旋转图

图7摩擦角度对土压力的影响

图8土壤粘性对土压力的影响

图9沉积厚度对土压力的影响

图10盾构机前体仓隔板的压力分布

4．结论

1）土压平衡盾构机的基本原理是在开掘仓中以掘出的土壤作为支撑介质。

在正常条件下，这需要以具有硬软一致性的粘土为开掘对象。

在盾构机静止时建立和关闭受压开掘仓、输送机和气体交换机之间的连接，而在此过程中，粘土通过开口的刀盘挤压螺旋输送机。

2）土压平衡盾构机使用刚开掘出来的湿土为隧道表面提供持续的支撑，这些湿土在压力作用下完全填满工作仓。

最近几年，土压平衡盾构机隧道开掘已在全球范围内被成功应用。

3）掘进工作面稳定性是通过两个实体的综合效应来控制的。

另一方面，这种高效的支撑力也存在操作上的缺点，如过度的刀具磨损，高扭矩等等。

参考文献

1．LiY,EmeriaultF,KastnerR.Stabilityanalysisoflargeslurryshield-driventunnelinsoftclay.TunnelingandUndergroundSpaceTechnology,2009;

24:

472-481

2．AnagnostouG,KovariK.Facestabilityconditionswithearth-pressure-balancedshields.TunnelingandUndergroundSpaceTechnology,1996;

11

（2）:

165-173

3.KanayasuS，KubotaI，ShikibuN．Stabilityoffaceduringshieldtunneling-asurveyofJapaneseshieldtunnelingundergroundconstructioninsoftground.Balkem,Rotterdam,1995;

337-343

4.BernatS,CambouB.Soil-structureinteractioninshieldtunnelinginsoftsoil.ComputersandGeotechnics,1998;

22（3-4）:

221-242

5.RepettoL,TuninettiA,GuglielmettiV,etal.Shieldtunnelinginsensitiveareas 

:

anewdesignapproachfortheoptimizationoftheconstruction-phrasemanagement.TunnelingandUndergroundSpaceTechnology,2006;

21（3-4）:

270