[发明专利]复合盾构在岩土混合地质中掘进刀盘扭矩的计算方法

说明书

一种复合土压平衡盾构在岩土混合地质掘进中刀盘扭矩的计算方法，包括：分别计算如下各扭矩：滚刀破岩产生的扭矩、刀盘面板与软土层接触部分由掘进挤压产生摩阻力扭矩、刀盘面板与软土层接触部分由覆土埋深引起的摩阻力扭矩、刀盘切削土体的地层抗力扭矩、刀盘侧面与软土间的摩阻力扭矩、刀盘侧面与岩石间的摩阻力扭矩T₆和土仓内搅拌臂搅拌阻力扭矩；计算掘进刀盘扭矩。本发明能够快速准确的对复合土压平衡盾构在岩土混合地质掘进过程中刀盘扭矩进行计算，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扭矩参数，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刀盘扭矩参数的设定与实时调整提供了可靠的数据依据。

技术领域

本发明涉及一种复合土压平衡盾构中刀盘扭矩的计算方法。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刀盘扭矩的计算方法。

背景技术

隧道掘进机，是集机、电、液、光、气等系统为一体的，可实现工厂化隧道作业的复杂工程装备系统。盾构施工方法以其对周围环境扰动小，作业效率高等优点被广泛应用于地下交通、各类输运管道等大型隧道工程建设中。

按照地层条件及具体施工方法的不同，隧道掘进机一般可分为硬岩隧道掘进机(Tunnel Boring Machine，TBM)、软土隧道掘进机(盾构机，Shield Machine)及顶管掘进机(Pipe Jacking Machine)。近年来，隧道掘进机遇到的施工环境日益复杂，既要适应土质地层，又要适应岩质地层，使得盾构机与TBM技术逐渐融合，形成复合式盾构机。复合式盾构机能在岩土混合地质中安全作业，其刀盘上同时布置滚刀和刮刀以适应多种地层，滚刀和刮刀分别用来破岩与切土，岩土混合地质即开挖面由岩土混合地层组成，且这些地层的岩土力学、工程地质等特征相差悬殊。其中刀盘扭矩的确定是其设计及施工环节的核心技术之一。快速准确计算复合土压平衡盾构装备在掘进过程中所需要的刀盘扭矩值，可以为动力系统设计及施工过程中参数实时调整提供重要依据。

目前已有针对刀盘扭矩的研究主要包括：1.隧道掘进机在软土地层掘进中刀盘扭矩的计算方法；2.考虑复合土压平衡盾构机在岩土混合地质中切刀切土滚刀破岩产生扭矩的情况下，未考虑岩土混合地质对刀盘正面、侧面产生的摩阻力扭矩，即并非研究整个刀盘的扭矩；3.分析了复合土压平衡盾构机在岩土混合地质中切刀切土滚刀破岩产生的扭矩，但是在分析刀盘正面、侧面与岩土间的摩阻力扭矩时将岩土混合地质结构简化成均质软土地层，未考虑掘进面下方硬岩的存在以及如何分析硬岩层对刀盘扭矩的作用机理，即忽略地层结构复杂性对刀盘载荷的影响。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刀盘扭矩快速准确的确定方法，计算复合土压平衡盾构的刀盘扭矩需要逐一考虑每一层地质的影响。复合土压平衡盾构在岩土混合地质掘进过程中，其刀盘扭矩是由刀盘上滚刀破岩产生的扭矩，刀盘面板与软土层接触部分由掘进挤压产生的摩阻力扭矩，刀盘面板与软土层接触部分由覆土埋深引起的摩阻力扭矩，刀盘切削土体的地层抗力扭矩，刀盘侧面与岩、土间的摩阻力扭矩，土仓内搅拌臂搅拌阻力扭矩等几部分组成。

为此需要一种新的计算方法，以解决岩土混合地质工程掘进施工中亟待解决的难题。

发明内容

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刀盘扭矩的计算方法。

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刀盘扭矩的计算方法，包括如下步骤：

1)分别计算如下各扭矩：

滚刀破岩产生的扭矩T₁、刀盘面板与软土层接触部分由掘进挤压产生摩阻力扭矩T₂、刀盘面板与软土层接触部分由覆土埋深引起的摩阻力扭矩T₃、刀盘切削土体的地层抗力扭矩T₄、刀盘侧面与软土间的摩阻力扭矩T₅、刀盘侧面与岩石间的摩阻力扭矩T₆和土仓内搅拌臂搅拌阻力扭矩T₇；