[发明专利]一种复杂地层护盾式掘进机姿态实时控制方法

权利要求书

1.一种复杂地层护盾式掘进机姿态实时控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、测量护盾式掘进机姿态与位置，判断护盾式掘进机轴线偏移量s是否达到允许偏移量[s]，即判断是否需要进行姿态纠偏；

步骤二、当需要进行纠偏时，根据当前位置护盾式掘进机轴线偏移量s和姿态进行纠偏路径规划，确定单环纠偏量及单环纠偏角度，计算所需的纠偏力矩；采用双圆弧插补法确定纠偏路径，根据公式(1)确定纠偏半径R_rec；根据方程组(2)计算纠偏里程L和双圆弧的圆心角θ₁和θ₂；根据公式(3)确定纠偏所需的管片环数k；根据公式(4)确定双圆弧纠偏路径的曲线方程，从而得到纠偏路径上各环位置处的护盾式掘进机坐标，相邻两环位置处的纵坐标差即为每环的偏差，相邻两环位置处的连线与设计轴线的夹角则为每环的纠偏角度；

k＝[L/g]+1 (3)

式中，l为护盾式掘进机长度，d为管片楔形量；η为护盾式掘进机轴线与设计轴线的夹角，g为单环管片宽度；s_i为护盾式掘进机轴线偏移量，竖向平面i＝v，水平面i＝h；(x₁,z₁)和(y₁,z₁)为水平和竖向面上第一段圆弧圆心O₁的坐标，采用双圆弧插补法确定出由两段圆弧组成的纠偏路径，分别用AQ和QB表示；

步骤三、液压推进系统做出相应调整，进行护盾式掘进机纠偏工作。

2.根据权利要求1所述的一种复杂地层护盾式掘进机姿态实时控制方法，其特征在于：

步骤一中，利用护盾式掘进机姿态自动测量装置获取当前位置竖向平面上和水平面上护盾式掘进机中心点偏离设计轴线距离s_i及护盾式掘进机轴线与设计轴线的夹角η，其中，竖向平面i＝v，水平面i＝h。

3.根据权利要求1所述的一种复杂地层护盾式掘进机姿态实时控制方法，其特征在于：

步骤二中，纠偏力矩的计算方法如下：

1)根据护盾式掘进机在竖向平面内的单环纠偏角度β、在水平面内的单环纠偏角度α和初始单环纠偏量δ，计算护盾式掘进机截面位移和盾壳周围荷载，代入式(6)，判定力的平衡条件是否满足；

2)若满足，则根据式(7)确定纠偏力矩；

3)若不满足，则对护盾式掘进机纠偏角度进行修正后，重复步骤1)和2)，直至计算出纠偏力矩

式中，为千斤顶推力差产生的控制竖向俯仰角的竖向调整力矩，为千斤顶推力差产生的控制水平摇摆角的水平调整力矩；F_1v为护盾式掘进机重力；F_5v为姿态变化引起盾壳周围竖向荷载合力；F_5h为姿态变化引起盾壳周围水平荷载合力；M_1v为由于护盾式掘进机重心与形心间存在偏心距引起的力矩；M_4v为护盾式掘进机刀盘前方荷载引起的竖向力矩；M_5v为姿态变化引起盾壳周围荷载产生的竖向合力矩；M_5h为姿态变化引起盾壳周围荷载产生的水平合力矩。

4.根据权利要求3所述的一种复杂地层护盾式掘进机姿态实时控制方法，其特征在于：

求解F_5v、F_5h、M_1v、M_4v、M_5h和M_5v的计算步骤如下：

姿态变化引起的盾壳截面形心位移Δs_v和Δs_h按式(8)计算：

式中Δs_v为盾壳截面形心竖向位移，Δs为护盾式掘进机重力作用下引起的形心竖向位移，δ_v为姿态调整力矩作用下引起的形心附加竖向位移，z为沿护盾式掘进机长度方向的坐标，L为护盾式掘进机长度，Δs_h为盾壳截面形心水平位移，δ_h为姿态调整力矩作用下引起的形心附加水平位移，β为护盾式掘进机在竖向平面内的单环纠偏角度，α为护盾式掘进机在水平面内的单环纠偏角度；

盾壳截面上任一点所在的曲线方程为式(9)：

将式(9)转化为极坐标方程(10)：

式中，R_c为盾壳平均半径，θ为盾壳上的点与圆心的连线与极轴的夹角；

盾壳截面上任一点发生的位移可由式(11)和(12)确定：

式中，r为极轴的坐标；

根据地质勘察报告确定全线地层分布，获取各岩土层工程力学特性，确定各层土的地基反力曲线(5)中的参数a，K₀，K_min和K_max；

式中K为土压力系数，i为v或h，分别表示竖向和水平向，K_i0为静止土压力系数，K_imin为主动土压力系数，a_i为地基反力系数，U_i为土体在i方向上发生的位移，K_imax为被动土压力系数；

盾壳周围荷载：将盾壳进行离散，沿着长度方向和圆周方向分别包括m和n个单元，

盾壳截面上任一点所受的土压力可由式(13)确定：

式中，p表示沿长度方向第p个单元，q表示沿圆周方向第q个单元，σ_v,pq为节点竖向压力，K_v,pq为竖向土压力系数，σ_v0,pq为初始竖向压力，K_h,pq为水平土压力系数，σ_h,pq为节点水平压力，σ_h0,pq为初始水平压力；

姿态调整力矩求解：护盾式掘进机重力为G，偏心距为l_s，则：

M_1v＝G·l_s (14)

地层反力及其力矩为：

刀盘荷载力矩为：

M_4v＝FM₁+FM₂ (17)

式中FM₁为刀盘贯入阻力引起的力矩；FM₂为刀盘面板上的地层侧向土压力引起的力矩；D为盾壳平均直径。