一种推测刀盘开口处富水砂层土压力分布情况的简化方法技术

本发明专利技术属于地下工程技术领域，包括计算土仓内液‑塑分界面高度、计算实时土仓背面土压力分布函数、计算刀盘开口土压力合力、计算实时刀盘开口压力边界分布4个步骤，以将在螺旋输送机切削影响下的土仓内渣土混合物的流动简化为土块的滑动、将滑动面坡角近似为螺旋输送机叶片母线几何参数、根据螺旋输送机排土速率推算土仓内液‑塑分界面高度等手段，从受力平衡、物料平衡的角度实现了刀盘开口处富水砂层土压力分布的理论近似计算。本方法适用于富水砂层的刀盘开口处土压力近似计算，能够根据盾构掘进实测参数推算得到刀盘开口处的实际土压力近似值，对于盾构施工的风险评估、地层损失预警等具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种推测刀盘开口处富水砂层土压力分布情况的简化方法
本专利技术属于盾构机械施工技术,具体涉及推测刀盘开口处富水砂层土压力分布情况的计算方法，属于地下工程

技术介绍
土压平衡式盾构刀盘开口处，掌子面自重产生的下滑力通过土仓内部提供的反力进行平衡，实现地层稳定。然而，刀盘开口处的地层水土压力难以准确通过传感器进行测定。土仓背面布置的土仓压力传感器反映的是土仓背面的水土压力分布，其与刀盘开口处的土仓内部反力并不相等。1(监测模型盾构机开挖面上土压力的装置和方法,申请号：201810197379.8)提出了一种在刀盘上设置传感器，通过无线传输与接收的方法来防止刀盘转动损坏数据线缆的方法，但因为其传感器设置在刀盘上所以反映的是刀盘未开口区域的地层水土压力，对于地层水土压力来说由于刀盘未开口区域为刚性-弹性边界而刀盘开口区域为塑性-流动边界，所以刀盘未开口区域所受地层水土压力和位于刀盘开口区域内地层水土压力的大小和分布形式均不同，所以设置于刀盘未开口区域的压力传感器不能测得刀盘开口处的地层水土压力。2(武力.基于离散元仿真的盾构密本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种推测刀盘开口处富水砂层土压力分布情况的简化方法，其特征在于:包括以下步骤：/n步骤一 计算土仓内液-塑分界面高度/n盾构机在隧道施工过程中，以土仓内截面最低点为原点，以掘进轴线方向的反方向为X轴，以竖直向上为Z轴，建立直角坐标系0XZ；盾构掘进速率为v

【技术特征摘要】
1.一种推测刀盘开口处富水砂层土压力分布情况的简化方法，其特征在于:包括以下步骤：
步骤一计算土仓内液-塑分界面高度
盾构机在隧道施工过程中，以土仓内截面最低点为原点，以掘进轴线方向的反方向为X轴，以竖直向上为Z轴，建立直角坐标系0XZ；盾构掘进速率为v1，螺旋输送机排土线速率为v3，且v3为设置在螺旋输送机排土口处的流速传感器测得的实时实测值，刀盘半径R1，土仓内半径R2，螺旋输送机内半径R3，螺旋输送机轴线长度L，螺旋输送机轴线与X轴方向夹角θ1，ti时刻和ti-1时刻之间的时间差为△ti，a为螺旋输送机与土仓相连通道内周上的点到X轴的最短距离，B为土仓在掘进轴线方向上的长度；
定义螺旋输送机与土仓相连通道内周上距离x轴最近的点为入土口最低点，过入土口最低点作平行于x轴的直线line1；
取首切土叶片外边缘上距离螺旋输送机轴线最远的点TR；
当点TR运动至垂直距离距X轴最远时，过点TR作该螺旋面的母线TRTR’，TR’为母线与螺旋面叶片主轴圆柱侧面的交点，母线TRTR’与盾构掘进轴线方向夹角为θ2，过点TR’沿射线TR’TR方向作射线line2，过入土口最低点作line2的平行线line3，line1和line3的夹角为θ2；
当a+Btanθ2≥R2时应重新调整a、B、R2或θ2，直到当a+Btanθ2<R2时利用本发明进行如下计算:
设液-塑分界面为水平面；
当满足式(1)时，土仓内液-塑分界面高度低于土仓内截面圆心高度，土仓内液-塑分界面高度h满足式(3)；
当满足式(2)时，土仓内液-塑分界面高度高于土仓内截面圆心高度时，土仓内液-塑分界面高度h满足式(4)；
当a+Btanθ2<h时进入步骤二进行计算，当a+Btanθ2≥h时进入步骤四进行计算；












步骤二计算实时土仓背面土压力分布函数
在OXZ坐标系内，沿OZ方向的土仓压力分布按实时土仓背面土仓压力分布函数p确定，p是关于z的函数；
1)当土仓压力计算点高度z位于安装高度最高和安装高度最低的土仓压力传感器安装高度之间时，土仓压力计算点高度z处p的大小为在紧邻上部读数平均值和紧邻下部读数平均值之间按照土仓压力计算点高度线性插值；
2)当土仓压力计算点高度z高于安装高度最高的土仓压力传感器安装高度时，土仓压力计算点高度z处p的大小等于紧邻下部读数平均值；
3)当土仓压力计算点高度z低于安装高度最低的土仓压力传感器安装高度时，土仓压力计算点高度z处p的大小为紧邻上部读数平均值加上该土仓压力计算点附加土压；
步骤三计算刀盘开口土压力合力
在土仓内的塑性渣土混合物，从螺旋输送机入土口处落入螺旋输送机管道，由螺旋输送机叶片输出，渣土混合物首先接触首切土叶片外边缘，由于受叶片切削扰动形成平行于该叶片边缘处螺旋面母线的顶部滑裂面，且由于首切土叶片绕螺旋输送机轴线旋转，所以螺旋输送机入土口底部存在与顶部滑裂面平行的底部滑裂面，该底部滑裂面即混合物滑动面，塑性渣土混合物近似沿混合物滑动面滑移；
以θ2为坡角、以入土口最低点为坡脚的直线坡为混合物滑动面，混合物滑动面为过line3且垂直于平面0XZ的平面；
将混合物滑动面上部塑性渣土混合物近似为刚体，塑性渣土混合物与塑性渣土混合物之间的摩擦系数为且粘聚力为零；主应力方向为竖直向下，则根据摩尔应力圆原理塑性渣土混合物等效内摩擦角如式(5)；
由于渣土混合物在钢铁表面流动性较高，塑性渣土混合物与土仓之间摩擦力近似为零；



将土仓...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜峰，张斌，徐成华，徐光辉，李彤，冒岩松，魏良丰，李国鹏，王玉文，苏科，陈大权，田开洋，明成银，谈金忠，汤国毅，王卫国，程荷兰，施烨辉，孙银娟，
申请(专利权)人：南京坤拓土木工程科技有限公司，南通城市轨道交通有限公司，中铁上海投资集团有限公司，中铁二局第五工程有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32