一种盾构切桩推力预测方法技术

本发明专利技术公开了一种盾构切桩推力预测方法，包括以下步骤：步骤一，建立盾构主切削刀具切削桩基三维模型；步骤二，主力撕裂刀切削桩基贯入力f

【技术实现步骤摘要】
一种盾构切桩推力预测方法


[0001]本专利技术涉及隧道掘进装备
，具体涉及一种盾构切桩推力预测方法。

技术介绍

[0002]地下空间日益发展，地铁建设在地下中浅层逐渐饱和，由于先前地下空间规划的缺乏，隧道修建途中频频出现盾构需要穿越既有建筑桩基等障碍物情况。当盾构开始切桩作业时，盾构总推力受桩基影响发生变化，总推力受桩基存在而增大，传统盾构总推力计算模型失效，因此需要对原有推力计算公式进行改进，得到更为精准的盾构切桩总推力F
P
。目前研究缺乏针对切桩这一特殊工况下的盾构总推力预测方法，因此需要一种准确计算盾构切桩过程的总推力计算模型，定量研究盾构切桩总推力，得到较为精准的盾构切桩总推力参考值，为盾构的设计与施工提供参考。

技术实现思路

[0003]本专利技术目的是提供一种盾构切桩推力预测方法，该方法解决了盾构切桩总推力的精准计算。
[0004]为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：
[0005]一种盾构切桩推力预测方法，包括以下步骤：
[0006]步骤一，建立盾构主切削刀具切削桩基三维模型，通过有限元软件ANSYS
‑
WORKBENCH建模，建模后通过子程序ANSYS
‑
LS
‑
DYNA
‑
MANAGER求解计算；
[0007]步骤二，主力撕裂刀切削桩基贯入力f
sg
和主力切力刀切削桩基贯入力f
qg
的获取，将在子程序ANSYSr/>‑
LS
‑
DYNA
‑
MANAGER中计算的结果导入LS
‑
PREPOST中进行后处理操作，得到f
sg
和f
qg
；
[0008]步骤三，盾构盾壳总摩擦力F
P1
的计算，考虑排桩的存在，将原先等体积上覆土体对盾构盾壳的摩擦力替换为桩基对盾构盾壳的摩擦力，分别计算出盾构盾壳与土体间直接摩擦力F
P11
、原先替换土体对盾构上部壳体产生的摩擦力F
p12
及桩基部分对盾构上部壳体产生的摩擦力F
p13
，再计算盾构盾壳总摩擦力F
P1
：
[0009]F
P1
＝F
P11
‑
F
P12
+F
P13
；
[0010]步骤四，盾构刀盘切削桩基的正面阻力F
P2
的计算，分别计算出盾构刀盘的正面阻力F2、排桩产生的正面阻力F
p21
和盾构刀具切桩时桩基对刀具贯入力产生的反作用力F
P22
，将土压力对盾构刀盘产生的正面阻力F
21
替换为排桩对盾构刀盘产生的正面阻力F
p21
，计算出盾构刀盘切削桩基的正面阻力F
P2
：
[0011]F
P2
＝F2‑
F
21
+F
P21
+F
P22
；
[0012]步骤五，管片在脱出盾尾过程中产生的摩擦力F3的计算，
[0013]F3＝W
P
·
μ2[0014]式中，W
p
为盾尾内管片的重量；μ2为盾尾与管片之间的摩擦系数；
[0015]步骤六，后方台车的牵引阻力F4的计算，后方台车的牵引阻力为：
[0016]F4＝G1·
μ3[0017]式中，G1为后方台车重量，μ3为台车车轮与钢轨之间的摩擦系数；
[0018]步骤七，盾构切桩过程总推力的计算，只考虑撕裂刀及切刀切削作用，取盾构匀速前进，土仓内土体均匀受压状态，盾构切桩总推力F
P
与盾构千斤顶推力相互平衡，千斤顶顶推力主要由盾构盾壳总摩擦力F
P1
、盾构刀盘切削桩基的正面阻力F
P2
、管片在脱出盾尾过程中产生的摩擦力F3和后方台车的牵引阻力F4四部分组成，因此，
[0019]F
P
＝F
P1
+F
P2
+F3+F4。
[0020]优选的，所述步骤一中，采用ANSYS
‑
WORKBENCH前处理平台建立盾构主力刀具切削三维有限元模型，通过PRESCRIBED_MOTION_RIGID关键字定义盾构主力刀具切削过程稳定匀速，切削面外均采用固定约束，添加无反射条件边界，在k文件中加入关键字*STRESS_INITIALIZATION初始化对所述有限元数值模型的初始应力，设定刀具材料为Rigid本构模型，最后将k文件导入至ANSYS
‑
LS
‑
DYNA
‑
MANAGER求解计算。
[0021]优选的，所述步骤二中，将在子程序ANSYS
‑
LS
‑
DYNA
‑
MANAGER中计算的Plot求解文件导入LS
‑
PREPOST中进行后处理操作，得到主力撕裂刀切削桩基和主力切力刀切削桩基时的受力曲线，取均值作为主力撕裂刀切削桩基贯入力f
sg
和主力切力刀切削桩基贯入力f
qg
。
[0022]优选的，所述步骤三中，通过各向土压得到盾壳所受的平均土压力P：
[0023][0024]式中，q
e1
为盾壳顶部侧向土压，q
e2
为盾壳底部侧向土压，P
e1
为盾壳顶部垂直抵抗土压，P
e2
为盾壳底部垂直抵抗土压；
[0025]所述盾壳顶部垂直抵抗土压P
e1
为：
[0026]P
e1
＝γ
·
H
[0027]所述盾壳底部垂直抵抗土压P
e2
为：
[0028]P
e2
＝γ
·
(H+D)
[0029]所述盾壳顶部侧向土压q
e1
为：
[0030]q
e1
＝λ
·
P
e1
[0031]所述盾壳底部侧向土压q
e2
为：
[0032]q
e2
＝λ
·
P
e2
[0033]式中，H为隧道顶部埋深，γ为土容重，λ为水平侧压力系数，D为盾构外径。
[0034]优选的，所述盾构盾壳与土体间直接摩擦力F
P11
为：
[0035]F
P11
＝(πDLP+W)
·
μ1[0036]式中，D为盾构外径；L为盾构总长；W为盾构重力；μ1为盾构盾壳与土体的摩擦系数；
[0037]原先替换土体对盾构上部壳体产生本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种盾构切桩推力预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，建立盾构(3)主切削刀具切削桩基(5)三维模型，通过有限元软件ANSYS
‑
WORKBENCH建模，建模后通过子程序ANSYS
‑
LS
‑
DYNA
‑
MANAGER求解计算；步骤二，主力撕裂刀切削桩基贯入力f
sg
和主力切力刀切削桩基贯入力f
qg
的获取，将在子程序ANSYS
‑
LS
‑
DYNA
‑
MANAGER中计算的结果导入LS
‑
PREPOST中进行后处理操作，得到f
sg
和f
qg
；步骤三，盾构盾壳总摩擦力F
P1
的计算，考虑排桩的存在，将原先等体积上覆土体(4)对盾构盾壳(1)的摩擦力替换为桩基(5)对盾构盾壳(1)的摩擦力，分别计算出盾构盾壳与土体间直接摩擦力F
P11
、原先替换土体对盾构上部壳体产生的摩擦力F
p12
及桩基部分对盾构上部壳体产生的摩擦力F
p13
，再计算盾构盾壳总摩擦力F
P1
：F
P1
＝F
P11
‑
F
P12
+F
P13
；步骤四，盾构刀盘切削桩基的正面阻力F
P2
的计算，分别计算出盾构刀盘的正面阻力F2、排桩产生的正面阻力F
p21
和盾构刀具切桩时桩基对刀具贯入力产生的反作用力F
P22
，将土压力对盾构刀盘产生的正面阻力F
21
替换为排桩对盾构刀盘产生的正面阻力F
p21
，计算出盾构刀盘切削桩基的正面阻力F
P2
：F
P2
＝F2‑
F
21
+F
P21
+F
P22
；步骤五，管片在脱出盾尾过程中产生的摩擦力F3的计算，F3＝W
P
·
μ2式中，W
p
为盾尾内管片的重量；μ2为盾尾与管片之间的摩擦系数；步骤六，后方台车的牵引阻力F4的计算，后方台车的牵引阻力为：F4＝G1·
μ3式中，G1为后方台车重量，μ3为台车车轮与钢轨之间的摩擦系数；步骤七，盾构(3)切桩过程总推力的计算，只考虑撕裂刀及切刀切削作用，取盾构(3)匀速前进，土仓内土体均匀受压状态，盾构切桩总推力F
P
与盾构(3)千斤顶推力相互平衡，千斤顶顶推力主要由盾构盾壳总摩擦力F
P1
、盾构刀盘切削桩基的正面阻力F
P2
、管片在脱出盾尾过程中产生的摩擦力F3和后方台车的牵引阻力F4四部分组成，因此，F
P
＝F
P1
+F
P2
+F3+F4。2.根据权利要求1所述的盾构切桩推力预测方法，其特征在于：所述步骤一中，采用ANSYS
‑
WORKBENCH前处理平台建立盾构(3)主力刀具切削三维有限元模型，通过PRESCRIBED_MOTION_RIGID关键字定义盾构(3)主力刀具切削过程稳定匀速，切削面外均采用固定约束，添加无反射条件边界，在k文件中加入关键字*STRESS_INITIALIZATION初始化对所述有限元数值模型的初始应力，设定刀具材料为Rigid本构模型，最后将k文件导入至ANSYS
‑
LS
‑
DYNA
‑
MANAGER求解计算。3.根据权利要求1所述的盾构切桩推力预测方法，其特征在于：所述步骤二中，将在子程序ANSYS
‑
LS
‑
DYNA
‑
MANA...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈志文，管晓明，张雪，刘泽亮，张静涛，许华威，张帅，辛柏成，雷海波，王若辉，漆明生，杨晓东，马佳，李森，
申请(专利权)人：中国建筑第二工程局有限公司，
类型：发明
国别省市：