EPB盾构机土仓压力分布有限元数值模拟_亢晨钢

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收稿日期 : 2009- 06- 28 基金项目 : 国家重点基础 研究发 展规 划 ( 973) 项 目 ( 批 准号 : 2007CB714006) 及 国家 自然 科学 基金 重点项目 ( 批准号 : 90815023) 。 作者简介 : 亢晨钢 ( 1983- ) , 男 , 硕士研 究生。
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。 M igliazza
( 2009) 分别使 用试验方法、解析方法、数值 模拟方法研 究了盾 构施工 引起 的地 表沉降 问 题
[ 4]
。M roueh ( 2008) 介绍了一种在盾构机掘
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进过程中预测土的运动的三维数值模型
。陈
立生 ( 2008) 提出了在环境变化时调整土仓压 力的新思路作为补充。这一新思路是针对土仓 压力控制标准的不确定性、分析了土仓压力波 动的原因后, 形成了采用土压平衡比控制盾构
2009 年 8 月
亢晨钢等
EPB 盾构机土仓压力分布有限元数值模拟
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力和被动土压力问题 , 提出了土仓土压控制流 程图[ 12] 。徐前卫 ( 2007) 和朱合华 ( 2006) 根 据相似理论和模型试验方法建立了土体 - 盾构 机系统的相似关系, 利用直径 400 m m 的模型 盾构机模拟直径 6 340 mm 的原型盾构 机, 通 过对试验数据的分析整理, 得出了土压平衡盾 构机参量之间的关系曲线
K a = t an ( 45 -
式中,
z
为垂直静止土压力 ;
式中 , K a 为主动土压力系数。 如果掘进工作面压力较大 , 那么工作面压 力由被动土压力控制 , 盾构机工作面的被动土
z 为埋置深度。 垂直于侧面的法向应力为静止侧压力:
x=
k0 z
( 2)
压力为:
p=
式中,
x
为水平静止土 压力, k 0 为土的 静止
45 +
/ 2) + 2 c tan( 45 +
/ 2) ( 4)
式中 , cபைடு நூலகம்为土的内聚力;
3= 1 t an 2
为土的内摩擦角。 / 2) ( 5)
( 45 -
/ 2) + 2 c tan( 45 -
2
掘进工作面土压力计算模拟
在土仓的土压与开挖面的土压保持平衡的
状态下 , 随盾构向前推进的同时 , 启动螺旋输 送机排土, 使排土量等于开挖土量 , 使开挖面 的地层始终保持稳定 , 排土量一般通过调节螺 旋输送机的转速和闸门的开度予以控制。根据 土力学原理, 可以将盾构机的刀盘近似为挡土 墙, 然后根据挡土墙理论分析掘进工作面的压 力分布特性。 如图 1 所示, 根据土力学理论 , 天然土体 内垂直静止土压力为 :
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平衡状态的辅助方法 , 这种新方法更有利于土 仓压力的稳定[ 6] 。王洪新 ( 2006) 基于模型试 验结果 , 推 到 土压 平衡 盾构 的三 个基 本 方程 式, 进而得 到 土压 平衡 盾构 两个 总平 衡 方程 式, 建立土压平衡盾构掘进的数理模型。在此 基础上推导 总推力、土仓 压力、螺旋机 转速、 掘进速度间关系的数学表达式 , 利用盾构施工 的现场数据验证关系式的正确性。利用现场掘 进数据统计刀盘扭矩、刀盘转速、土仓压力间 的经验关系式。这些关系对土压平衡盾构设计 时的参数选择和匹配有重要的指导意义, 可以 应用于土压平衡盾构施工时的参数控制。土压 平衡盾构掘进的连续性方程为土压平衡盾构掘 进时的地面沉 降控制提供了新的 研究思路[ 7] 。 魏建华 ( 2005) 以城市地铁隧道施工中广泛采 用的土压平衡式盾构机为背景 , 结合现场观测 数据阐述了盾构机开挖面稳定机理 , 分析了土 仓土 压 力 的 设 定 与 控 制 方 法 [ 9] 。 张 厚 美 ( 2005) 采用多元统 计分析方 法, 研究 土仓压 力、推力、刀盘转速等主要掘进参数对掘进速 度、刀盘扭矩的影响 , 得到了土压平衡式盾构 在软土中的掘进速度数学模型和刀盘扭矩数学 模型, 模型平 均误差 约为 10% 。研 究结 果表 明: 对掘进速度和刀盘扭矩影响最大的 3 个操 作参数依次为 : 千斤顶推力、土舱压力和刀盘 转速。掘进速度、刀盘扭矩与千斤顶推力成正 比, 与土舱压力成反比, 刀盘转速对刀盘扭矩 和掘进速度影响不大[ 10] 。 盾构机土仓土压力控制国内外集中在实验 室模拟试验和数值仿真研究, 根据模拟实验台 的观测数据分析土仓土压力与螺旋输送机转速 的关系。杨洪杰 ( 2006) 在软土、砂土及砂砾 土层中进行盾构模型的掘进试验 , 在试验中分 别采用刀盘开口率为 30% 和 70% 的盾构模型进 行模拟掘进。研究了试验模型周围土压力变化 和刀盘开口率变化 对土仓内外土压力 的影响, 建立了刀盘推力和扭矩的差分模型 , 并且提出 了土 仓 内 外 压 力 存 在 压 力 差 [ 11] 。 刘 东 亮 ( 2005) 对 土仓土压力影响因素和控 制方法进 行了分析 , 并且讨论了掘进工作面的主动土压
摘 要 : 结合某地铁施工实 例 , 采用有 限元 方法数 值模 拟了土 压平 衡盾 构机的 土仓 压
力。通 过计算刀盘开口率不同的土仓压力分布 , 建立了盾构 机土仓的承压隔板压力与开挖 面 压力的 关系 , 研究了刀盘开口率对盾构机土 仓压力 分布的 影响。通过 回归分 析 , 得 到刀盘 开 口率与压力传递系数之间的映射关系。数值模拟结果表明 , 有限元模拟结果与现场观测值 基 本一致。 关键词 : EPB 盾构机 ; 压力分布 ; 开口率 ; 压力传递系数 中图分类号 : T U 432 文献标识码 : A
式中 , K p 为被动土压力系数。 合理的掘进工作面土压力是介于主动土压
4 力和被动土压力之间 :
a s p
工 程 建 设
第 41 卷 表 2 盾构机主要 几何参数
第 41 卷 第 4 期 2009 年 8 月
Engineering construction
工 程 建 设
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工程研究
文章编号 : 1673- 8993( 2009) 04- 0001- 06
EPB 盾构机土仓压力分布有限元数值模拟
亢晨钢 , 李守巨 , 刘迎曦 ( 大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室, 辽宁 大连 116024)
z t an2 ( 45 +
p=
/ 2) + 2 c tan( 45 +
2
/ 2) ( 9) ( 10) ( 11)
侧压 力 系 数 , 对 于 砂 土 可 取 经 验 值 0 34 ~ 0 45 , 粘性土可取经验值 0 50~ 0 70, 或者按 照半经验公式计算: k 0 = 1- sin 式中 , 为土的有效内摩擦角。 ( 3) z tan ( 45 + / 2) / 2) K p = tan2 ( 45 +
Numerical simulation of earth pressure distribution in chamber of EPB shield by finite element method
Kang Chengang, Li Shouju, Liu Yingxi Abstract : In combination w ith practical construct ion of a subway, earth pres sure of chamber in EP B Shield w as simulated by finit e element met hod T he corre lat ion of soil pressure betw een ex cavated face and pressure bulkhead w as set up throug h the calculat ion of eart h pressure distribut ion of chamber based on dif ferent cut ter head aperture, and the inf luence of cut ter head apert ure rat io on eart h pres sure distribution of chamber w as studied T he mapping relation betw een cutt er head apert ure rat io and eart h pressure t ransf er coeff icient was obtained by reg ression analysis T he numerical sim ulat ion result show ed that t he num erical simulation val ue agrees w it h in -sit u measurement value Key words : EPB shield; pressure distribut ion; head aperture rat io; soil pres sure t ransfer coef ficient
z= a=
图 2 盾构机 施工
如果掘进工作面压力较小 , 那么工作面压 力由主动土压力控制 , 盾构机工作面的主动土 压力为:
a=
z tan2 ( 45 -
/ 2) - 2 c tan( 45 2
/ 2) ( 6) ( 7) ( 8)
z tan ( 45 2
/ 2) / 2)
z
( 1) 为土的容 重;
引
言
近年来, 我国开展了大规模的城市市政工 程建设, 尤其是几个重要城市都已开始了地下 铁路的建设工程。在这些地下工程中 , 由于受 到施工场 地、 道路 交通 等城 市环 境因 素 的限
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工 程 建 设
第 41 卷
第4期
制, 使得传统的施工方法难以普遍适用。在这 种情况下 , 对城市正常机能影响很小的隧道施 工方 法