推拼同步模式下盾构推进系统顶力分配计算方法与流程

本发明涉及盾构隧道施工技术和装备领域，具体涉及一种推拼同步模式下盾构推进系统顶力分配计算方法。

背景技术：

目前，国内外盾构法隧道工程正在往大深度、大断面、长距离的方向发展。为缩短工期、提高施工效率，全球各大盾构机设计研发企业都在装备升级和施工效率提升上投入大量的经费和精力。常规盾构施工采用推拼交替模式，即，先进行推进，待推进一环管片宽度后再进行该环管片的拼装，采用该模式施工时，盾构机需要完全停下来才能开始拼装作业，管片拼装的循环周期长，施工效率低。

如何实现推进与管片的拼装同步进行(即推拼同步模式施工)、进而从本质上提高盾构施工效率成为当下盾构装备研发的一大方向。主要关键技术难题在于如何确保在管片拼装过程中盾构推进系统产生的总顶推力和合力矩保持不变，从而稳定盾构的掘进姿态和掘进速度。已有的推进系统控制技术并没有基于数学和力学的理论，单纯依靠千斤顶的伸缩操作，使得油缸压力为被动响应，盾构姿态和推进速度并不可控。

技术实现要素：

为克服现有技术所存在的缺陷，提供了一种推拼同步模式下盾构推进系统顶力分配计算方法，通过对千斤顶进行分区以及增量分配，确保盾构推进系统的总顶推力的大小和作用点保持不变，从而进一步确保盾构姿态保持不变，以解决单纯依靠千斤顶伸缩操作使得盾构姿态和速度不可控的问题。该计算方法简单易懂、可操作性强。

本发明是通过如下技术方案实现的：一种推拼同步模式下盾构推进系统顶力分配计算方法，盾构推进系统包括沿圆周方向间隔设置的多个千斤顶，计算方法包括以下步骤：

a、采集各所述千斤顶在推拼交替模式进行施工时的顶力作为常规顶力；

b、将多个所述千斤顶划分为回缩区段、减压推进区段、第一增压推进区段和第二增压推进区段，所述回缩区段对应于下一环管片的待拼装管片的位置，所述减压推进区段与所述回缩区段相对设置，所述第一增压推进区段和所述第二增压推进区段对称设置于所述回缩区段与所述减压推进区段的两侧之间；

c、分别确定所述减压推进区段、所述第一增压推进区段和所述第二增压推进区段的合力增量作用点；

d、将回缩区段内各千斤顶的常规顶力之和按照一定规律分配给所述减压推进区段、所述第一增压推进区段和所述第二增压推进区段；

所述规律应满足：所述减压推进区段的总顶力增量为一负值；所述第一增压推进区段的总顶力增量在所述负值的基础上增加第一正值；所述第二增压推进区段的总顶力增量在所述负值的基础上增加第二正值；且所述减压推进区段的总顶力增量、所述第一增压推进区段的总顶力增量和所述第二增压推进区段的总顶力增量之和以及产生的力矩之和分别与所述回缩区段内各千斤顶的常规顶力之和以及产生的力矩之和相等；

根据所述规律计算出各区段的总顶力增量；

e、将各区段的总顶力增量平均分配给对应区段内的各千斤顶以得到各所述千斤顶的顶力增量，将各所述顶力增量与对应所述千斤顶的常规顶力求和，以得到相应千斤顶在所述回缩区段回缩后的目标顶力。

本发明以通过对千斤顶进行分区以及增量分配，确保盾构推进系统在推拼同步模式下进行施工时的总顶推力的大小和作用点保持不变，从而进一步确保盾构姿态保持不变，以解决单纯依靠千斤顶伸缩操作使得盾构姿态和速度不可控的问题。该计算方法简单易懂、可操作性强，可基于该计算方法进行多种分区策略的比选，为最终确定一种稳定可靠的力控制方法以及推进系统的油缸配置提供数据基础。

本发明推拼同步模式下盾构推进系统顶力分配计算方法的进一步改进在于：

在所述步骤b中，将所述第一增压推进区段进一步划分为多个第一梯度增压推进区段，将所述第二增压推进区段进一步划分为多个第二梯度增压推进区段，且多个所述第一梯度增压推进区段与多个所述第二梯度增压推进区段一一对称设置；

在所述步骤c中，分别确定所述减压推进区段、多个所述第一梯度增压推进区段和多个所述第二梯度增压推进区段的合力增量作用点；

所述步骤d中的所述规律应满足：各第一梯度增压推进区段的总顶力增量自所述减压推进区段至所述回缩区段依次递增第三正值；各第二梯度增压推进区段的总顶力增量自所述减压推进区段至所述回缩区段依次递增第四正值；且所述减压推进区段的总顶力增量、各所述第一梯度增压推进区段的总顶力增量和各所述第二梯度增压推进区段的总顶力增量之和以及产生的力矩之和分别与所述回缩区段内各千斤顶的常规顶力之和以及产生的力矩之和相等。

本发明推拼同步模式下盾构推进系统顶力分配计算方法的进一步改进在于，在所述步骤c中：

建立原点o与所述盾构推进系统的中心相重合的xoy坐标系；

将各所述合力增量作用点分别设在对应区段的中线上，并根据各所述中线与y轴的夹角、所述盾构推进系统的半径以及所有所述千斤顶的数量和分布情况计算并确定各所述合力增量作用点至所述原点o的距离r，进而确定出各所述合力增量作用点在所述xoy坐标系上的位置。

本发明推拼同步模式下盾构推进系统顶力分配计算方法的进一步改进在于，在所述步骤d中：在计算各所述总顶力增量之前，先将所述回缩区段的中线设置在y轴负半轴上。

本发明推拼同步模式下盾构推进系统顶力分配计算方法的进一步改进在于，在所述步骤b中：在划分多个所述千斤顶时，使减压推进区段的千斤顶的数量不小于回缩区段的千斤顶的数量、且不大于盾构推进系统半圆范围内的千斤顶的数量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明实施例的盾构推进系统的部分结构示意图。

图2示出了本发明实施例的盾构推进系统的第一种分区示意图。

图3示出了本发明实施例的盾构推进系统的第二种分区示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种推拼同步模式下盾构推进系统顶力分配计算方法，通过对千斤顶进行分区以及增量分配，确保盾构推进系统的总顶推力的大小和作用点保持不变，从而进一步确保盾构姿态保持不变，以解决单纯依靠千斤顶伸缩操作使得盾构姿态和速度不可控的问题。

以下通过特定的具体实例说明本发明的计算方法，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

图1示出了本发明实施例的盾构推进系统的部分结构示意图、图2示出了本发明实施例的盾构推进系统的第一种分区示意图。

参阅图1和图2所示，盾构推进系统1包括沿圆周方向间隔设置的多个千斤顶2。

在本发明中，盾构推进系统的推进方式有常规的推拼交替模式和推拼同步模式。

常规的推拼交替模式是指，所有的千斤顶同时推进、停止，然后进行管片拼装，如此推进与管片拼装交替进行的模式。

推拼同步模式是指，在盾构机采用推拼交替模式拼装一段里程的多环管片后，部分千斤顶推进，部分千斤顶回缩。回缩的千斤顶与已拼装好的管片之间形成至少一管片宽度的空间，在该空间内进行该管片的拼装，使得在盾构推进系统在推进过程中也能实现管片的拼装。

本实施例中，整环管片总共有9块，如图2所示，分别为管片f、管片l1、管片l2、管片b1、管片b2、管片b3、管片b4、管片b5和管片b6块。

每次回缩的千斤顶对应一块管片。一环管片的拼装顺序则可以安装传统的管片拼装顺序依次进行。

继续参阅图1和图2所示，本发明提供了一种推拼同步模式下盾构推进系统顶力分配计算方法，包括以下步骤：

步骤a、采集各该千斤顶2在推拼交替模式进行施工时的顶力作为常规顶力f1、f2…、fk，k为整个盾构推进系统千斤顶2的个数。

各千斤顶设置各自独立的比例减压阀进行压力控制，在盾构机常规推进(即推拼交替模式)时，盾构机操作界面上须展示各分区的油压开度值以及经plc采集的各分区内千斤顶的无杆腔压力换算的顶力，该顶力作为常规顶力。在待拼装管片范围内千斤顶在与管片脱离之前，先进行线性卸压，其余千斤顶进行线性增压或减压，确保盾构机姿态稳定。

步骤b、将多个该千斤顶2划分为回缩区段g0、减压推进区段g1、第一增压推进区段g2和第二增压推进区段g3，该回缩区段g0对应于下一环管片的待拼装管片的位置，该减压推进区段g1与该回缩区段g0相对设置，该第一增压推进区段g2和该第二增压推进区段g3对称设置于该回缩区段g0与该减压推进区段g1的两侧之间，即第一增压推进区段g2和第二增压推进区段g3以该回缩区段g0与该减压推进区段g1的中心线a为中心轴对称设置。

步骤c、分别确定该减压推进区段g1、该第一增压推进区段g2和该第二增压推进区段g3的合力增量作用点。

具体地，确定各合力增量作用点的方法如下：

建立原点o与该盾构推进系统1的中心相重合的xoy坐标系；

设各区段的合力增量作用点位于各区段的中线上，并根据各该中线与y轴的夹角、该盾构推进系统的半径r0以及所有该千斤顶的数量和分布情况计算并确定各该合力增量作用点至该原点o的距离r，进而确定出各该合力增量作用点在该xoy坐标系上的位置。

步骤d、将回缩区段g0内各千斤顶的常规顶力之和(fa+fa+1…+fa+i，i+1为回缩区段g0内千斤顶的个数)按照一定规律分配给该减压推进区段g1、该第一增压推进区段g2和该第二增压推进区段g3。

为了保证在推拼同步模式下进行施工时，所有千斤顶的总顶力及作用点保持不变，该规律应满足：该减压推进区段的总顶力增量为一负值；该第一增压推进区段的总顶力增量在该负值的基础上增加第一正值；该第二增压推进区段的总顶力增量在该负值的基础上增加第二正值；且该减压推进区段的总顶力增量该第一增压推进区段的总顶力增量和该第二增压推进区段的总顶力增量之和以及产生的力矩之和分别与该回缩区段内各千斤顶的常规顶力之和以及产生的力矩之和相等。

根据上述规律，可列出如下公式：

其中，-δt为所述负值，且δt的大小不得超过减压推进区段g1内各千斤顶的常规顶力之和，δ1′为所述第一正值，δ2′为所述第二正值，和分别为各区段总顶力增量在相应区段的合力增量作用点处的两个分力矩，na、na+1...na+i和ma、ma+1…ma+i分别为回缩区段内各千斤顶的常规顶力fa、fa+1…fa+i的两个分力矩。

将公式(4)～(6)代入公式(1)～(3)中可计算出-δt、δ1′、δ2′的大小，进而计算出各总顶力增量的大小。

e、将各区段的总顶力增量平均分配给对应区段内的各千斤顶以得到各该千斤顶的顶力增量，将各该顶力增量与对应该千斤顶的常规顶力求和，以得到相应千斤顶在该回缩区段回缩后的目标顶力。

本发明通过对千斤顶进行分区以及增量分配的计算方法，同时配合千斤顶各自独立的比例减压阀的压力控制，使得盾构推进系统在推拼同步模式下，部分千斤顶推进、部分千斤顶回缩时，能够保证盾构推进系统的总顶力和作用点保持不变，从而进一步确保盾构姿态保持不变，以解决单纯依靠千斤顶伸缩操作使得盾构姿态和速度不可控的问题。该计算方法简单易懂、可操作性强，可基于该计算方法进行多种分区策略的比选，为最终确定一种稳定可靠的力控制方法以及推进系统的油缸配置提供数据基础。

作为一种较佳实施方式，参阅图3，图3示出了本发明实施例的盾构推进系统的第二种分区示意图；在实施步骤b时，将该第一增压推进区段g2进一步划分为多个第一梯度增压推进区段g21、g22、…g2j，j为第一梯度增压推进区段的数量，将该第二增压推进区段g3进一步划分为多个第二梯度增压推进区段g31、g32、…g3j，且多个该第一梯度增压推进区段与多个该第二梯度增压推进区段一一对称设置。

在实施步骤c时，分别确定该减压推进区段(g1)、多个该第一梯度增压推进区段(g21、g22、…g2j)和多个该第二梯度增压推进区段(g31、g32、…g3j)的合力增量作用点。

在该步骤d中的该规律应满足：各第一梯度增压推进区段的总顶力增量自该减压推进区段g1至该回缩区段g0依次递增第三正值；各第二梯度增压推进区段的总顶力增量自该减压推进区段g1至该回缩区段g0依次递增第四正值；且该减压推进区段的总顶力增量各该第一梯度增压推进区段的总顶力增量和各该第二梯度增压推进区段的总顶力增量之和以及产生的力矩之和分别与该回缩区段内各千斤顶的常规顶力之和以及产生的力矩之和相等。

根据上述规律，可列出如下公式：

…

其中，-δt为所述负值，且δt的大小不得超过减压推进区段g1内各千斤顶的常规顶力之和，δ1为所述第三正值，δ2为所述第四正值，和分别为各区段总顶力增量在相应区段的合力增量作用点处的两个分力矩，na、na+1...na+i和ma、ma+1…ma+i分别为回缩区段内各千斤顶的常规顶力fa、fa+1…fa+i的两个分力矩。

将公式(4)～(10)代入公式(1)～(3)中可计算出-δt、δ1、δ2的大小，进而计算出各总顶力增量的大小。

作为一种较佳实施方式，在计算各该总顶力增量之前，先将该回缩区段g0的中线设置在y轴负半轴上，然后通过回缩区段g0内各千斤顶的常规顶力之和及产生的x轴力矩和y轴力矩分别与各总顶力增量之和及于相应合力增量作用点处产生的x轴力矩和y轴力矩相等，以保证在推拼同步模式下进行施工时，所有千斤顶的总顶力及作用点保持不变。

在本实施方式中，当拼装完一块管片后并准备拼装下一块管片时，需旋转盾构推进系统在xoy坐标系的位置，使下一块管片范围的中线设置在y轴负半轴上，并按照上述分区段的方式自动调整千斤顶的分组。

作为一种较佳实施方式，该步骤b中：在划分多个该千斤顶时，使减压推进区段g1的千斤顶的数量不小于回缩区段g0的千斤顶的数量、且不大于盾构推进系统半圆范围内的千斤顶的数量，如此一来，确保了第一增压推进区域和第二增压推进区域的总顶力增量一定为正值。

在本实施方式中，当管片f以外的其他管片为待拼装管片时，减压推进区段g1的千斤顶数量均为6个，当管片f为待拼装管片时，减压推进区段g1的千斤顶数量为8个。

下面以半径r0为6.518米，千斤顶间隔为10.59°的盾构推进系统为例，并以第二种分区方式对本发明计算方法的计算过程加以说明。

参阅图3所示，对所有千斤顶设置编号，编号为no.1～no.34，则各千斤顶的常规顶力为f1、f2…f34。

对所有千斤顶进行分组，其中待拼装区段的管片b3范围内的千斤顶划分为单独的回缩区段g0，g0组有no.15～no.18，共4个千斤顶；剩余的千斤顶被分为5个区段(g1、g21、g31、g22、g32)，其中，减压推进区段g1有no.1、no.2、no.31、no.32、no.33、no.34共6个千斤顶；两个第一梯度增压推进区段自减压推进区段g1至回缩区段g0依次为g21和g22，g21有no.27～no.30共4个千斤顶，g22有no.19～no.26共8个千斤顶；两个第二梯度增压推进区段自减压推进区段g1至回缩区段g0依次为g31和g32，g31有no.3～no.6共4个千斤顶，g32有no.7～no.14共8个千斤顶。

建立原点o与该盾构推进系统的中心相重合的xoy坐标系，设各区段的合力增量作用点位于各区段的中线上，并计算出各合力增量作用点至该原点o的距离r，计算公式为：

当待计算区段中千斤顶的数量n为偶数时，公式为：

当待计算区段中千斤顶的数量n为奇数时，公式为：

其中，n为盾构推进系统中千斤顶的总数，即34。

根据上述公式，计算出各合力增量作用点至原点o的距离：

其中，为减压推进区段的合力增量作用点至原点o的距离，和分别为两个第一梯度增压推进区段g21和g22的合力增量作用点至原点o的距离，和分别为两个第二梯度增压推进区段g31和g32的合力增量作用点至原点o的距离。

进一步地，将该回缩区段g0的中线设置在y轴负半轴上，根据各合力增量作用点至原点o的距离以及各合力增量作用点至原点o的线段与y轴的夹角计算出各合力增量作用点于x轴和y轴的力矩；同时，根据回缩区段g0内各千斤顶的圆点至原点o的距离(即盾构推进系统的半径r0)以及回缩区段g0内各千斤顶的圆点至原点o的线段与y轴的夹角计算出回缩区段g0内各千斤顶于x轴和y轴的力矩，具体计算结果如下：

n15＝r0sin7.94＝0.900m；

n16＝r0sin5.29＝0.601m；

n17＝-r0sin5.29＝-0.601m；

n18＝-r0sin7.94＝-0.900m；

m15＝m18＝-r0cos7.94＝-6.456m；

m16＝m17＝-r0cos5.29＝-6.490m；

其中，依次为减压推进区段、两个第一梯度增压推进区段和两个第二梯度增压推进区段的合力增量作用点于x轴的力矩，依次为减压推进区段、两个第一梯度增压推进区段和两个第二梯度增压推进区段的合力增量作用点于y轴的力矩，n15～n18为回缩区段g0内各千斤顶于x轴的力矩，m15～m18为回缩区段g0内各千斤顶于y轴的力矩。

待拼装管片b3范围内千斤顶的常规顶力值皆为4387.61kn，详见表1。

将上述参数代入以下方程：

经计算，δt＝9348.17kn；δ1＝δ2＝10715.22kn。

减压推进区段g1内各千斤顶增量为-9348.17/6＝-1558.03kn；

第一梯度增压推进区段g21和第二梯度增压推进区段g31内各千斤顶增量均为(-9348.17+10715.22)/4＝1367.05/4＝341.76kn；

第一梯度增压推进区段g22和第二梯度增压推进区段g32内各千斤顶增量均为(-9348.17+2*10715.22)/8＝12082.3/8＝1510.28kn；

整个盾构推进系统的各千斤顶在同步拼装管片b3时的目标顶力值见表1。

表1

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。