一种复杂地层护盾式掘进机姿态实时控制方法
技术领域
本发明属于隧道护盾式掘进机施工
技术领域
，具体涉及一种复杂地层护盾式掘进机姿态实时控制方法。背景技术
在护盾式掘进机隧道掘进过程中，由于地层变化等原因容易造成护盾式掘进机力矩不平衡，从而导致护盾式掘进机发生轴线偏移。现有技术是根据自动测量装置获得的护盾式掘进机姿态信息，护盾式掘进机司机凭借个人操作经验对护盾式掘进机进行纠偏，纠偏效果取决于操作人员的经验与决策水平。不同技术人员对护盾式掘进机纠偏目标值及纠偏荷载的认识和理解不同。操作人员基于个人经验定性预测纠偏目标转角及确定纠偏荷载可能引起的欠纠、过纠问题：纠偏质量问题可能会导致管片损伤、路线偏移以及潜在运营问题。因此，有必要提出一种基于力学平衡理论的护盾式掘进机姿态实时定量控制方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决现行的依靠人工经验进行护盾式掘进机姿态调整存在的问题，本发明提供一种复杂地层护盾式掘进机姿态实时控制方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种复杂地层护盾式掘进机姿态实时控制方法，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；
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。
进一步的，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si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。
进一步的，步骤二中，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Rrec；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；si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。
进一步的，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；F1v为护盾式掘进机重力；F5v为姿态变化引起盾壳周围竖向荷载合力；F5h为姿态变化引起盾壳周围水平荷载合力；M1v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；M4v为护盾式掘进机刀盘前方荷载引起的竖向力矩；M5v为姿态变化引起盾壳周围荷载产生的竖向合力矩；M5h为姿态变化引起盾壳周围荷载产生的水平合力矩。
进一步的，求解F5v、F5h、M1v、M4v、M5h和M5v的计算步骤如下：
姿态变化引起的盾壳截面形心位移Δsv和Δsh按式(8)计算：
式中Δsv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，δv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，Δsh为盾壳截面形心水平位移，δh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，Rc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，Kmin和Kmax；
式中K为土压力系数，i为v或h，分别表示竖向和水平向，Ki0为静止土压力系数，Kimin为主动土压力系数，ai为地基反力系数，Ui为土体在i方向上发生的位移，Kimax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，σv,pq为节点竖向压力，Kv,pq为竖向土压力系数，σv0,pq为初始竖向压力，Kh,pq为水平土压力系数，σh,pq为节点水平压力，σh0,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ls，则：
M1v＝G·ls (14)
地层反力及其力矩为：
刀盘荷载力矩为：
M4v＝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。
本发明相对于现有技术的有益效果为：采用具有理论基础的护盾式掘进机姿态实时控制方法对护盾式掘进机进行纠偏，能定量确定纠偏路径及纠偏力矩，相比于传统基于人工经验的护盾式掘进机纠偏策略，本发明能有效避免欠纠、过纠问题，从而减少管片损伤、路线偏移以及潜在运营问题。
附图说明
图1为护盾式掘进机姿态实时控制方法运行流程图；
图2为目标纠偏路径示意图；
图3为地层地基反力曲线示意图；
图4为姿态变化引起的盾壳截面位移示意图；
图5为姿态纠偏力矩求解流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细的介绍。
具体实施方式一：
一种复杂地层护盾式掘进机姿态实时控制方法，总体路线如图1所示。根据护盾式掘进机姿态自动测量装置得到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。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；液压推进系统做出相应调整，进行护盾式掘进机纠偏工作。
具体步骤如下：
(1)护盾式掘进机姿态自动测量装置：可采用现有的自动全站仪和陀螺仪组合导向系统或其他更先进、精准的护盾式掘进机姿态信息测量装置。护盾式掘进机姿态自动测量装置可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si以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。
(2)纠偏路径规划系统：采用双圆弧插补法确定纠偏路径，如图2所示，根据公式(1)确定纠偏半径Rrec；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，得到纠偏所需的管片环数k；根据公式(4)确定双圆弧的曲线方程，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；g为单环管片宽度；si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的圆心坐标，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。(3)地层模型：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
图3中各层土的地基反力曲线(5)中的参数a，K0，Kmin和Kmax。
式中K为土压力系数；i为v或h，分别表示竖向和水平向；Ki0为静止土压力系数；Kimin为主动土压力系数；ai为地基反力系数；Ui为土体在i方向上发生的位移；Kimax为被动土压力系数。
(4)纠偏力矩模型
护盾式掘进机满足式(6)和(7)所示的力的平衡条件和力矩平衡条件：
式中F1v为护盾式掘进机重力；F5v为姿态变化引起盾壳周围竖向荷载合力；F5h为姿态变化引起盾壳周围水平荷载合力；M1v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；M4v为护盾式掘进机刀盘前方荷载引起的竖向力矩；M5v为姿态变化引起盾壳周围荷载产生的竖向合力矩；为千斤顶推力差产生的控制竖向俯仰角的竖向调整力矩；M5h为姿态变化引起盾壳周围荷载产生的水平合力矩；为千斤顶推力差产生的控制水平摇摆角的水平调整力矩。
①姿态变化引起的盾壳截面位移
如图4所示，姿态变化引起的盾壳截面形心位移按式(8)计算：
式中Δsv为护盾式掘进机截面形心竖向位移；Δs为护盾式掘进机重力作用下引起的形心竖向位移；δv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；Δsh为护盾式掘进机截面形心水平位移；δh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)：
转化为极坐标方程(10)：
式中，Rc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；
②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，σv,pq为节点竖向压力，Kv,pq为竖向土压力系数，σv0,pq为初始竖向压力，Kh,pq为水平土压力系数，σh,pq为节点水平压力，σh0,pq为初始水平压力；
③姿态调整力矩求解
护盾式掘进机重力为G，偏心距为ls，则：
M1v＝G·ls (14)
地层反力及其力矩为：
刀盘荷载力矩为：
M4v＝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。
纠偏力矩求解流程如图5所示。根据规划的纠偏路径获得纠偏角度，由式(12)计算护盾式掘进机上各点发生的位移，由式(13)计算盾壳周围荷载，带入力的平衡方程(6)，判定是否满足。若满足，则根据力矩平衡方程(7)确定纠偏力矩。若不满足，则对护盾式掘进机纠偏角度进行修正后，重新进行上述流程，直至计算出纠偏力矩。
(5)护盾式掘进机液压推进系统。
根据纠偏力矩对液压推进系统进行设置，完成护盾式掘进机推进及纠偏。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
