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在线网址www.sciencedirect.com 隧道技术和

期刊 科学指导 地下空间技术

结合非开挖

技术研究

隧道技术和地下空间技术 22（2007）600-609 www.elsevier.com/locate/tust

模拟微型隧道软弱土中曲线掘进

W. Broere:代尔夫特理工大学，土木工程与地球科学学院5048信箱，2600 Ga代尔夫特，荷兰

A. broere BV，阿姆斯特丹，荷兰

T.F. Faassen：代尔夫特理工大学，土木工程与地球科学学院5048信箱，2600 Ga代尔夫特，

G. Arends：代尔夫特理工大学，土木工程与地球科学学院5048信箱，2600 Ga代尔夫特，荷兰

A.F. van Tol：代尔夫特理工大学，土木工程与地球科学学院5048信箱，2600 Ga代尔夫特，

GeoDelft，代尔夫特，荷兰

摘要

近年来，由于开挖沟作业逐渐不受欢，对微型隧道的关注越来越多。然而，微型隧道向新领域发展时却受到限制。更普遍的是在荷兰的软弱土中，一个主要问题是控制曲线钻孔。为了更好地理解隧道掘进机的特性，已经建立了一个分析模型，这个模型考虑了隧道掘进机的平动和翻转，将这两个运动叠加起来描述隧道掘进机的完整运动。这个模型已经以一种渐进的方式建立起来通过首先考虑一组有限参数的影响。第一个模型考虑了路基反应模量和机器对土壤刚度的影响，随后考虑了自重和偏心预应力被改进。第二个模型用鹿特丹海特尔运河下的KPE管安装案例研究进行验证，表明了结果是可靠的。使用这个模型，鉴于所需的参数是知道的，所以掘进机的转向千斤顶所需的位置也是确定的。另外，可以预测钻孔的椭圆形 。随着角度旋转和最大旋转的变化，杆连接的运动也是确定的。如此一来，出现问题的情况就可以预防了。尽管验证的结果是好的，仍然还有许多方面需要做更进一步的研究。

2007 爱思唯尔公司 保留所有权利。

关键词：微型隧道；设计；建模；软弱土；饱和土

1. 引言

将来，地下管道系统的数量将会继续增长。不仅仅是典型的水运输、气体运输、电力和数据的运输，还有消费品、废品的地下运输和综合通用隧道。荷兰的城市都表达着一种日益增长的消除来自中心城市车辆交通可能性的关注，为了提高生活条件，考虑了分配运输的不同方式，大量的推荐构思运用了地铁。其中包括了地下物流系统的使用。

管子已经用于液体和气体的地下运输。使用地下管道作为其他商品的输送媒介意味着管道的走向变得越来越重要，线路的布局应确保高服务水平和最小化建筑成本。因此，土壤条件是越来越重要的因素，特别是要考虑钻孔技术的时

钻孔技术被看作是开挖沟渠引起环境阻碍的传统方法且可能需要（大或小）基础设施临时改道，这大大增加了成本。非开挖技术，虽然一般较贵，却没有这些缺点，并且能因此在城镇地区变得特别划算。因此，对于地下物流系统的安装，他们是一个非常好的选择。

1.1荷兰微型隧道面对的挑战

荷兰的上层大部分有冲积土组成，这里土壤的刚度较低。地下水水位普遍很高，局部达到地面。这种组合对于使用的钻探技术有不利影响。在这样差的土壤条件下，机器的控制和操纵性可能会有问题（例如2002年的Oreste等人）。一方面，曲线的单调性，在这篇文章中描述得更详细。

在过去的几年，钻孔技术作业没有任何重大问题，或者只是有限的问题。然而最近，一个项目出现了问题，项目中引进的一条曲线轨迹正好与软土到硬土的过渡重合。在这个位置，当隧道掘进机恰好进入硬质土层时，混凝土管突然断裂。另一个具有更大曲率的钻孔在同样的位置成功完成。这一事件引发了关于隧道掘进机混凝土管道和管道之间的耦合力实际性能的问题。为了加深对隧道掘进机在软土中性能的理解，建立了一个分析模型来描述在曲线掘进期间隧道掘进机在软土中的性能。这个模型已经用来解释上述项目中出现的问题。

1. 曲线模式下微信掘进机的力

当考虑到曲线掘进期间隧道掘进机所表现出来的力，许多不同的组件会被识别（汤姆森，1993），范围是从法向力和土壤中产生的摩擦力到千斤顶的推力和隧道掘进机和管道之间相互作用产生的其他力。图1列出了被考虑在内的各种贡献。图2显示了当驾驶直线轨迹时这些力如何在隧道掘进机上表示出来。这里Ff代表对TBM的摩擦力。除了显示力量，隧道掘进机也有内部转向千斤顶产生（内部）力。然而，当隧道掘进机作为一个整体作平衡分析时，这些力不会全部被考虑。

*千斤顶推力从管道向隧道掘进机转移

图1.当描述微型隧道一弯曲轨迹时一般重要力

图2.隧道掘进机直线前进时显示的力

曲线掘进时，隧道掘进机的前部分和后部分形成一个角度。此时土壤的径向反应变得更重要。在土壤和周围环境对沉降敏感的情况下，周围土壤的反应变得更加重要（汤姆森，1993）。隧道掘进机上的力和基本性能在直线或曲线掘进时保持相同，如图3所示。

图3.隧道掘进机曲线掘进时显示出来的力

• 1. 基本分析模型的公式

为了模拟隧道掘进机第一次形成曲线时的性能，提出了基于许多考虑的基本模型。首先，假定隧道掘进机的运动被分为一个平动和旋转运动，如图4所示。假设土壤是弹性的，两种运动方式产生的力可以叠加。

平动 旋转 隧道掘进机的整体运动

图4 .组合了隧道掘进机平动和旋转的运动

平动方式产生一个瞬间力矩，然而旋转产生一个相反意义的力矩。力矩平衡允许旋转部分分离并且可以通过隧道掘进机的旋转曲率半径确定力矩平衡。假设没有过渡切割过，这个曲率半径将用来确定隧道掘进机形成的空腔椭圆形。由于隧道掘进机本身有确定的长度，少量的开挖腔成椭圆形让隧道掘进机适应曲线路径是必要的，如图5所示。由于土体变形，会产生剪切力和方向变化的力矩，导致额外的空腔变形。

隧道掘进机形成的腔的形状

直线掘进 曲线掘进

图5.由于隧道掘进机几何形状形成的空腔形状

此外，没有考虑隧道掘进机的重量和外部摩擦力，并且假定推力驱动盾构机在其中心点能完美地运用。同时，因为假定了土壤反应是完全弹性，土壤反应能建立一个使用地基弹性模量K线性弹簧模型。这个地区被简化通过引入一个支撑角（见图6）。这简化了土壤作用力的计算，因为他们都是被假定在该区域连续。后来，当引入掘进机的自重时，在同一区域荷载分布不均匀且力偏心减小了有效支撑面积。最后，模型中形成了掘进机转向角和运动角度的区别，如图7所示。这两个角度之间的夹角叫作。根据这些假设，建造了基本模型，首先源于平动和旋转运动独立产生的时刻，其次是利用力矩平衡把他们结合起来。

图6 支撑角的定义

图7 转向角和运动角度的定义

2.2平动

平动模式中掘进机表现出来的力如图8所示。这里，L_front是盾构前部的长度，L_back是后半部分的长度，D是掘进机的直径，F_front是掘进机表面压力所产生的力，F_jack是由千斤顶施加的力。隧道掘进机上的作用力可以分为两部分，一个是F_soil.1,是施加运动在X方向的结果，如果没有找到平衡，掘进机会被F_front在Y方向的分量沿Y轴负方向推进，一个来自土壤的附加反应F_soil.2是必要的。如果F_force在Y方向的分量小于F_soil.1,在Y的正方向就会发生运动，且F_soil.2将扮演一个如图所示的出现在掘进机反面的力。假定两种情况下F_soil,2是一样的。

图8.平移运动期间掘进机上的力

平移运动的力平衡要求

给定一个平移运动的级别u和地基反应模量k,土壤力

F_front可以由钻孔期间面对表面测出发压力导出。根据这些力，A点（见图8）周围的力矩平衡结果

在这里合力矩M_trans没有必要等于0，如果M_trans=0，这表明运动可以在垂直于千斤顶推力的方向发生且土壤作用力F_soil,2是主动力，但是掘进机不旋转，只平动。

2.3转动

转动产生的力会抵抗平动产生的合力矩。这种情况下，如果由于平动合力矩不为0，便会达到力矩平衡。参与旋转力平衡的力与平动的力有轻微的差别如图9所示。由于忽略来来剪切力 ，所有的作用力都垂直作用于隧道掘进机。

图9.转动期间掘进机上的力

隧道掘进机的旋转角度theta;与取决于运动级别u 如

这里beta;是旋转角alpha;和实际运动角度omega;的夹角。隧道掘进机的前部分和后部分的旋转唯一源于

在隧道掘进机的表面积下，土壤由于旋转的作用如下

这里U_rot线性地增加了隧道掘进机的长度。这种旋转将引入土壤中的拉应力，如图10所示。这种张力是不允许的，需要考虑在隧道掘进机底部旋转引起的部分张力可以不导致土壤拉应力。见图11。这结果是如下的力方程：

这里隧道掘进机前半部分底部的土壤平均应力sigma;_{rot,bottom,front,mean}可以有不同值，这取决于以下三个条件成立。如果由于旋转产生的拉应力小于由于平动产生的土壤应力，即 sigma;_{rot,front,max}le;sigma;_soil,1，底部土壤平均应力sigma;_{rot,bottom,front,mean}=sigma;_{rot,front,mean。如果由于转动产生最大拉应力值大于由于平动产生的土壤应力，即}sigma;_{rot,front,max}gt;sigma;_soil,1,那么图11所示的情况成立且土壤平均应力计算为

平动 转动 掘进机整体运动

图10.由于掘进机平动和旋转的拉应力

图11.由于旋转在掘进机底部的容许拉应力

除非掘进机后半部分上的最大拉应力值大于由于平动产生的土壤应力，即sigma;_rot,back,maxge;sigma;_soil,1。这种情况下，可以应用的最大应力值等于土壤应力，以致sigma;_{rot,bottom,front,mean}=sigma;_soil,1。

给出土壤作用力F_soil，3

根据力矩平衡这必须等于

最后，这导致了由于旋转运动的如下的力矩

2.4.地基反应模量的影响

在前面的部分中，已经引入了地基反应模量K将土体应力与位移联系起来。然而，地基反应模量不是一个常数，而是随着掘进机和土壤之间变化的相互作用在掘进机周围不同地方变化。三个不同的路基反应模量是有区别的，即由于平动产生的外弯里的K_translation。由于旋转产生拉力的外弯K_{rotation,outside}，掘进机阴影里内弯的K_{rotationg,inside}（见图12）。

图12隧道掘进机周围置换土和挖掘土区域

K_translation的值是建立在路基反应模量的基础上的。对于使用相同的K_{rotation，outside}值，忽视可能由于卸载加载操作增加的土体硬度。然而，对于K_{rotation,inside}，引进一个折减系数C_k来说明干扰和在隧道掘进机阴影面土壤部分开挖。

由于土壤中正在通过的掘进机的影响很大程度上是未知的，很难确定基于理论考虑的折减系数C_k。基于在足够坚硬的土壤中运动角度omega;等于转向角alpha;的假定，获得了一个估计值。使用这个假设和输入实际参数，发现C_k的值是在0.12和0.35之间。而任意一个固定值C_k=0.25已经被选定作进一步的计算，基本上说明掘进机阴影面土壤硬度是原状土

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