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摘要：本文对盾构在曲线地段的掘进施工操作模式和其掘进中的受力状况进行分析，以此推算出盾构机在小半径曲线施工的半径范围，不足之处，敬请指正。
关键词：大坡度；小半径；盾构；受力分析
中图分类号： TU74文献标识码： A
Mechanical analysis of large slope small radius of shield construction
Yang Fan
Chongqing Rall Transit Design and research institute, Chongqing 401122
Abstract: This article on shield tunneling construction operating mode in curved section and its driving force analysis in order to calculate tunnel boring machine in construction of small radius curve radius, deficiencies, please correct me.
Keywords: Mechanical analysis of shield machine in large slope small radius
引言
近年来盾构机在国内外城市轨道交通、水利管道、公路及其他建筑领域的工程施工中得到越来越广泛的应用，尤其轨道交通和水利管道项目使用的多；在既有城市区内修建地下轨道交通线路，考虑到线路交叉或运行管网的需要，线路半径（水平或垂直方向）有时设计很小。从而对这些工程项目区间隧道的开挖施工中用到的盾构机就提出了更高转弯要求，也就是盾构必须能适应线路的曲线半径要求。本文对盾构在曲线地段的掘进施工操作模式和其掘进中的受力状况进行分析，以此推算出盾构机在小半径曲线施工的半径范围，不足之处，敬请指正。
一、盾构机在曲线半径地段的转弯掘进控制
盾构机在掘进中其方向控制调整主要靠推进油缸动作和合理选择管片来实现，盾构机推进油缸一般设计分成四到五组，每组4～8根不等；每组油缸在同一圆周范围内占据一定角度范围，且采用电液集中控制模式，统一动作（伸缩）。推进油缸一端（固定端）与盾构主机整体相接，另一端（活动端）顶推在已拼装好的钢筋砼管片端面，油缸伸出时为盾构前进提供推力。在每组油缸施加不同的推力，致使各组油缸伸出速度不同，伸出量也产生差异，从而使刀盘保持不同的趋势前进。
盾构管片设计有转弯环和标准环两种，其宽度在1.2～2.0m左右，一环转弯环管片一般由标准块、左右邻接块和楔紧块组成，这些管片在宽度上设计上略有不同，有一定的楔形量（20～50mm），在拼装管片时把一环管片中楔形量最大的一片（相对最宽的管片）放在圆周上不同的位置，就会造成该处的推进油缸伸出时先接触到管片端面，也就使该油缸先对盾构产生推力，使盾构形成一种转弯的趋势。楔形量最大块在圆周上放在上部，则盾构呈向下趋势前进；放在左侧则盾构呈向右趋势前进，连续拼装相同位置的楔形量管片，则盾构会连续保持同样趋势前进，达到转弯目的。加上前述的推进油缸分组使用不同推力推进方式，就形成盾构的转弯掘进控制模式。
二、 盾构机在掘进施工中的受力分析
盾构机在地下掘进施工中受到的荷载包括外部荷载与运作荷载，外部荷载是由于外界的土压和水压、盾构本身在垂直方向坡度上重力分力及推进油缸在管片上的支撑反压力作为一个整体施加在盾构结构上的荷载。运作荷载是由于机器工艺及现场设备运作在盾构结构内部产生的全部荷载。前者是立体作用的，后者发生在盾构的垂直及水平方向。
表一 盾构机在推进过程中受到的主要荷载表
正常情况下，表中F1为盾构主机总体重量N1（含N2）与地层摩擦产生的阻力；F2与掌子面地层的强度有关，地层越是硬岩，该力越大；F3是一定埋深的复合地层对盾构机的正面压力，与地层的稳定性及埋深有关，地层越稳定，该力越小，地层越深，该力越大；F4是因为盾构的调向掘进，盾壳对周围地层压紧而产生的摩擦阻力；若盾构掘进调向幅度在设计范围内，该力是可以忽略不计的；F5是后配套拖车作用在行走钢轨上的摩擦阻力，与后配套拖车的总重量有关；在大坡度情况下，随盾构的上下坡掘进，主机还有一个沿坡度方向的重力分力N1A(A为坡度)，此分力与掘进方向：下坡掘进时相同，上坡掘进时相反。按力与掘进方向的相同或相反取正负，N1A与前六项力之和即为盾构掘进时所需的最小总推进力Fmin＝F1+F2+F3+F4+F5+F6+N1A。至于地层对盾壳的正压力或侧压力，此力靠盾壳的设计刚度承受克服。
推进过程中盾构机受力模型在此简化为横纵两向表示：
横向受力模型 纵向受力模型
表a钢壳体与不同地质地层摩擦系数μ
表b不同地质情况下盾构切削阻力Psh
盾构机在上下坡及转弯过程中的受力与前述情况并未发生本质变化，但2.4項力对其推力产生影响增大。且该项阻力表现为偏载，导致在上下坡及转弯过程中推力分部产生明显变化。
另在盾构机进行调向的实际过程中，以右转举例，需要左侧油缸行走较右侧快，以力与加速度的关系（F=m×a）分析，在m不变得情况下，只有F增大才能实现a变大。即，需要左侧油缸行走较右侧快则需要左侧油缸推力较右侧推力大。
三、盾构转弯掘进的其他影响因数
盾构能满足转弯半径的大小与其设备本身结构设计也有关，盾构管片内部直径A1、盾构盾尾向后的所有设备外形轮廓圆直径A2、盾壳的长度L1、后配套拖车的长度L2、拖车间距B等，都会直接影响盾构的转弯半径。一般情况下：A1>A2，L1 当L2为12m，C为200mm，在理想状况下，即隧道无任何偏差，有Rmin=90.1m；
当L2为12m，C为200mm，考虑盾构掘进偏差正负50mm，有C1为100mm,取C为100mm，得Rmin=180.05m。
盾壳的转弯半径一般设计小于此尺寸，主要通过把盾壳设计成带铰接的形式或盾壳长度小于L2。
4、小结
综上所述，盾构在大坡度小半径隧道施工时，主要受到地层的强度，地层状况（埋深、富水情况、地层的松软程度）影响，盾构受力以地层反力为主；盾构的转弯掘进是靠管片楔形块的安装和调整盾构推进油缸推力大小来实现的。盾构的最小转弯半径与盾构机本身结构设计有直接关系。
参考文献
[1]陈强.小半径曲线地铁隧道盾构施工技术[J].隧道建设,1672-741X(2009)04-0446-05 ChengQiang.ShieldBoringTechnologyforMetroTunnelsonCurveswithSmallRadius[J].tunnel construction,1672-741X(2009)04-0446-05
[2]赵丹.小半径、大坡度盾构隧道施工力学特性研究[D].中南大学,2007,05
ZhaoDan,Small radius and large-slope study on mechanical characteristics of shield tunnel construction[D].Central South University,2007,05
关键词：大坡度；小半径；盾构；受力分析
中图分类号： TU74文献标识码： A
Mechanical analysis of large slope small radius of shield construction
Yang Fan
Chongqing Rall Transit Design and research institute, Chongqing 401122
Abstract: This article on shield tunneling construction operating mode in curved section and its driving force analysis in order to calculate tunnel boring machine in construction of small radius curve radius, deficiencies, please correct me.
Keywords: Mechanical analysis of shield machine in large slope small radius
引言
近年来盾构机在国内外城市轨道交通、水利管道、公路及其他建筑领域的工程施工中得到越来越广泛的应用，尤其轨道交通和水利管道项目使用的多；在既有城市区内修建地下轨道交通线路，考虑到线路交叉或运行管网的需要，线路半径（水平或垂直方向）有时设计很小。从而对这些工程项目区间隧道的开挖施工中用到的盾构机就提出了更高转弯要求，也就是盾构必须能适应线路的曲线半径要求。本文对盾构在曲线地段的掘进施工操作模式和其掘进中的受力状况进行分析，以此推算出盾构机在小半径曲线施工的半径范围，不足之处，敬请指正。
一、盾构机在曲线半径地段的转弯掘进控制
盾构机在掘进中其方向控制调整主要靠推进油缸动作和合理选择管片来实现，盾构机推进油缸一般设计分成四到五组，每组4～8根不等；每组油缸在同一圆周范围内占据一定角度范围，且采用电液集中控制模式，统一动作（伸缩）。推进油缸一端（固定端）与盾构主机整体相接，另一端（活动端）顶推在已拼装好的钢筋砼管片端面，油缸伸出时为盾构前进提供推力。在每组油缸施加不同的推力，致使各组油缸伸出速度不同，伸出量也产生差异，从而使刀盘保持不同的趋势前进。
盾构管片设计有转弯环和标准环两种，其宽度在1.2～2.0m左右，一环转弯环管片一般由标准块、左右邻接块和楔紧块组成，这些管片在宽度上设计上略有不同，有一定的楔形量（20～50mm），在拼装管片时把一环管片中楔形量最大的一片（相对最宽的管片）放在圆周上不同的位置，就会造成该处的推进油缸伸出时先接触到管片端面，也就使该油缸先对盾构产生推力，使盾构形成一种转弯的趋势。楔形量最大块在圆周上放在上部，则盾构呈向下趋势前进；放在左侧则盾构呈向右趋势前进，连续拼装相同位置的楔形量管片，则盾构会连续保持同样趋势前进，达到转弯目的。加上前述的推进油缸分组使用不同推力推进方式，就形成盾构的转弯掘进控制模式。
二、 盾构机在掘进施工中的受力分析
盾构机在地下掘进施工中受到的荷载包括外部荷载与运作荷载，外部荷载是由于外界的土压和水压、盾构本身在垂直方向坡度上重力分力及推进油缸在管片上的支撑反压力作为一个整体施加在盾构结构上的荷载。运作荷载是由于机器工艺及现场设备运作在盾构结构内部产生的全部荷载。前者是立体作用的，后者发生在盾构的垂直及水平方向。
表一 盾构机在推进过程中受到的主要荷载表
正常情况下，表中F1为盾构主机总体重量N1（含N2）与地层摩擦产生的阻力；F2与掌子面地层的强度有关，地层越是硬岩，该力越大；F3是一定埋深的复合地层对盾构机的正面压力，与地层的稳定性及埋深有关，地层越稳定，该力越小，地层越深，该力越大；F4是因为盾构的调向掘进，盾壳对周围地层压紧而产生的摩擦阻力；若盾构掘进调向幅度在设计范围内，该力是可以忽略不计的；F5是后配套拖车作用在行走钢轨上的摩擦阻力，与后配套拖车的总重量有关；在大坡度情况下，随盾构的上下坡掘进，主机还有一个沿坡度方向的重力分力N1A(A为坡度)，此分力与掘进方向：下坡掘进时相同，上坡掘进时相反。按力与掘进方向的相同或相反取正负，N1A与前六项力之和即为盾构掘进时所需的最小总推进力Fmin＝F1+F2+F3+F4+F5+F6+N1A。至于地层对盾壳的正压力或侧压力，此力靠盾壳的设计刚度承受克服。
推进过程中盾构机受力模型在此简化为横纵两向表示：
横向受力模型 纵向受力模型
表a钢壳体与不同地质地层摩擦系数μ
表b不同地质情况下盾构切削阻力Psh
盾构机在上下坡及转弯过程中的受力与前述情况并未发生本质变化，但2.4項力对其推力产生影响增大。且该项阻力表现为偏载，导致在上下坡及转弯过程中推力分部产生明显变化。
另在盾构机进行调向的实际过程中，以右转举例，需要左侧油缸行走较右侧快，以力与加速度的关系（F=m×a）分析，在m不变得情况下，只有F增大才能实现a变大。即，需要左侧油缸行走较右侧快则需要左侧油缸推力较右侧推力大。
三、盾构转弯掘进的其他影响因数
盾构能满足转弯半径的大小与其设备本身结构设计也有关，盾构管片内部直径A1、盾构盾尾向后的所有设备外形轮廓圆直径A2、盾壳的长度L1、后配套拖车的长度L2、拖车间距B等，都会直接影响盾构的转弯半径。一般情况下：A1>A2，L1
当L2为12m，C为200mm，考虑盾构掘进偏差正负50mm，有C1为100mm,取C为100mm，得Rmin=180.05m。
盾壳的转弯半径一般设计小于此尺寸，主要通过把盾壳设计成带铰接的形式或盾壳长度小于L2。
4、小结
综上所述，盾构在大坡度小半径隧道施工时，主要受到地层的强度，地层状况（埋深、富水情况、地层的松软程度）影响，盾构受力以地层反力为主；盾构的转弯掘进是靠管片楔形块的安装和调整盾构推进油缸推力大小来实现的。盾构的最小转弯半径与盾构机本身结构设计有直接关系。
参考文献
[1]陈强.小半径曲线地铁隧道盾构施工技术[J].隧道建设,1672-741X(2009)04-0446-05 ChengQiang.ShieldBoringTechnologyforMetroTunnelsonCurveswithSmallRadius[J].tunnel construction,1672-741X(2009)04-0446-05
[2]赵丹.小半径、大坡度盾构隧道施工力学特性研究[D].中南大学,2007,05
ZhaoDan,Small radius and large-slope study on mechanical characteristics of shield tunnel construction[D].Central South University,2007,05