一种微曲线岩石顶管顶力计算力学模型

摘要

本发明公开了一种微曲线岩石顶管顶力计算力学模型，现假定0#管节的曲线顶力为F0,则在弯曲区域内与之相邻的1#管节的顶力为：F1＝F0+(F0·μ1·sinβ)+(Pw·u·L)·μ2(1)对于第二根管道，其顶力可以写成如下形式：F2＝F1+(F1·μ1·sinβ)+(Pw·u·L)·μ2(2)将式(1)代入式(2)可得：而对于第三根管道，易得其顶力表达式为：F3＝F0(1+μ1sinβ)3+3(Pw·u·L)·μ2(4)因此，发生微偏转的第n根管节的顶力表达式为：Fn＝F0(1+μ1sinβ)n+n(Pw·u·L)·μ2(5)。本发明的模型可以解释微曲线顶管的受力状态，给出顶管顶力增加的非线性规律，通过本发明可以计算任意一根微曲线顶管管端顶力大小。由于采用考虑实际微曲线顶管受力特性的独特计算方法，使本发明可以具备更精确计算岩石顶管微曲线状态顶力的优点。

权利要求

1.一种微曲线岩石顶管顶力计算力学模型，其特征在于：现假定0#管节的曲线顶力为F0,则在弯曲区域内与之相邻的1#管节的顶力为：F1＝F0+(F0·μ1·sinβ)+(Pw·u·L)·μ2    (1)对于第二根管道，其顶力可以写成如下形式：F2＝F1+(F1·μ1·sinβ)+(Pw·u·L)·μ2    (2)将式(1)代入式(2)可得：

F2＝[F0+(F0·μ1·sinβ)+(Pw·u·L)·μ2]+[F0(1+μ1sinβ)+(Pw·u·L)·μ2]·μ1sinβ+(Pw·u·L)·μ2   (3)2

＝F0(1+μ1sinβ) +2(Pw·u·L)·μ2而对于第三根管道，易得其顶力表达式为：3

F3＝F0(1+μ1sinβ) +3(Pw·u·L)·μ2    (4)因此，发生微偏转的第n根管节的顶力表达式为：n

Fn＝F0(1+μ1sinβ) +n(Pw·u·L)·μ2    (5)式中F0表示初始顶力；u表示管道周围泥浆压力有效区域的长度；μ1表示顶管与围岩的动摩擦系数；μ2表示顶管与泥浆的动摩擦系数；Pw表示泥浆压力；L为单根管节长度；β为0#管节与1#管节之间的偏差角。

2.根据权利要求1所述的微曲线岩石顶管顶力计算力学模型，其特征在于：所述n≤40。

3.根据权利要求2所述的微曲线岩石顶管顶力计算力学模型，其特征在于：至多每40根管道为一个监测区域，β为一个监测区域中的最大偏差角。

说明书

一种微曲线岩石顶管顶力计算力学模型

技术领域

[0001] 本发明涉及一种微曲线岩石顶管顶力计算力学模型，属于顶管工程技术领域。

背景技术

[0002] 在理想状态下直线顶管的移动严格沿着管节轴心线前进，顶管端部的顶力分布形态应为均布荷载；但实际施工中因超长距离顶管的顶进长度远远超出顶管管径，故在顶力作用下顶管受力会产生细长压杆问题，导致出现轴线偏差。即使在各类高精度光学和电子纠偏系统的联合辅助下轴线偏离问题仍无法有效避免。

[0003] 当沿顶管前进方向出现较大转弯半径时的顶管施工技术被称为曲线顶管。目前国内外学者已对曲线顶管的顶力传递特征开展了大量理论研究与现场验证。曲线顶管在施工时，顶力计算与顶管的转弯半径、相邻管节接头的张开角、管周土体接触抗力、管‑土接触条件等因素相关。

[0004] 微曲线顶管正是介于直线顶管与曲线顶管一种特殊状态，也是反映所谓的直线岩石顶管的真实状态。而针对微曲线状态下岩石顶管顶力计算的研究少有报道。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于，提供一种微曲线岩石顶管顶力计算力学模型。依托重庆观景口顶管隧洞工程现场的相关监测数据，从微曲线顶管的受力状态进行分析，推导出微曲线顶管顶力计算模型并进行验证，为岩石顶管工程服务

[0006] 本发明的技术方案：一种微曲线岩石顶管顶力计算力学模型，现假定0#管节的曲线顶力为F0,则在弯曲区域内与之相邻的1#管节的顶力为：

[0007] F1＝F0+(F0·μ1·sinβ)+(Pw·u·L)·μ2    (1)

[0008] 对于第二根管道，其顶力可以写成如下形式：

[0009] F2＝F1+(F1·μ1·sinβ)+(Pw·u·L)·μ2    (2)

[0010] 将式(1)代入式(2)可得：

[0011]

[0012] 而对于第三根管道，易得其顶力表达式为：

[0013] F3＝F0(1+μ1sinβ)3+3(Pw·u·L)·μ2    (4)

[0014] 因此，发生微偏转的第n根管节的顶力表达式为：

[0015] Fn＝F0(1+μ1sinβ)n+n(Pw·u·L)·μ2    (5)

[0016] 式中F0表示初始顶力；u表示管道周围泥浆压力有效区域的长度；μ1表示顶管与围岩的动摩擦系数；μ2表示顶管与泥浆的动摩擦系数；Pw表示泥浆压力；L为单根管节长度；β为0#管节与1#管节之间的偏差角。

[0017] 前述的微曲线岩石顶管顶力计算力学模型中，所述n≤40。

[0018] 前述的微曲线岩石顶管顶力计算力学模型中，至多每40根管道为一个监测区域，β为一个监测区域中的最大偏差角。

[0019] 本发明的有益效果：与现有技术相比，传统直线顶管顶力理论计算均认为顶管是处于理想直线型移动状态，实际中顶力设备不均匀的顶力输出使长距离顶管处于偏心受压，通过分析顶管偏心受压时的变形协调条件推导出顶力的传递规律。本发明的模型可以解释微曲线顶管的受力状态，给出顶管顶力增加的非线性规律，通过本发明可以计算任意一根微曲线顶管管端顶力大小。由于采用考虑实际微曲线顶管受力特性的独特计算方法，使本发明可以具备更精确计算岩石顶管微曲线状态顶力的优点。

附图说明

[0020] 附图1为微曲线顶管顶力计算示意图；

[0021] 附图2为顶管顶力监测数据与模型理论数据验证关系示意图。

具体实施方式

[0022] 下面结合附图1‑2和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

[0023] 本发明的实施例：一种微曲线岩石顶管顶力计算力学模型，如附图1所示，现假定0#管节的曲线顶力为F0,则在弯曲区域内与之相邻的1#管节的顶力为：

[0024] F1＝F0+(F0·μ1·sinβ)+(Pw·u·L)·μ2    (1)

[0025] 对于第二根管道，其顶力可以写成如下形式：

[0026] F2＝F1+(F1·μ1·sinβ)+(Pw·u·L)·μ2    (2)

[0027] 将式(1)代入式(2)可得：

[0028]

[0029] 而对于第三根管道，易得其顶力表达式为：

[0030] F3＝F0(1+μ1sinβ)3+3(Pw·u·L)·μ2    (4)

[0031] 因此，发生微偏转的第n根管节的顶力表达式为：

[0032] Fn＝F0(1+μ1sinβ)n+n(Pw·u·L)·μ2    (5)

[0033] 式中F0表示初始顶力；u表示管道周围泥浆压力有效区域的长度；μ1表示顶管与围岩的动摩擦系数；μ2表示顶管与泥浆的动摩擦系数；Pw表示泥浆压力；L为单根管节长度；β为0#管节与1#管节之间的偏差角。

[0034] 所述n≤40，即一套顶力设备至多监测40根相互连接在一起的管道，40根管道为一个监测区域，以每根管道长度2.5m计算，即每100m设置一个中继间，每个中继间设置一套顶力监测设备。每100m管道周围的环境相差无几，此时同一个监测区域内的每个管道计算其对应的顶力时所取的μ1和μ2均为相同的定值。每一个监测区域都需要根据顶管所处环境确认μ1和μ2。

[0035] 一个监测区域范围内，β也是定值，为一个监测区域中的最大偏差角。若一个监测区域内设置有40根管道，需要确认0#管道与1#管道、1#管道与2#管道、2#管道与3#管道、……n‑2#管道与n‑1#管道各自的偏差角，然后从中确认出最大的偏差角，该最大的偏差角即为β。

[0036] 该微曲线岩石顶管顶力计算力学模型现已应用于重庆观景口顶管隧洞工程施工中。顶管现场每隔40根顶管安设一台中继间，即考虑1#～2#中继间、2#～3#中继间和3#～4#中继间三个区间，每个区间仅有40#管节可提供顶力监测数据，以此为验证点。

[0037] 按力学模型顶力表达式计算理论值与实际监测值进行对比，计算结果详见附图2，1#～2#中继间、2#～3#中继间和3#～4#中继间顶力值误差分别为‑2.44％、1.94％、2.57％，均小于3％，模型计算较为准确。