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在软土地基中对曲线进行钻孔建模
荷兰代尔夫特理工大学土木工程与地球科学学院
近年来，由于明沟开挖沟是一种越来越不受欢迎的作业，人们对微隧道越来越感兴趣。然而，微隧道在扩展到新领域时受到限制。在荷兰，在松软的土壤中，一个主要问题是曲线的可控钻孔。为了更好地理解隧道掘进机的工作特性，建立了考虑掘进机平移和旋转的分析模型。这些运动可以叠加来描述TBM的完整运动。该模型首先只考虑了有限的参数集的影响，以增量的方式开发。第一个模型考虑了路基反力模量和机械对土体刚度的影响，并考虑了自重和偏心力对土体刚度的影响。以罗特丹哈特尔运河下kpe管的安装为例，验证了该模型的有效性，结果可靠。在已知所需参数的情况下，利用该模型可以确定掘进机转向千斤顶所需的位置。此外，还可以预测钻孔的椭圆化程度。随着角度旋转和最大旋转的变化，可以确定关节的行为。这样就可以避免出现问题。虽然验证结果良好，但仍有许多方面需要进一步研究。
关键词:微钻孔隧道，;设计;造型;软土;饱和土壤
1. 介绍
在未来，地下管道系统的数量将继续增长。这不仅适用于水、气、电和数据的传统运输，也适用于消费品、废物的地下运输和综合公用事业隧道。荷兰各城市表示越来越有兴趣一出市内的汽车交通，以改善生活条件。目前正在考虑在城市地区采用不同的配送方式，并对大量的货运提出了建议提出的想法使用地下。其中包括使用地下后勤系统。
管道已经用于液体和气体的地下运输。利用地下管道作为其他货物的运输媒介意味着管道的排列变得越来越重要。这些线路的布局应确保高服务水平，并将建筑成本降至最低。因此，土体条件是一个日益重要的因素，特别是在考虑钻孔技术时。
钻孔技术被认为是传统的开挖法，对超深造成了障碍，可能需要暂时改变其他(大大小小的)基础设施的路线，这大大增加了费用。非开挖技术虽然一般来说比较昂贵，但并没有这些缺点。
因此，在城市地区尤其具有成本效益。因此，它们是安装地下后勤系统的一个极好的选择。
1.1微隧道在荷兰面临的挑战
在荷兰的大部分地区，上层是冲积土层，土层的硬度很低。地下水位一般很高，局部达到地面。这种组合对所使用的钻井技术有不利影响。在这种恶劣的土壤条件下，微隧道掘进机的控制和操纵性能可能会出现问题(例如Oreste et al.， 2002)。本文较详细地描述了曲线钻孔的一个方面。
过去在软土地基上进行了多次钻孔，没有出现明显的问题，或只出现了有限的问题。然而，最近在一个项目中出现了问题，该项目在轨道中引入了一条曲线，该曲线与从非常软的土体过渡到更硬的土体相一致。当隧道掘进机(TBM)刚进入较硬的土壤时，混凝土管在这个位置断裂。第二次钻孔，曲率较大，在同一位置成功完成。这一事件提出了关于TBM的实际行为，混凝土管道和管道之间的耦合力的问题。为了提高对软土中隧道掘进机工作特性的认识，建立了描述隧道掘进机在软土中曲线钻孔过程中工作特性的分析模型。此模型已用于解释上述项目中的问题。
2. 微隧道掘进机受力曲线
在考虑曲线镗孔过程中作用在TBM上的力时，可以识别出许多不同的分量(Thomson, 1993)，从土体产生的法向力和摩擦力，到管道与TBM相互作用产生的千斤顶力和其他力。其中Ff为TBM上的摩擦力。除了显示的力，TBM也有内部转向千斤顶产生(内部)力量。然而，当将TBM作为一个整体来考虑时，在平衡分析中没有考虑这些力。
当驱动曲线时，TBM的前半部分与后半部成一个角度。因此，土壤的径向反应就变得更加重要。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(Thomson, 1993)。在直线或曲线进程过程中，TBM的基本行为和受力保持不变。
2.1一个基本分析模型的公式
为了在绘制曲线时模拟TBM的行为，基于一些考虑因素，提出了基本模型。首先，假设TBM的运动可以分为平移运动和旋转运动。假定土的性质是弹性的，两种运动模式所产生的力可以叠加。
平动模式产生力矩，而旋转产生力矩的意义相反。力矩平衡允许旋转部分的分离，从旋转中可以确定TBM的曲率半径。这个曲率半径将用于确定由TBM创建的空腔的椭圆化，假设没有使用过切。由于TBM具有一定的长度，为了使TBM能够适应曲线路径，需要对挖出的空腔进行最小程度的椭圆化。此外，只有在土体变形的情况下，才会产生改变方向所需的剪力和力矩，从而导致空腔的附加变形。
此外，TBM的重量和作用在TBM外部的摩擦力没有被考虑在内，假设驱动TBM的推力在TBM的中心有一个很好的应用点。因为它假定土壤反应完全弹性,土壤反应可以作为线性弹簧模拟使用地基反应模量k。我们通过引入支撑角asup = 2 ak来简化土壤的传力区域。因为假定改角恒定，简化了土壤反力的计算。
随后，当TBM的恒载被引入，使得这种载荷在相同的面积上分布不均匀，力的偏心减小了有效支承面积。
最后，在模型中对TBM alpha;的转向角与的运动角omega;进行了区分。这两个角之间的差称为角beta;。基于这些假设，首先独立推导出平动和转动装态产生的力矩，然后利用力矩平衡将它们结合起来构建基本模型。
2.2平动
在平移运动模式下作用在TBM上的力。在这里，Lfront是TBM前部的长度，Lback是后半部的长度，D是TBM的直径，Ffront是TBM表面压力产生的力，Fjack是千斤顶施加的力。TBM上的土反力可以分为两部分，其中Fsoil,1是x方向上施加的运动的结果。
如果没有满足平衡条件，TBM受到y负轴方向上的分力的推力，则需要来自土壤的额外反作用力Fsoil,2。如果Fforce的y分量小于Fsoil,1可以发生正向y方向的运动，Fsoil,2表示作用在TBM的另一侧的力。在这两种情况下，Fsoil,2被假设是均匀的。
根据钻孔过程中测得的前压力和端面面厚可推导出前压。给定这些力，点A周围的力矩平衡产生。
得到的力矩Mtrans不一定等于零。如果Mtrans = 0，则表示土体在垂直于顶推力和土体反力Fsoil，2是变化的，但TBM不旋转，只是平移。
2.3转动
旋转运动产生的力与平移产生的力矩相反。如果由于平移产生的力矩是非零的，这种方法可以实现力矩平衡。旋转力平衡所涉及的力与平动力略有不同。由于忽略剪切力，所有反作用力都垂直于TBM。
TBM的旋转角theta;取决于运动距离u 有如下关系；
其中beta;为转向角a与实际运动角omega;的差值。这种旋转会在土壤中引入拉力，这种拉伸力是不允许的，并且只考虑了TBM底部旋转引起的不引起土体拉伸力的部分。这就得到力的方程如下。
2.4地基反力模量的影响
在前面的章节中，已经引入了地基反力模量k来将土中的应力与位移联系起来。路基反力模量并不是一个常数，而是由于路基与土体相互作用的变化，使得路基反力模量在土体周围不同位置发生变化。区分了三种不同的路基反力模量，即在TBM的阴影下，由于平移引起的外弯ktranslation、由于旋转引起的外弯krotation、由于旋转产生的拉力引起的外弯krotation、由于TBM的阴影造成的内弯krotation。
ktranslation的值是根据地基的规则反应模量计算的。对于krotation，在相同的值之外使用，忽略了由于卸载-再加载行为而可能增加的土体刚度。对于krotation，在内部引入了一个还原因子Ck来考虑TBM阴影侧土体的扰动和局部开挖。
基于理论考虑确定Ck值是困难的，因为经过的TBM对土壤的影响在很大程度上是未知的。因此，假设在足够硬的土体中，运动角x =转向角a，得到一个估定值。利用这个假设和真实的输入参数，得到Ck在0.15 ~ 0.35之间的值。为了进行进一步的计算，我们选择了一个较为随意的固定值Ck = 0.25，基本说明了TBM阴影侧土体的刚度是原状土体刚度的四分之一。虽然这个选择是基于一些现实的参数变化，但建议进一步研究以确定更有信心的Ck的正确值。
2.5基础模型的反应采用参考参数如上所述，弯矩平衡要求
式中，Mtrans和Mrot分别由(3)和(14)给出。该公式要求TBM的尺寸、土体参数以及TBM的转向角a作为输入参数，只有偏差角b是未知的。 TBM周围的移位和挖掘土壤区域可以用来表征TBM行为的其他测量方法是Ov的椭圆化量，
利用一个参考数据集来显示不同模型参数的影响。表1给出了所有输入参数的概述。表中给出了两个参数作为变量，转向角和路基反力模量，这两个参数在本次和后续的大部分参数研究中都是变化的。
第一个参数研究显示了TBM对转向的反应程度。这种反应主要取决于路基的反应模量。土体越硬，TBM的反应越好。当土体刚度较低时，TBM对转向作用几乎没有响应。相对较大的前力前端，垂直于TBM的前端，将TBM向后推入直线，抵消转向作用。在极端情况下，TBM甚至可以向相反的方向旋转，但是在这种情况下，作用在TBM上的力与描述的不同。目前的模型不包括这种情况。
2.6各种输入参数的影响
当改变模型的各种输入参数时，可以得到许多结论。例如，增加TBM Lfront前部的长度，可以提高TBM的转向能力。减小TBM Lback后半部分的长度也有类似的结果。这种行为可以理解为土体在TBM前部的反力必须将TBM推入期望曲线。能够发生这种反应的更大的区域是有利的，必须拖着的后一部分的较小面积也是有利的。
另一方面，TBM直径对反应影响不大。只有在直径很小的情况下，TBM的长度才会变得相对较长，对于前缘较长的部分所得到的结论也是有效的。TBM上覆盖层对前力有影响，前力随深度增加而增大。较大的前向力会产生较大的力矩，使TBM回复直线，对转向角的反应减小。
除了地基反力模量k的影响外，支护角ak也影响着地基的操纵性能。较大的支承角改善了TBM的反应，但影响较小。这可以理解为支座角度影响了TBM的两侧，因此驱动力矩和反力矩都会受到影响。
最后一个变化的参数是移动步骤u。如果采取更大的步骤，那么TBM对转向动作的反应会更好。这可以用事实来解释。在这种情况下，土体力更大，反作用力相对较小。另一方面，如果台阶很小，土体刚度很低，那么反作用力可能不足以使TBM转动。
大多数参数是不容易改变的，一般应被认为是给定的。一个例外是前面的压力，这可以增加，如果机器操作作为一个盲目的盾牌。如果不开挖土，随着掘进机顶进，前缘压力会增大。同时，置换后的土体会增加TBM两侧土体的有效刚度，增加机器的可操控性。
2.7TBM顶进力偏心和自重
在下一节中，将扩展基本模型。首先介绍了千斤顶受力的偏心点，其次介绍了TBM的自重。
当TBM开始钻削曲线时，千斤顶力的作用点将在TBM的中心。在曲线镗孔过程中，千斤顶力向曲线内侧移动。这种向内的转移会导致管道的局部加载条件非常强(Boot and Husein, 1991)。为了解决这个问题，封隔器被用于接头，在大多数情况下是由胶合板制成的。木头比较柔软，可以更均匀地分配力。为了考虑这种向内位移，引入了一个新的参数Cd，即应用点的相对位置
其中d是从曲线内部测量的应用点位置。当杰克部队在TBM Cd = 0.5上集中行动时。Cd的实际取值范围很难确定，但是如果使用有效的封隔器来重新分配关节力，Cd的实际取值范围不会很大。当千斤顶力向曲线内侧移动时，机器的转向能力就降低了。
特别是在软土中，土体力相对较小，千斤顶力的小偏心量对转向能力影响较大。在硬土中，这种效应不太明显，但仅在硬土中可以忽略。
在基本模型中，忽略了TBM的自重。因此，该模型适用于水平曲线的建模，但对于垂直曲线，应考虑自重。这个重量不是均匀地分布在机器上;TBM的前部较重，因此机器有向下俯冲的趋势。对于自重，模型中考虑了TBM的浮重，所示。Fsoil的值，必须等于垂直力提供一个力的平衡。在这种情况下，Fsoil,2比基本模型大。
为考虑TBM自重情况下，路基反力模量随TBM反力的变化情况。在本例中，使用的自重为60 kN，重心距机器后部3米。这个例子表明，由于额外的重量，TBM在上升曲线中更难控制。控制TBM需要较高的土体刚度，特别是当所需的转向角A较小时。
基本模型中存在的参数的影响保持不变。较大的自重会降低TBM的可操控性。重心向前移动也会降低操控性，尽管这种影响小于自重本身。
3.KPE镗孔实例研究
模型的性能将与鹿特丹哈特尔运河下的KPE管道施工过程中获得的测量结果进行比较。该淡水管道直径近2米，采用微隧道施工。第一次尝试失败，可能是由于在软粘土层中构建一个尖锐的弯曲问题。第二次尝试略有不同，于1997年成功完成。在本案例研究中，我们考虑了第二次尝试。
在施工过程中，记录了TBM中四个转向千斤顶的延伸、TBM与设计对准的偏差以及TBM的相对位置(俯仰)等几个工艺参数。这些数据被用来评估TBM的行为，并与模型进行比较。此外，必须指出的是，必须从数据集中删除大量的测量误差，以便获得机器在物理上可能的行为。
首先利用转向千斤顶的位置来计算TBM的转向角。在软土层曲线中，可以看出设计与实际转向角的较大差异。从记录的转向角计算了TBM的对准度，假设运动
的TBM和转向角重合。如果TBM精确地跟随转向角，它就会结束
在钻孔结束时高出地面约250米。显然，TBM没有遵循设定的转向角，并且由于土质条件的原因出现了向下的偏差。
其次，利用机器的实测螺距校正了计算的校直，找到了TBM可能的校直。为了达到这个结果，需要将TBM的音高平均在20 m以上的音程。利用这种计算的对齐方式和上述模型，确定了在转向角和TBM运动之间达到观测偏差所必需的土体刚度。例如，在含砂粘土层中，地基反力模量k = 4mn /m3。该刚度与根据土体调查得到的土体刚度进行对比，k = 5mn /m3。得出的结论是，得到了实际的土
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