英语原文共 10 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
在软土中模拟微型隧道的曲线钻孔研究
摘要
近年来，对微型隧道工程的兴趣不断增加，原因在于开放式挖沟是一种日益不利的操作。然而，微型隧道在扩展到新领域时遇到了限制。在荷兰，以及在非常软的土壤中更为普遍，主要问题之一是曲线的控制钻孔。为了更好地理解隧道掘进机（TBM）的行为，开发了一个分析模型，将TBM的转换和旋转考虑在内。 这些运动可以叠加来描述TBM的完整运动。 该模型是以增量方式开发的，首先仅考虑有限参数的影响。 第一种模型考虑了路基反作用模量和机器对土体刚度的影响，随后通过考虑自重和偏心顶推力来改善。第二种模型通过下述案例研究进行了验证，在鹿特丹的哈特尔运河下安装了KPE管道，这显示了可靠的结果。 考虑到所需的参数是已知的，使用该模型可以确定掘进机中转向千斤顶的所需位置。另外，可以预测钻孔的椭圆化。 随着角度旋转和最大旋转的变化，可以确定关节的行为。通过这种方式可以防止问题的发生。 虽然验证结果良好，但很多方面仍需要进一步研究。
关键词：微型隧道; 设计; 塑造; 软土; 饱和土
- 引言
未来地下管道系统的数量将继续增长。 这不仅适用于水，煤气，电力和数据的传统运输，而且适用于消费品，废物和综合公用隧道的地下运输。 荷兰的城市现致力于减少城内的汽车交通量来提高居住质量，目前正在考虑在城市地区采取分配货运的不同方式，并且愈加倾向于使用地下运输，其中包括采纳地下物流系统。
管道已经被运用于液体和气体的地下运输。 使用地下管道作为其他货物的传输介质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设成本。 因此，特别是在考虑钻孔技术时，土壤条件成为一个越来越重要的因素。
钻孔技术被认为是传统的开槽方法，这将会给周围环境带来污染，并且可能会临时影响其他（大型和小型）基础设施，这大大增加了成本。非开挖技术虽然通常比较昂贵，但没有这些缺点，因此在城市地区尤其具有经济效益。 因此，它们是安装地下物流系统的绝佳选择。
-
- 荷兰微型隧道面临的挑战
在荷兰的大部分地区，上层由冲积土壤沉积物组成，其中土壤的硬度较低。地下水位一般很高，局部水位线达到地面。这种组合对所使用的钻孔技术具有不利影响。 在这种贫瘠的土壤条件下，微型隧道掘进机的控制和可操纵性可能成为问题（e.g. Oresteet al., 2002）。 另一方面，钻孔曲线，在本文中将进行更为详细地描述。
过去几次钻孔试验在软土上进行，没有任何重大问题，仅仅出现了有限的问题。然而，最近出现了一个问题，在一次试验中发现了一条曲线，该曲线与从非常软的土壤到更坚硬的土壤的过渡相一致。在这个位置，隧道掘进机（TBM）刚刚进入更坚硬的土壤时，混凝土管会折断。第二次钻孔时曲率更大，在同一位置成功完成。这个事件提出了关于TBM的实际特性：混凝土管道和管道之间的耦合力的问题。为了增加对软土中TBM行为的理解，开发了一个分析模型，用于描述软土中曲线钻孔过程中TBM的行为。该模型已被用于解释上述项目中出现的问题。
- 微隧道掘进机在曲线上的受力
当考虑曲线钻孔过程中作用在TBM上的力时，可以确定许多不同的分量（Thomson，1993），从法向力和由土壤产生的摩擦力到顶推力和由管道和TBM之间相互作用产生的其他力。 图1列出了考虑到的各中作用。图2显示了当直线掘进时这些力如何作用于TBM。 这里Ff表示TBM上的摩擦力。除了上述外力，TBM内部存在着千斤顶转向所产生的内力。但是，当TBM被看做是一个整体时，这些内力在平衡分析中不被考虑。
*顶推力从管道传递到TBM
图1.在微型隧道过程中曲线钻孔时的一般力。
图2.直线掘进时作用于TBM的力。
曲线掘进时，TBM的前部与后部形成一定角度。土壤的径向反应变得更加重要。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）。如图3所示，在直线或曲线掘进过程中，TBM的基本行为和力保持不变。
-
- 制定基本的分析模型
为了模拟TBM曲线掘进时的行为，基于若干考虑，提出了基本模型。首先，假定TBM的运动可以分为平移和旋转运动，如图4所示。假定土壤是弹性体，由两种运动模式产生的力可以进行叠加。
平移运动产生扭矩的瞬间，旋转运动产生相反作用的扭矩。力矩平衡允许转动部分的分离，从自转过程中可以确定TBM的曲率半径。假设没有过度开挖，这个曲率半径将用于确定由TBM所产生的椭圆化空腔。由于TBM具有一定的长度，所以钻孔的最小量椭圆化是必要的，以适应TBM曲线掘进的路径，如图5所示。此外，需要施加的剪切力和力矩方向的改变只会由于土壤的变形而发生，导致空腔的额外变形。
此外，TBM的重量和作用在TBM外部的摩擦力都没有考虑在内，并且假定驱动TBM的推力完全作用在TBM的中心。 此外，由于假设土壤为完全弹性体，土壤可以模拟为使用路基反应模量k的线弹簧。通过引入支撑角alpha; sup = 2alpha;k来简化上层区域土体应力。（参见图6）。
这简化了土壤反作用力的计算，因为假设它们在这个区域是均匀分布的。 之后，当引入TBM的静荷载时，这种荷载在同一区域内分布不均匀，而力的偏心会减小有效支撑面积。
最后，如图7所示，在该模型中，区分TBM的转向角alpha;和运动角度omega;。这两个角度之间的差异称为角度beta;。给定这些假设，基本模型是通过首先独立地推导由平移和旋转模式产生的矩并且其次使用矩平衡将它们组合来构造的。
图3.曲线掘进时作用于TBM的力。
图4.平移模式和旋转模式叠加下TBM的运动。
图5.由于TBM的几何形状，相匹配的钻孔的形状。
图6.支撑角的定义。
图7.转向角度alpha;和运动角度omega;的定义。
-
- 平移
在平移运动模式下作用在TBM上的力如图8所示。这里，L front是TBM前部的长度，L back是其后部的长度，D是TBM的直径，F front由TBM表面的压力产生的结果力, F jack由千斤顶施加的推力。TBM上的土壤反作用力可以分为两部分，F soil,1是x方向强制运动的结果。如果没有找到平衡点，并且TBM通过F front的y分量在负y方向推动，则需要来自土壤的附加反作用力F soil 2。，如图所示,如果F的y分量小于F soil,1，则可能出现正y方向的运动，而F soil,2将表示作用在TBM另一侧的力。在这两种情况下，假定F soil,2是均匀分布的。
平移运动的力平衡要求导致
并给出平移运动步长u和路基反作用模量k的土体应力
F front来源于前面和地表面的压力，在钻孔过程可以测量。考虑到这些力，A点周围的力矩平衡（见图8）就会产生
其中得到的矩M trans不必等于零。如果M trans = 0，这表明运动可以在垂直于千斤顶力的方向上发生，并且土体应力F soil,2是有效的，但TBM不旋转，只能平移。
图8.平移运动时TBM上的力。
-
- 旋转
由旋转运动产生的力将抵消由平移引起的所产生的力矩。通过这种方式，如果由于平移产生的力矩不为零，则可以实现力矩平衡。参与旋转力平衡的力与平移力略有不同，如图9所示。由于忽略剪力，所有反作用力都垂直于TBM作用。
TBM的旋转theta;取决于移动步长u ：
其中beta;是转向角alpha;与实际运动角度omega;之间的差值。 TBM的前后部分的旋转位移可以从中得出：
A表示TBM的表面积，由于旋转引起的土体应力如下：
其中u rot在TBM的长度上线性增加。
如图10所示，这种旋转会在土壤中引入拉力。这种拉力是不容许的，并且在TBM底部的旋转感应拉力的唯一部分可能发生，没有导致土壤中的拉力被考虑在内，见图11.这导致了下叙公式：
根据以下三个条件中的任一条件成立，TBM 前半部底部的平均土体应力sigma; rot，bottom，front，mean可以具有不同的值。如果旋转引起的拉力小于平移引起的土体应力，即sigma; rot，front，max le;sigma; soil，1，则底部平均土体应力sigma; rot，bottom，front，mean = sigma; rot，front ，mean 。如果由于旋转引起的拉力的最大值大于由于平移引起的土壤应力，即 sigma; rot，front，maxgt; sigma; soil,1 ,则图11所示情况成立，平均土壤应力计算为：
除非TBM后半部分的最大拉力已经大于平移引起的土体应力，即sigma; rot，back，max ge; sigma; soil，1，在这种情况下，可以施加的最大应力等于土体应力sigma; soil，1，sigma; rot，bottom，front，mean = sigma; soil，1。
土体反作用力F soil,3由下式给出:
由于力的平衡，所以
最后，由于旋转运动导致下一步：
图9.旋转运动时TBM上的力。
图10.由TBM的平移和旋转引起的拉伸力。
图11.由于TBM底部旋转而产生的容许拉力。
-
- 路基反应模量的影响
在前面的章节中，已经引入了路基反作用模量k，以将土壤中的应力与位移联系起来。 但是，路基反应模量并不是一个常数，而是由于TBM和土壤之间变化的相互作用而在TBM周围的不同位置发生变化。 三种不同的路基反应模量是不同的，即由于平移引起的外侧弯曲中的 k translation，由于旋转产生的拉力引起的外侧弯曲中的 k rotation,outside 和TBM阴影内部弯曲中的 k rotation,inside （参见图12）。
k translation的值基于土壤的常规路基反应模量。对于 k rotation,outside ，使用相同的值，不考虑卸载 - 重新加载行为导致土壤硬度增加的可能性。然而，对于k rotation,inside，引入减小因子 C k 以解决TBM阴影侧的土壤扰动和部分挖掘。
根据理论考虑确定C k值是很困难的，因为通过TBM对土壤的影响在很大程度上是未知的。 因此，基于以下假设获得估计值：在足够坚硬的土壤中，运动角度omega;等于转向角度alpha;。使用这个假设和现实的输入参数，发现C k值在0.15和0.35之间。确切地说，C k = 0.25的固定值已被选择用于进一步的计算，基本上表明TBM的阴影侧的土壤刚度是未受干扰的土壤的四分之一。尽管这种选择是基于许多实际的参数变化，但仍建议进行进一步的研究，以更大的置信度确定C k的正确值。
图12. TBM周围置换和开挖土壤区域。
-
- 参考参数下基本模型的反应
如上所述，由于力矩平衡
其中M trans和M rot分别由（3）和（14）给出。该公式要求TBM的尺寸，土壤参数和TBM的转向角alpha;作为输入参数，并且仅有偏差角beta;未知。当beta;被确定时，运动角度omega;和旋转角度theta;从（4）开始，其他可用于表征TBM行为的度量指标是定义为O v的量：
曲率半径：
参考数据集合用于显示不同模型参数的影响。表1中给出了所有输入参数的总览。在该表中，两个参数作为变量给出：转向角和路基反应模量，因为它们在此和大部分随后的参数研究中变化。
这第一个参数研究显示了TBM对转向的反应程度。这个反应主要取决于路基反应模量。图13显示，如果土壤较硬，TBM反应更好。当土壤硬度较低时，TBM对转向行为几乎没有反应。垂直于TBM前部作用的相对较大的力F front将TBM推回并抵消转向动作。在极端情况下，TBM甚至可以向相反的方向旋转，但在这种情况下，不同的力会作用在TBM上，
全文共6113字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[16172]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
