斜井隧道雙模式盾構推進油缸布局優化研究

陶 偉，管會生，郭立昌，黃松和

(西南交通大學機械工程學院，四川 成都 610031)

斜井隧道雙模式盾構推進油缸布局優化研究

陶 偉，管會生，郭立昌，黃松和

(西南交通大學機械工程學院，四川 成都 610031)

盾構推進油缸的布局合理性關系到隧道管片拼裝質量，在斜井隧道施工中則更為突出。以煤礦斜井雙模式盾構為例，通過分析不同掘進模式和工況下推進油缸布局優化條件以及根據單個管片受力均勻、管片環整體受力平衡及各分區推力均方差最小的優化原則，完成推進油缸的位置及分區優化。推進油缸布局優化后，各管片受力均勻，襯砌環整體受力平衡，各分區推力相近，有利于避免管片被壓潰，研究結果對盾構推進系統的選型和設計有指導作用。

斜井隧道；雙模式盾構；油缸布局；管片受力

0 引言

盾構法施工具有對地面干擾小、施工速度快、安全、環保、機械化和自動化程度高等諸多優點。為順應我國西部深埋煤層的開采需求，雙模式盾構已被研究并應用于煤礦斜井的建設當中。雙模式盾構是土壓平衡(EPB)盾構和TBM的結合體，既能夠在中硬巖地層中高速順利推進，也能夠在不良地層中安全掘進，且可實現2種模式間的快速轉換[1-2]。

推進系統是盾構掘進過程中的重要執行裝置之一，推進油缸頂在管片上以提供盾構前進的反力，實際工程中由于管片受力不均，而導致管片損壞的案例較多：廣州地鐵1號線和2號線均有部分管片開裂[3]；深圳地鐵5305標段三工區，也由于相鄰兩環管片的油缸推力變化較大而造成管片破損[4]。因此，有必要對盾構推進油缸布局進行優化研究，使管片受力均勻，避免被壓潰。

推進油缸布局可分為無分區均勻布局、無分區非均勻布局、4分區均勻布局和4分區非均勻布局。李楊等[5]研究了常用地鐵管片分塊形式下盾構推進油缸的分布，建立了推進油缸的通用布置和特殊布置方案；肖俊祥等[6]設計了一種同時滿足2種分度管片的盾構推進油缸布置方案；鄧孔書[7]對無分區非均勻布局和4分區均勻布局進行了優化研究；鄧穎聰等[8-9]建立了不同分區型式的等效機構模型，并進行了性能評價。目前還沒有對4分區非均勻布局優化進行研究，對斜井雙模式盾構推進系統的研究更是空白。本文以新街臺格廟煤礦斜井雙模式盾構推進系統為研究對象，考慮2種模式不同掘進工況，基于推力均勻性對推進油缸的布局進行優化研究。

1 布局優化條件及優化方式

1.1 布局優化條件

1.1.1 工程概況

新街臺格廟礦區位于鄂爾多斯市境內，賦煤高程578～1 049 m。斜井坡度為-10.5%(6°下坡)，長6 314 m，埋深660 m，斜井內徑6.6 m，采用開挖直徑7.62 m的雙模式盾構掘進。該盾構推進油缸布局方案為4分區非均勻型式，如圖1所示，由15組雙缸和4組單缸組成，并按上下左右分為4區。由圖1可以看出，布局均勻性一般，部分管片和襯砌環整體受力不均勻，且推進油缸可能的分區型式較多，因此需對推進油缸布局做進一步優化。

圖1 工程中推進油缸布局方案

1.1.2 優化條件

1.1.2.1 管片形式及受力

油缸布置要與管片結構相匹配[10]，即滿足錯縫拼裝，如圖2所示，存在仰拱塊的錯縫拼裝為左右管片互換，互換后管片受力仍均勻(包括單塊管片受力均勻和襯砌環管片受力平衡)，為主要條件。

1.1.2.2 姿態調整

盾構在復雜地層條件下6°連續下坡掘進，盾構姿態容易受到影響，必須考慮分區的合理性，推進系統應能更好地滿足姿態調整的要求。

1.1.2.3 其他條件

1)油缸盡可能均勻布置；2)油缸左右對稱布置；3)左右2分區對稱；4)下分區油缸數量大于上分區油缸數量。

1.2 布局優化方式

推進油缸布局優化包括位置及分區優化。

位置優化方式有2種：1)基于單塊管片受力平衡的優化，即要求單塊管片上的油缸對稱布置即可，對于雙模式盾構，2種模式下布局優化相同；2)基于襯砌環整體受力平衡的優化，即油缸布局左右對稱而上下不對稱時，應使作用在水平軸上的力矩平衡。2種模式下優化方法相同，但不同模式推進系統受力不同，需要分別計算。通常先對EPB模式推進油缸布局進行優化，然后對TBM模式進行校驗。

(a) 錯縫拼裝前

(b) 錯縫拼裝后

分區優化方式為基于各分區推力均方差最小的優化。根據優化條件列出所有可能分區型式，考慮2種模式的不同工況，對比分析所有型式的各分區推力均方差，力均方差最小的布局則為最優布局。

2 推進油缸位置優化

2.1 基于單塊管片受力平衡的優化

如圖1所示，工程中推進油缸布局方案，襯砌環由7塊管片拼裝而成，其中5號和6號管片上液壓缸單雙混合布置，受力不均，需進行優化。

對于5號和6號管片，由于考慮錯縫拼裝，油缸單雙混合布置不變，僅對其位置進行優化。如圖3所示，圖中5A，5B，5C和6A，6B，6C分別表示5號和6號管片上的A，B，C組油缸，且A，B為雙油缸，C為單油缸；F表示1個油缸的推力；X5A，X5B，X5C和X6A，X6B，X6C分別表示5號和6號管片上的A，B，C組油缸中心到各自管片對稱軸的距離。由于油缸5A與4號管片中間油缸左右對稱，因此油缸5A的位置已定，根據油缸位置關系及撐靴尺寸可以得到X5B和X5C的取值范圍為0

2F·X5B+F·X5C=2 000.4F。

(1)

從而得到的5號管片上油缸布置如圖4所示。

圖3 管片5，6上油缸布局優化Fig.3 Optimization of arrangement of thrust cylinders on segments No.5 and No.6

圖4 管片5上油缸布置

確定了油缸5C的位置，便可以得到油缸6C的位置，然后對油缸6A和6B的位置進行優化。要求左右對稱，則圖3中的θ6A=θ6B，即

arccos ((2r2-X6B2)/(2r2))+7.5°=arccos ((2r2-X6A2)/(2r2))-7.5°。

(2)

再根據6號管片力矩平衡得：

2FX6B+677.85F=2FX6A。

(3)

聯立式(2)和式(3)，得到X6B=4 282.4 mm，X6A=4 960.25 mm，顯然油缸已不在6號管片上了，因此該方法失效。

由以上分析可知，在管片6上要同時滿足管片受力均勻和油缸6A與6B左右對稱是不可能的，因此以油缸6A與6B左右對稱為約束條件，管片左右力矩相差最小為優化目標來分析。建立優化函數：

Δ=X6A-X6B-677.85。

(4)

約束條件為式(2)，建立拉格朗日函數：

L=X6A-X6B-677.85+λ[arccos (1-X6B2/(2r2))+15°-arccos (1-X6A2/(2r2))]。

(5)

計算得到X6B=0，X6A=907.2，從而得到6號管片上油缸布局如圖5所示。

圖5 6號管片上油缸布置

由于5號和6號管片上油缸位置有變動，根據左右對稱原則，需要重新調整其他油缸的位置，得到襯砌環管片上油缸位置如圖6所示，并對各油缸按所推管片進行編號。

圖6 優化布局a

2.2 基于襯砌環整體受力平衡的優化

如圖6所示的初步優化得到的油缸布局，為防止盾構受到傾覆力矩發生栽頭，應使作用在x軸上的力矩平衡。假設各油缸推力相同，圍繞水平軸(x軸)，將從上到下的力矩定義為M下，即為使刀盤栽頭的力矩，從下到上的力矩定義為M上，即為使刀盤抬頭的力矩，因此有：

(6)

(7)

式中：a1A，a2B，a2A，a4A，a1B分別為油缸1A，2B，2A，4A，1B到x軸的距離。

2.2.1 EPB模式優化

在EPB模式下，計算得到M下=23 872.5 kN·m，M上=23 694.1 kN·m，則M下比M上大178.4 kN·m。油缸6A與6B安裝角度較小，可將此角度變大，以使a6A變小，使M下=M上，但2.1節中用單個管片受力不均勻最小來確定6A位置，由于單管片受力還應考慮管片間連接關系，因此優先考慮襯砌環受力平衡，從而可得θ6A=θ6B=10°，得到襯砌環管片上油缸位置如圖7所示。

2.2.2 TBM模式優化

TBM模式下，根據2.2.1的優化結果計算得到M下=19 063.7 kN·m，M上=18 350.9 kN·m，則M下比M上大712.8 kN·m。由于圍巖較穩定，地基沉降量小，盾構栽頭可能性小，且實際掘進中下區油缸壓力大于上區，認為EPB模式下的優化結果適用于TBM模式。

圖7 優化布局b

3 推進油缸分區優化

3.1 推進油缸可能分區型式

推進油缸共19組(15組雙缸和4組單缸)，分為上下左右4區，可能的分區型式較多，令圖7所示的優化布局b為初始布局，并編號為0，根據1.1.2節的優化條件，所有可能的分區型式如表1所示。

表1 所有可能分區型式Table 1 Possible thrust cylinder zoning types

注：表中“+”的前面表示雙缸數量，后面表示單缸數量；無“+”表示雙缸數量。

3.2基于力均方差最小的優化模型

由于每一分區油缸相連，因此同一分區油缸推力相同，不同分區推力則不同。為保證管片受力均衡，各區油缸推力應盡可能接近，即各區油缸推力的均方差最小。考慮正常掘進、上下及左右姿態調整工況，以各分區油缸推力均方差最小為優化目標，建立優化函數為：

(8)

式中fi為i分區雙油缸推力。

約束條件為：

∑Mx=0；

∑My=0。

(9)

式中ni為i分區的雙油缸組數。不同模式約束條件有所不同，EPB模式下應考慮刀盤正面水土壓力產生的力矩Mx2，姿態調整工況下應考慮姿態調整時所需克服的力矩Mx3或My。從而建立拉格朗日優化函數為：

(10)

式中：λ1為推進合力的乘子；λ2為x軸方向力矩和的乘子；λ3為y軸方向力矩和的乘子。

3.3 實例研究

推進油缸可能的分區型式如表1所示。對于給定的油缸布置形式，可根據式(8)—(10)求得推力均方差，力均方差最小的布局則為最優布局。由于埋深不同，推進系統受力也會不一樣，其中推進阻力和刀盤正面水土壓力產生的力矩與埋深的關系分別如圖8和圖9所示。因此可得到2種模式在不同工況下可能分區型式各區力均方差變化曲線如圖10所示。匯總2種模式不同工況下推進系統最優分區型式如表2所示。

圖8 2種模式下推進阻力與埋深關系Fig.8 Correlation between thrust force and tunnel cover under two working modes of shield

圖9 正面水土壓力產生的力矩與埋深的關系Fig.9 Correlation between torque generated by face soil pressure and tunnel cover

圖10 可能分區型式各區力均方差變化曲線

表2 推進油缸最優分區型式Table 2 Optimum zoning type of thrust cylinder

由表2可知，2種模式下，正常掘進、向上、下姿態調整工況最優分區型式相同，向左右姿態調整工況下則不同，這是因為單獨考慮某一工況時，忽略了其他工況的作用。向上姿態調整工況要求下區油缸數量較多，這樣左右分區油缸數量便少了，不能滿足左右姿態調整；若向左右姿態調整工況要求左右分區油缸數量較多，又不能滿足上下姿態調整。因此，同時考慮向上和向左姿態調整工況，得到可能分區型式各區力均方差曲線如圖11所示。

(a) EPB模式

(b) TBM模式

由圖11可知，2種模式下最優布局為編號5的分區型式，然后觀察圖10(a)—(h)編號為5的分區型式，可見該分區型式的推力均勻性均較好。因此得到推進系統最優布局型式為編號5的分區型式，即上下左右區油缸組數分別為2+2，5，4+1，4+1，如圖12所示。

圖12 最優布局型式

4 結論與討論

1)以新街臺格廟煤礦斜井雙模式盾構推進系統為研究對象，基于單個管片受力均勻和管片環整體受力平衡的原則，完成了4分區非均勻布局推進油缸的位置優化。

2)基于力均方差最小的原則，對2種模式下推進油缸分區進行了優化，優化后上下左右分區油缸組數分別為2+2，5，4+1，4+1。

3)與工程方案比較，推進油缸布局優化后，各管片受力均勻，襯砌環整體受力平衡，各分區推力相近，有利于避免管片被壓潰，此研究為盾構推進系統的選型和設計提供了新的參考實例。

由于推進油缸布局優化整個分析過程是一個多模式、多工況、多參數、多變量的復雜計算過程，為使計算分析方便，下一步工作可考慮編制布局優化軟件，通過輸入相關參數便可得到推進油缸的最優布局型式。

5 致謝

該論文由西南交通大學機械工程學院管會生教授指導完成。

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青島膠州灣隧道工程獲詹天佑獎

第十二屆中國土木工程詹天佑獎頒獎大會在北京隆重舉行。青島膠州灣隧道工程以其突出的創新性和高科技含量，榮獲詹天佑獎，成為國內迄今唯一獲此獎項的海底隧道工程。

數據3年累計行車2 985萬輛

中國土木工程詹天佑獎是以表彰獎勵科技創新與新技術應用為宗旨的獎項。青島膠州灣隧道工程克服極為復雜的地質條件，建成世界上埋深最淺、斷面最大的海底隧道，形成了一整套海底隧道修建的技術模式，最終獲得評委青睞，贏得大獎。 青島膠州灣隧道工程南接青西新區薛家島，北連青島市主城區的團島，下穿膠州灣灣口海域，全長7 800 m，于2007年開工建設，2011年6月竣工通車。通車3年多來，截至2014年11月30日，青島膠州灣隧道累計通行車輛2 985萬輛，承載過往人員超過1億人次，對溝通膠州灣兩岸起到巨大的推動作用。

技術自主立項26項科研課題

作為我國自主設計、自主施工的海底大通道，青島膠州灣隧道工程在建設期間，積極推進科研創新活動，共投入科研經費4 500多萬元，自主立項26項科研課題，聘請國內外院士、國際隧協及國內外20多家科研機構進行科技攻關和咨詢。其中，基于超前地質預報探索建立的導水致災構造識別與探測方法，可有效避免災害事故的發生；最小巖石覆蓋厚度、水壓力折減系數關鍵參數確定方法的提出，可有效減小建設投資，保證結構安全耐久；多重防腐錨桿、C35高性能噴射混凝土、C50模筑耐久性混凝土、可維護式排水系統、大型機械化配套作業、海底隧道結構健康長期監測系統等一批先進技術的應用，有效保證了工期和施工質量。青島膠州灣隧道工程創建了海底隧道工程全過程動態風險管理體系，形成了高風險重大工程管控新模式。針對海底隧道高風險的特點，對建設過程中的各階段風險進行系統化評估，制定了相應的風險控制措施，研發了隧道施工安全風險管理平臺，并應用于隧道施工動態風險管理。

成就技術規劃運營國際領先

據統計，青島膠州灣隧道工程開工以來，國內外共發表與之相關的學術論文140余篇，出版專著2本，獲授權發明專利7項，實用新型專利10余項，省部級以上工法7項，完成863課題項目2項，除本次獲得中國土木工程詹天佑獎外，還獲省部級科技進步一等獎2項，行業協會科技進步一等獎2項。在眾多科研成果的幫助下，青島膠州灣隧道埋深小、斷面大，日均滲水量少，與國內外同類工程相比，技術優勢明顯，經濟效益顯著，市場競爭力強。

中國工程院院士王夢恕表示，青島膠州灣隧道在技術、規劃及運營上都處于國際領先水平。我國海灣、海峽眾多，隨著經濟發展，海底隧道建設需求量逐步增大。青島膠州灣隧道工程積累的眾多科研成果以及培養出的大批優秀海底隧道修建技術人員，將大大提升我國海底隧道修建技術水平，為更大規模的海底隧道建設提供人才支持及經驗示范。

北京交通大學土木建筑工程學院院長張頂立表示，青島膠州灣隧道成功克服不良地質條件、超大斷面施工和高防水要求三大技術難題，做到了安全高效施工，成功建立了我國大斷面海底隧道鉆爆法建造的技術模式，必將載入世界隧道建設史冊。

(摘自 中國政府采購網 http://www.ccgp.gov.cn/qycp/gongcheng/qydt/201412/t20141205_4810412.htm)

OptimizationofArrangementofThrustCylindersofDual-modeShieldforInclinedTunnel

TAO Wei,GUAN Huisheng,GUO Lichang,HUANG Songhe

(CollegeofMechanicalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China)

Rational arrangement of thrust cylinders of shields plays an important role in ensuring the segment erection quality,especially in the case of inclined tunnels.In the paper,the conditions for the optimization of the arrangement of the thrust cylinders of a dual-mode shield are analyzed,the principle for the optimization of the thrust cylinders,i.e.,uniform force on each individual segment,balanced force on the segment ring and minimum mean square error of force of each zone,are analyzed.The positions and zoning of the thrust cylinders are determined and good results have been achieved.The study can provide reference for the type selection and design of thrust systems of shields of similar projects in the future.

inclined tunnel; dual-mode shield; arrangement of thrust cylinders; force on segment

2014-07-02;

2014-08-19

國家科技支撐計劃(2013BAB10B01)

陶偉(1990—)，男，四川南充人，西南交通大學機械工程學院在讀碩士，研究方向為盾構&TBM設計研究。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.12.015

U 455.43

A

1672-741X(2014)12-1207-08