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在极软土开通微型隧道中对于曲线钻孔的建模
摘要
在近几年，由于开挖沟渠逐渐成为一个不被期望的操作选择，专业人士对于微型隧道的兴趣逐步提升。然而，微型隧道在拓展至新的领域这一方面面临着限制。在荷兰地区，更广泛地讲是在软土地区，一个最主要的问题是曲线钻孔的控制。为了更好地理解隧道钻孔机器（TBM）的行为，一个分析模型已经被开发出来，那样需要把TBM的转变和旋转考虑进去。这些举动可以被叠加起来以描述TBM完整的运动。这个模型已经被按照一种渐进的潮流所开发出来，通过一开始只考虑一系列有限的限制因素的影响的方法。第一个模型考虑路基反应模量以及机器对于土层刚度的影响，接下来通过考虑总载质量以及顶推力来做出改善。第二个模型则通过一个事件研究来证实，即在鹿特丹的哈德运河之下安装KPE管道，并且这展示出可靠的结果。使用这一模型，在隧道机器中转向千斤顶的需求位置可以被测得，考虑到需要的因素是已知的。此外，椭圆形的钻孔孔洞可以被预测。随着角都旋转和最大旋转的变化，接合处的行为也可以被预测。以这种方式，有问题的位置可以被预防。尽管验证的结果是好的，相当数量的方面仍然需要进一步的研究。
1.导论
在未来，地下管道系统的数量仍然会继续上升。这不仅对于水，气，电力和数据的经典传输途径是正确的，对于地下消耗品以及废品的传输同整合性的利用隧道也是正确的。荷兰的城市对于将汽车交通从内陆城市移走这一可能性表达出渐增的兴趣，目的是提升生活质量。在城市地区当中不同的分配交通运输的方式正在考虑当中，并且大量的设想使用了地铁。这些当中包括了地下逻辑系统的使用。
管道已经被用于地下液体气体的运输。使用地下管道线路作为其他商品的运输介质意味着管道的布置变得越来越重要。线路的布置应该保证高度的服务能力以及最小化的建设花费。因此，土壤状况是一个越来越重要的因素，尤其是当钻孔技术被考虑的前提下。
钻孔技术被认为是传统开挖沟渠方法中造成对周围事物有所妨害的原因，并且需要对于其他基础建设的暂时性的重新路线规划，这样一来一定程度上增加了花费。非开挖技术，尽管总体上来说更加昂贵，却没有这些缺点并且因此在城市地区尤其地提升性价比。像这样这就成为一个地下逻辑系统安装的绝佳选项。
1.1在荷兰地区的微型隧道技术面临的挑战
在荷兰的大多数上层地区包含了冲积土，那里的土壤刚度很低。地下水等级总体来说非常高并且当地几乎延伸到了地表。这种结合对于所使用的钻孔技术有着不利的影响。在如此差的土壤条件下，微型隧道机器的控制和可操纵性可能会变得有问题。一方面，钻孔技术在本文中有更多细节性的描述。
在过去一些在软土中实施的钻孔没有特别大的问题发生，或者说只有一些小问题发生。然而最近，在一项工程中发生了问题，当时钻孔过程中轨道偶然的从软土过渡到硬土。在这个位置当TBM刚进入硬土时混凝土管道卡住了。另一个钻孔，有着更大的曲率，在同样的位置成功地完成了。这个事件引起了关乎TBM实际行为的问题，包括混凝土管道以及管道中间的耦合力。为了增加对于TBM在软土中行为的理解，一个分析微型被程式化来描述TBM在软土中曲线钻孔的行为。这个模型已经被用来解释在前面提及的工程中的问题。
2.微型隧道机器在曲线中的作用力
当考虑到TBM在曲线钻孔中表现出的作用力时，很多不同的组件涉及其中，包括从由软土导致的普通力和摩擦力，到管道和TBM之间交互产生的支撑力和其他力。图1展示了各种被考虑的贡献力。图2展示了TBM沿直轨道行进时这些力如何变化。这里，Ff表示TBM上的摩擦力。除了其他表示出来的力，TBM也有许多内部顶压力。然而，当TBM整体来考虑时，这些作用力不被考虑进平衡分析中。
当沿着曲线行进时，TBM的前部和后部形成一定角度。软土的径向反应变得更加重要。在土壤环境对安置物反应敏感时，这些周围土壤变得更加重要。TBM的基本行为和作用在直曲行进中表现一致，如图3所示。
2.1.基本分析模型的构想
为了模拟TBM一开始曲线行进的行为，基本模型被提出，应根据一系列考虑。首先，假设TBM的运动可以被分为直线运动和旋转运动，如图4所示。假设软土行为是弹性的，从两种运动模型中产生的力可以叠加。
直线模型造成了一阵的扭转力，然而旋转造成了一阵相应的扭转力。时间平衡允许旋转部分的分开，并且TBM旋转的曲线半径可以被测得。这个曲率半径会被用于测定TBM创造的椭圆形孔洞，假设没有间距被使用。因为TBM有着确定的长度，最小数量的椭圆形孔洞是必须用来允许TBM适合曲线道路，如图5所示。除此之外，需要被用来强迫方向的改变的剪切力和力矩将不仅根据土壤的变形而发生，也会导致其他孔洞的变形。
并且，TBM的重量和TBM外部的摩擦力没有被考虑进来以及假设插入力使得它的受力点完美的契合于TBM的中心。而且，假设软土完全弹性，土壤反应可以这样建模：线性扩张地基反应模量 k。覆盖的区域土壤里被简化成介入一个支撑角asup=2ak。这样简化了土壤反应力的计算，假设这区的角度不变。后来TBM的总体荷载被介入，这个荷载不是完全等于同样区域的分布并且离心力减少了效应区。
最后，如图7，模型中TBM的转向角a和运动角w被区分开来。两个角之差为角b。根据这些假设，基本模型由两种不同的运动分别计算然后合并平衡力矩建立而成。
2.2直线运动
TBM展示力在直线运动模型中，如图8所示。这里，Lfront是TBM前部的长度，Lback是后部的长度，D是TBM的直径，Ffront从TBM表面压力计算而来并且Fjack代表顶压力。TBM上的软土反应力可以被分为2部分，Fsoil.1 X方向的施加运动。如果没有平衡被发现并且TBM被y负轴的Ffront推动，一个额外来自土壤的作用力Fsoil.2是必须的。如果Fforce的y部分比Fsoil.1小，y正半轴的运动会发生并且Fsoil.2将TBM对向的一个作用力如图所示。在两个例子中，Fsoil.2都被设为标准值。
直线运动的平衡力需求导致（1）
并且考虑到直线运动步骤mu;和地基反应模量 k（2）
并且Ffront可以从前压力计算出，从钻孔中和表面测出，考虑到这些力，A点中的运动平衡导致了（3）
这里结果Mtrans不一定等于0.如果Mtrans=0表示这个运动可以是垂直于顶压力并且土壤反应力Fsoil.2是活跃的，但是TBM不旋转，只是直线运动的。
2.3旋转运动
这个由旋转运动产生的力将同直线运动产生的力相对应。以这种方法力矩平衡可以达成如果直线运动力矩不为零。旋转力矩平衡中的力与直线中有些许不同，如图9所示。因为剪力被忽略了，所有的反应力都同TBM垂直。
TBM的转角依据运动步骤u（4）
这里b是 转向角a和实际转角w的差值。TBM前后部的旋转置换可以从（5）中得到
并且A TBM的表面积由土壤根据旋转反应如下(6)
这里urot随着TBM线性增长。
这个旋转将会引入抗张力至土壤中，如图10所示。这种抗张力是不允许的并且旋转引入抗张的唯一部分在TBM的底部，这可以在不考虑吧土壤中抗张力的条件下发生，如图11.计算结果如下图方程。（7）（8）（9）（10）
这里TBM前部底部的土壤平均压力可能有不同的值，根据下列3种不同情况。旋转抗张力与土压力大小情况不同分为大于小于等于，结果分别如（11）（12）（13）
最后，计算结果如下由旋转运动所得。（14）
2.4地基反应模量的影响
在前面的部分地基反应模量已经被引入来与土壤置换力想联系。然而，地基反应模量不是一个常量，而是根据TBM自身与土壤的交互反应不断变换位置。我们一共区分出三种地基反应模量，那就是Ktranslation，Krotation，outside，Krotation，inside。（如图（12）所示）
K1的值基于土壤的地基反应模量，因为K2使用同样的值，不考虑土壤在变载情况下的刚度变化，然而对于K3一个减小因素Ck被引入来计算TBM在土壤阴暗面的部分挖掘情况。
要计算Ck根据理论考虑的值是困难的，因为TBM经过土壤的效应很大程度上是未知的。因此，一个估计值已经经由一个假设得到，即是w=a。使用这种假设和实际的输入因素，Ck的值在0.15到0.35之间。一个折中值0.25被取来用作进一步的计算，基于考虑到TBM阴暗面占到土壤的4分之一。尽管这个选择基于一系列现实因素的变化，这是被推荐于进一步研究来更正Ck的值的。
2.5使用参考因素的基本模型的影响
如上所述，力矩平衡需要（15），分别有（3）和（14）得出。这个公式需要TBM 的不同方面，土壤因素和a作为输入因素别前b这一个未知差值。当b被计算出，w和其他TBM 的行为可以用来计算椭圆的数量。（17）
以及洞口半径（18）
一个参考集合被用于展示不同模型因素的效应，一个全面的输入因素在表1中给出。在这个表里，有两个变量因素，转向角和地基反应模量。
第一个因素研究展示了TBM根据转动的反应变化程度。这个程度主要取决于地基反应模量。图13表明如果土壤更坚固TBM反应更加良好。当土壤的刚度很低时，TBM几乎对刚度行为没有反应。相对较大的前端力和TBM前端垂直。
2.6各种输出因素的影响
当模型的各种输出因素变化时，可能得到一系列的不同结果。例如，如果TBM前部的长度增加，TBM的牢固能力就增加了，如图14所示。减少后部的长度有相同的结果。这个行为可以被理解为土壤对TBM前部的反应把TBM推向需求曲线，在一个更大的区域里我们期待的东西会发生，那就是一个更小尺寸的后部被一并扩张。
另一方面，TBM的直径对于反应有一些小影响。只有直径非常小，TBM的长度才会相对长并且从前部得到的结论再次充分起来。TBM的荷载影响了前部力，随着前部的深度增加。更大的前部力会导致TBM后部一个大的平衡。如图15所示。
除了地基反应模量的影响，支撑角ak也影响着刚度，一个更大的支撑角会改善TBM的反应，但是这个影响是很微小的。这个可以被理解为支撑角影响着TBM 的两边因此次影响这动量。
最后的因素是变化步u，如果更大的步数被采取，那么TBM就会有更好的反应。这个可以通过这样一个事实来解释，即这个例子中的土壤力是大的。另一方面，如果步数被采取的很小，并且土壤刚度很低，那么这个反应可能不足以影响TBM。
更多的因素并不容易改变并且应该更广泛的被考虑。前端压力是一个例外，这个可以通过机器再一个盲区操作来增加。如果没有土壤被挖掘，TBM前端的压力会迅速增加。同时，展示土会增加TBM两侧土壤的刚度，这会增加机器的稳定性。
2.7TBM向心力和净重
在下一部分的基础模型被拓展了。首先是一个同心部分的前端力展示，其次是TBM的净重。
随着TBM开始运动出曲线，前端力的作用点将会是TBM的中心。前端力会逐渐平移进入曲线里。如图16.这个内在平移会导致大的管道情况改变。为了针对这个，帕克被使用进接合处，在大多数ply木的案例中，这种木头相对软并且会更平稳的分散力。为了把这个内在平移考虑进限制因素，引入Cd，是作用力的作用位置。（19）
3.KPE曲线的案例研究
这种模型的行为被用来和KPE案例中得到的测量做比较。这个新鲜的几乎2m直径的水管被建设在微型隧道中。第一次尝试失败了，可能由于在软土中垂直建设的问题。如图20.第二次有些许的安排变化并且在1997里成功地实施了。
在建设期间记录了几次进程要素，包括TBM四部分的扩张，TBM的设计和相对位置的变化。这个数据被用来评估TBM 的行为以及这个模型。
首先，前冲力的位置是根据TBM的固定角计算的。图21展示了两边的扩张。在软土曲线过程中，一个设计和实际更大差距的角被记录下来，从记录的前端角来看，TBM 被计算在其中。
第二，使用机器的测量角被更正发现了。使用计算角得出的TBM例如,在粘土砂层(无花果20和21层5)地基反应模量k = 4 MN / m3。这是比刚度刚度的预期是基于土壤的土壤调查,k = 5 MN / m3为同一层。这是总结现实的土壤刚度值获得的。
相反,如果土壤的刚度,尺寸TBM包括重量,和设计对齐是已知的,所需的操舵的位置杰克可以确定。此外,它是可能的确定挖掘腔和成椭圆形角之间的旋转关节。通过这种方式,不可接受的在规划的情况下是可以预防的的项目。
4.议论和建议
虽然该模型合理预测所需的转向行动在不同土壤条件下,仍然存在一些不确定性和可能的改进到模型中。首先,假定土壤是线性弹性的。在土壤是如此现实的压力会出现塑性变形,虽然不是在同样的时间同样的机器数量。这会导致反应部队的再分配,因此随后影响平衡(15)。这可以使用双线性弹簧模型的行为,不是吗的线性弹簧行为在当前的模型,和被认为是一个有用的扩展模型。在机器不包括摩擦模型。尽管摩擦力量可能会影响结果,可能是影响小,由于所使用的润滑在机(诺里斯和Milligan,1992;O #39; reilly和罗杰斯,1987)。很难正确地包括摩擦影响在当前的模型中,考虑到应力状态在TBM大约只是模仿。以防然而,没有润滑,摩擦力量值得进一步的关注。TBM背后的管柱的影响被忽视的,除了可能的偏心率的杰克力。然而,管道之间的关节也可以转让横向力,也不包括在模型中。在包括这个,明显的管道的刚度需要字符串,很难推断。然而,包括管柱在模型中被认为是一个有用的模型的扩展。可能最大的不确定性在于模型Ck测定减少因素,用于评估减少土壤刚度在TBM的阴影。没有直接的方法来确定这个值,如有没有充分的挖掘和位移的描述的过程。本文的价值Ck从以下几个参数的变化中获得假设TBM的指导行为提高了在硬土。似乎有参数,后半部分的长度等TBM Lback,影响转向,但没有明显的影响在土壤刚度曲线。
Ck模型结果的影响是显著的,和确定正确的值使用在所有情况下都很小,建议进一步
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