岩土力学 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (11): 3574-3584.doi: 10.16285/j.rsm.2024.1582CSTR: 32223.14.j.rsm.2024.1582

• 岩土工程研究 • 上一篇    下一篇

考虑主动铰接的盾构-地层相互作用模型及求解研究

谢立夫1,关振长1,黄明1,丘华生2,许超3   

  1. 1. 福州大学 土木工程学院,福建 福州 350116;2. 中国建筑第四工程局有限公司,广东 广州 510630; 3. 中交第二航务工程局有限公司,湖北 武汉 430040
  • 收稿日期:2024-12-23 接受日期:2025-04-03 出版日期:2025-11-14 发布日期:2025-11-11
  • 通讯作者: 关振长,男,1980年生,博士,教授,主要从事岩土与地下工程等方面的研究工作。E-mail: zcguan@fzu.edu.cn
  • 作者简介:谢立夫,男,1999年生,博士研究生,主要从事盾构姿态预测及控制的研究工作。E-mail: 240510001@fzu.edu.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(No. 52278399)

Shield-soil interaction model and numerical solution methodology considering active articulation system

XIE Li-fu1, GUAN Zhen-chang1, HUANG Ming1, QIU Hua-sheng2, XU Chao3   

  1. 1. College of Civil Engineering, Fuzhou University, Fuzhou, Fujian 350116, China; 2. China Construction Fourth Engineering Division Co. Ltd., Guangzhou, Guangdong 510630, China; 3. CCCC Second Harbor Engineering Company Ltd., Wuhan, Hubei 430040, China
  • Received:2024-12-23 Accepted:2025-04-03 Online:2025-11-14 Published:2025-11-11
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (52278399).

摘要: 盾构-地层相互作用一直是学界和业界关注的研究热点。对于主动铰接型盾构,主动铰接装置的存在对盾构-地层相互作用影响不容忽视。鉴于此,提出考虑主动铰接的盾构-地层相互作用模型,并基于时间增量过程实现模型求解。在此基础上,依托福州滨海快线滨中区间进行算例验证,并进一步探讨主动铰接对盾构栽头现象、盾壳土压力及油缸推进合力矩的影响规律。主要结论如下:(1)考虑主动铰接的计算模型及其求解方法,能更为准确地反映连续掘进过程中的盾构-地层相互作用;(2)俯仰铰接角的增大对于盾构栽头现象有明显改善作用;(3)地层基床系数较小时,铰接角同盾壳土压力合力矩近似线性相关,随着基床系数不断增大,两者逐渐向非线性转变;上软下硬地层中,不同俯仰铰接方向产生的土压力合力矩存在一定差异,且随铰接程度增大愈加明显;(4)小角度纠偏范围内,赋予盾构一定铰接角,可有效减少推进油缸所需力矩,从而实现姿态高效控制。以上研究成果可为后续盾构轴线偏差计算及姿态控制策略提供理论支撑。

关键词: 盾构隧道, 盾构姿态, 主动铰接, 盾构-地层相互作用, 增量过程

Abstract: The mechanism of shield-soil interaction has always been a significant issue in academia and industry. For the active articulated shield, the presence of the active articulation system has an inevitable impact on shield-soil interaction. Therefore, a shield-soil interaction model considering active articulation was proposed and numerically solved using the time-incremental method. The model was validated through a case study of the Binzhong interval in Fuzhou Metro Binhai Express. The influence of active articulation on shield heading, resultant moment of earth pressure on shield shell, and resultant propulsion moment was carefully studied. Key conclusions include: (1) The shield-soil interaction during continuous excavation is more accurately reflected by the model and its numerical solution method. (2) Increasing the pitch articulation angle significantly reduces shield heading. (3) With a smaller coefficient of subgrade reaction, the articulation angle is approximately linearly correlated with the resultant moment of earth pressure; this relationship transitions to nonlinearity as the coefficient increases. In upper-soft lower-hard strata, the resultant moment varies with pitch articulation direction and becomes more pronounced with larger articulation angles. (4) Within the small-angle attitude correction range, a certain articulation angle reduces the resultant propulsion moment, enabling efficient attitude control. These findings provide theoretical support for shield axis deviation calculation and shield attitude control strategy.

Key words: shield tunnel, shield attitude, active articulation, shield-strata interaction, incremental process

中图分类号: TU 452
[1] 黄大维, 卢文剑, 罗文俊, 余珏, . 盾构隧道同步注浆对砂土地层竖向位移与周围土压力影响试验研究[J]. 岩土力学, 2025, 46(9): 2837-2846.
[2] 宋利埼, 章敏, 徐筱, 孙静雯, 俞奎, 李昕尧, . 考虑管片接头转动效应的盾构隧道光纤反演分析[J]. 岩土力学, 2025, 46(8): 2483-2494.
[3] 宋牧原, 杨明辉, 陈伟, 卢贤锥, . 基于自注意力-循环神经网络模型的盾构引发的土体沉降预测[J]. 岩土力学, 2025, 46(8): 2613-2625.
[4] 宋伟涛, 张佩, 杜修力, 林庆涛, . 土性对浅埋盾构隧道施工地层响应影响研究[J]. 岩土力学, 2025, 46(7): 2179-2188.
[5] 黄明华, 钟煜轩, 陆锦斌, 王克平. 基于非连续地基梁模型的基坑开挖诱发下卧盾构隧道变形分析[J]. 岩土力学, 2025, 46(2): 492-504.
[6] 真嘉捷, 赖丰文, 黄明, 廖清香, 李爽, 段岳强. 基于时序聚类和在线学习的盾构掘进地层智能识别方法[J]. 岩土力学, 2025, 46(11): 3615-3625.
[7] 黄大维, 刘家璇, 谭满生, 邓翔浩, 黄永亮, 翁友华, 陈升平, . 盾构隧道底部注浆抬升模拟试验研究[J]. 岩土力学, 2024, 45(S1): 371-381.
[8] 王小刚, 杨建平, 陈卫忠, 李慧, . 盾构隧道结构响应特征及接缝刚度分析[J]. 岩土力学, 2024, 45(S1): 485-495.
[9] 张治国, 沃巍, 朱正国, 韩凯航, 孙苗苗, . 考虑衬砌截面协调变形约束的既有隧道受盾构下穿施工影响的Fourier能量变分解[J]. 岩土力学, 2024, 45(5): 1397-1411.
[10] 张治国, 罗杰, 朱正国, PAN Y T, 孙苗苗, . 基于极限分析上限法的地震作用下分层地基 盾构隧道开挖面稳定性研究[J]. 岩土力学, 2024, 45(4): 1201-1213.
[11] 潘秋景, 吴洪涛, 张子龙, 宋克志, . 基于多域物理信息神经网络的复合地层隧道掘进地表沉降预测[J]. 岩土力学, 2024, 45(2): 539-551.
[12] 真嘉捷, 赖丰文, 黄明, 李爽, 许凯. 基于LightGBM-Informer的盾构隧道管片上浮长时间序列预测模型[J]. 岩土力学, 2024, 45(12): 3791-3801.
[13] 李文博, 甘晓露, 刘念武, 吴昊, 谌珊珊. 基于短梁−弹簧模型的盾构隧道施工期上浮变形计算方法[J]. 岩土力学, 2024, 45(12): 3755-3767.
[14] 黄继辉, 秦世康, 赵昱, 陈景煦, 张浩, . 压气法盾构仓内气压与围岩气−液两相流相互作用模型研究[J]. 岩土力学, 2024, 45(12): 3555-3565.
[15] 任璐瑶, 吴镇杰, 黄啟超, 关振长. 考虑轴力影响的盾构隧道纵向地震响应解析[J]. 岩土力学, 2024, 45(10): 2971-2980.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed   
No Suggested Reading articles found!