陶 伟，管会生，郭立昌，黄松和

(西南交通大学机械工程学院，四川 成都 610031)

斜井隧道双模式盾构推进油缸布局优化研究

陶 伟，管会生，郭立昌，黄松和

(西南交通大学机械工程学院，四川 成都 610031)

盾构推进油缸的布局合理性关系到隧道管片拼装质量，在斜井隧道施工中则更为突出。以煤矿斜井双模式盾构为例，通过分析不同掘进模式和工况下推进油缸布局优化条件以及根据单个管片受力均匀、管片环整体受力平衡及各分区推力均方差最小的优化原则，完成推进油缸的位置及分区优化。推进油缸布局优化后，各管片受力均匀，衬砌环整体受力平衡，各分区推力相近，有利于避免管片被压溃，研究结果对盾构推进系统的选型和设计有指导作用。

斜井隧道；双模式盾构；油缸布局；管片受力

0 引言

盾构法施工具有对地面干扰小、施工速度快、安全、环保、机械化和自动化程度高等诸多优点。为顺应我国西部深埋煤层的开采需求，双模式盾构已被研究并应用于煤矿斜井的建设当中。双模式盾构是土压平衡(EPB)盾构和TBM的结合体，既能够在中硬岩地层中高速顺利推进，也能够在不良地层中安全掘进，且可实现2种模式间的快速转换[1-2]。

推进系统是盾构掘进过程中的重要执行装置之一，推进油缸顶在管片上以提供盾构前进的反力，实际工程中由于管片受力不均，而导致管片损坏的案例较多：广州地铁1号线和2号线均有部分管片开裂[3]；深圳地铁5305标段三工区，也由于相邻两环管片的油缸推力变化较大而造成管片破损[4]。因此，有必要对盾构推进油缸布局进行优化研究，使管片受力均匀，避免被压溃。

推进油缸布局可分为无分区均匀布局、无分区非均匀布局、4分区均匀布局和4分区非均匀布局。李杨等[5]研究了常用地铁管片分块形式下盾构推进油缸的分布，建立了推进油缸的通用布置和特殊布置方案；肖俊祥等[6]设计了一种同时满足2种分度管片的盾构推进油缸布置方案；邓孔书[7]对无分区非均匀布局和4分区均匀布局进行了优化研究；邓颖聪等[8-9]建立了不同分区型式的等效机构模型，并进行了性能评价。目前还没有对4分区非均匀布局优化进行研究，对斜井双模式盾构推进系统的研究更是空白。本文以新街台格庙煤矿斜井双模式盾构推进系统为研究对象，考虑2种模式不同掘进工况，基于推力均匀性对推进油缸的布局进行优化研究。

1 布局优化条件及优化方式

1.1 布局优化条件

1.1.1 工程概况

新街台格庙矿区位于鄂尔多斯市境内，赋煤高程578～1 049 m。斜井坡度为-10.5%(6°下坡)，长6 314 m，埋深660 m，斜井内径6.6 m，采用开挖直径7.62 m的双模式盾构掘进。该盾构推进油缸布局方案为4分区非均匀型式，如图1所示，由15组双缸和4组单缸组成，并按上下左右分为4区。由图1可以看出，布局均匀性一般，部分管片和衬砌环整体受力不均匀，且推进油缸可能的分区型式较多，因此需对推进油缸布局做进一步优化。

图1 工程中推进油缸布局方案

1.1.2 优化条件

1.1.2.1 管片形式及受力

油缸布置要与管片结构相匹配[10]，即满足错缝拼装，如图2所示，存在仰拱块的错缝拼装为左右管片互换，互换后管片受力仍均匀(包括单块管片受力均匀和衬砌环管片受力平衡)，为主要条件。

1.1.2.2 姿态调整

盾构在复杂地层条件下6°连续下坡掘进，盾构姿态容易受到影响，必须考虑分区的合理性，推进系统应能更好地满足姿态调整的要求。

1.1.2.3 其他条件

1)油缸尽可能均匀布置；2)油缸左右对称布置；3)左右2分区对称；4)下分区油缸数量大于上分区油缸数量。

1.2 布局优化方式

推进油缸布局优化包括位置及分区优化。

位置优化方式有2种：1)基于单块管片受力平衡的优化，即要求单块管片上的油缸对称布置即可，对于双模式盾构，2种模式下布局优化相同；2)基于衬砌环整体受力平衡的优化，即油缸布局左右对称而上下不对称时，应使作用在水平轴上的力矩平衡。2种模式下优化方法相同，但不同模式推进系统受力不同，需要分别计算。通常先对EPB模式推进油缸布局进行优化，然后对TBM模式进行校验。

(a) 错缝拼装前

(b) 错缝拼装后

分区优化方式为基于各分区推力均方差最小的优化。根据优化条件列出所有可能分区型式，考虑2种模式的不同工况，对比分析所有型式的各分区推力均方差，力均方差最小的布局则为最优布局。

2 推进油缸位置优化

2.1 基于单块管片受力平衡的优化

如图1所示，工程中推进油缸布局方案，衬砌环由7块管片拼装而成，其中5号和6号管片上液压缸单双混合布置，受力不均，需进行优化。

对于5号和6号管片，由于考虑错缝拼装，油缸单双混合布置不变，仅对其位置进行优化。如图3所示，图中5A，5B，5C和6A，6B，6C分别表示5号和6号管片上的A，B，C组油缸，且A，B为双油缸，C为单油缸；F表示1个油缸的推力；X5A，X5B，X5C和X6A，X6B，X6C分别表示5号和6号管片上的A，B，C组油缸中心到各自管片对称轴的距离。由于油缸5A与4号管片中间油缸左右对称，因此油缸5A的位置已定，根据油缸位置关系及撑靴尺寸可以得到X5B和X5C的取值范围为0

2F·X5B+F·X5C=2 000.4F。

(1)

从而得到的5号管片上油缸布置如图4所示。

图3 管片5，6上油缸布局优化Fig.3 Optimization of arrangement of thrust cylinders on segments No.5 and No.6

图4 管片5上油缸布置

确定了油缸5C的位置，便可以得到油缸6C的位置，然后对油缸6A和6B的位置进行优化。要求左右对称，则图3中的θ6A=θ6B，即

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

(2)

再根据6号管片力矩平衡得：

2FX6B+677.85F=2FX6A。

(3)

联立式(2)和式(3)，得到X6B=4 282.4 mm，X6A=4 960.25 mm，显然油缸已不在6号管片上了，因此该方法失效。

由以上分析可知，在管片6上要同时满足管片受力均匀和油缸6A与6B左右对称是不可能的，因此以油缸6A与6B左右对称为约束条件，管片左右力矩相差最小为优化目标来分析。建立优化函数：

Δ=X6A-X6B-677.85。

(4)

约束条件为式(2)，建立拉格朗日函数：

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

(5)

计算得到X6B=0，X6A=907.2，从而得到6号管片上油缸布局如图5所示。

图5 6号管片上油缸布置

由于5号和6号管片上油缸位置有变动，根据左右对称原则，需要重新调整其他油缸的位置，得到衬砌环管片上油缸位置如图6所示，并对各油缸按所推管片进行编号。

图6 优化布局a

2.2 基于衬砌环整体受力平衡的优化

如图6所示的初步优化得到的油缸布局，为防止盾构受到倾覆力矩发生栽头，应使作用在x轴上的力矩平衡。假设各油缸推力相同，围绕水平轴(x轴)，将从上到下的力矩定义为M下，即为使刀盘栽头的力矩，从下到上的力矩定义为M上，即为使刀盘抬头的力矩，因此有：

(6)

(7)

式中：a1A，a2B，a2A，a4A，a1B分别为油缸1A，2B，2A，4A，1B到x轴的距离。

2.2.1 EPB模式优化

在EPB模式下，计算得到M下=23 872.5 kN·m，M上=23 694.1 kN·m，则M下比M上大178.4 kN·m。油缸6A与6B安装角度较小，可将此角度变大，以使a6A变小，使M下=M上，但2.1节中用单个管片受力不均匀最小来确定6A位置，由于单管片受力还应考虑管片间连接关系，因此优先考虑衬砌环受力平衡，从而可得θ6A=θ6B=10°，得到衬砌环管片上油缸位置如图7所示。

2.2.2 TBM模式优化

TBM模式下，根据2.2.1的优化结果计算得到M下=19 063.7 kN·m，M上=18 350.9 kN·m，则M下比M上大712.8 kN·m。由于围岩较稳定，地基沉降量小，盾构栽头可能性小，且实际掘进中下区油缸压力大于上区，认为EPB模式下的优化结果适用于TBM模式。

图7 优化布局b

3 推进油缸分区优化

3.1 推进油缸可能分区型式

推进油缸共19组(15组双缸和4组单缸)，分为上下左右4区，可能的分区型式较多，令图7所示的优化布局b为初始布局，并编号为0，根据1.1.2节的优化条件，所有可能的分区型式如表1所示。

表1 所有可能分区型式Table 1 Possible thrust cylinder zoning types

注：表中“+”的前面表示双缸数量，后面表示单缸数量；无“+”表示双缸数量。

3.2基于力均方差最小的优化模型

由于每一分区油缸相连，因此同一分区油缸推力相同，不同分区推力则不同。为保证管片受力均衡，各区油缸推力应尽可能接近，即各区油缸推力的均方差最小。考虑正常掘进、上下及左右姿态调整工况，以各分区油缸推力均方差最小为优化目标，建立优化函数为：

(8)

式中fi为i分区双油缸推力。

约束条件为：

∑Mx=0；

∑My=0。

(9)

式中ni为i分区的双油缸组数。不同模式约束条件有所不同，EPB模式下应考虑刀盘正面水土压力产生的力矩Mx2，姿态调整工况下应考虑姿态调整时所需克服的力矩Mx3或My。从而建立拉格朗日优化函数为：

(10)

式中：λ1为推进合力的乘子；λ2为x轴方向力矩和的乘子；λ3为y轴方向力矩和的乘子。

3.3 实例研究

推进油缸可能的分区型式如表1所示。对于给定的油缸布置形式，可根据式(8)—(10)求得推力均方差，力均方差最小的布局则为最优布局。由于埋深不同，推进系统受力也会不一样，其中推进阻力和刀盘正面水土压力产生的力矩与埋深的关系分别如图8和图9所示。因此可得到2种模式在不同工况下可能分区型式各区力均方差变化曲线如图10所示。汇总2种模式不同工况下推进系统最优分区型式如表2所示。

图8 2种模式下推进阻力与埋深关系Fig.8 Correlation between thrust force and tunnel cover under two working modes of shield

图9 正面水土压力产生的力矩与埋深的关系Fig.9 Correlation between torque generated by face soil pressure and tunnel cover

图10 可能分区型式各区力均方差变化曲线

表2 推进油缸最优分区型式Table 2 Optimum zoning type of thrust cylinder

由表2可知，2种模式下，正常掘进、向上、下姿态调整工况最优分区型式相同，向左右姿态调整工况下则不同，这是因为单独考虑某一工况时，忽略了其他工况的作用。向上姿态调整工况要求下区油缸数量较多，这样左右分区油缸数量便少了，不能满足左右姿态调整；若向左右姿态调整工况要求左右分区油缸数量较多，又不能满足上下姿态调整。因此，同时考虑向上和向左姿态调整工况，得到可能分区型式各区力均方差曲线如图11所示。

(a) EPB模式

(b) TBM模式

由图11可知，2种模式下最优布局为编号5的分区型式，然后观察图10(a)—(h)编号为5的分区型式，可见该分区型式的推力均匀性均较好。因此得到推进系统最优布局型式为编号5的分区型式，即上下左右区油缸组数分别为2+2，5，4+1，4+1，如图12所示。

图12 最优布局型式

4 结论与讨论

1)以新街台格庙煤矿斜井双模式盾构推进系统为研究对象，基于单个管片受力均匀和管片环整体受力平衡的原则，完成了4分区非均匀布局推进油缸的位置优化。

2)基于力均方差最小的原则，对2种模式下推进油缸分区进行了优化，优化后上下左右分区油缸组数分别为2+2，5，4+1，4+1。

3)与工程方案比较，推进油缸布局优化后，各管片受力均匀，衬砌环整体受力平衡，各分区推力相近，有利于避免管片被压溃，此研究为盾构推进系统的选型和设计提供了新的参考实例。

由于推进油缸布局优化整个分析过程是一个多模式、多工况、多参数、多变量的复杂计算过程，为使计算分析方便，下一步工作可考虑编制布局优化软件，通过输入相关参数便可得到推进油缸的最优布局型式。

5 致谢

该论文由西南交通大学机械工程学院管会生教授指导完成。

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青岛胶州湾隧道工程获詹天佑奖

第十二届中国土木工程詹天佑奖颁奖大会在北京隆重举行。青岛胶州湾隧道工程以其突出的创新性和高科技含量，荣获詹天佑奖，成为国内迄今唯一获此奖项的海底隧道工程。

数据3年累计行车2 985万辆

中国土木工程詹天佑奖是以表彰奖励科技创新与新技术应用为宗旨的奖项。青岛胶州湾隧道工程克服极为复杂的地质条件，建成世界上埋深最浅、断面最大的海底隧道，形成了一整套海底隧道修建的技术模式，最终获得评委青睐，赢得大奖。 青岛胶州湾隧道工程南接青西新区薛家岛，北连青岛市主城区的团岛，下穿胶州湾湾口海域，全长7 800 m，于2007年开工建设，2011年6月竣工通车。通车3年多来，截至2014年11月30日，青岛胶州湾隧道累计通行车辆2 985万辆，承载过往人员超过1亿人次，对沟通胶州湾两岸起到巨大的推动作用。

技术自主立项26项科研课题

作为我国自主设计、自主施工的海底大通道，青岛胶州湾隧道工程在建设期间，积极推进科研创新活动，共投入科研经费4 500多万元，自主立项26项科研课题，聘请国内外院士、国际隧协及国内外20多家科研机构进行科技攻关和咨询。其中，基于超前地质预报探索建立的导水致灾构造识别与探测方法，可有效避免灾害事故的发生；最小岩石覆盖厚度、水压力折减系数关键参数确定方法的提出，可有效减小建设投资，保证结构安全耐久；多重防腐锚杆、C35高性能喷射混凝土、C50模筑耐久性混凝土、可维护式排水系统、大型机械化配套作业、海底隧道结构健康长期监测系统等一批先进技术的应用，有效保证了工期和施工质量。青岛胶州湾隧道工程创建了海底隧道工程全过程动态风险管理体系，形成了高风险重大工程管控新模式。针对海底隧道高风险的特点，对建设过程中的各阶段风险进行系统化评估，制定了相应的风险控制措施，研发了隧道施工安全风险管理平台，并应用于隧道施工动态风险管理。

成就技术规划运营国际领先

据统计，青岛胶州湾隧道工程开工以来，国内外共发表与之相关的学术论文140余篇，出版专著2本，获授权发明专利7项，实用新型专利10余项，省部级以上工法7项，完成863课题项目2项，除本次获得中国土木工程詹天佑奖外，还获省部级科技进步一等奖2项，行业协会科技进步一等奖2项。在众多科研成果的帮助下，青岛胶州湾隧道埋深小、断面大，日均渗水量少，与国内外同类工程相比，技术优势明显，经济效益显著，市场竞争力强。

中国工程院院士王梦恕表示，青岛胶州湾隧道在技术、规划及运营上都处于国际领先水平。我国海湾、海峡众多，随着经济发展，海底隧道建设需求量逐步增大。青岛胶州湾隧道工程积累的众多科研成果以及培养出的大批优秀海底隧道修建技术人员，将大大提升我国海底隧道修建技术水平，为更大规模的海底隧道建设提供人才支持及经验示范。

北京交通大学土木建筑工程学院院长张顶立表示，青岛胶州湾隧道成功克服不良地质条件、超大断面施工和高防水要求三大技术难题，做到了安全高效施工，成功建立了我国大断面海底隧道钻爆法建造的技术模式，必将载入世界隧道建设史册。

(摘自 中国政府采购网 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

国家科技支撑计划(2013BAB10B01)

陶伟(1990—)，男，四川南充人，西南交通大学机械工程学院在读硕士，研究方向为盾构&TBM设计研究。

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

U 455.43

A

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