一種適用于大漂石高富水地層土壓平盾構(gòu)防止超挖的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種適用于大漂石高富水地層土壓平盾構(gòu)防止超挖的方法，包括以下步驟：1)采用PFC軟件對大漂石高富水地層土壓平衡盾構(gòu)施工中的各個工況進(jìn)行模擬分析，確定初始掘進(jìn)參數(shù)；2)根據(jù)初始掘進(jìn)參數(shù)和現(xiàn)場試驗段的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對施工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，設(shè)定最終掘進(jìn)參數(shù)，包括盾構(gòu)機推進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速、盾構(gòu)推力、刀盤扭矩、土倉壓力、螺旋輸送機轉(zhuǎn)速和掘進(jìn)方向；3)在按照最終掘進(jìn)參數(shù)保持盾構(gòu)機掘進(jìn)的同時向土倉內(nèi)注入渣土改良劑，并在隧道掘進(jìn)一環(huán)后進(jìn)行管片拼裝，實現(xiàn)對隧道的支護(hù)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有操作靈活、安全可控、前景廣闊等優(yōu)點。
【專利說明】
一種適用于大漂石高富水地層土壓平盾構(gòu)防止超挖的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及盾構(gòu)隧道施工技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種適用于大漂石高富水地層土 壓平盾構(gòu)防止超挖的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 截止2014年底我國的城鎮(zhèn)化率達(dá)54.77%，預(yù)計到2020年，全國城鎮(zhèn)化率將達(dá) 60%。隨著大量人口的涌入，城市的交通擁擠狀況日漸突出，從而對城市公共交通提出了更 高要求。由于軌道交通具有運量大、速度快、安全可靠、準(zhǔn)點舒適的優(yōu)勢，很多城市競相發(fā)展 各自的軌道運輸系統(tǒng)，截止2015年底我國25個城市114條軌道交通線路運營里程達(dá)3516.71 公里，其中地鐵所占比例高達(dá)78.3%，據(jù)不完全統(tǒng)計，到2020年我國將有44座城市開通近 200條線路，線路里程將達(dá)5500km，諸多二、三線城市也在積極籌劃軌道交通建設(shè)。
[0003] 在城市軌道交通建設(shè)中，盾構(gòu)施工法以其明顯的技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢和對城市環(huán)境影響 小的特點，成為城市地鐵施工中的首選施工方法。就我國和世界上大部分地區(qū)的盾構(gòu)施工 來看，關(guān)于軟土、復(fù)合地層及其黃土地區(qū)盾構(gòu)隧道施工的問題已經(jīng)有了較為深入的研究，成 都地鐵4號線二期工程西沿線地層盾構(gòu)施工主要穿越大漂石、高富水地層，漂石含量高達(dá)5 ~20%，現(xiàn)場踏勘漂石最大粒徑110cm，作為國內(nèi)外罕見的特殊工程，由于地層條件相對于 軟土等地層更加復(fù)雜、施工經(jīng)驗相對匱乏，施工過程由于超挖嚴(yán)重造成地表發(fā)生較大變形、 甚至地面塌陷或者刀盤卡死的現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，所以選擇一種適用于大漂石高富水地層土壓 平盾構(gòu)施工防止超挖的方法對于保證大漂石地層盾構(gòu)安全施工具有重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種操作靈活、安全 可控、前景廣闊的適用于大漂石高富水地層土壓平盾構(gòu)防止超挖的方法。
[0005] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：
[0006] -種適用于大漂石高富水地層土壓平盾構(gòu)防止超挖的方法，包括以下步驟：
[0007] 1)采用PFC軟件對大漂石高富水地層土壓平衡盾構(gòu)施工中的各個工況進(jìn)行模擬分 析，確定初始掘進(jìn)參數(shù)；
[0008] 2)根據(jù)初始掘進(jìn)參數(shù)和現(xiàn)場試驗段的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對施工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，設(shè)定最終 掘進(jìn)參數(shù)，包括盾構(gòu)機推進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速、盾構(gòu)推力、刀盤扭矩、土倉壓力、螺旋輸送機轉(zhuǎn) 速和掘進(jìn)方向；
[0009] 3)在按照最終掘進(jìn)參數(shù)保持盾構(gòu)機掘進(jìn)的同時向土倉內(nèi)注入渣土改良劑，并在隧 道掘進(jìn)一環(huán)后進(jìn)行管片拼裝，實現(xiàn)對隧道的支護(hù)。
[0010] 所述的步驟1)具體包括以下步驟：
[0011] 11)將盾構(gòu)施工中的初始掘進(jìn)段作為試驗段，采用PFC軟件建立大漂石高富水地層 土壓平衡盾構(gòu)施工顆粒離散單元數(shù)值模型，對各項施工參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬；
[0012] 12)依據(jù)試驗段的模擬結(jié)果對掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，確定初始掘進(jìn)參數(shù)。
[0013]所述的步驟2)中，最終掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置為：
[0014]盾構(gòu)推進(jìn)速度設(shè)定為40~50mm/min時保壓效果最好，可以有效控制地表變形，保 證了盡可能少的超挖；
[0015] 盾構(gòu)推進(jìn)速度設(shè)定為40~50mm/min時，場切深指數(shù)和扭矩切深指數(shù)最小，從而避 免了盾構(gòu)機"卡死"引起超挖，按照式
?和式
計算得盾構(gòu)推力設(shè)定為8000 ~20000kN，刀盤扭矩設(shè)定為2000~5000kN ? m;
[0016]為了避免由于刀盤轉(zhuǎn)速過快造成刀具磨損嚴(yán)重，轉(zhuǎn)速過慢造成攪動開挖面土體后 渣土大量涌入土倉造成大量超挖，刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)定為1.2~1.5rpm;
[0017] 土倉壓力設(shè)定為0.3bar;
[0018]螺旋輸送機轉(zhuǎn)速設(shè)定為無量綱推進(jìn)速度的10 %時土倉基本處于土壓平衡狀態(tài)，有 效避免了超挖，所以大漂石、高富水地層螺旋輸送機轉(zhuǎn)速取無量綱推進(jìn)速度的10%。
[0019] 所述的步驟2)中，掘進(jìn)方向的設(shè)定方法包括：
[0020] 21)采用VMT自動導(dǎo)向系統(tǒng)和輔助人工測量進(jìn)行盾構(gòu)姿態(tài)監(jiān)測；
[0021 ] 22)根據(jù)盾構(gòu)姿態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)通過分區(qū)調(diào)節(jié)推進(jìn)油缸控制盾構(gòu)推進(jìn)方向。
[0022] 所述的步驟3)中渣土改良劑為膨潤土泥漿，膨潤土泥漿配比按照水:膨潤土 = 8:1 配料，
[0023] 泥漿粘度值處于12.5~22.5MPa，塌落度處于150~250mm之間時渣土具有良好的 流塑特性，推薦選用膨潤土改良，泥漿配比按照水:膨潤土質(zhì)量比為8:1配料。
[0024]所述的步驟3)具體包括以下步驟：
[0025] 設(shè)備檢查--管片吊裝--喂片--夾取管片--初定位置--精確定位-- 千斤頂頂片一一螺栓緊固一一質(zhì)量檢查。
[0026] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：
[0027] (1)本發(fā)明通過現(xiàn)場試驗段對離散元確定的施工參數(shù)進(jìn)行按照地表變形最小、渣 土流塑性最好的原則進(jìn)行二次調(diào)整，對于合理控制大漂石高富水地層土壓平盾構(gòu)施工造成 的超挖現(xiàn)象具有良好的效果，創(chuàng)造了 250環(huán)零超挖的記錄，保證了大漂石高富水地層土壓平 衡盾構(gòu)施工的安全高效。
[0028] (2)該方法對于大漂石高富水地層土壓平盾構(gòu)施工防止超挖的方法具有廣泛的適 用性，應(yīng)用前景廣闊。
【附圖說明】
[0029] 圖1為本發(fā)明的方法流程圖。
【具體實施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0031] 實施例：
[0032] 如圖1所示，圖為本發(fā)明的方法流程圖。
[0033] 一、工程概況：
[0034]成都地鐵4號線西沿線為連接市區(qū)至西部溫江區(qū)的路線，全長10.8km，全線共設(shè)8 站8區(qū)間，盾構(gòu)區(qū)間6個，盾構(gòu)隧道長度6.7km。盾構(gòu)區(qū)間隧道所穿越的地層以〈2-9-3>卵石土 (密實）、〈3-8-3>卵石土 (密實）為主，穿越區(qū)段漂石含量5~20%，最大漂石粒徑達(dá)1.1m，漂 石最大抗壓強度高達(dá)299MPa，區(qū)間地質(zhì)縱斷面圖見圖1。盾構(gòu)隧道區(qū)間采用輻板式海瑞克 S892 土壓平衡盾構(gòu)機施工，開挖直徑6.3m，刀盤開口率約36%，配置單刃滾刀35把。專門設(shè) 計的螺旋輸送機最大出渣能力400m3/h，最大通過粒徑340 X 560mm。隧道主線最大縱坡 25%〇，最小曲線半徑為300m，區(qū)間最小埋深約9.7m，最大埋深約15.5m。隧道結(jié)構(gòu)外徑6.0m、 內(nèi)徑5.4m，隧道管片分6塊，采用螺栓連接，錯縫拼裝，直線段環(huán)寬1.5m，曲線段環(huán)寬1.2m。 [0035] 二、工程難點：
[0036] (1)大漂石富水地層超挖控制難
[0037] 在掘進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn)較多高強度的大粒徑漂石未經(jīng)破碎而直接被排出，而這些漂石 可能只有部分在掘進(jìn)斷面內(nèi)，整塊漂石被刀具帶入土艙后引起漂石附近小顆粒松動，跟隨 漂石落入土艙，造成更多的超挖量；
[0038] 其次，盾構(gòu)推進(jìn)過程大漂石不能被破碎，增大推力的同時刀盤扭矩過大而卡機。目 前，現(xiàn)場盾構(gòu)機脫困的辦法就是清空土倉內(nèi)的渣土，這個過程中雖然沒有推進(jìn)，但是，刀盤 轉(zhuǎn)動過程會涌入大量渣土，往往造成地面塌陷。
[0039] (2)高強度、大粒徑的漂石處理難
[0040]盾構(gòu)所穿越的地層存在漂石，大粒徑漂石含量較高且局部富集。漂石粒徑較大，部 分無法通過刀盤開口和排渣裝置，加上強度高，極易造成刀盤、刀具的磨損，甚至造成盾構(gòu) 無法繼續(xù)掘進(jìn)，因此，處理高強度、大粒徑漂石是一大難點。
[0041 ] (3)渣土改良難
[0042]由于該地層卵漂石含量高達(dá)70~90%，超出了軟土等傳統(tǒng)地層的渣土改良理論， 如果改良效果不好，渣土流動性差，造成盾構(gòu)機卡機，開挖面失穩(wěn)等諸多問題。
[0043] 三、施工措施，如圖1所示：
[0044] 1、大漂石地層盾構(gòu)施工顆粒離散單元法數(shù)值模擬
[0045] 結(jié)合試驗段情況，應(yīng)用PFC顆粒離散單元法建立大漂石地層盾構(gòu)施工數(shù)值模型，并 依據(jù)試驗段監(jiān)測數(shù)據(jù)對各項施工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，設(shè)定各項施工參數(shù)。
[0046] 2、大漂石地層盾構(gòu)施工技術(shù)措施
[0047] (1)盾構(gòu)推進(jìn)速度設(shè)定
[0048]盾構(gòu)推進(jìn)速度是一個綜合效能指標(biāo)，不僅與盾構(gòu)設(shè)備本身的開挖性能有關(guān)，還與 螺旋輸送機的出土效率有關(guān)。綜合刀盤扭矩、盾構(gòu)推力等多個因素大漂石、高富水地層盾構(gòu) 推進(jìn)速度控制在45mm/min左右。
[0049] (2)刀盤轉(zhuǎn)速
[0050] 刀盤轉(zhuǎn)速控制在1.4rpm左右，保證不會由于刀盤轉(zhuǎn)速過快造成刀具磨損嚴(yán)重，轉(zhuǎn) 速過慢造成攪動開挖面土體后渣土大量涌入土倉造成大量超挖。
[0051] (3)盾構(gòu)推力
[0052]只有配備充足的盾構(gòu)推力，才能保證盾構(gòu)在地層中的正常掘進(jìn)，依據(jù)設(shè)定的推進(jìn) 速度和刀盤轉(zhuǎn)速綜合確定場切身指數(shù)最小的推力值即為推薦值，換言之以最快的速度，最 小的推力保持掘進(jìn)。大漂石、高富水地層盾構(gòu)推力控制在14652.608kN左右。
[0053] (4)刀盤扭矩
[0054]依據(jù)設(shè)定的推進(jìn)速度和刀盤轉(zhuǎn)速綜合確定扭矩切身指數(shù)最小的扭矩值，即為推薦 值，換言之以最快的速度，最小的扭矩保持掘進(jìn)，不會造成刀盤卡死。大漂石、高富水地層盾 構(gòu)推力控制在3914.751kN ? m左右。
[0055] (5) 土倉壓力設(shè)定
[0056] 土倉壓力通過進(jìn)出土來控制，土壓平衡盾構(gòu)土倉壓力與開挖面靜止土壓力差控制 值為30kPa，且假定壓力差與超挖率間呈線性關(guān)系變化，大漂石、高富水地層超挖量控制值 為0.9m3。
[0057] (6)螺旋輸送機轉(zhuǎn)速
[0058]為了保證盾構(gòu)施工過程盡量不超挖，所以盡量保證以土壓平衡狀態(tài)掘進(jìn)，所以大 漂石、高富水地層螺旋輸送機轉(zhuǎn)速為控制在3.516RPM左右。
[0059] (7)盾構(gòu)掘進(jìn)方向的設(shè)定方法如下：
[0060] (a)采用VMT自動導(dǎo)向系統(tǒng)和人工測量輔助進(jìn)行盾構(gòu)姿態(tài)監(jiān)測；
[0061 ] (b)通過分區(qū)調(diào)節(jié)推進(jìn)油缸控制盾構(gòu)推進(jìn)方向；
[0062] (8)盾構(gòu)掘進(jìn)方向設(shè)定及糾偏應(yīng)該服從如下原則：
[0063]姿態(tài)調(diào)整過程時應(yīng)該緩慢進(jìn)行，如操之過急，蛇形涌動可能會更加明顯；其次，推 進(jìn)油缸的調(diào)整不宜過快、過大;否則可能造成管片破損或開裂。
[0064] (9)同步注漿：
[0065] 表1所示為同步注漿漿液配比，注漿量控制在2~6m3左右，注漿壓力依據(jù)現(xiàn)場實測 建議去1.5bar左右。
[0066] 表1同步注漿漿液配比
[0068] (10)刀盤扭矩相同時，膨潤土的保壓效果比聚合物好;推力相同時，膨潤土比聚合 物改良時刀盤扭矩小，大漂石、高富水地層盾構(gòu)施工推薦采用膨潤土改良，膨潤土泥漿配比 按照水:膨潤土 = 8:1配料。
[0069] (11)管片拼裝具體實施過程如下：
[0070] 管片拼裝按照如下步驟:設(shè)備檢查--管片吊裝--喂片--夾取管片--初定 位置一一精確定位一一千斤頂頂片一一螺栓緊固一一質(zhì)量檢查。
[0071] 本說明書未做詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
【主權(quán)項】
1. 一種適用于大漂石高富水地層土壓平盾構(gòu)防止超挖的方法，其特征在于，包括以下 步驟： 1) 采用PFC軟件對大漂石高富水地層土壓平衡盾構(gòu)施工中的各個工況進(jìn)行模擬分析， 確定初始掘進(jìn)參數(shù)； 2) 根據(jù)初始掘進(jìn)參數(shù)和現(xiàn)場試驗段的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對施工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，設(shè)定最終掘進(jìn) 參數(shù)，包括盾構(gòu)機推進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速、盾構(gòu)推力、刀盤扭矩、土倉壓力、螺旋輸送機轉(zhuǎn)速和 掘進(jìn)方向； 3) 在按照最終掘進(jìn)參數(shù)保持盾構(gòu)機掘進(jìn)的同時向土倉內(nèi)注入渣土改良劑，并在隧道掘 進(jìn)一環(huán)后進(jìn)行管片拼裝，實現(xiàn)對隧道的支護(hù)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于大漂石高富水地層土壓平盾構(gòu)防止超挖的方法， 其特征在于，所述的步驟1)具體包括以下步驟： 11) 將盾構(gòu)施工中的初始掘進(jìn)段作為試驗段，采用PFC軟件建立大漂石高富水地層土壓 平衡盾構(gòu)施工顆粒離散單元數(shù)值模型，對各項施工參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬； 12) 依據(jù)試驗段的模擬結(jié)果對掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，確定初始掘進(jìn)參數(shù)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于大漂石高富水地層土壓平盾構(gòu)防止超挖的方法， 其特征在于，所述的步驟2)中，最終掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置為： 盾構(gòu)推進(jìn)速度設(shè)定為40~50mm/min， 刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)定為1.2~1.5rpm， 盾構(gòu)推力設(shè)定為8000~20000kN， 刀盤扭矩設(shè)定為2000~5000kN · m， 土倉壓力設(shè)定為〇 · 3bar， 螺旋輸送機轉(zhuǎn)速設(shè)定為無量綱推進(jìn)速度的10 %。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于大漂石高富水地層土壓平盾構(gòu)防止超挖的方法， 其特征在于，所述的步驟2)中，掘進(jìn)方向的設(shè)定方法包括： 21) 采用VMT自動導(dǎo)向系統(tǒng)和輔助人工測量進(jìn)行盾構(gòu)姿態(tài)監(jiān)測； 22) 根據(jù)盾構(gòu)姿態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)通過分區(qū)調(diào)節(jié)推進(jìn)油缸控制盾構(gòu)推進(jìn)方向。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于大漂石高富水地層土壓平盾構(gòu)防止超挖的方法， 其特征在于，所述的步驟3)中渣土改良劑為膨潤土泥漿，膨潤土泥漿配比按照水:膨潤土 = 8:1配料。
【文檔編號】G06F17/50GK105893717SQ201610390408
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月3日
【發(fā)明人】周順華, 季昌, 王炳龍, 趙志國, 肖軍華
【申請人】同濟大學(xué)