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(duì)大漂石高富水地層土壓平衡盾構(gòu)施工中的各個(gè)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(chǎng)試驗(yàn)段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)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(jī)推進(jìn)速度、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、盾構(gòu)推力、刀盤(pán)扭矩、土倉(cāng)壓力、螺旋輸送機(jī)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(jī)掘進(jìn)的同時(shí)向土倉(cāng)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(diǎn)。
【專利說(shuō)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(guó)的城鎮(zhèn)化率達(dá)54.77%，預(yù)計(jì)到2020年，全國(guó)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(duì)城市公共交通提出了更 高要求。由于軌道交通具有運(yùn)量大、速度快、安全可靠、準(zhǔn)點(diǎn)舒適的優(yōu)勢(shì)，很多城市競(jìng)相發(fā)展 各自的軌道運(yùn)輸系統(tǒng)，截止2015年底我國(guó)25個(gè)城市114條軌道交通線路運(yùn)營(yíng)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(jì)，到2020年我國(guó)將有44座城市開(kāi)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(jì)優(yōu)勢(shì)和對(duì)城市環(huán)境影響 小的特點(diǎn)，成為城市地鐵施工中的首選施工方法。就我國(guó)和世界上大部分地區(qū)的盾構(gòu)施工 來(lái)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(wèn)題已經(jīng)有了較為深入的研究，成 都地鐵4號(hào)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(chǎng)踏勘漂石最大粒徑110cm，作為國(guó)內(nèi)外罕見(jiàn)的特殊工程，由于地層條件相對(duì)于 軟土等地層更加復(fù)雜、施工經(jīng)驗(yàn)相對(duì)匱乏，施工過(guò)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(pán)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(duì)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(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)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(duì)大漂石高富水地層土壓平衡盾構(gòu)施工中的各個(gè)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(chǎng)試驗(yàn)段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)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(jī)推進(jìn)速度、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、盾構(gòu)推力、刀盤(pán)扭矩、土倉(cāng)壓力、螺旋輸送機(jī)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(jī)掘進(jìn)的同時(shí)向土倉(cāng)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(yàn)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(duì)各項(xiàng)施工參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬；
[0012] 12)依據(jù)試驗(yàn)段的模擬結(jié)果對(duì)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(shí)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(shí)，場(chǎng)切深指數(shù)和扭矩切深指數(shù)最小，從而避 免了盾構(gòu)機(jī)"卡死"引起超挖，按照式
?和式
計(jì)算得盾構(gòu)推力設(shè)定為8000 ~20000kN，刀盤(pán)扭矩設(shè)定為2000~5000kN ? m;
[0016]為了避免由于刀盤(pán)轉(zhuǎn)速過(guò)快造成刀具磨損嚴(yán)重，轉(zhuǎn)速過(guò)慢造成攪動(dòng)開(kāi)挖面土體后 渣土大量涌入土倉(cāng)造成大量超挖，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速設(shè)定為1.2~1.5rpm;
[0017] 土倉(cāng)壓力設(shè)定為0.3bar;
[0018]螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為無(wú)量綱推進(jìn)速度的10 %時(shí)土倉(cāng)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(jī)轉(zhuǎn)速取無(wú)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(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)和輔助人工測(cè)量進(jìn)行盾構(gòu)姿態(tài)監(jiān)測(cè)；
[0021 ] 22)根據(jù)盾構(gòu)姿態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)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(rùn)土泥漿，膨潤(rùn)土泥漿配比按照水:膨潤(rùn)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(shí)渣土具有良好的 流塑特性，推薦選用膨潤(rùn)土改良，泥漿配比按照水:膨潤(rùn)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(diǎn)：
[0027] (1)本發(fā)明通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段對(duì)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(duì)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(duì)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(shuō)明】
[0029] 圖1為本發(fā)明的方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0031] 實(shí)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(hào)線西沿線為連接市區(qū)至西部溫江區(qū)的路線，全長(zhǎng)10.8km，全線共設(shè)8 站8區(qū)間，盾構(gòu)區(qū)間6個(gè)，盾構(gòu)隧道長(zhǎng)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(shí)）、〈3-8-3>卵石土 (密實(shí)）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(qiáng)度高達(dá)299MPa，區(qū)間地質(zhì)縱斷面圖見(jiàn)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(jī)施工，開(kāi)挖直徑6.3m，刀盤(pán)開(kāi)口率約36%，配置單刃滾刀35把。專門(mén)設(shè) 計(jì)的螺旋輸送機(jī)最大出渣能力400m3/h，最大通過(guò)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(cuò)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(diǎn)：
[0036] (1)大漂石富水地層超挖控制難
[0037] 在掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)較多高強(qiáng)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(dòng)，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(guò)程大漂石不能被破碎，增大推力的同時(shí)刀盤(pán)扭矩過(guò)大而卡機(jī)。目 前，現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)機(jī)脫困的辦法就是清空土倉(cāng)內(nèi)的渣土，這個(gè)過(guò)程中雖然沒(méi)有推進(jìn)，但是，刀盤(pán) 轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程會(huì)涌入大量渣土，往往造成地面塌陷。
[0039] (2)高強(qiáng)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(wú)法通過(guò)刀盤(pán)開(kāi)口和排渣裝置，加上強(qiáng)度高，極易造成刀盤(pán)、刀具的磨損，甚至造成盾構(gòu) 無(wú)法繼續(xù)掘進(jìn)，因此，處理高強(qiáng)度、大粒徑漂石是一大難點(diǎn)。
[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(dòng)性差，造成盾構(gòu)機(jī)卡機(jī)，開(kāi)挖面失穩(wěn)等諸多問(wèn)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(yàn)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(yàn)段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)各項(xiàng)施工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，設(shè)定各項(xiàng)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(gè)綜合效能指標(biāo)，不僅與盾構(gòu)設(shè)備本身的開(kāi)挖性能有關(guān)，還與 螺旋輸送機(jī)的出土效率有關(guān)。綜合刀盤(pán)扭矩、盾構(gòu)推力等多個(gè)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(pán)轉(zhuǎn)速
[0050] 刀盤(pán)轉(zhuǎn)速控制在1.4rpm左右，保證不會(huì)由于刀盤(pán)轉(zhuǎn)速過(guò)快造成刀具磨損嚴(yán)重，轉(zhuǎn) 速過(guò)慢造成攪動(dòng)開(kāi)挖面土體后渣土大量涌入土倉(cāng)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(pán)轉(zhuǎn)速綜合確定場(chǎng)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(pán)扭矩
[0054]依據(jù)設(shè)定的推進(jìn)速度和刀盤(pán)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(huì)造成刀盤(pán)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(cāng)壓力設(shè)定
[0056] 土倉(cāng)壓力通過(guò)進(jìn)出土來(lái)控制，土壓平衡盾構(gòu)土倉(cāng)壓力與開(kāi)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(jī)轉(zhuǎn)速
[0058]為了保證盾構(gòu)施工過(guò)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(jī)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(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)和人工測(cè)量輔助進(jìn)行盾構(gòu)姿態(tài)監(jiān)測(cè)；
[0061 ] (b)通過(guò)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(guò)程時(shí)應(yīng)該緩慢進(jìn)行，如操之過(guò)急，蛇形涌動(dòng)可能會(huì)更加明顯；其次，推 進(jìn)油缸的調(diào)整不宜過(guò)快、過(guò)大;否則可能造成管片破損或開(kāi)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(chǎng)實(shí)測(cè) 建議去1.5bar左右。
[0066] 表1同步注漿漿液配比
[0068] (10)刀盤(pán)扭矩相同時(shí)，膨潤(rùn)土的保壓效果比聚合物好;推力相同時(shí)，膨潤(rùn)土比聚合 物改良時(shí)刀盤(pán)扭矩小，大漂石、高富水地層盾構(gòu)施工推薦采用膨潤(rùn)土改良，膨潤(rùn)土泥漿配比 按照水:膨潤(rùn)土 = 8:1配料。
[0069] (11)管片拼裝具體實(shí)施過(guò)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(shuō)明書(shū)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(xiàng)】
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(duì)大漂石高富水地層土壓平衡盾構(gòu)施工中的各個(gè)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(chǎng)試驗(yàn)段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)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(jī)推進(jìn)速度、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、盾構(gòu)推力、刀盤(pán)扭矩、土倉(cāng)壓力、螺旋輸送機(jī)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(jī)掘進(jìn)的同時(shí)向土倉(cāng)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(yàn)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(duì)各項(xiàng)施工參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬； 12) 依據(jù)試驗(yàn)段的模擬結(jié)果對(duì)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(pán)轉(zhuǎn)速設(shè)定為1.2~1.5rpm， 盾構(gòu)推力設(shè)定為8000~20000kN， 刀盤(pán)扭矩設(shè)定為2000~5000kN · m， 土倉(cāng)壓力設(shè)定為〇 · 3bar， 螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為無(wú)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(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)和輔助人工測(cè)量進(jìn)行盾構(gòu)姿態(tài)監(jiān)測(cè)； 22) 根據(jù)盾構(gòu)姿態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)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(rùn)土泥漿，膨潤(rùn)土泥漿配比按照水:膨潤(rùn)土 = 8:1配料。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK105893717SQ201610390408
【公開(kāi)日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年6月3日
【發(fā)明人】周順華, 季昌, 王炳龍, 趙志國(guó), 肖軍華
【申請(qǐng)人】同濟(jì)大學(xué)