CN105257307A - 一种在上软下硬地层中减小盾构机刀具损坏的施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在上软下硬地层中减小盾构机刀具损坏的施工方法，包括：第一步，工程地质勘察，确定隧道沿线的地层分布情况及各地层土体或岩体的无侧限抗压强度；第二步，根据盾构机掘进路线和地层分布情况，确定盾构机在某单一地层中掘进时的刀盘合理转速及盾构机在通过上软下硬地层时掌子面范围内较硬地层所占面积与掌子面面积之比的最大值；第三步，确定盾构机在通过上软下硬地层时的刀盘设计转速；第四步，根据地层分布情况计算平均刀盘扭矩，判断是否已经进入复合地层，从而调整刀盘转速。本发明方法技术简单，操作容易，能有效减少上软下硬地层造成的刀具损坏，显著延长刀具的使用期限，极大地提高了施工效率和经济效益。

Description

一种在上软下硬地层中减小盾构机刀具损坏的施工方法

技术领域

本发明涉及一种盾构隧道技术领域中的技术方法，具体地，涉及一种在上软下硬地层中减小盾构机刀具损坏的施工方法。

背景技术

随着城市地铁建设的快速发展，盾构隧道技术得到日益广泛的采用，同时也不断遇到新的技术挑战。如在广州、深圳等地，盾构隧道在砂土地层掘进过程中常碰到由硬岩地层侵入形成上软下硬地层的情况。盾构机在砂土地层中掘进时一般掘进速度较快，刀盘转速较高。当盾构机刚进入到上软下硬地层时，这种地层的变化会对处于快速转动的刀盘上的刀具施加巨大的冲击荷载，极易造成刀具的瞬间崩坏；当盾构机在上软下硬地层掘进时，由于掌子面内存在多种地层，使得刀盘合理转速的确定存在一定难度，存在刀具过快损坏的风险。刀具作为盾构机掘进的最终执行部件，刀具的使用寿命将直接关系到盾构机的掘进效率。因此，有必要针对上软下硬地层，提出一种减小盾构机刀具损坏的施工方法。

经对现有技术文献检索发现，申请号为：201010251601.1,公布号为CN101899981A，专利名称为：应用于盾构机在隧道掘进过程中减少滚刀异常损坏的方法，该专利提出通过调整刀盘推力来减少盾构机在硬岩掘进中的滚刀异常损坏。然而，调整刀盘推力主要解决了刀具过载的问题。在复合地层中，特别是上软下硬地层，刀具受到的冲击荷载过大是造成刀具断裂和过快磨损的主要原因，而调整刀盘的推力并不能有效减少刀具断裂和过快磨损。事实上，在上软下硬地层中掘进时，刀具受到过大的冲击荷载主要由不合理的刀盘转速引起。因此，急需提出一种根据上软下硬地层的特点确定合理刀盘转速的盾构隧道施工方法。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种在上软下硬地层中减小盾构机刀具损坏的施工方法，减小在掘进中遇到上软下硬地层时盾构机刀具的损坏。

为实现以上目的，本发明提供一种在上软下硬地层中减小盾构机刀具损坏的施工方法，包括以下步骤：

第一步，根据盾构机掘进路线和地层分布情况，确定盾构机在掘进过程中将遇到的地层及遇到上软下硬地层的位置，并由以下计算公式确定盾构机在某单一地层中掘进时的刀盘合理转速n_i：

$n_i=\sqrt{\frac{K_{\mathrm{\α}}\·D}{1.2q_{ui}v}},(i=1,2),$

式中：n_i—某单一地层中刀盘合理转速，r/min；K_α—相对于刀盘直径的扭矩系数，优选取土压平衡盾构K_α＝14～23，泥水盾构K_α＝9～18；D—刀盘直径，m；q_ui—某地层土体或岩体的无侧限抗压强度，kPa；v—盾构机推进速度，m/h；

并确定盾构机在通过上软下硬地层时掌子面范围内较硬地层所占面积与掌子面面积之比的最大值K：

$K=\frac{4}{{\mathrm{\πD}}^2}\·{\∫}_{-\frac{D}{2}}^{-\frac{D}{2}+h}\sqrt{D^2-4y^2}dy,$

其中以隧道底部为原点建立坐标系，式中：h—掌子面内较硬地层侵入较软地层的最大距离，m；y——掌子面内硬地层侵入软地层的距离，m；D为刀盘直径，m；d为数学中微分的符号。

第二步，确定盾构机在通过上软下硬地层时的刀盘设计转速

由得到的n_i和K，引入安全系数λ，利用以下计算公式确定盾构机在通过上软下硬地层时的刀盘设计转速n_d：

n_d＝λ[(1-K)n₁+Kn₂]

式中：n_d—上软下硬地层刀盘设计转速，r/min；λ—安全系数，优选取0.9；n₁—上软下硬地层中较软地层刀盘合理转速，r/min；n₂—上软下硬地层中较硬地层刀盘合理转速，r/min；

第三步，根据地层分布情况，当盾构机掘进到距离进入上软下硬地层为隧道直径的0.5倍时，开始每隔0.1m观察记录盾构机刀盘扭矩x_j，(j＝1，2，3……)，每掘进一定距离后计算平均刀盘扭矩(i＝1，2，3，4，5，6)，计算公式为：

${\stackrel{\‾}{X}}_i=\frac{1}{5}\underset{j=5i-4}{\overset{5i}{\Σ}}{x}_j$

并根据以下计算公式：

$A_{i+1}=\frac{{\stackrel{\‾}{X}}_{i+1}-{\stackrel{\‾}{X}}_i}{{\stackrel{\‾}{X}}_i}\×100\%$

判断A_i+1≥20.0％是否成立：

如果A_i+1≥20.0％成立，则认为盾构机已经进入上软下硬地层，将刀盘的转速调整至设计转速，并停止记录刀盘扭矩；

如果盾构机掘进到上软下硬地层时，A_i+1≥20.0％仍未成立，则立即将刀盘的转速调整至设计转速；当盾构机前端通过并重新掘进到单一地层时，将刀盘转速调整至盾构机前端所处单一地层的刀盘合理转速。

优选地，在上述第一步之前，可以进行准备工作即工程地质勘察：根据隧道所在深度合理选择探地雷达型号；利用探地雷达进行探测，每前进1m记录1次地层信息；根据探地雷达记录的地层信息，确定隧道沿线的地层分布情况；根据地层分布情况，利用钻孔取土方法获取各类地层土样，利用采集的土样进行无侧限抗压试验，确定各地层土体或岩体的无侧限抗压强度；

更优选地，所述的地层分布状况是指：从地表至深度为隧道底部深度1.5～2倍范围内分布的地层类型及各地层厚度；

更优选地，所述的钻孔取土方法是指：用厚壁取土设备，在已由探地雷达确定的各地层中取土，用于做抗压强度试验，取样量根据试件量确定，以每地层不少于三个试件为宜。

更优选地，所述的无侧限抗压试验是指：试验时将直径为150.0mm、高为150.0mm的圆柱形试样放在无侧限压力仪中，在不加任何侧向压力的情况下施加垂直压力，直到使试件剪切破坏为止，剪切破坏时试样所能承受的最大轴向压力称为无侧限抗压强度，该试验过程称为无侧限抗压试验。

优选地，第一步中，所述的刀盘合理转速是指：在保证盾构机掘进速度可接受的前提下，尽量减少刀具损坏的刀盘转速。

优选地，第二步中，所述的刀盘设计转速是指：盾构机在上软下硬地层中掘进时，在保证盾构机掘进速度可接受的前提下，能有效减少刀具损坏的刀盘转速。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明采用根据上软下硬地层各地层面积比确定刀盘设计转速，并根据刀盘扭矩变化提前针对上软下硬地层调整刀盘转速的方法，避免盾构机在砂土地层高速掘进时由于高转速刀盘突然遇到上软下硬地层而发生的刀具损坏。本发明方法技术简单，操作容易，能有效减少上软下硬地层造成的刀具损坏，显著延长刀具的使用期限，极大地提高了施工效率和经济效益。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的距1号车站478.9m～498.9m区段地层分布图；

图2为本发明一实施例的距上软下硬地层3m～0.5m区段刀盘扭矩变化图；

图3为本发明一实施例的距离1号车站485.9m处隧道横截面坐标示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例：

某广州地铁区间内隧道盾构工程涉及沉积岩、岩浆岩和变质岩三大地层，同时也涉及复杂的褶曲等地质构造，所以盾构机在掘进过程中将不可避免地遇到上软下硬地层。该区间位于1号车站和2号车站之间，隧道全长1350.5m，隧道的直径为6.0m；以地表为零点，隧道顶部衬砌所在深度为4.0m，隧道底部衬砌所在深度为10.0m；采用土压平衡盾构机，刀盘直径D＝6.0m，取相对于刀盘直径的扭矩系数K_α＝20.0；现以距离1号车站473.9m～498.9m区段为例进行说明。

如图1-图3所示，本实施例提供一种在上软下硬地层中减小盾构机刀具损坏的施工方法，包括以下步骤：

第一步，工程地质勘察：

根据隧道所在深度选择UtilityScanDF市政管线多频数字化地质雷达系统作为探地雷达；在地表沿隧道前进方向，每前进1m记录1次地层信息，根据各点地层信息确定整个地铁区间从地表到深度为20m范围内的地层分布情况，并通过钻孔取土采集各地层土样进行无侧限抗压强度试验，确定各地层土体或岩体的无侧限抗压强度；隧道沿线的地层主要有：杂填土地层，厚度为0.8～2.6m，无侧限抗压强度为95.0kPa；砂土地层，厚度为5.3m～11.1m，无侧限抗压强度为150.0kPa；碳质灰岩中风化带地层，厚度为>7.9m，无侧限抗压强度为1100.0kPa。

第二步，根据盾构机掘进路线和地层分布情况，确定盾构机在掘进过程中将遇到的地层以及在距离1号车站482.7m至490.2m范围内盾构机将遇到上软下硬地层，如图1所示。由图1可知，盾构机在掘进过程中将遇到砂土地层和碳质灰岩中风化带地层；其中：

砂土地层中，盾构机推进速度设v₁＝0.3m/h，则砂土地层刀盘合理转速n_i为：

$n_1=\sqrt{\frac{K_{\mathrm{\α}}\·D}{1.2q_{u1}{v}_1}}=\sqrt{\frac{20.0\×6.0}{1.2\×150.0\×0.3}}=1.49r/m;$

碳质灰岩中风化带地层中，盾构机推进速度设v₂＝0.1m/h，则碳质灰岩中风化带地层刀盘合理转速为：

$n_2=\sqrt{\frac{K_{\mathrm{\α}}\·D}{1.2q_{u2}{v}_2}}=\sqrt{\frac{20.0\×6.0}{1.2\×1100.0\×0.2}}=0.67r/m;$

由图1可知，盾构机通过上软下硬地层时在距离1号车站485.9m处，掌子面范围内碳质灰岩中风化带地层侵入砂土地层达到最大距离h＝2.1m；以隧道横截面中点为原点建立如图3所示坐标系，确定碳质灰岩中风化带地层所占面积与掌子面面积之比的最大值K为：

$K=\frac{4}{{\mathrm{\πD}}^2}\·{\∫}_{-\frac{D}{2}}^{-\frac{D}{2}+h}\sqrt{D^2-4y^2}dy=\frac{4}{\mathrm{\π}\×{6.0}^2}\×{\∫}_{-3.0}^{-0.9}\sqrt{{6.0}^2-4y^2}dy=\mathrm{0.312.}$

第三步，根据第二步中得到的砂土地层刀盘合理转速n₁、碳质灰岩中风化带地层刀盘合理转速n₂和碳质灰岩中风化带地层所占面积与掌子面面积之比的最大值K，确定盾构机在通过上软下硬地层时的刀盘设计转速n_d为：

n_d＝λ[(1-K)n₁+Kn₂]＝0.9×[(1-0.312)×1.49+0.312×0.67]＝1.11r/m；

式中：n_d—上软下硬地层刀盘设计转速，r/min；λ—安全系数，取0.9。

第四步，根据地层分布情况，当盾构机掘进到距离上软下硬地层为隧道直径的0.5倍，即距离3m时，开始每隔0.1m观察记录盾构机刀盘扭矩x_j，(j＝1,2,3…)，每掘进0.5m后计算平均刀盘扭矩(i＝1,2,3,4,5,6)，计算公式为：根据计算公式：判断A_i+1≥20.0％是否成立；具体的：

x₁＝3131.3kN·m，x₂＝3101.1kN·m，x₃＝3211.9kN·m，x₄＝2991.5kN·m，x₅＝3127.4kN·m，

${\stackrel{\‾}{X}}_1=\frac{1}{5}\underset{j=1}{\overset{5}{\Σ}}{x}_j=\frac{1}{5}\×(3131.3+3101.1+3211.9+2991.5+3127.4)=3112.6kN\·m;$

x₆＝3225.2kN·m，x₇＝3189.0kN·m，x₈＝3178.3kN·m，x₉＝3245.2kN·m，x₁₀＝3318.9kN·m，

${\stackrel{\‾}{X}}_2=\frac{1}{5}\underset{j=6}{\overset{10}{\Σ}}{x}_j=\frac{1}{5}\×\left(3225.2+3189.0+3178.3+3245.2+3318.9\right)=3231.3kN\·m,$

$A_2=\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{X}}_2-{\stackrel{\&OverBar;}{X}}_1}{{\stackrel{\&OverBar;}{X}}_1}\&times;100\%=\frac{3231.3-3112.6}{3112.6}\&times;100\%=3.8\%<20\%;$

x₁₁＝3336.3kN·m，x₁₂＝3341.1kN·m，x₁₃＝3121.2kN·m，x₁₄＝3492.0kN·m，x₁₅＝3424.4kN·m，

${\stackrel{\&OverBar;}{X}}_3=\frac{1}{5}\underset{j=10}{\overset{15}{\&Sigma;}}{x}_j=\frac{1}{5}\&times;(3336.3+3341.1+3121.2+3492.0+3424.4)=3343.0kN\&CenterDot;m,$

$A_3=\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{X}}_3-{\stackrel{\&OverBar;}{X}}_2}{{\stackrel{\&OverBar;}{X}}_2}\&times;100\%=\frac{3343.0-3231.3}{3231.3}\&times;100\%=3.5\%<20\%;$

x₁₆＝3401.9kN·m，x₁₇＝3381.7kN·m，x₁₈＝3558.3kN·m，x₁₉＝3545.2kN·m，x₂₀＝3632.5kN·m，

${\stackrel{\&OverBar;}{X}}_4=\frac{1}{5}\underset{j=16}{\overset{20}{\&Sigma;}}{x}_j=\frac{1}{5}\&times;(3401.9+3381.7+3558.3+3545.2+3632.5)=3503.9kN\&CenterDot;m,$

$A_4=\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{X}}_4-{\stackrel{\&OverBar;}{X}}_3}{{\stackrel{\&OverBar;}{X}}_3}\&times;100\%=\frac{3503.9-3343.0}{3343.0}\&times;100\%=4.8\%<20\%;$

x₂₁＝4031.3kN·m，x₂₂＝4101.1kN·m，x₂₃＝4311.3kN·m，x₂₄＝4551.5kN·m，x₂₅＝4727.1kN·m，

${\stackrel{\&OverBar;}{X}}_5=\frac{1}{5}\underset{j=21}{\overset{25}{\&Sigma;}}{x}_j=\frac{1}{5}\&times;(4031.3+4101.1+4311.3+4551.5+4727.1)=4344.5kN\&CenterDot;m,$

$A_5=\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{X}}_5-{\stackrel{\&OverBar;}{X}}_4}{{\stackrel{\&OverBar;}{X}}_4}\&times;100\%=\frac{4344.5-3503.9}{3503.9}\&times;100\%=24.0\%>20\%;$

此时，认为盾构机已经进入上软下硬地层，将刀盘的转速调整至设计转速n_d＝1.11r/m；根据图1判断盾构机前段是否通过上软下硬地层，当盾构机前端通过并重新掘进到砂土地层时，将刀盘转速调整至砂土地层的刀盘合理转速n₁。

本发明上述实施例利用探地雷达探测盾构隧道沿线方向地层分布，由地层分布确定掘进过程中掌子面内各地层所占面积，进而确定刀盘设计转速；同时考虑到探地雷达存在一定误差，采用根据盾构机掘进过程中刀盘扭矩的变化确定刀盘转速调整时间点的方法，进一步减小在掘进中遇到上软下硬地层时盾构机刀具的损坏，明显延长刀具的使用期限。本发明方法技术简单，操作容易，能有效减少上软下硬地层造成的刀具损坏，显著延长刀具的使用期限，极大地提高了施工效率和经济效益。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种在上软下硬地层中减小盾构机刀具损坏的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，根据盾构机掘进路线和地层分布情况，确定盾构机在掘进过程中将遇到的地层及遇到上软下硬地层的位置，并由以下计算公式确定盾构机在某单一地层中掘进时的刀盘合理转速n_i：

$n_i=\sqrt{\frac{K_{\mathrm{\&alpha;}}\&CenterDot;D}{1.2q_{ui}v}},$

式中：i＝1,2；n_i—某单一地层中刀盘合理转速，r/min；K_α—相对于刀盘直径的扭矩系数；D—刀盘直径，m；q_ui—某地层土体或岩体的无侧限抗压强度，kPa；v—盾构机推进速度，m/h；

并确定盾构机在通过上软下硬地层时掌子面范围内硬地层所占面积与掌子面面积之比的最大值K，其中以隧道底部为原点建立坐标系：

$K=\frac{4}{{\mathrm{\&pi;D}}^2}\&CenterDot;{\&Integral;}_{-\frac{D}{2}}^{-\frac{D}{2}+h}\sqrt{D^2-4y^2}dy,$

式中：h—掌子面内硬地层侵入软地层的最大距离，m；y——掌子面内硬地层侵入软地层的距离，m；D为刀盘直径，m；d为数学中微分的符号；

第二步，确定盾构机在通过上软下硬地层时的刀盘设计转速

由得到的n_i和K，引入安全系数λ，利用以下计算公式确定盾构机在通过上软下硬地层时的刀盘设计转速n_d：

n_d＝λ[(1-K)n₁+Kn₂]

式中：n_d—上软下硬地层刀盘设计转速，r/min；λ—安全系数；n₁—上软下硬地层中软地层刀盘合理转速，r/min；n₂—上软下硬地层中硬地层刀盘合理转速，r/min；

第三步，根据地层分布情况，当盾构机掘进到距离进入上软下硬地层为隧道直径的0.5倍时，开始每隔设定时间观察记录盾构机刀盘扭矩x_j，j＝1，2，3……，每掘进一定距离后计算平均刀盘扭矩i＝1，2，3，4，5，6，计算公式为：

${\stackrel{\&OverBar;}{X}}_i=\frac{1}{5}\underset{j=5i-4}{\overset{5i}{\&Sigma;}}{x}_j$

并根据以下计算公式：

$A_{i+1}=\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{X}}_{i+1}-{\stackrel{\&OverBar;}{X}}_i}{{\stackrel{\&OverBar;}{X}}_i}\&times;100\%$

判断A_i+1≥20.0％是否成立：

如果A_i+1≥20.0％成立，则认为盾构机已经进入上软下硬地层，将刀盘的转速调整至设计转速，并停止记录刀盘扭矩；

如果盾构机掘进到上软下硬地层时，A_i+1≥20.0％仍未成立，则立即将刀盘的转速调整至设计转速；当盾构机前端通过并重新掘进到单一地层时，将刀盘转速调整至盾构机前端所处单一地层的刀盘合理转速。

2.根据权利要求1所述的一种在上软下硬地层中减小盾构机刀具损坏的施工方法，其特征在于，第一步中，所述的刀盘合理转速是指：在保证盾构机掘进速度可接受的前提下，尽量减少刀具损坏的刀盘转速。

3.根据权利要求1所述的一种在上软下硬地层中减小盾构机刀具损坏的施工方法，其特征在于，第二步中，所述的刀盘设计转速是指：盾构机在上软下硬地层中掘进时，在保证盾构机掘进速度可接受的前提下，能有效减少刀具损坏的刀盘转速。

4.根据权利要求1所述的一种在上软下硬地层中减小盾构机刀具损坏的施工方法，其特征在于，相对于刀盘直径的扭矩系数K_α的取值为：对于土压平衡盾构K_α＝14～23，对于泥水盾构K_α＝9～18。

5.根据权利要求1所述的一种在上软下硬地层中减小盾构机刀具损坏的施工方法，其特征在于，所述安全系数α，取0.9。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种在上软下硬地层中减小盾构机刀具损坏的施工方法，其特征在于，在所述第一步之前，进行准备工作即工程地质勘察：

根据隧道所在深度合理选择探地雷达型号；利用探地雷达进行探测，每前进1m记录1次地层信息；根据探地雷达记录的地层信息，确定隧道沿线的地层分布情况；根据地层分布情况，利用钻孔取土方法获取各类地层土样，利用采集的土样进行无侧限抗压试验，确定各地层土体或岩体的无侧限抗压强度。

7.根据权利要求6所述的一种在上软下硬地层中减小盾构机刀具损坏的施工方法，其特征在于，所述的地层分布状况是指：从地表至深度为隧道底部深度1.5～2倍范围内分布的地层类型及各地层厚度。

8.根据权利要求6所述的一种在上软下硬地层中减小盾构机刀具损坏的施工方法，其特征在于，所述的钻孔取土方法是指：用厚壁取土设备，在已由探地雷达确定的各地层中取土，用于做抗压强度试验，取样量根据试件量确定，每地层不少于三个试件。

9.根据权利要求6所述的一种在上软下硬地层中减小盾构机刀具损坏的施工方法，其特征在于，所述的无侧限抗压试验是指：试验时将直径为150.0mm、高为150.0mm的圆柱形试样放在无侧限压力仪中，在不加任何侧向压力的情况下施加垂直压力，直到使试件剪切破坏为止，剪切破坏时试样所能承受的最大轴向压力称为无侧限抗压强度，该试验过程称为无侧限抗压试验。