CN106285710A - 一种基于地表变形的土压平衡盾构掘进参数控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于地表变形的土压平衡盾构掘进参数控制方法。通过推导建立盾构土压平衡比(N/v)与盾构排土引起的地层损失的计算公式，考虑盾尾脱空引起的地层损失，结合盾构在初始掘进阶段的掘进数据和地表沉降数据，反算出螺旋输送机排土效率η和地表沉降槽宽度i，建立盾构在下一环掘进时的土压平衡比(N/v)控制范围，依据此范围，为盾构在下一环的掘进速度和螺旋输送机旋转速度提供合理控制依据。在下一环掘进过程中，重复计算流程。本发明简单实用，能为盾构的掘进速度和螺旋输送机旋转速度提供一个量化清晰的控制范围，能有效避免盾构机掘进产生过大的地表沉降和隆起问题。

Description

一种基于地表变形的土压平衡盾构掘进参数控制方法

技术领域

本发明涉及一种土压平衡盾构掘进参数控制方法，具体的说，本发明涉及一种基于地表变形的土压平衡盾构掘进参数控制方法。

背景技术

土压平衡盾构工法作为软土地层隧道开挖的重要工法之一，普遍应用于国内外各大城市的地铁建设中。由于对土压平衡盾构掘进与地层响应的认识不足，目前施工引起的过大地表隆起和沉陷现象时有发生。

当前土压平衡盾构的平衡控制理论的研究，基本都以土仓压力的反馈为核心，即通过控制盾构土仓压力来对盾构进土量与排土量进行控制。盾构土仓内渣土应力状态复杂，加之掌子面附近的土仓应力由于刀盘旋转、与土石、异物直接接触等原因难以安装压力盒进行量测，因此土仓压力状态通常难以准确捕获，基于土仓压力控制掘进平衡的方法实用性较差。相比较而言，地表沉降等信息更容易精确测量得到，基于地表沉降量测数据来对掘进进行控制具有重要意义。

当前实际施工中，土压盾构的掘进参数更多的依据盾构司机的经验来控制，同时，也通过地表沉降监测值反馈，当监测值已经超限或者接近限值，再调整螺旋输送机速度或推进速度。这种方法存在三个缺点，缺点一是盾构掘进参数控制的好坏，很大程度上取决于盾构司机的操作技术，以及在类似地层和埋深操作经验；缺点二是地表沉降信息反馈太迟，当盾构司机得到更换掘进参数信息时，过大沉降或隆起已经发生，在管线密集、建(构)筑物林立的城市，反馈过程迟缓，可能引起过大损失；缺点三是掘进控制过程类似黑箱行为，既无掘进过程的指导依据，也无掘进参数的明确范围。

中国发明专利(申请号：201310653560.2，专利名称：一种微型盾构机土压平衡控制系统及控制方法)主要涉及一种微型盾构土仓压力的控制方法。该法通过土仓压力自动反馈，即通过测量土压与预设掌子面土压的差别，调整盾构掘进速度与螺旋输送机排土速度，从而实现掘进控制。以控制土压从而实现掘进控制的方法存在两个问题：问题1是由于土仓内应力状态复杂以及掌子面土压测量困难，土压力的测量一般通过在土仓隔板上安装土压力盒完成，而掌子面的土压力与土仓隔板上土压力在数值上存在较大差别。问题2是无法定量评价掌子面压力与地层响应的联系，对于掌子面土压力与预设压力的容许差值以及此差值容许存在的时间，目前也缺乏科学量化指标。

中国发明专利(申请号：201610003385.6，专利名称：复合地层情况下盾构掘进参数的优化方法)主要涉及一种盾构掘进速度和刀盘扭矩的优化方法。该发明通过设计盾构掘进正交试验，将采集到的掘进参数通过非线性回归拟合的方法得到盾构掘进速度和刀盘扭矩关于其他掘进参数的统计学表达，以此对掘进参数优化。统计拟合方法是在盾构掘进参数相互作用机理不明朗情况下的权宜之计，主要问题有：问题1是对盾构机掘进机理缺乏深入认识，掘进控制过程类似黑箱模型，基于前期的经验数据来指导将来的掘进行为，对于超出经验的掘进数据，拟合计算公式准确度会大大降低，因此仅适用于已经掘进过的类似地层和埋深，对于新的环境条件下拟合公式适应性差；问题2是需要采集和维护大量数据，操作麻烦，成本较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种提供相应的螺旋输送机排土速度与盾构掘进速度的明确控制范围、完整、量化的掘进参数控制且整个控制流程量化、清晰、简单实用、成本低廉的基于地表变形的土压平衡盾构掘进参数控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供的基于地表变形的土压平衡盾构掘进参数控制方法，包括如下步骤：

步骤(1)：当盾构在掘进过程中，土仓压力开始稳定时，测量在一环管片时间T内盾构排出渣土体积V和渣土重量G，通过渣土重量G除以渣土体积V，得到渣土的重度γ₁；记录掘进速度v、螺旋输送机转速N、渣土改良材料添加重量G₁；

步骤(2)：结合盾构掘进时螺旋输送机排出渣土重度G与盾构自身参数即螺纹节距P、螺机芯轴直径D₁和螺机内径D₂，基于公式(1)反算螺旋输送机出土效率η：

$\mathrm{\η}=\frac{4G}{\mathrm{\π}N(D_2^2-D_1^2){\mathrm{p\γ}}_{1}T}---\left(1\right)$

其中：N为螺旋输送机转速，D₂为螺旋机内径，D₁为螺旋机轴直径，P为旋转翼片的间距；

步骤(3)：根据盾构排出渣土重量G，盾构实际土体开挖重量G₁，渣土改良材料添加重量G₂，基于公式(2)计算T时间内有效出土比K_e：

$K_e=\frac{G_1}{G}=\frac{G-G_2}{G}---\left(2\right)$

步骤(4)：结合地勘参数即原地层重度γ₂和掘进速度v，基于公式(3)计算盾构理论进土量G₃；即在完全没有地层损失的情况下，盾构掘进T时间内，理论进土量G₃为：

$G_3=\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}^2{\mathrm{vT\γ}}_2---\left(3\right)$

步骤(5)：结合有效出土比K_e、螺机出土效率η、螺旋输送机转速N、螺旋输送机参数即螺纹节距P、螺机芯轴直径D₁和螺机内径D₂、渣土重度γ₁、地层重度γ₂、盾构掘进直径D与掘进速度v，采用公式(4)计算土仓排土引起的地层损失值V_floss：

$V_{floss}=\frac{G_1-G_3}{{\mathrm{\γ}}_2}=\frac{\mathrm{\π}}{4}(\frac{{\mathrm{\ηp\γ}}_1{K}_e(D_2^2-D_1^2)}{{\mathrm{\γ}}_2}\frac{N}{v}-D^2)---\left(4\right)$

步骤(6)：采用公式5计算盾尾空隙引起的地层损失值V_tloss：

$V_{tloss}=\mathrm{\α}\mathrm{\π}g(R-\frac{g}{4})---\left(5\right)$

其中，α为壁后注浆充填折减系数；(1-α)为壁后注浆填充率；g＝2(δ+t)，δ为盾尾间隙，t为盾尾壳体厚度，对于砂土，α值取为0.23，对于粘土，α值与隧道埋深及洞径有关，一般取：其中，H为地表到隧道中心的距离；

步骤(7)：将公式(6)土仓排土与盾尾空隙引起的地层损失值求和：

V_loss＝V_floss+V_tloss (6)

步骤(8)：结合计算地层损失值与实测地表沉降值，通过公式(7)反算地表沉降槽宽度i。

$i=\frac{V_{loss}}{\sqrt{2\mathrm{\π}}{S}_{max}}=\frac{V_{floss}+V_{tloss}}{\sqrt{2\mathrm{\π}}{S}_{\max }}---\left(7\right)$

其中：S_max为地表最大沉降点；x为横断面上距离隧道中心轴线的距离；i为地面沉降槽宽度，为沉降曲线对称中心到曲线拐点的距离；

步骤(9)：明确地表沉降阈值(S(x)_min，S(x)_max)，使用公式(8)计算基于地表沉降阈值的掘进参数控制范围；在盾构掘进引起的地表沉隆阈值既定的情况下，即S(x)_min≤S(x)≤S(x)_max时，土压平衡比(N/v)的控制范围为：

$(\frac{S{\left(x\right)}_{\min }}{\exp (-\frac{x^2}{2i^2})}\frac{4i\sqrt{2\mathrm{\π}}}{\mathrm{\π}}+D^2-\mathrm{\α}g(4R-g\left)\right)\frac{{\mathrm{\γ}}_2}{{\mathrm{\ηp\γ}}_1{K}_e(D_2^2-D_1^2)}\≤\frac{N}{v}\≤(\frac{S{\left(x\right)}_{\max }}{\exp (-\frac{x^2}{2i^2})}\frac{4i\sqrt{2\mathrm{\π}}}{\mathrm{\π}}+D^2-\mathrm{\α}g(4R-g\left)\right)\×\frac{{\mathrm{\γ}}_2}{{\mathrm{\ηp\γ}}_1{K}_e(D_2^2-D_1^2)}---\left(8\right)$

步骤(10)：为了使盾构掘进后，地表不发生隆起或者沉降，计算此时盾构掘进中的土压平衡比(N/v)的值应为：

$\frac{N}{v}=\frac{{\mathrm{\γ}}_2}{{\mathrm{\ηp\γ}}_1{K}_e(D_2^2-D_1^2)}(D^2-\mathrm{\α}g(4R-g\left)\right)---\left(9\right)$

步骤(11)：依据公式(9)得出的土压平衡比(N/v)选择盾构掘进速度和螺旋输送机旋转速度，并确保控制土压平衡比(N/v)在公式(8)的范围之内。

在一个新的掘进循环内，重复上述计算步骤，得到新的掘进速度和螺旋输送机排土速度范围。

所述的初始掘进阶段，并非是试掘进阶段，是指土仓内土压已完全建立，盾构开始正常掘进的阶段。

所述的土压平衡比(N/v)的控制范围，盾构在每掘进一环后，因地层参数、埋深以及渣土改良参数变化，需根据上述流程重新进行计算，以保证土压平衡比(N/v)的控制范围精确。

采用上述技术方案的基于地表变形的土压平衡盾构掘进参数控制方法，与现有技术相比，本发明的技术效果在于：本方法提供了土压平衡盾构掘进速度、螺旋输送机排土速度、盾尾注浆充填率与地表沉降的定量关系，给出了螺旋输送机出土效率η和地表沉降槽宽度i的量化策略，为土压平衡盾构的掘进控制提供了一种新的科学方法。

效果(1)是在地表沉隆阈值既定的情况下，提供了相应的螺旋输送机排土速度与盾构掘进速度的明确控制范围，该范围为盾构掘进参数控制提供了明确指导。

效果(2)是提供了一套基于地表沉降的完整、量化的掘进参数控制技术路线。该技术路线为盾构掘进提供了精细控制的依据、也为自动化控制提供了参考。

效果(3)是以地表沉降为控制标准，整个控制流程量化、清晰，控制方法简单实用，成本低廉。

综上所述，本发明是一种提供相应的螺旋输送机排土速度与盾构掘进速度的明确控制范围、完整、量化的掘进参数控制且整个控制流程量化、清晰、简单实用、成本低廉的基于地表变形的土压平衡盾构掘进参数控制方法。

附图说明

图1是所述的盾构掘进参数控制技术路线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参见图1，基于地表变形的土压平衡盾构掘进参数控制方法，包括如下步骤：

步骤(1)：当盾构在掘进过程中，土仓压力开始稳定时，测量在一环管片时间T内盾构排出渣土体积V和渣土重量G，通过渣土重量G除以渣土体积V，得到渣土的重度γ₁；记录掘进速度v、螺旋输送机转速N、渣土改良材料添加重量G₁；

步骤(2)：结合盾构掘进时螺旋输送机排出渣土重度G与盾构自身参数即螺纹节距P、螺机芯轴直径D₁和螺机内径D₂，基于公式(1)反算螺旋输送机出土效率η：

$\mathrm{\η}=\frac{4G}{\mathrm{\π}N(D_2^2-D_1^2){\mathrm{p\γ}}_{1}T}---\left(1\right)$

其中：N为螺旋输送机转速，D₂为螺旋机内径，D₁为螺旋机轴直径，P为旋转翼片的间距；

步骤(3)：根据盾构排出渣土重量G，盾构实际土体开挖重量G₁，渣土改良材料添加重量G₂，基于公式(2)计算T时间内有效出土比K_e：

$K_e=\frac{G_1}{G}=\frac{G-G_2}{G}---\left(2\right)$

步骤(4)：结合地勘参数即原地层重度γ₂和掘进速度v，基于公式(3)计算盾构理论进土量G₃；即在完全没有地层损失的情况下，盾构掘进T时间内，理论进土量G₃为：

$G_3=\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}^2{\mathrm{vT\γ}}_2---\left(3\right)$

步骤(5)：结合有效出土比K_e、螺机出土效率η、螺旋输送机转速N、螺旋输送机参数即螺纹节距P、螺机芯轴直径D₁和螺机内径D₂、渣土重度γ₁、地层重度γ₂、盾构掘进直径D与掘进速度v，采用公式(4)计算土仓排土引起的地层损失值V_floss：

$V_{floss}=\frac{G_1-G_3}{{\mathrm{\γ}}_2}=\frac{\mathrm{\π}}{4}(\frac{{\mathrm{\ηp\γ}}_1{K}_e(D_2^2-D_1^2)}{{\mathrm{\γ}}_2}\frac{N}{v}-D^2)---\left(4\right)$

步骤(6)：采用公式5计算盾尾空隙引起的地层损失值V_tloss：

$V_{tloss}=\mathrm{\α}\mathrm{\π}g(R-\frac{g}{4})---\left(5\right)$

其中，α为壁后注浆充填折减系数；(1-α)为壁后注浆填充率；g＝2(δ+t)，δ为盾尾间隙，t为盾尾壳体厚度，对于砂土，α值取为0.23，对于粘土，α值与隧道埋深及洞径有关，一般取：其中，H为地表到隧道中心的距离；

步骤(7)：将公式(6)土仓排土与盾尾空隙引起的地层损失值求和：

V_loss＝V_floss+V_tloss (6)

步骤(8)：结合计算地层损失值与实测地表沉降值，通过公式(7)反算地表沉降槽宽度i。

$i=\frac{V_{loss}}{\sqrt{2\mathrm{\π}}{S}_{max}}=\frac{V_{floss}+V_{tloss}}{\sqrt{2\mathrm{\π}}{S}_{\max }}---\left(7\right)$

其中：S_max为地表最大沉降点；x为横断面上距离隧道中心轴线的距离；i为地面沉降槽宽度，为沉降曲线对称中心到曲线拐点的距离；

步骤(9)：明确地表沉降阈值(S(x)_min，S(x)_max)，使用公式(8)计算基于地表沉降阈值的掘进参数控制范围；在盾构掘进引起的地表沉隆阈值既定的情况下，即S(x)_min≤S(x)≤S(x)_max时，土压平衡比(N/v)的控制范围为：

$(\frac{S{\left(x\right)}_{\min }}{\exp (-\frac{x^2}{2i^2})}\frac{4i\sqrt{2\mathrm{\π}}}{\mathrm{\π}}+D^2-\mathrm{\α}g(4R-g\left)\right)\frac{{\mathrm{\γ}}_2}{{\mathrm{\ηp\γ}}_1{K}_e(D_2^2-D_1^2)}\≤\frac{N}{v}\≤(\frac{S{\left(x\right)}_{\max }}{\exp (-\frac{x^2}{2i^2})}\frac{4i\sqrt{2\mathrm{\π}}}{\mathrm{\π}}+D^2-\mathrm{\α}g(4R-g\left)\right)\×\frac{{\mathrm{\γ}}_2}{{\mathrm{\ηp\γ}}_1{K}_e(D_2^2-D_1^2)}---\left(8\right)$

步骤(10)：为了使盾构掘进后，地表不发生隆起或者沉降，计算此时盾构掘进中的土压平衡比(N/v)的值应为：

$\frac{N}{v}=\frac{{\mathrm{\γ}}_2}{{\mathrm{\ηp\γ}}_1{K}_e(D_2^2-D_1^2)}(D^2-\mathrm{\α}g(4R-g\left)\right)---\left(9\right)$

步骤(11)：依据公式(9)得出的土压平衡比(N/v)选择盾构掘进速度和螺旋输送机旋转速度，并确保控制土压平衡比(N/v)在公式(8)的范围之内。

在一个新的掘进循环内，重复上述计算步骤，得到新的掘进速度和螺旋输送机排土速度范围。

所述的初始掘进阶段，并非是试掘进阶段，是指土仓内土压已完全建立，盾构开始正常掘进的阶段。

所述的土压平衡比(N/v)的控制范围，盾构在每掘进一环后，因地层参数、埋深以及渣土改良参数变化，需根据上述流程重新进行计算，以保证土压平衡比(N/v)的控制范围精确。

Claims (4)

1.一种基于地表变形的土压平衡盾构掘进参数控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤(1)：当盾构在掘进过程中，土仓压力开始稳定时，测量在一环管片时间T内盾构排出渣土体积V和渣土重量G，通过渣土重量G除以渣土体积V，得到渣土的重度γ₁；记录掘进速度v、螺旋输送机转速N、渣土改良材料添加重量G₁；

步骤(2)：结合盾构掘进时螺旋输送机排出渣土重度G与盾构自身参数即螺纹节距P、螺机芯轴直径D₁和螺机内径D₂，基于公式(1)反算螺旋输送机出土效率η：

$\mathrm{\η}=\frac{4G}{\mathrm{\π}N(D_2^2-D_1^2){\mathrm{p\γ}}_{1}T}---\left(1\right)$

其中：N为螺旋输送机转速，D₂为螺旋机内径，D₁为螺旋机轴直径，P为旋转翼片的间距；

步骤(3)：根据盾构排出渣土重量G，盾构实际土体开挖重量G₁，渣土改良材料添加重量G₂，基于公式(2)计算T时间内有效出土比K_e：

$K_e=\frac{G_1}{G}=\frac{G-G_2}{G}---\left(2\right)$

步骤(4)：结合地勘参数即原地层重度γ₂和掘进速度v，基于公式(3)计算盾构理论进土量G₃；即在完全没有地层损失的情况下，盾构掘进T时间内，理论进土量G₃为：

$G_3=\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}^2{\mathrm{vT\γ}}_2---\left(3\right)$

步骤(5)：结合有效出土比K_e、螺机出土效率η、螺旋输送机转速N、螺旋输送机参数即螺纹节距P、螺机芯轴直径D₁和螺机内径D₂、渣土重度γ₁、地层重度γ₂、盾构掘进直径D与掘进速度v，采用公式(4)计算土仓排土引起的地层损失值V_floss：

$V_{floss}=\frac{G_1-G_3}{{\mathrm{\γ}}_2}=\frac{\mathrm{\π}}{4}(\frac{{\mathrm{\ηp\γ}}_1{K}_e(D_2^2-D_1^2)}{{\mathrm{\γ}}_2}\frac{N}{v}-D^2)---\left(4\right)$

步骤(6)：采用公式5计算盾尾空隙引起的地层损失值V_tloss：

$V_{tloss}=\mathrm{\α}\mathrm{\π}g(R-\frac{g}{4})---\left(5\right)$

其中，α为壁后注浆充填折减系数；(1-α)为壁后注浆填充率；g＝2(δ+t)，δ为盾尾间隙，t为盾尾壳体厚度，对于砂土，α值取为0.23，对于粘土，α值与隧道埋深及洞径有关，一般取：其中，H为地表到隧道中心的距离；

步骤(7)：将公式(6)土仓排土与盾尾空隙引起的地层损失值求和：

V_loss＝V_floss+V_tloss (6)

步骤(8)：结合计算地层损失值与实测地表沉降值，通过公式(7)反算地表沉降槽宽度i。

$i=\frac{V_{loss}}{\sqrt{2\mathrm{\π}}{S}_{max}}=\frac{V_{floss}+V_{tloss}}{\sqrt{2\mathrm{\π}}{S}_{\max }}---\left(7\right)$

其中：S_max为地表最大沉降点；x为横断面上距离隧道中心轴线的距离；i为地面沉降槽宽度，为沉降曲线对称中心到曲线拐点的距离；

步骤(9)：明确地表沉降阈值(S(x)_min，S(x)_max)，使用公式(8)计算基于地表沉降阈值的掘进参数控制范围；在盾构掘进引起的地表沉隆阈值既定的情况下，即S(x)_min≤S(x)≤S(x)_max时，土压平衡比(N/v)的控制范围为：

$\left(\frac{S{\left(x\right)}_{\min }}{\exp \left(-\frac{x^2}{2i^2}\right)}\frac{4i\sqrt{2\mathrm{\π}}}{\mathrm{\π}}+D^2-\mathrm{\α}g\left(4R-g\right)\right)\frac{{\mathrm{\γ}}_2}{{\mathrm{\ηp\γ}}_1{K}_e\left(D_2^2-D_1^2\right)}\≤\frac{N}{v}\≤\left(\frac{S{\left(x\right)}_{\max }}{\exp \left(-\frac{x^2}{2i^2}\right)}\frac{4i\sqrt{2\mathrm{\π}}}{\mathrm{\π}}+D^2-\mathrm{\α}g\left(4R-g\right)\right)\×\frac{{\mathrm{\γ}}_2}{{\mathrm{\ηp\γ}}_1{K}_e\left(D_2^2-D_1^2\right)}---\left(8\right)$

步骤(10)：为了使盾构掘进后，地表不发生隆起或者沉降，计算此时盾构掘进中的土压平衡比(N/v)的值应为：

$\frac{N}{v}=\frac{{\mathrm{\γ}}_2}{{\mathrm{\ηp\γ}}_1{K}_e(D_2^2-D_1^2)}(D^2-\mathrm{\α}g(4R-g\left)\right)---\left(9\right)$

步骤(11)：依据公式(9)得出的土压平衡比(N/v)选择盾构掘进速度和螺旋输送机旋转速度，并确保控制土压平衡比(N/v)在公式(8)的范围之内。

2.根据权利要求1所述的基于地表变形的土压平衡盾构掘进参数控制方法，其特征在于：在一个新的掘进循环内，重复上述计算步骤，得到新的掘进速度和螺旋输送机排土速度范围。

3.根据权利要求1或2所述的基于地表变形的土压平衡盾构掘进参数控制方法，其特征在于：所述的初始掘进阶段，并非是试掘进阶段，是指土仓内土压已完全建立，盾构开始正常掘进的阶段。

4.根据权利要求1或2所述的基于地表变形的土压平衡盾构掘进参数控制方法，其特征在于：所述的土压平衡比(N/v)的控制范围，盾构在每掘进一环后，因地层参数、埋深以及渣土改良参数变化，需根据上述流程重新进行计算，以保证土压平衡比(N/v)的控制范围精确。