CN110985012A - 一种适用于软硬不均地层的盾构掘进模式及其转换方法 - Google Patents
一种适用于软硬不均地层的盾构掘进模式及其转换方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110985012A CN110985012A CN201911028741.XA CN201911028741A CN110985012A CN 110985012 A CN110985012 A CN 110985012A CN 201911028741 A CN201911028741 A CN 201911028741A CN 110985012 A CN110985012 A CN 110985012A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- tunneling
- soil
- pressure
- slag
- mode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 title claims abstract description 187
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 48
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 title claims abstract description 29
- 239000002689 soil Substances 0.000 claims abstract description 164
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 41
- 238000009412 basement excavation Methods 0.000 claims abstract description 19
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 14
- 239000002893 slag Substances 0.000 claims description 145
- 239000011435 rock Substances 0.000 claims description 40
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 22
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims description 14
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims description 11
- 239000003673 groundwater Substances 0.000 claims description 8
- 230000006872 improvement Effects 0.000 claims description 7
- 239000006260 foam Substances 0.000 claims description 6
- 238000010079 rubber tapping Methods 0.000 claims description 5
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 claims description 4
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 4
- 229910000278 bentonite Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000000440 bentonite Substances 0.000 claims description 3
- SVPXDRXYRYOSEX-UHFFFAOYSA-N bentoquatam Chemical compound O.O=[Si]=O.O=[Al]O[Al]=O SVPXDRXYRYOSEX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000004927 clay Substances 0.000 claims description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 3
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 claims description 3
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims description 3
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims description 3
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 claims description 3
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 3
- 208000035874 Excoriation Diseases 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000008595 infiltration Effects 0.000 description 1
- 238000001764 infiltration Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 239000011178 precast concrete Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 230000032258 transport Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
- E21D9/00—Tunnels or galleries, with or without linings; Methods or apparatus for making thereof; Layout of tunnels or galleries
- E21D9/06—Making by using a driving shield, i.e. advanced by pushing means bearing against the already placed lining
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
- E21D9/00—Tunnels or galleries, with or without linings; Methods or apparatus for making thereof; Layout of tunnels or galleries
- E21D9/06—Making by using a driving shield, i.e. advanced by pushing means bearing against the already placed lining
- E21D9/08—Making by using a driving shield, i.e. advanced by pushing means bearing against the already placed lining with additional boring or cutting means other than the conventional cutting edge of the shield
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
- E21D9/00—Tunnels or galleries, with or without linings; Methods or apparatus for making thereof; Layout of tunnels or galleries
- E21D9/12—Devices for removing or hauling away excavated material or spoil; Working or loading platforms
- E21D9/124—Helical conveying means therefor
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mining & Mineral Resources (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- Geology (AREA)
- Excavating Of Shafts Or Tunnels (AREA)
Abstract
本发明公开了一种适用于软硬不均地层的盾构掘进模式，包括敞开式掘进、半敞开式掘进和全土压式掘进；敞开式掘进在土仓内不需要保持任何压力的一种盾构掘进模式；全土压式掘进就是在盾构开挖时，利用掘进渣土对土仓内的土加压或加注辅助材料产生的压力来平衡开挖面的土压及地下水压力，保持工作面的稳定，以避免掌子面坍塌或地层失水过多而引起地表下沉的一种盾构掘进模式；半敞开模式介于敞开式和全土压式模式之间；本发明提供的转换方法能够根据不同的地层，转换为对应的掘进模式，选择对应的控制参数。
Description
技术领域
本发明涉及盾构隧道施工技术领域，具体为一种适用于软硬不均地层的盾构掘进模式及其转换方法。
背景技术
盾构法是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法，它通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出十机械将开挖土体运出洞外，靠千斤顶在后部施加推力顶进，并在盾尾拼装预制混凝土管片形成隧道结构的一种机械化施工方法。盾构隧道施工是一项综合性的施工技术，盾构施工过程是一个随时间和空间不断演化的复杂系统，由于盾构机的复杂控制原理，盾构推进系统与地质环境的相互作用，导致盾构掘进方向多变，盾构姿态难以掌控。因此盾构姿态控制具有重要意义。现有盾构控制模式单一，难以适应软硬不均复杂地层；掘进参数的选择多依靠不断的试掘进，没有相对可靠的参数范围建议；软硬不均地层，开发一种具有多掘进模式的盾构尤为必要，能够根据不同的地层，转换为对应的掘进模式。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于软硬不均地层的盾构掘进模式及其转换方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种适用于软硬不均地层的盾构掘进模式及其转换方法，包括以下三种模式：
1)、敞开式掘进：
适用环境：应用于硬岩地层，要求地层自稳性好，不含地下水或者含地下水很少；
对盾构机要求：(1)盾构机必须具有硬岩开挖的能力，要求刀盘的强度足够，能够安装滚刀；
(2)主驱动扭矩、推力足够；
(3)刀盘、螺旋输送机的耐磨设计能适应硬岩的开挖；
(4)盾体能够防止硬岩掘进时的扭转及震动，具有稳定器；
(5)注入辅助材料，降低刀盘的扭矩，减少刀具、刀盘及螺旋输送机的磨损；
工作状态：盾构机渣仓内没有泥土压，渣仓处于大气压状态下工作，破岩主要是依靠盘形滚刀破岩，掘进参数主要是掘进推力、掘进扭矩和刀盘的转速；
判断条件：采用太沙基理论和村山理论进行计算，以判断工作面是否具有自稳能力和是否需要对工作面施加压力；对于越三盾构区间隧道工程根据其所处的周边环境和盾构所掘进的地层的物理力学参数以及其相应的水文地质条件分析计算；
2)、半敞开式掘进：
适用环境：掌子面虽然有一定的自稳性，但是不能完全自稳，或是虽然稳定但由于存在一定量的地下水；或是虽然稳定但由于存在一定量的地下水，需要在掌子面建立一定的压力来防止地下水进入土仓，减少水土流失；
工作状态：在土仓内保持少量的渣土，然后向土仓内注入压缩空气或泡沫来辅助进行开挖，渣仓内的下部为渣土，上部为压缩空气；掘进参数主要是渣仓压力、掘进推力、掘进扭矩，半敞开模式掘进的破岩是以滚压破岩为主，切削破岩为辅；
判断条件：同样采用太沙基理论和村山理论进行计算，根据其理论并结合施工实践；
3)、全土压式掘进：
适用环境：开挖面不能自稳风化岩层以及软流塑性的软粘土地层和砂土层；
对盾构机要求：(1)盾构具有土仓土压监测功能；
(2)刀盘适应软土开挖的需要，特别是刀盘开口率及刀盘开口的布置，配置的刀具同样适应于软土开挖；
(3)盾构具有泡沫、膨润土系统，通过注入不同的附加材料，在不同的地层中根据需要进行土仓加压、改良渣土和堵水；
(4)盾体本身具有一定的密封防水性能，即铰接密封和盾尾密封具有一定的防水性能；
(5)刀盘的主轴承密封能承受一定的土压力；
(6)采用人舱作为用于在压力模式下人员进出土仓的通道；
(7)螺旋输送机的出渣量及出渣速度可控制，螺旋输送机可随时关闭，并具有防喷涌的功能，螺旋输送机能建立土塞效应；
(8)盾构具备超前注浆的能力；
工作状态：渣仓处于有压状态下工作，利用掘进渣土对土仓内的土加压或加注辅助材料产生的压力来平衡开挖面的土压及地下水压力，保持工作面的稳定，以避免掌子面坍塌或地层失水过多而引起地表下沉；全土压式模式掘进的掘进参数主要是渣仓压力、掘进推力、掘进扭矩，掘进模式中破岩主要是依靠切刀和齿刀进行破岩，
判断条件：取决于隧道所处于的地层条件和隧道所处的周边环境，在不稳定的地层中采用全土压式模式掘进，并根据施工监控量测的变形累计值和变形速率进行及时调整，此外在一些特殊的地段，不管地层的状况如何，也采用了全土压式模式掘进，但其平衡压力不是根据计算值确定的，而是依据经验进行设定，并在实际施工中进行调整。
优选的，敞开式掘进模式下，必须采取喷水措施对刀具进行降温。
优选的，敞开式掘进模式下，土仓内保的渣土量为土仓体积的1/2～2/3，掘进过程中始终控制保持喳土高度。
优选的，全土压式掘进模式下，在盾构开挖时土仓内的压力P2和掌子面上的压力P1相平衡，其中P2包括土仓内渣土的压力和注入材料的压力，P1 等于松弛压力和地下水压力的总和。
一种适用于软硬不均地层的盾构掘进模式的转换方法，其特征在于：包括以下操作步骤：
a)敞开掘进与半敞开掘进的相互转换：
a1：敞开式向半敞开式转换：先将螺旋输送机的转速适当调低，使出渣速度小于掘进速度所切削下来的渣土，然后向渣仓内注入压缩空气建立所需气压，及时调节压缩空气的输送速度使气压值相对稳定；
a2：半敞开模式向敞开模式转换：加大螺旋输送机的转速，并将螺旋输送机出料口的开启度加大；确定进行模式转换后，首先关闭供气管停止向渣仓内供气，然后调整螺旋输送机的排渣速度降低渣仓内的压力，直至渣仓内压力降低到零；
b)敞开掘进与全土压式掘进的相互转换：
b1：敞开模式向土压模式转换：首先停止螺旋输送机出渣，使掘进切削下来的渣土尽快填充敞开模式掘进时渣仓内的空间，并使渣仓内的渣土受到挤压而形成土压支撑工作面；当渣仓内的土压达到掘进设计土压值后，再开启螺旋输送机进行排土出渣，并使出渣速度与土压掘进模式的掘进速度所切削下来的渣土量相平衡；
B2：全土压式模式向敞开模式转换：在容许的范围内尽可能地加大螺旋输送机的转速，从而加大出渣速度而降低渣仓内的压力，使得掘进切削下来的渣土能顺利地进入渣仓；降低刀盘转动所需的扭矩以便于加大刀盘的转速，降低总推力；
c)半敞开掘进与全土压式掘进的相互转换：
c1：半敞开模式向全土压式模式转换：转减小螺旋输送机的出渣速度，从而加大渣仓内的压力使渣仓内的空气以逃逸的方式进入地层；注意控制出料口的开启度，同时协调好螺旋输送机的转速，必要时可以停止螺旋输送机的转动进行掘进；
c2：全土压式模式向半敞开模式转换：缓慢的加大螺旋输送机的转速以加大出渣速度，从而降低渣仓内渣土的高度；同时向渣仓内注入压缩空气，以使渣仓内的最小压力不低于设计值；控制总体的出渣量。
优选的，根据越三盾构工程的经验分析，在敞开模式下掘进过程中，保持渣仓内的渣土高出螺旋输送机进料口0.8-1.0m的高度距离。
优选的，a1)中，若在敞开模式掘进时的刀盘转速是在高档位，则调整到低档位，且切削刀盘的转速控制在1.2rpm以内。
优选的，b1)中，在转换过程中停止螺旋输送机后，螺旋输送机的出料口在掘进过程中依然发生排渣时，立即关闭螺旋输送机的出料口；敞开掘进模式向全土压式模式掘进的转换时，需对渣土进行改良，包括渣土的流动性和渣土的止水性。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：敞开式掘进在土仓内不需要保持任何压力的一种盾构掘进模式；全土压式掘进就是在盾构开挖时，利用掘进渣土对土仓内的土加压或加注辅助材料产生的压力来平衡开挖面的土压及地下水压力，保持工作面的稳定，以避免掌子面坍塌或地层失水过多而引起地表下沉的一种盾构掘进模式；半敞开模式介于敞开式和全土压式模式之间；本发明提供的转换方法能够根据不同的地层，转换为对应的掘进模式，选择对应的控制参数，可适应软硬不均的复杂地层。
附图说明
图1为本发明的敞开模式工作状态示意图；
图2为本发明的半敞开模式工作状态示意图；
图3为本发明的全土压模式工作状态示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种适用于软硬不均地层的盾构掘进模式及其转换方法，包括以下三种模式：
1)、敞开式掘进：
适用环境：应用于硬岩地层，要求地层自稳性好，不含地下水或者含地下水很少；
对盾构机要求：(1)盾构机必须具有硬岩开挖的能力，要求刀盘的强度足够，能够安装滚刀；
(2)主驱动扭矩、推力足够；
(3)刀盘、螺旋输送机的耐磨设计能适应硬岩的开挖；
(4)盾体能够防止硬岩掘进时的扭转及震动，具有稳定器；
(5)注入辅助材料，降低刀盘的扭矩，减少刀具、刀盘及螺旋输送机的磨损；
工作状态：盾构机渣仓内没有泥土压，渣仓处于大气压状态下工作，破岩主要是依靠盘形滚刀破岩，掘进参数主要是掘进推力、掘进扭矩和刀盘的转速；
判断条件：采用太沙基理论和村山理论进行计算，以判断工作面是否具有自稳能力和是否需要对工作面施加压力；对于越三盾构区间隧道工程根据其所处的周边环境和盾构所掘进的地层的物理力学参数以及其相应的水文地质条件分析计算；
2)、半敞开式掘进：
适用环境：掌子面虽然有一定的自稳性，但是不能完全自稳，或是虽然稳定但由于存在一定量的地下水；或是虽然稳定但由于存在一定量的地下水，需要在掌子面建立一定的压力来防止地下水进入土仓，减少水土流失；
工作状态：在土仓内保持少量的渣土，然后向土仓内注入压缩空气或泡沫来辅助进行开挖，渣仓内的下部为渣土，上部为压缩空气；掘进参数主要是渣仓压力、掘进推力、掘进扭矩，半敞开模式掘进的破岩是以滚压破岩为主，切削破岩为辅；
判断条件：同样采用太沙基理论和村山理论进行计算，根据其理论并结合施工实践；
3)、全土压式掘进：
适用环境：开挖面不能自稳风化岩层以及软流塑性的软粘土地层和砂土层；
对盾构机要求：(1)盾构具有土仓土压监测功能；
(2)刀盘适应软土开挖的需要，特别是刀盘开口率及刀盘开口的布置，配置的刀具同样适应于软土开挖；
(3)盾构具有泡沫、膨润土系统，通过注入不同的附加材料，在不同的地层中根据需要进行土仓加压、改良渣土和堵水；
(4)盾体本身具有一定的密封防水性能，即铰接密封和盾尾密封具有一定的防水性能；
(5)刀盘的主轴承密封能承受一定的土压力；
(6)采用人舱作为用于在压力模式下人员进出土仓的通道；
(7)螺旋输送机的出渣量及出渣速度可控制，螺旋输送机可随时关闭，并具有防喷涌的功能，螺旋输送机能建立土塞效应；
(8)盾构具备超前注浆的能力；
工作状态：渣仓处于有压状态下工作，利用掘进渣土对土仓内的土加压或加注辅助材料产生的压力来平衡开挖面的土压及地下水压力，保持工作面的稳定，以避免掌子面坍塌或地层失水过多而引起地表下沉；全土压式模式掘进的掘进参数主要是渣仓压力、掘进推力、掘进扭矩，掘进模式中破岩主要是依靠切刀和齿刀进行破岩，
判断条件：取决于隧道所处于的地层条件和隧道所处的周边环境，在不稳定的地层中采用全土压式模式掘进，并根据施工监控量测的变形累计值和变形速率进行及时调整，此外在一些特殊的地段，不管地层的状况如何，也采用了全土压式模式掘进，但其平衡压力不是根据计算值确定的，而是依据经验进行设定，并在实际施工中进行调整。
进一步的，敞开式掘进模式下，必须采取喷水措施对刀具进行降温。
进一步的，敞开式掘进模式下，土仓内保的渣土量为土仓体积的1/2～ 2/3，掘进过程中始终控制保持喳土高度。
进一步的，全土压式掘进模式下，在盾构开挖时土仓内的压力P2和掌子面上的压力P1相平衡，其中P2包括土仓内渣土的压力和注入材料的压力， P1等于松弛压力和地下水压力的总和。
掘进模式的确定主要是根据盾构隧道所穿越的地层的稳定性和地下水状况，并结合隧道上部的环境来决定。在盾构工程中，一般在编制实施性施工组织设计时，根据设计给出的地质条件初步确定了各施工段落的掘进模式及各掘进模式下的掘进参数。
一种适用于软硬不均地层的盾构掘进模式的转换方法，其特征在于：包括以下操作步骤：
a)敞开掘进与半敞开掘进的相互转换：
a1：敞开式向半敞开式转换：先将螺旋输送机的转速适当调低，使出渣速度小于掘进速度所切削下来的渣土，以使渣仓内的渣土高度升高到气压平衡所需的高度；然后向渣仓内注入压缩空气建立所需气压，及时调节压缩空气的输送速度使气压值相对稳定；
a2：半敞开模式向敞开模式转换：主要是要尽快地降低渣仓内的压力，同时降低渣仓内的渣土高度，因此要加大螺旋输送机的转速，并将螺旋输送机出料口的开启度加大；确定进行模式转换后，首先关闭供气管停止向渣仓内供气，然后调整螺旋输送机的排渣速度降低渣仓内的压力，直至渣仓内压力降低到零；一般来说半敞开模式向敞开模式转换比较简单，但要注意对掘进推力进行控制，因为在半敞开式掘进时，大部分推力是为了克服渣仓压力对盾构前进的阻力，而敞开式掘进时的推力主要是用于盘形滚刀破岩。
b)敞开掘进与全土压式掘进的相互转换：
b1：敞开模式向土压模式转换：主要是要尽快建立所需的土压，首先停止螺旋输送机出渣，使掘进切削下来的渣土尽快填充敞开模式掘进时渣仓内的空间，并使渣仓内的渣土受到挤压而形成土压支撑工作面，以保持工作面及地层的稳定；当渣仓内的土压达到掘进设计土压值后，再开启螺旋输送机进行排土出渣，并使出渣速度与土压掘进模式的掘进速度所切削下来的渣土量相平衡，以保持土压的稳定；敞开掘进模式向全土压式模式掘进的转换时，极容易发生的问题是在刀盘前方和渣仓里容易形成泥饼，因此此时对渣土的改良必须引起高度重示，既要注意渣土的流动性，又要注意渣土的止水性，这是因为从敞开式向全土压式模式转换，说明地层条件发生了较大的变化，特别是存在局部岩层与局部土层的掘进面，岩面与土层的接触面是地层渗水的主要通道，因此渗水容易汇入渣仓内，当压力建立后螺旋输送机出料口处容易发生喷涌现象，从而造成工作面压力不稳定，由此可能会造成地层发生坍塌；
B2：全土压式模式向敞开模式转换：在容许的范围内尽可能地加大螺旋
输送机的转速，以加大出渣速度而降低渣仓内的压力，同时有利于掘进切削下来的渣土能顺利地进入渣仓，减小渣土对刀具地二次磨耗，降低刀盘转动所需的扭矩以便于加大刀盘的转速，降低总推力而有效地加大掘进推力，提高掘进效率；
c)半敞开掘进与全土压式掘进的相互转换：
c1：半敞开模式向全土压式模式转换：主要目的一是防止地下水渗入渣仓，因为在一定的情况下压缩空气不足以阻止地下水的渗入，二是在地层不稳定时要提供足够的平衡压力，因为压缩空气的压力有时不足以平衡工作面的土压力；因此必须将渣仓内压缩空气所占住的空间用渣土替换，转换过程应减小螺旋输送机的出渣速度，以加大渣仓内的压力使渣仓内的空气以逃逸的方式进入地层，从而建立全土压式掘进模式。半敞开掘进模式向全土压式掘进模式转换，有时可能会产生暂时的喷涌现象，此时要注意控制出料口的开启度，同时协调好螺旋输送机的转速，必要时可以停止螺旋输送机的转动进行掘进。
判定半敞开掘进模式向全土压式掘进模式转换的成功：一方面要分析渣仓内压力从上到下的压力剃度是否符合规律，要特别注意渣仓顶部1、2号压力计的压力值，且气压模式掘进时上部的压力值波动小而频繁，而土压掘进模式的压力基本平稳；另一方面要观察渣土的性状，一般来说在气压模式下掘进时渣土较松散，渣土的含水量要高于土压掘进模式；掘进模式的最终要求是确保满足稳定工作面、满足周边环境的地层沉降要求，这是掘进模式转换的关键性指标；
c2：全土压式模式向半敞开模式转换：主要是将压缩空气置换出渣仓上部的渣土，因此一般是要缓慢的加大螺旋输送机的转速以加大出渣速度，从而降低渣仓内渣土的高度；同时要向渣仓内注入压缩空气，以使渣仓内的最小压力不低于设计值，因此在空气与渣土的置换过程中，出渣速度要与掘进速度所切削下来的渣土量和注入压缩空气的量之和相匹配；此外要控制总体的出渣量，以防止出渣量过多致使渣仓内的渣土高度不足以密闭气体，而造成压缩空气沿螺旋输送机泄漏。一般来说半敞开模式盾构掘进所需的扭矩相对要低一些，因此全土压式模式向半敞开模式转换过程中，盾构掘进的扭矩或转速会发生一些变化。
进一步的，根据越三盾构工程的经验分析，在敞开模式下掘进过程中，保持渣仓内的渣土高出螺旋输送机进料口0.8-1.0m的高度距离。
进一步的，a1)中，若在敞开模式掘进时的刀盘转速是在高档位，则调整到低档位，且切削刀盘的转速控制在1.2rpm以内。
进一步的，b1)中，在转换过程中停止螺旋输送机后，螺旋输送机的出料口在掘进过程中依然发生排渣时，立即关闭螺旋输送机的出料口；敞开掘进模式向全土压式模式掘进的转换时，需对渣土进行改良，包括渣土的流动性和渣土的止水性。
下表为不同地层下的掘进模式选择及对应的盾构主要控制参数范围表：
图中符号含义：P0-掌子面前方水土压力；Pa-主动土压力；Pp-被动土压力。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种适用于软硬不均地层的盾构掘进模式，其特征在于：包括以下三种模式：
1)、敞开式掘进：
适用环境：应用于硬岩地层，要求地层自稳性好，不含地下水或者含地下水很少；
对盾构机要求：(1)盾构机必须具有硬岩开挖的能力，要求刀盘的强度足够，能够安装滚刀；
(2)主驱动扭矩、推力足够；
(3)刀盘、螺旋输送机的耐磨设计能适应硬岩的开挖；
(4)盾体能够防止硬岩掘进时的扭转及震动，具有稳定器；
(5)注入辅助材料，降低刀盘的扭矩，减少刀具、刀盘及螺旋输送机的磨损；
工作状态：盾构机渣仓内没有泥土压，渣仓处于大气压状态下工作，破岩主要是依靠盘形滚刀破岩，掘进参数主要是掘进推力、掘进扭矩和刀盘的转速；
判断条件：采用太沙基理论和村山理论进行计算，以判断工作面是否具有自稳能力和是否需要对工作面施加压力；对于越三盾构区间隧道工程根据其所处的周边环境和盾构所掘进的地层的物理力学参数以及其相应的水文地质条件分析计算；
2)、半敞开式掘进：
适用环境：掌子面虽然有一定的自稳性，但是不能完全自稳，或是虽然稳定但由于存在一定量的地下水；或是虽然稳定但由于存在一定量的地下水，需要在掌子面建立一定的压力来防止地下水进入土仓，减少水土流失；
工作状态：在土仓内保持少量的渣土，然后向土仓内注入压缩空气或泡沫来辅助进行开挖，渣仓内的下部为渣土，上部为压缩空气；掘进参数主要是渣仓压力、掘进推力、掘进扭矩，半敞开模式掘进的破岩是以滚压破岩为主，切削破岩为辅；
判断条件：同样采用太沙基理论和村山理论进行计算，根据其理论并结合施工实践；
3)、全土压式掘进：
适用环境：开挖面不能自稳风化岩层以及软流塑性的软粘土地层和砂土层；
对盾构机要求：(1)盾构具有土仓土压监测功能；
(2)刀盘适应软土开挖的需要，特别是刀盘开口率及刀盘开口的布置，配置的刀具同样适应于软土开挖；
(3)盾构具有泡沫、膨润土系统，通过注入不同的附加材料，在不同的地层中根据需要进行土仓加压、改良渣土和堵水；
(4)盾体本身具有一定的密封防水性能，即铰接密封和盾尾密封具有一定的防水性能；
(5)刀盘的主轴承密封能承受一定的土压力；
(6)采用人舱作为用于在压力模式下人员进出土仓的通道；
(7)螺旋输送机的出渣量及出渣速度可控制，螺旋输送机可随时关闭，并具有防喷涌的功能，螺旋输送机能建立土塞效应；
(8)盾构具备超前注浆的能力；
工作状态：渣仓处于有压状态下工作，利用掘进渣土对土仓内的土加压或加注辅助材料产生的压力来平衡开挖面的土压及地下水压力，保持工作面的稳定，以避免掌子面坍塌或地层失水过多而引起地表下沉；全土压式模式掘进的掘进参数主要是渣仓压力、掘进推力、掘进扭矩，掘进模式中破岩主要是依靠切刀和齿刀进行破岩，
判断条件：取决于隧道所处于的地层条件和隧道所处的周边环境，在不稳定的地层中采用全土压式模式掘进，并根据施工监控量测的变形累计值和变形速率进行及时调整，此外在一些特殊的地段，不管地层的状况如何，也采用了全土压式模式掘进，但其平衡压力不是根据计算值确定的，而是依据经验进行设定，并在实际施工中进行调整。
2.根据权利要求1所述的一种适用于软硬不均地层的盾构掘进模式，其特征在于：敞开式掘进模式下，必须采取喷水措施对刀具进行降温。
3.根据权利要求1所述的一种适用于软硬不均地层的盾构掘进模式，其特征在于：敞开式掘进模式下，土仓内保的渣土量为土仓体积的1/2～2/3，掘进过程中始终控制保持喳土高度。
4.根据权利要求1所述的一种适用于软硬不均地层的盾构掘进模式，其特征在于：全土压式掘进模式下，在盾构开挖时土仓内的压力P2和掌子面上的压力P1相平衡，其中P2包括土仓内渣土的压力和注入材料的压力，P1等于松弛压力和地下水压力的总和。
5.一种适用于软硬不均地层的盾构掘进模式的转换方法，其特征在于：包括以下操作步骤：
a)敞开掘进与半敞开掘进的相互转换：
a1：敞开式向半敞开式转换：先将螺旋输送机的转速适当调低，使出渣速度小于掘进速度所切削下来的渣土，然后向渣仓内注入压缩空气建立所需气压，及时调节压缩空气的输送速度使气压值相对稳定；
a2：半敞开模式向敞开模式转换：加大螺旋输送机的转速，并将螺旋输送机出料口的开启度加大；确定进行模式转换后，首先关闭供气管停止向渣仓内供气，然后调整螺旋输送机的排渣速度降低渣仓内的压力，直至渣仓内压力降低到零；
b)敞开掘进与全土压式掘进的相互转换：
b1：敞开模式向土压模式转换：首先停止螺旋输送机出渣，使掘进切削下来的渣土尽快填充敞开模式掘进时渣仓内的空间，并使渣仓内的渣土受到挤压而形成土压支撑工作面；当渣仓内的土压达到掘进设计土压值后，再开启螺旋输送机进行排土出渣，并使出渣速度与土压掘进模式的掘进速度所切削下来的渣土量相平衡；
B2：全土压式模式向敞开模式转换：在容许的范围内尽可能地加大螺旋输送机的转速，从而加大出渣速度而降低渣仓内的压力，使得掘进切削下来的渣土能顺利地进入渣仓；降低刀盘转动所需的扭矩以便于加大刀盘的转速，降低总推力；
c)半敞开掘进与全土压式掘进的相互转换：
c1：半敞开模式向全土压式模式转换：转减小螺旋输送机的出渣速度，从而加大渣仓内的压力使渣仓内的空气以逃逸的方式进入地层；注意控制出料口的开启度，同时协调好螺旋输送机的转速，必要时可以停止螺旋输送机的转动进行掘进；
c2：全土压式模式向半敞开模式转换：缓慢的加大螺旋输送机的转速以加大出渣速度，从而降低渣仓内渣土的高度；同时向渣仓内注入压缩空气，以使渣仓内的最小压力不低于设计值；控制总体的出渣量。
6.根据权利要求5所述的一种适用于软硬不均地层的盾构掘进模式的转换方法，其特征在于：根据越三盾构工程的经验分析，在敞开模式下掘进过程中，保持渣仓内的渣土高出螺旋输送机进料口0.8-1.0m的高度距离。
7.根据权利要求5所述的一种适用于软硬不均地层的盾构掘进模式的转换方法，其特征在于：a1)中，若在敞开模式掘进时的刀盘转速是在高档位，则调整到低档位，且切削刀盘的转速控制在1.2rpm以内。
8.根据权利要求5所述的一种适用于软硬不均地层的盾构掘进模式的转换方法，其特征在于：b1)中，在转换过程中停止螺旋输送机后，螺旋输送机的出料口在掘进过程中依然发生排渣时，立即关闭螺旋输送机的出料口；敞开掘进模式向全土压式模式掘进的转换时，需对渣土进行改良，包括渣土的流动性和渣土的止水性。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201911028741.XA CN110985012A (zh) | 2019-10-25 | 2019-10-25 | 一种适用于软硬不均地层的盾构掘进模式及其转换方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201911028741.XA CN110985012A (zh) | 2019-10-25 | 2019-10-25 | 一种适用于软硬不均地层的盾构掘进模式及其转换方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110985012A true CN110985012A (zh) | 2020-04-10 |
Family
ID=70082466
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201911028741.XA Pending CN110985012A (zh) | 2019-10-25 | 2019-10-25 | 一种适用于软硬不均地层的盾构掘进模式及其转换方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110985012A (zh) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111911177A (zh) * | 2020-08-04 | 2020-11-10 | 盾构及掘进技术国家重点实验室 | 一种双模隧道掘进机在频变地层的掘进模式选择判别方法 |
| CN112100709A (zh) * | 2020-08-04 | 2020-12-18 | 中南大学 | 一种基于盾构合理掘进参数分析的渣土泡沫改良参数确定方法 |
| CN112431604A (zh) * | 2020-11-19 | 2021-03-02 | 中铁九局集团第二工程有限公司 | 一种泥岩地层盾构泥饼防结系统及防结方法 |
| CN112473408A (zh) * | 2020-12-15 | 2021-03-12 | 中国电建集团铁路建设有限公司 | 土压平衡盾构泡沫系统、工作方法及计算方法 |
| CN112761646A (zh) * | 2020-12-04 | 2021-05-07 | 中铁工程装备集团有限公司 | 非圆形隧道掘进机、掘进机用破碎装置 |
| CN114109405A (zh) * | 2021-10-20 | 2022-03-01 | 中铁十九局集团轨道交通工程有限公司 | 一种盾构机掘进模式在线转换控制系统 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07238778A (ja) * | 1994-02-28 | 1995-09-12 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 泥水シールド機の泥水処理設備 |
| CN104453923A (zh) * | 2014-10-21 | 2015-03-25 | 中南大学 | 一种以泡沫为添加剂的粘性地层土压平衡盾构渣土改良参数的选取方法 |
| CN109723450A (zh) * | 2019-02-26 | 2019-05-07 | 重庆交通建设(集团)有限责任公司 | 一种复合式tbm隧道掘进施工方法 |
-
2019
- 2019-10-25 CN CN201911028741.XA patent/CN110985012A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07238778A (ja) * | 1994-02-28 | 1995-09-12 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 泥水シールド機の泥水処理設備 |
| CN104453923A (zh) * | 2014-10-21 | 2015-03-25 | 中南大学 | 一种以泡沫为添加剂的粘性地层土压平衡盾构渣土改良参数的选取方法 |
| CN109723450A (zh) * | 2019-02-26 | 2019-05-07 | 重庆交通建设(集团)有限责任公司 | 一种复合式tbm隧道掘进施工方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 谭忠盛等: "软硬不均地层复合盾构的研究及掘进技术", 《岩土力学与工程学报》 * |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111911177A (zh) * | 2020-08-04 | 2020-11-10 | 盾构及掘进技术国家重点实验室 | 一种双模隧道掘进机在频变地层的掘进模式选择判别方法 |
| CN112100709A (zh) * | 2020-08-04 | 2020-12-18 | 中南大学 | 一种基于盾构合理掘进参数分析的渣土泡沫改良参数确定方法 |
| CN112100709B (zh) * | 2020-08-04 | 2022-05-10 | 中南大学 | 一种基于盾构合理掘进参数分析的渣土泡沫改良参数确定方法 |
| CN112431604A (zh) * | 2020-11-19 | 2021-03-02 | 中铁九局集团第二工程有限公司 | 一种泥岩地层盾构泥饼防结系统及防结方法 |
| CN112761646A (zh) * | 2020-12-04 | 2021-05-07 | 中铁工程装备集团有限公司 | 非圆形隧道掘进机、掘进机用破碎装置 |
| CN112473408A (zh) * | 2020-12-15 | 2021-03-12 | 中国电建集团铁路建设有限公司 | 土压平衡盾构泡沫系统、工作方法及计算方法 |
| CN114109405A (zh) * | 2021-10-20 | 2022-03-01 | 中铁十九局集团轨道交通工程有限公司 | 一种盾构机掘进模式在线转换控制系统 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110985012A (zh) | 一种适用于软硬不均地层的盾构掘进模式及其转换方法 | |
| CN110306991B (zh) | 泥水土压双模式盾构机 | |
| CN102364049B (zh) | 一种适用于复合地层的硬岩复合式tbm及其掘进模式 | |
| CN101899978B (zh) | 砂卵石地层中盾构刀具更换方法 | |
| CN100554645C (zh) | 一种复合式土压平衡盾构机 | |
| CN105736004A (zh) | 盾构用衡盾泥气压开仓保压护壁施工方法 | |
| CN109882190B (zh) | 一种适用于长大山岭隧道的多模闭式tbm及其施工方法 | |
| CN107165648A (zh) | 用于盾构机的刀盘设计方法 | |
| CN107143342B (zh) | 一种多刀盘掘进机的渣土改良系统 | |
| CN111396051B (zh) | 无人智能化连采连充保水采煤方法 | |
| CN100519989C (zh) | 复合式平衡盾构机 | |
| CN102230384A (zh) | 土压平衡/泥水加压连续切换式盾构施工方法 | |
| CN111894615A (zh) | 一种气压平衡盾构机及施工方法 | |
| CN105019912B (zh) | 一种盾构法及盾构机 | |
| CN110905533B (zh) | 一种epb-tbm双模式盾构机复合地层的掘进方法 | |
| CN212359762U (zh) | 一种高速智能盾构机 | |
| CN210564541U (zh) | 一种快速掘进机 | |
| CN111140243A (zh) | 泥水平衡盾构机及应用它顶管掘进施工方法 | |
| JP2020139320A (ja) | シールド掘削機およびシールド工法 | |
| CN212359771U (zh) | 一种气压平衡盾构机 | |
| US20130127231A1 (en) | Hydraulic Mining System for Tabular Orebodies Utilising Directional Drilling | |
| CN110030006B (zh) | 通过饱水砂层并在砂层中有大量孤石的盾构开挖方法 | |
| CN112922616A (zh) | 用于盾构穿越施工控制的方法 | |
| CN112709579A (zh) | 河渠快速成型掘进机 | |
| CN111305858B (zh) | 一种混模盾构机 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200410 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |