CN111535821B - 基于盾构掘进参数变化的渣土改良控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于盾构掘进参数变化的渣土改良控制方法及系统，通过实时获取并判断盾构掘进的土仓压力值和刀盘扭矩值是否符合第一条件，若符合第一条件，判断当前使用的掘进参数和改良参数适合当前的掘进地层条件，若不符合第一条件，判断当前使用的掘进参数和改良参数不适合当前的掘进地层条件，调整改良参数和掘进参数直至适合当前的掘进地层条件，通过基于掘进参数变化的改良参数调整获得适应于相应地层的改良参数，期间不需要再次取得未改良渣土进行试验，避免了掘进过程中取土困难及与实际地层条件与取得渣土差异较大，从而导致确定的改良参数不合理等问题。

Description

基于盾构掘进参数变化的渣土改良控制方法及系统

技术领域

本发明属于盾构施工技术领域，尤其涉及一种基于盾构掘进参数变化的渣土改良控制方法。

背景技术

土压平衡盾构由于其施工速度快，对周围环境扰动小，可以较好适应城市中隧道施工条件，已成为城市隧道施工中的首选机型。然而，其顺利掘进的关键是盾构渣土保持为一种“塑性流动”状态，利于土仓内渣土建立有效土压来平衡掌子面水土压力，同时防止出现喷涌、刀盘结泥饼、土仓闭塞或地表变形过大等问题，确定掘进参数稳定在合适的范围之内。由于经切削入土仓内原状渣土难以满足盾构持续稳定工作的需求，务必进行渣土改良，改善渣土的流塑性。

为保证盾构机能够正常的工作，我们需要根据渣土的不同性质在盾构掘进过程中向渣土之中添加诸如泡沫、膨润土等之类的改良剂以使渣土保持为理想的“塑性流动”状态。由于盾构掘进是一个动态过程，施工过程中的渣土改良剂的添加也是一个动态调整的过程，其应根据实际情况实时动态地调整渣土改良参数，以保证盾构能够安全、快速、顺畅地掘进。当前对于盾构渣土改良技术的研究主要是针对特定地层进行渣土改良试验，通过预先确定的理想塑流性状态指标及渣土改良试验结果确定每环渣土改良剂总用量，从而为实际施工过程提供指导。

专利201410561509.3“一种以泡沫为添加剂的粘性地层土压平衡盾构渣土改良的参数选取方法”通过曲线数学关系式拟合，得到液塑限与泡沫注入比的函数关系式以及坍落度与泡沫注入比、含水量的函数关系式。基于塑性指数0.4～0.75的要求，构建了含水量与泡沫注入比之间的关系式，并绘成曲线。根据曲线由最佳坍落度范围确定出最佳泡沫注入比范围。

专利201710595112.X“高水压、高渗透砂性地层土压平衡盾构的渣土改良方法”给出了针对高水压高渗透砂性地层膨润土泥浆改良剂的配方，并根据渣土的含水量确定泥浆的注入量。

专利201810153466.3“粘性地层渣土改良泡沫剂添加量确定方法”采用线性回归方法拟合曲线，确定土体粘聚力与外摩擦角与泡沫比之间的关系，并拟合坍落度与土体粘聚力和外摩擦角之间的关系，确定泡沫的最优添加量。

以上改良方法主要是针对某一特定地层条件，通过渣土改良试验得到每环改良剂的总用量，再根据预计的掘进时间及出渣量大致确定改良参数参考值。其方法虽能对实际施工提供一定指导，但由于盾构每环掘进时间及出渣量根据实际掘进情况不同而异，而渣土改良剂添加量是通过人机界面自动化控制系统的流量仪进行实时控制且随盾构掘进地层条件会发生一定变化，前期确定的改良参数难以较好的适用于实际施工过程以取得预期效果。盾构掘进过程中，盾构司机仅能通过对渣土塑流性状态和掘进参数的直观判断动态调整改良参数，未能系统地形成基于实际盾构掘进状态的渣土改良参数确定方法，一旦判断失误可能会产生较大风险隐患。

发明内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的之一在于提供基于盾构掘进参数变化的渣土改良控制方法及系统。盾构掘进状态主要通过掘进参数及渣土状态来体现，该方法和系统基于盾构掘进过程中掘进参数的变化情况及实际渣土状态动态调整渣土改良参数值，使改良参数设置更加合理，令渣土在掘进过程中保持理想的塑性流动状态。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种基于盾构掘进参数变化的渣土改良控制方法，包括以下步骤：

实时获取并判断盾构掘进的土仓压力值和刀盘扭矩值是否符合第一条件，若符合第一条件，判断当前使用的掘进参数和改良参数适合当前的掘进地层条件，若不符合第一条件，判断当前使用的掘进参数和改良参数不适合当前的掘进地层条件，调整改良参数和掘进参数直至适合当前的掘进地层条件。

优选的，所述第一条件为：

实时获取的土仓压力处于理想土仓阈值内，实时获取的刀盘扭矩值处于理想扭矩阈值内。

优选的，所述掘进参数包括排土速度，所述改良参数包括改良剂用量；调整改良参数和掘进参数直至适合当前的掘进地层条件，具体包括以下步骤：

根据当前的土仓压力值调整盾构机的螺旋输送机的排土速度使土仓压力处于理想土仓阈值内；

根据刀盘扭矩值在当前使用的改良参数的基础上逐步增加改良剂用量直至刀盘扭矩值处于理想扭矩阈值内。

优选的，所述理想土仓阈值为(σ_仓-ζ，σ_仓+ζ)，σ_仓为理想土仓压力，ζ为掘进土层的理想波动阈值，由掘进土层的实际土质状况确定；所述理想扭矩阈值为(0，T_cAVG+(T_cmax-T_cmin)/θ)，T_cmin、T_cmax分别为盾构刀盘扭矩阈值下限、盾构刀盘扭矩阈值上限，T_cAVG为理想刀盘扭矩，θ为精确参数，取值范围为正整数，其具体的取值由用户所需求的精度确定，用户的精度需求越大，取值越大，所述理想土仓压力、盾构刀盘扭矩阈值下限、盾构刀盘扭矩阈值上限以及理想刀盘扭矩均由实际盾构机型号、掘进模式及施工经验确定。

优选的，根据当前的土仓压力值调整盾构机的螺旋输送机的排土速度使土仓压力处于理想土仓阈值内，具体包括以下步骤：

若土仓压力在(σ_仓+ζ，σ_仓+2×ζ)范围内，则增加φrad/min的螺旋输送机转速，所述φ由土仓压力的偏离程度确定，为将土仓压力修正至理想土仓阈值内的螺旋输送机转速；

若土仓压力在(σ_仓-2×ζ，σ_仓-ζ)范围内时，则减小φrad/min的螺旋输送机转速；

若土仓压力在(σ_仓+2×ζ，σ_仓+4×ζ)范围内时，则增加2φrad/min的螺旋输送机转速；

若土仓压力在(σ_仓-4×ζ，σ_仓-2×ζ)范围内时，则减小2φrad/min的螺旋输送机转速；

若土仓压力在(σ_仓+2×ζ，σ_仓+6×ζ)范围内时，则增加3φrad/min的螺旋输送机转速；

若土仓压力在(σ_仓-6×ζ，σ_仓-4×ζ)范围内时，则减小3φrad/min的螺旋输送机转速，所述(σ_仓-6×ζ，σ_仓-6×ζ)为掘进土层的安全土仓阈值(σ_仓-τbar，σ_仓+τbar)的子集，所述τ为掘进土层的允许波动阈值，由掘进土层的实际土质状况确定。

优选的，若掘进地层为黏性土地层，则改良剂包括水；若掘进地层为砂性土地层，则改良剂包括泡沫混合液；若掘进地层为含粗颗粒卵、砾石土的地层，则改良剂包括膨润土泥浆；

根据刀盘扭矩值在当前使用的改良参数的基础上逐步增加改良剂用量直至刀盘扭矩值处于理想扭矩阈值内，具体包括：

若掘进地层为黏性土地层，则以初始注水量的α％作为增量逐步增加改良剂用量直至刀盘扭矩值处于理想扭矩阈值内，α取值范围为正数，具体取值根据实际情况确定；

若掘进地层为砂性土地层，则在保持发泡倍率及泡沫溶液浓度不变的条件下，以初始泡沫混合液注入量的β％作为增量，逐步增加改良剂用量直至刀盘扭矩值处于理想扭矩阈值内，β取值范围为正数，具体取值根据实际情况确定；

若掘进地层为含粗颗粒卵、砾石土的地层，则以初始膨润土泥浆注入量的δ％作为增量，逐步增加改良剂用量直至刀盘扭矩值处于理想扭矩阈值内，δ取值范围为正数，具体取值根据实际情况确定。

优选的，所述掘进参数还包括掘进速度，每次增加改良剂用量后，还包括以下步骤：

统计已逐步增加的改良剂用量，判断所述已逐步增加的改良剂用量是否大于使用阈值，并监测螺旋输送机内是否出现喷涌现象，当判断所述已逐步增加的改良剂用量是否大于使用阈值或检测到螺旋输送机内出现喷涌现象时，减少掘进速度，并根据减少后的掘进速度调整改良参数，使调整后的改良参数与减少后的掘进速度相适应。

优选的，对于砂性土地层，使用阈值为初始泡沫注入量的λ％，λ取值范围为正数，具体取值根据实际情况确定；对于含粗颗粒卵、砾石土的地层使用阈值为初始膨润土泥浆注入量的κ％，κ取值范围为正数，具体取值根据实际情况确定。

优选的，对于粘性土地层或砂性土地层，改良剂包括水和泡沫混合液，盾构机的改良参数包括注水量和泡沫混合液用量，对于含粗颗粒卵、砾石土的地层，改良剂包括膨润土和泡沫混合液，盾构机的改良参数包括膨润土注入量和泡沫混合液用量；所述盾构机的初始改良参数通过以下步骤获取：

对于粘性土地层：

通过粘性土地层渣土改良试验结果获取常压状态下在粘性土地层中每方渣土的理想注水量以及在粘性土地层中的理想泡沫注入比，并根据实际工程经验，得到盾构机在粘性土地层的每环出渣量、粘性土体的密度、掘进时间、粘性土发泡沫倍率、盾构管片长度以及盾构掘进速度，再采用计算公式(2)、(3)得到适用于粘性土地层的初始改良参数：

其中，w_粘为粘性土地层的初始注水量，单位为m³/h，w₁表示常压状态下在粘性土地层中每方渣土的理想注水量，v表示每环出渣量，ρ表示土体的密度，v表示盾构掘进速度，单位为mm/min，F_粘为粘性土地层的初始泡沫混合液用量，单位为L/min，FIR₁表示在粘性土地层中的理想泡沫注入比；h_掘表示掘进时间，h_掘＝L/v，n表示发泡沫倍率，L表示盾构管片长度，单位为mm；

对于砂性土地层：

通过砂性土地层渣土改良试验结果获取常压状态下在砂性土地层中每方渣土的理想注水量以及在砂性土地层中的理想泡沫注入比，并根据实际工程经验，得到盾构机在砂性土地层的每环出渣量、砂性土体的密度、掘进时间、砂性土发泡沫倍率、盾构管片长度以及盾构掘进速度，再采用计算公式(4)、(5)得到适用于砂性土地层的初始改良参数：

其中，w_砂为砂性土地层的初始注水量，单位为m³/h，w₂表示常压状态下在砂性土地层中每方渣土的理想注水量，v表示每环出渣量，ρ表示土体的密度，v表示盾构掘进速度，单位为mm/min，F_砂为砂性土地层的初始泡沫混合液用量，单位为L/min，FIR₂表示在砂性土地层中的理想泡沫注入比；h_掘表示掘进时间；n表示发泡沫倍率，L表示盾构管片长度，单位为mm；

对于含粗颗粒卵、砾石土的地层：

通过含粗颗粒卵、砾石土的地层渣土改良试验结果获取常压状态下在含粗颗粒卵、砾石土的地层的膨润土泥浆注入比以及泡沫注入比；并根据实际工程经验，得到盾构机在含粗颗粒卵、砾石土的地层的每环出渣量，含粗颗粒卵、砾石土的地层的土体的密度，含粗颗粒卵、砾石土的地层的土体的掘进时间，含粗颗粒卵、砾石土的发泡沫倍率，盾构管片长度以及盾构掘进速度；再采用计算公式(6)、(7)得到适用于含粗颗粒卵、砾石土的地层的初始改良参数：

其中，P_粗为含粗颗粒卵、砾石土的地层的膨润土注入量，单位为m³/h，P₃表示常压状态下在含粗颗粒卵、砾石土的地层中每方渣土的理想膨润土注入量，F_粗表示在含粗颗粒卵、砾石土的地层的泡沫混合液用量，单位为L/min；FIR₃表示在含粗颗粒卵、砾石土的地层的理想泡沫注入比。

优选的，当判断当前使用的掘进参数和改良参数适合当前的掘进地层条件，还包括以下步骤：

提高掘进速度,并根据增加后的掘进速度调整改良参数，使调整后的改良参数与增加后的掘进速度相适应；获取调整改良参数后的盾构的土仓压力值和刀盘扭矩值是否符合第一条件，若符合第一条件，继续提高掘进速度直至提高掘进速度后盾构机已无法保持稳定的掘进状态时结束。

优选的，根据掘进速度调整改良参数具体包括以下步骤：

对于首次掘进：

对于粘性土地层中，盾构掘进速度增加或减少后，采用计算公式(14)、(15)得到对应的理论改良参数增量或减量：

其中，Δw_粘在盾构速度增加后表示在粘性土地层中需增加的注水量，在盾构速度减少后表示在粘性土地层中需减少的注水量，w₁表示常压状态下在粘性土地层中每方渣土的理想注水量，v表示每环出渣量，ρ表示土体的密度，Δv在盾构速度增加后表示掘进速度增量，在盾构速度减少后表示掘进速度减量，ΔF_粘在盾构速度增加后表示在粘性土地层中需增加的泡沫混合液用量，在盾构速度减少后表示在粘性土地层中需减少的泡沫混合液用量，FIR₁表示在粘性土地层中的理想泡沫注入比；n表示发泡沫倍率，L表示盾构管片长度，单位为mm；所述w₁和FIR₁均通过粘性土地层渣土改良试验获取；

对于砂性土地层中，盾构掘进速度增加或减少后，采用计算公式(16)、(17)得到对应的理论改良参数增量或减量：

其中，Δw_砂在盾构速度增加后表示在砂性土地层中需增加的注水量，在盾构速度减少后表示在砂性土地层中需减少的注水量，w₂表示常压状态下在砂性土地层中每方渣土的理想注水量，ΔF_砂在盾构速度增加后表示在砂性土地层中需增加的泡沫混合液用量，在盾构速度减少后表示在砂性土地层中需减少的泡沫混合液用量，FIR₂表示在砂性土地层的理想泡沫注入比；所述w₂和FIR₂均通过砂性土地层渣土改良试验获取；

对于含粗颗粒卵、砾石土的地层中，盾构掘进速度增加或减少后，采用计算公式(18)、(19)得到对应的理论改良参数增量或减量：

其中，ΔP_粗在盾构速度增加后表示在含粗颗粒卵、砾石土的地层需增加的膨润土注入量，在盾构速度减少后表示在含粗颗粒卵、砾石土的地层中需减少的膨润土注入量，P₃表示常压状态下在含粗颗粒卵、砾石土的地层中每方渣土的理想膨润土注入量，ΔF_粗在盾构速度增加后表示在含粗颗粒卵、砾石土的地层需增加的泡沫混合液用量，在盾构速度减少后表示在含粗颗粒卵、砾石土的地层中需减少的泡沫混合液用量，FIR₃表示在含粗颗粒卵、砾石土的地层的理想泡沫注入比；所述P₃和FIR₃均通过含粗颗粒卵、砾石土的土地层渣土改良试验获取；

对于非首次掘进：

对于粘性土地层中，盾构掘进速度增加或减少后，采用计算公式(20)、(21)得到对应的理论改良参数增量或减量：

其中，v_上为上一环稳定掘进状态下的掘进速度，w_上为上一环稳定掘进状态下的注水量，单位为m³/h，F_上为上一环稳定掘进状态下的泡沫混合液用量设定值，单位为L/min；

对于砂性土地层中，盾构掘进速度增加或减少后，采用计算公式(22)、(23)得到对应的理论改良参数增量或减量：

对于含粗颗粒卵、砾石土的地层中，盾构掘进速度增加或减少后，采用计算公式(24)、(25)得到对应的理论改良参数增量或减量：

其中，P_上为上一环稳定掘进状态下的膨润土注入量设定值，单位为m³/h。

一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述任一方法的步骤。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明在掘进过程中主要通过基于掘进参数变化的改良参数调整获得适应于相应地层的改良参数，期间不需要再次取得未改良渣土进行试验，避免了掘进过程中取土困难及与实际地层条件与取得渣土差异较大，从而导致确定的改良参数不合理等问题。且本发明是在盾构掘进过程中基于掘进参数对渣土改良参数值进行动态调整，可有效考虑掘进过程中地下水渗流对渣土改良参数的影响，而实际渣土改良试验中往往无法考虑渗流对渣土含水率及改良参数的影响，从而导致确定的合理改良参数无法较好适用于实际工程。因此，所提出的渣土改良参数控制方法更加合理。

(2)在优选方案中，本发明是直接对掘进过程中的改良参数设定值进行控制，避免了从试验获得的理想参数到实际改良参数设定值的换算，利用该方法确定的合理改良参数时，方便快捷的特点十分突出。

(3)在优选方案中，本发明是可直接确定当环的最佳掘进速度、排土速度及对应改良参数，可在最大程度上提高掘进效率，使盾构可稳定安全的在最高掘进速度条件下掘进，大大缩短了施工时间。并且选取的改良参数是与实际掘进模式相适应的，不会出现试验中确定的理想状态渣土塑流性不适用于实际掘进过程这一情况，避免了由于理想渣土状态确定不合理而导致对应改良参数应用于实际工程中出现扭矩过大或螺旋输送喷土等问题。

(4)在优选方案中，本发明可确定适用于当前环的理想改良参数，由于两个掘进环之间的地层条件很少会有剧烈的变化，因此当前掘进环稳定掘进状态下的改良参数可较好的适用于下一环的掘进中。在前一环改良参数的基础上根据实际掘进过程中掘进参数的反应动态调整改良参数，可在地层变化的条件下为盾构确定合理改良参数提供依据。

(5)在优选方案中，本发明通过控制土仓压力及刀盘扭矩在一定范围内，直接实现了通过进行渣土改良试验来为实际中掘进参数的控制提供指导这一目标，并且去除了有理论到实际的转化环节，避免了理论试验与实际施工间条件差异对实施效果的影响，可尽可能的减小盾构机对周围地层的扰动变形，可有效保证盾构掘进的安全性。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明中实施例一的基于盾构掘进参数变化的渣土改良控制方法的流程图；

图2是本发明中实施例二的基于盾构掘进参数变化的渣土改良控制方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例一：

如图1所示，本发明公开了一种基于盾构掘进参数变化的渣土改良控制方法，包括以下步骤：

实时获取并判断盾构掘进的土仓压力值和刀盘扭矩值是否符合第一条件，若符合第一条件，判断当前使用的掘进参数和改良参数适合当前的掘进地层条件，若不符合第一条件，判断当前使用的掘进参数和改良参数不适合当前的掘进地层条件，调整改良参数和掘进参数直至适合当前的掘进地层条件。

此外，在本实施例中，还公开了一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述方法的步骤。

本发明在掘进过程中主要通过基于掘进参数变化的改良参数调整获得适应于相应地层的改良参数，期间不需要再次取得未改良渣土进行试验，避免了掘进过程中取土困难及与实际地层条件与取得渣土差异较大，从而导致确定的改良参数不合理等问题。且本发明是在盾构掘进过程中基于掘进参数对渣土改良参数值进行动态调整，可有效考虑掘进过程中地下水渗流对渣土改良参数的影响，而实际渣土改良试验中往往无法考虑渗流对渣土含水率及改良参数的影响，从而导致确定的合理改良参数无法较好适用于实际工程。因此，所提出的渣土改良参数控制方法更加合理。

实施例二：

实施例二是实施例一的优选实施例，其与实施例一的不同之处在于，对基于盾构掘进参数变化的渣土改良控制方法的具体步骤进行了细化：

在本实施例中，掘进参数包括排土速度和掘进速度，改良参数包括改良剂用量，盾构机的改良参数包括注水量和泡沫混合液用量，对于含粗颗粒卵、砾石土的地层，盾构机的改良参数包括膨润土注入量和泡沫混合液用量；第一条件为：实时获取的土仓压力处于理想土仓阈值内，实时获取的刀盘扭矩值处于理想扭矩阈值内。

如图2所示，本实施例公开了一种基于盾构掘进参数变化的渣土改良控制方法，以土仓压力控制为核心，保持各项掘进参数处于合理范围内使盾构机顺畅掘进为目标，合理控制掘进过程中渣土改良参数值。具体实施过程包括如下步骤：

步骤1：根据实际地质条件、水位深度、隧道埋深等条件，基于公式(1)确定理想土仓

压力σ_仓：σ_仓＝k·α·σ_s+w＝k·α·(σ_s+σ_w) (1)

其中，k为修正系数，α为土仓压力传递系数；σ_s(σ_s＝K·γ_s·H)为土仓内上部土压力传感器埋深处地层水平土应力，K为侧向土压力系数，γ_s为土体重度，H为土压力传感器埋深；σ_w(σ_w＝q·γ_w·h)为土压力传感器埋深处水压力，q为根据土层渗透系数确定的经验值，γ_w为水的容重，h为地下水位距土压力传感器埋深处的高度。

步骤2：为使控制地层变形，盾构掘进过程中掘进参数及改良参数的设置应使土仓压力始终保持在σ_仓附近波动。

步骤3：设置初始改良参数，根据盾构实际掘进情况执行下列子步骤之一确定每环盾构初始掘进参数。

1、首次掘进(第一环)

从基坑中取得盾构初始掘进地层中渣土，根据实际地层类型主要分为以下几种情况对渣土进行改良试验。

(1)粘性土地层

①粘性土地层渣土改良试验：对于粘性土地层，主要采用水和分散型泡沫剂对渣土进行改良，根据试验确定泡沫半衰期及发泡倍率均能达到较佳性能时的溶液浓度为x％，并设定泡沫溶液浓度为x％。每次试验取10L渣土，以2.5％的增量逐渐提高注水量直至渣土成为泥浆状态后不再增加注水量；在每个注水量状态下以2.5％的注入比增加泡沫注入量直至渣土出现析泡沫现象或泡沫注入比高于50％的条件下停止增加泡沫注入量。渣土中加入对应量的改良剂后搅拌均匀，进行坍落度试验，若渣土呈理想塑流性状态，无析水、析泡沫现象，则取该状态下的常压状态下取每方渣土的注水量作为理想注水量w₁,取该状态下的泡沫注入比作为理想泡沫注入比FIR₁。

②根据粘性土地层渣土改良试验结果，根据实际工程经验得到每环出渣量，土体的密度为ρ，掘进时间为h_掘(h_掘＝L/v)，n为发泡沫倍率，L为盾构管片长度，v为盾构掘进速度，并采用计算公式(2)、(3)得到适用于粘性土地层的初始渣土改良参数：注水量w_粘及泡沫混合液用量F_粘。

其中，w_粘为粘性土地层的初始注水量，单位为m³/h，w₁表示常压状态下在粘性土地层中每方渣土的理想注水量，v表示每环出渣量，ρ表示土体的密度，v表示盾构掘进速度，单位为mm/min，F_粘为粘性土地层的初始泡沫混合液用量，单位为L/min，FIR₁表示在粘性土地层中的理想泡沫注入比；h_掘表示掘进时间，h_掘＝L/v，n表示发泡沫倍率，L表示盾构管片长度，单位为mm；

(2)砂性土地层：

①砂性土地层渣土改良试验：对于砂性土地层，主要采用水和泡沫剂对渣土进行改良，每次试验取10L渣土，以2.5％的增量逐渐提高注水量直至渣土出现泌水现象后不再增加注水量；在每个注水量状态下以2.5％的注入比增加泡沫注入量直至渣土出现析泡沫现象或泡沫注入比高于50％的条件下停止增加泡沫注入量。渣土中加入对应量的改良剂后搅拌均匀，进行坍落度试验，若渣土呈理想塑流性状态，无析水、析泡沫现象，则取该状态下的常压状态下取每方渣土的注水量作为理想注水量w2,取该状态下的泡沫注入比作为理想泡沫注入比FIR₂。

②根据砂性土地层渣土改良试验结果，并根据实际工程经验，得到盾构机在砂性土地层的每环出渣量、砂性土体的密度、掘进时间、砂性土发泡沫倍率、盾构管片长度以及盾构掘进速度，再采用计算公式(4)、(5)得到适用于砂性土地层的初始改良参数：注水量设定值w_砂及泡沫混合液用量设定值F_砂。

其中，w_砂为砂性土地层的初始注水量，单位为m³/h，w₂表示常压状态下在砂性土地层中每方渣土的理想注水量，v表示每环出渣量，ρ表示土体的密度，v表示盾构掘进速度，单位为mm/min，F_砂为砂性土地层的初始泡沫混合液用量，单位为L/min，FIR₂表示在砂性土地层中的理想泡沫注入比；h_掘表示掘进时间；n表示发泡沫倍率，L表示盾构管片长度，单位为mm；

(3)含粗颗粒卵、砾石土的地层：

①含粗颗粒卵、砾石土的地层渣土改良试验：对于含粗颗粒卵、砾石土的地层，主要采用膨润土泥浆和泡沫剂对渣土进行改良，每次试验取10L渣土，以1％的增量逐渐提高注水量直至渣土析出膨润土泥浆后不再增加膨润土注入量；在每个膨润土注入量状态下以2.5％的注入比增加泡沫注入量直至渣土出现析泡沫现象或泡沫注入比高于50％的条件下停止增加泡沫注入量。渣土中加入对应量的改良剂后搅拌均匀，进行坍落度试验，若渣土呈理想塑流性状态，无析膨润土泥浆、析泡沫现象，则取该状态下的膨润土泥浆注入比P3作为理想膨润土泥浆，该状态下的泡沫注入比FIR₃作为理想泡沫注入比。

②根据含粗颗粒卵、砾石土的地层渣土改良试验结果，并根据实际工程经验，得到盾构机在含粗颗粒卵、砾石土的地层的每环出渣量，含粗颗粒卵、砾石土的地层的土体的密度，含粗颗粒卵、砾石土的地层的土体的掘进时间，含粗颗粒卵、砾石土的发泡沫倍率，盾构管片长度以及盾构掘进速度；再采用计算公式(6)、(7)得到适用于含粗颗粒卵、砾石土的地层的初始改良参数：膨润土注入量设定值及泡沫混合液用量设定值F_粗(L/min)。

其中，P_粗为含粗颗粒卵、砾石土的地层的膨润土注入量，单位为m³/h，P₃表示常压状态下在含粗颗粒卵、砾石土的地层中每方渣土的理想膨润土注入量，F_粗表示在含粗颗粒卵、砾石土的地层的泡沫混合液用量，单位为L/min；FIR₃表示在含粗颗粒卵、砾石土的地层的理想泡沫注入比；

2、非首次掘进(第二环及之后各环)

根据实际情况可得上一环稳定掘进状态下，掘进速度为v_上，掘进时注水量设定值为w_上(m³/h)，泡沫混合液用量设定值F_上(L/min)，膨润土注入量设定值P_上(m³/h)。

(1)根据前一环稳定掘进状态渣土改良参数，采用计算式(8)、(9)可得到适用于粘性土地层的初始渣土改良参数设定值，注水量设定值w_粘(m³/h)及泡沫混合液用量设定值F_粘(L/min)，v为盾构掘进速度。

(2)根据前一环稳定掘进状态渣土改良参数，采用计算式(10)、(11)可得到适用于砂性土地层的初始渣土改良参数，注水量设定值w_砂(m³/h)及泡沫混合液用量设定值F_砂(L/min)，v为盾构掘进速度。

(3)根据前一环稳定掘进状态渣土改良参数，采用计算式(12)、(13)可得到适用于含粗颗粒卵、砾石土的地层的初始渣土改良参数，膨润土注入量设定值P_粗及泡沫混合液用量设定值F_粗，v为盾构掘进速度。

步骤4：盾构掘进速度增加或减少后，根据实际掘进情况执行下列子步骤之一，确定改良参数理论增加量，计算方法如下所示：

对于首次掘进(第一环)：

对于粘性土地层中，盾构掘进速度增加或减少后，采用计算公式(14)、(15)得到对应的理论改良参数增量或减量：

其中，Δw_粘在盾构速度增加后表示在粘性土地层中需增加的注水量，在盾构速度减少后表示在粘性土地层中需减少的注水量，w₁表示常压状态下在粘性土地层中每方渣土的理想注水量，v表示每环出渣量，ρ表示土体的密度，Δv在盾构速度增加后表示掘进速度增量，在盾构速度减少后表示掘进速度减量，ΔF_粘在盾构速度增加后表示在粘性土地层中需增加的泡沫混合液用量，在盾构速度减少后表示在粘性土地层中需减少的泡沫混合液用量，FIR₁表示在粘性土地层中的理想泡沫注入比；n表示发泡沫倍率，L表示盾构管片长度，单位为mm；w₁和FIR₁均通过粘性土地层渣土改良试验获取；

对于砂性土地层中，盾构掘进速度增加或减少后，采用计算公式(16)、(17)得到对应的理论改良参数增量或减量：

其中，Δw_砂在盾构速度增加后表示在砂性土地层中需增加的注水量，在盾构速度减少后表示在砂性土地层中需减少的注水量，w₂表示常压状态下在砂性土地层中每方渣土的理想注水量，ΔF_砂在盾构速度增加后表示在砂性土地层中需增加的泡沫混合液用量，在盾构速度减少后表示在砂性土地层中需减少的泡沫混合液用量，FIR₂表示在砂性土地层的理想泡沫注入比；w₂和FIR₂均通过砂性土地层渣土改良试验获取；

对于含粗颗粒卵、砾石土的地层中，盾构掘进速度增加或减少后，采用计算公式(18)、(19)得到对应的理论改良参数增量或减量：

其中，ΔP_粗在盾构速度增加后表示在含粗颗粒卵、砾石土的地层需增加的膨润土注入量，在盾构速度减少后表示在含粗颗粒卵、砾石土的地层中需减少的膨润土注入量，P₃表示常压状态下在含粗颗粒卵、砾石土的地层中每方渣土的理想膨润土注入量，ΔF_粗在盾构速度增加后表示在含粗颗粒卵、砾石土的地层需增加的泡沫混合液用量，在盾构速度减少后表示在含粗颗粒卵、砾石土的地层中需减少的泡沫混合液用量，FIR₃表示在含粗颗粒卵、砾石土的地层的理想泡沫注入比；P₃和FIR₃均通过含粗颗粒卵、砾石土的土地层渣土改良试验获取；

对于非首次掘进(第二环及之后各环)：

对于粘性土地层中，盾构掘进速度增加或减少后，采用计算公式(20)、(21)得到对应的理论改良参数增量或减量：

其中，v_上为上一环稳定掘进状态下的掘进速度，w_上为上一环稳定掘进状态下的注水量，单位为m³/h，F_上为上一环稳定掘进状态下的泡沫混合液用量设定值，单位为L/min；

对于砂性土地层中，盾构掘进速度增加或减少后，采用计算公式(22)、(23)得到对应的理论改良参数增量或减量：

(3)含粗颗粒卵、砾石土的地层中，盾构掘进速度增加或减少后，采用计算公式(24)、(25)得到对应的理论改良参数增量或减量：

其中，P_上为上一环稳定掘进状态下的膨润土注入量设定值，单位为m³/h。

步骤5：根据实际盾构机型号、掘进模式及施工经验确定盾构刀盘扭矩阈值(T_cmin，T_cmax)、安全土仓阈值(σ_仓-τbar，σ_仓+τbar)以及刀盘转速阈值(0，v_dmax)，取各个掘进参数阈值的平均值作为盾构掘进过程的理想掘进参数，即理想刀盘扭矩T_cAVG、理想土仓压力σ_仓，在本实施例，根据由掘进土层的实际土质状况确定掘进土层的允许波动阈值τ＝0.3，即安全土仓阈值为(σ_仓-0.3bar，σ_仓+0.3bar)。

步骤6：启动盾构机，设定初始掘进速度为2mm/min、刀盘转速为1.5rad/min、螺机转速1rad/min缓慢推进，结合实际地层条件根据步骤3得到初始渣土改良参数值，设定注水量设定值为w(m³/h)，膨润土泥浆注入量设定值为P(m³/h)，每路泡沫管路泡沫混合液用量设定值F(L/min)(根据已有研究结果泡沫发泡倍率在10以上时可以满足施工要求，因此初步设定发泡倍率n为10)。

步骤7：若盾构机掘进速度改变后土仓压力首次高于σ_仓，则开始执行步骤8。

步骤8：等待15s，根据土仓压力值，执行下列子步骤中的一种后，开始执行步骤9。

(1)若土仓压力在理想土仓阈值内，即在(σ_仓-ζ，σ_仓+ζ)范围内时，则螺旋输送机转速保持不变。

若土仓压力在(σ_仓+ζ，σ_仓+2×ζ)范围内，则增加φrad/min的螺旋输送机转速，所述φ由土仓压力的偏离程度确定，为将土仓压力修正至理想土仓阈值内的螺旋输送机转速；

若土仓压力在(σ_仓-2×ζ，σ_仓-ζ)范围内时，则减小φrad/min的螺旋输送机转速；

若土仓压力在(σ_仓+2×ζ，σ_仓+4×ζ)范围内时，则增加2φrad/min的螺旋输送机转速；

若土仓压力在(σ_仓-4×ζ，σ_仓-2×ζ)范围内时，则减小2φrad/min的螺旋输送机转速；

若土仓压力在(σ_仓+2×ζ，σ_仓+6×ζ)范围内时，则增加3φrad/min的螺旋输送机转速；

若土仓压力在(σ_仓-6×ζ，σ_仓-4×ζ)范围内时，则减小3φrad/min的螺旋输送机转速。

其中，ζ为掘进土层的理想波动阈值，由掘进土层的实际土质状况确定，在本实施例中，由掘进土层的实际土质状况确定ζ＝0.05bar，φ＝0.5，且所述(σ_仓-6×ζ，σ_仓-6×ζ)为掘进土层的安全土仓阈值(σ_仓-τbar，σ_仓+τbar)的子集。

步骤9：螺旋输送机转速改变后等待15s，若最终土仓压力稳定在理想土仓阈值内，即在(σ_仓-0.05bar，σ_仓+0.05bar)范围内时，开始执行步骤10，否则返回执行步骤8。

步骤10：判断盾构机刀盘扭矩值是位于理想扭矩阈值内，即在(0，T_cAVG+(T_cmax-T_cmin)/θ)范围内，若刀盘扭矩在此合理范围内，则开始执行步骤13；若刀盘扭矩大于T_cAVG+(T_cmax-T_cmin)/θ，则开始执行步骤11，在本实施例中，θ＝5。

步骤11：根据实际地层条件，选择下列三种子步骤之一进行执行后，开始执行步骤12。

(1)对于黏性土地层，以初始注水量的α％作为增量，增加注水量，α取值范围为正数，具体取值根据实际情况确定。

(2)对于砂性土地层，在保持发泡倍率及泡沫溶液浓度不变的条件下，以初始泡沫混合液注入量的β％作为增量，增加泡沫注入量，β取值范围为正数，具体取值根据实际情况确定。

(3)对于粗颗粒卵、砾石土的地层，以初始膨润土泥浆注入量的δ％作为增量，增加膨润土泥浆注量，δ取值范围为正数，具体取值根据实际情况确定。

在本实施例中，α＝2，β＝5，δ＝1。

步骤12：根据实际地层条件，执行下列子步骤中的一项，此外，在本实施例中，对于砂性土地层，使用阈值为初始泡沫注入量的λ％；对于含粗颗粒卵、砾石土的地层使用阈值为初始膨润土泥浆注入量的κ％，在本实施例中，λ＝50，κ＝20：

(1)粘性土地层中，出现螺旋输送机出现喷涌、喷土现象时，刀盘扭矩依旧保持增加趋势，表明此掘进速度条件下盾构已不能保持稳定的掘进状态，则开始执行步骤14。若上述情况皆未出现，则返回执行步骤10。

(2)在砂性土地层中，若改良剂总用量是否大于使用阈值，即当泡沫注入增量达到初始泡沫注入量的50％时或螺旋输送机出现喷涌现象刀盘扭矩依旧保持增加趋势，表明此掘进速度条件下盾构已不能保持稳定的掘进状态，则开始执行步骤14。若上述情况皆未出现，则返回执行步骤10。

(3)在含粗颗粒卵、砾石土的地层中，若改良剂总用量是否大于使用阈值，当膨润土泥浆注入增量达到初始膨润土泥浆注入量的20％或螺旋输送机出现喷涌现象时，刀盘扭矩依旧保持增加趋势，表明此掘进速度条件下盾构已不能保持稳定的掘进状态，则开始执行步骤14。若上述情况皆未出现，则返回执行步骤10。

步骤13：提高2mm/min的盾构掘进速度，并在原有改良参数的基础上，根据步骤4计算得到提高对应掘进速度所需增加的改良剂增量，并重新设定增加后的改良参数值后，返回步骤7。

步骤14：减小掘进速度2mm/min，并根据当前掘进速度，调整恢复与该掘进速度相适应的相应改良参数，并保持该状态稳定掘进，直至本环结束。

综上可知，本发明在掘进过程中主要通过基于掘进参数变化的改良参数调整获得适应于相应地层的改良参数，期间不需要再次取得未改良渣土进行试验，避免了掘进过程中取土困难及与实际地层条件与取得渣土差异较大，从而导致确定的改良参数不合理等问题。且本发明是在盾构掘进过程中基于掘进参数对渣土改良参数值进行动态调整，可有效考虑掘进过程中地下水渗流对渣土改良参数的影响，而实际渣土改良试验中往往无法考虑渗流对渣土含水率及改良参数的影响，从而导致确定的合理改良参数无法较好适用于实际工程。因此，所提出的渣土改良参数控制方法更加合理。

在优选方案中，本发明是直接对掘进过程中的改良参数设定值进行控制，避免了从试验获得的理想参数到实际改良参数设定值的换算，利用该方法确定的合理改良参数时，方便快捷的特点十分突出。

在优选方案中，本发明是可直接确定当环的最佳掘进速度、排土速度及对应改良参数，可在最大程度上提高掘进效率，使盾构可稳定安全的在最高掘进速度条件下掘进，大大缩短了施工时间。并且选取的改良参数是与实际掘进模式相适应的，不会出现试验中确定的理想状态渣土塑流性不适用于实际掘进过程这一情况，避免了由于理想渣土状态确定不合理而导致对应改良参数应用于实际工程中出现扭矩过大或螺旋输送喷土等问题。

在优选方案中，本发明可确定适用于当前环的理想改良参数，由于两个掘进环之间的地层条件很少会有剧烈的变化，因此当前掘进环稳定掘进状态下的改良参数可较好的适用于下一环的掘进中。在前一环改良参数的基础上根据实际掘进过程中掘进参数的反应动态调整改良参数，可在地层变化的条件下为盾构确定合理改良参数提供依据。

在优选方案中，本发明通过控制土仓压力及刀盘扭矩在一定范围内，直接实现了通过进行渣土改良试验来为实际中掘进参数的控制提供指导这一目标，并且去除了有理论到实际的转化环节，避免了理论试验与实际施工间条件差异对实施效果的影响，可尽可能的减小盾构机对周围地层的扰动变形，可有效保证盾构掘进的安全性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种基于盾构掘进参数变化的渣土改良控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

实时获取并判断盾构掘进的土仓压力值和刀盘扭矩值是否符合第一条件，若符合第一条件，判断当前使用的掘进参数和改良参数适合当前的掘进地层条件，若不符合第一条件，判断当前使用的掘进参数和改良参数不适合当前的掘进地层条件，调整改良参数和掘进参数直至适合当前的掘进地层条件；

所述掘进参数包括排土速度，调整改良参数直至适合当前的掘进地层条件包括：根据当前的土仓压力值调整盾构机的螺旋输送机的排土速度使土仓压力处于理想土仓阈值内；所述理想土仓阈值为(σ_仓-ζ，σ_仓+ζ)，σ_仓为理想土仓压力，ζ为掘进土层的理想波动阈值，由掘进土层的实际土质状况确定；

根据当前的土仓压力值调整盾构机的螺旋输送机的排土速度使土仓压力处于理想土仓阈值内，具体包括以下步骤：

若土仓压力在(σ_仓+ζ，σ_仓+2×ζ)范围内，则增加φrad/min的螺旋输送机转速，所述φ由土仓压力的偏离程度确定，为将土仓压力修正至理想土仓阈值内的螺旋输送机转速；

若土仓压力在(σ_仓-2×ζ，σ_仓-ζ)范围内时，则减小φrad/min的螺旋输送机转速；

若土仓压力在(σ_仓+2×ζ，σ_仓+4×ζ)范围内时，则增加2φrad/min的螺旋输送机转速；

若土仓压力在(σ_仓-4×ζ，σ_仓-2×ζ)范围内时，则减小2φrad/min的螺旋输送机转速；

若土仓压力在(σ_仓+2×ζ，σ_仓+6×ζ)范围内时，则增加3φrad/min的螺旋输送机转速；

若土仓压力在(σ_仓-6×ζ，σ_仓-4×ζ)范围内时，则减小3φrad/min的螺旋输送机转速；所述(σ_仓-6×ζ，σ_仓-6×ζ)为掘进土层的安全土仓阈值(σ_仓-τbar，σ_仓+τbar)的子集，所述τ为掘进土层的允许波动阈值，由掘进土层的实际土质状况确定。

2.根据权利要求1所述的基于盾构掘进参数变化的渣土改良控制方法，其特征在于，所述第一条件为：

实时获取的土仓压力处于理想土仓阈值内，实时获取的刀盘扭矩值处于理想扭矩阈值内。

3.根据权利要求2所述的基于盾构掘进参数变化的渣土改良控制方法，其特征在于，所述改良参数包括改良剂用量；调整改良参数直至适合当前的掘进地层条件，具体包括以下步骤：

根据刀盘扭矩值在当前使用的改良参数的基础上逐步增加改良剂用量直至刀盘扭矩值处于理想扭矩阈值内。

4.根据权利要求2或3中所述的基于盾构掘进参数变化的渣土改良控制方法，其特征在于，所述理想扭矩阈值为(0，T_cAVG+(T_cmax-T_cmin)/θ)，T_cmin、T_cmax分别为盾构刀盘扭矩阈值下限、盾构刀盘扭矩阈值上限，T_cAVG为理想刀盘扭矩，θ为精确参数，取值范围为正整数，其具体的取值由用户所需求的精度确定，用户的精度需求越大，取值越大，所述理想土仓压力、盾构刀盘扭矩阈值下限、盾构刀盘扭矩阈值上限以及理想刀盘扭矩均由实际盾构机型号、掘进模式及施工经验确定。

5.根据权利要求3所述的基于盾构掘进参数变化的渣土改良控制方法，其特征在于，若掘进地层为黏性土地层，则改良剂包括水；若掘进地层为砂性土地层，则改良剂包括泡沫混合液；若掘进地层为含粗颗粒卵、砾石土的地层，则改良剂包括膨润土泥浆；根据刀盘扭矩值在当前使用的改良参数的基础上逐步增加改良剂用量直至刀盘扭矩值处于理想扭矩阈值内，具体包括：

若掘进地层为黏性土地层，则以初始注水量的α％作为增量逐步增加改良剂用量直至刀盘扭矩值处于理想扭矩阈值内，α取值范围为正数，具体取值根据实际情况确定；

若掘进地层为砂性土地层，则在保持发泡倍率及泡沫溶液浓度不变的条件下，以初始泡沫混合液注入量的β％作为增量，逐步增加改良剂用量直至刀盘扭矩值处于理想扭矩阈值内，β取值范围为正数，具体取值根据实际情况确定；

若掘进地层为含粗颗粒卵、砾石土的地层，则以初始膨润土泥浆注入量的δ％作为增量，逐步增加改良剂用量直至刀盘扭矩值处于理想扭矩阈值内，δ取值范围为正数，具体取值根据实际情况确定。

6.根据权利要求5所述的基于盾构掘进参数变化的渣土改良控制方法，其特征在于，所述掘进参数还包括掘进速度，每次增加改良剂用量后，还包括以下步骤：

统计已逐步增加的改良剂用量，判断所述已逐步增加的改良剂用量是否大于使用阈值，并监测螺旋输送机内是否出现喷涌现象，当判断所述已逐步增加的改良剂用量是否大于使用阈值或检测到螺旋输送机内出现喷涌现象时，减少掘进速度，并根据减少后的掘进速度调整改良参数，使调整后的改良参数与减少后的掘进速度相适应。

7.根据权利要求6所述的基于盾构掘进参数变化的渣土改良控制方法，其特征在于，对于砂性土地层，使用阈值为初始泡沫注入量的λ％，λ取值范围为正数，具体取值根据实际情况确定；对于含粗颗粒卵、砾石土的地层使用阈值为初始膨润土泥浆注入量的κ％，κ取值范围为正数，具体取值根据实际情况确定。

8.根据权利要求7所述的基于盾构掘进参数变化的渣土改良控制方法，其特征在于，对于粘性土地层或砂性土地层，改良剂包括水和泡沫混合液，盾构机的改良参数包括注水量和泡沫混合液用量，对于含粗颗粒卵、砾石土的地层，改良剂包括膨润土和泡沫混合液，盾构机的改良参数包括膨润土注入量和泡沫混合液用量；所述盾构机的初始改良参数通过以下步骤获取：

对于粘性土地层：

通过粘性土地层渣土改良试验结果获取常压状态下在粘性土地层中每方渣土的理想注水量以及在粘性土地层中的理想泡沫注入比，并根据实际工程经验，得到盾构机在粘性土地层的每环出渣量、粘性土体的密度、掘进时间、粘性土发泡沫倍率、盾构管片长度以及盾构掘进速度，再采用计算公式(2)、(3)得到适用于粘性土地层的初始改良参数：

其中，w_粘为粘性土地层的初始注水量，单位为m³/h，w₁表示常压状态下在粘性土地层中每方渣土的理想注水量，v表示每环出渣量，ρ表示土体的密度，v表示盾构掘进速度，单位为mm/min，F_粘为粘性土地层的初始泡沫混合液用量，单位为L/min，FIR₁表示在粘性土地层中的理想泡沫注入比；h_掘表示掘进时间，h_掘＝L/v，n表示发泡沫倍率，L表示盾构管片长度，单位为mm；

对于砂性土地层：

通过砂性土地层渣土改良试验结果获取常压状态下在砂性土地层中每方渣土的理想注水量以及在砂性土地层中的理想泡沫注入比，并根据实际工程经验，得到盾构机在砂性土地层的每环出渣量、砂性土体的密度、掘进时间、砂性土发泡沫倍率、盾构管片长度以及盾构掘进速度，再采用计算公式(4)、(5)得到适用于砂性土地层的初始改良参数：

其中，w_砂为砂性土地层的初始注水量，单位为m³/h，w₂表示常压状态下在砂性土地层中每方渣土的理想注水量，v表示每环出渣量，ρ表示土体的密度，v表示盾构掘进速度，单位为mm/min，F_砂为砂性土地层的初始泡沫混合液用量，单位为L/min，FIR₂表示在砂性土地层中的理想泡沫注入比；h_掘表示掘进时间；n表示发泡沫倍率，L表示盾构管片长度，单位为mm；

对于含粗颗粒卵、砾石土的地层：

通过含粗颗粒卵、砾石土的地层渣土改良试验结果获取常压状态下在含粗颗粒卵、砾石土的地层的膨润土泥浆注入比以及泡沫注入比；并根据实际工程经验，得到盾构机在含粗颗粒卵、砾石土的地层的每环出渣量，含粗颗粒卵、砾石土的地层的土体的密度，含粗颗粒卵、砾石土的地层的土体的掘进时间，含粗颗粒卵、砾石土的发泡沫倍率，盾构管片长度以及盾构掘进速度；再采用计算公式(6)、(7)得到适用于含粗颗粒卵、砾石土的地层的初始改良参数：

其中，P_粗为含粗颗粒卵、砾石土的地层的膨润土注入量，单位为m³/h，P₃表示常压状态下在含粗颗粒卵、砾石土的地层中每方渣土的理想膨润土注入量，F_粗表示在含粗颗粒卵、砾石土的地层的泡沫混合液用量，单位为L/min；FIR₃表示在含粗颗粒卵、砾石土的地层的理想泡沫注入比。

9.根据权利要求8所述的基于盾构掘进参数变化的渣土改良控制方法，其特征在于，当判断当前使用的掘进参数和改良参数适合当前的掘进地层条件，还包括以下步骤：

提高掘进速度,并根据增加后的掘进速度调整改良参数，使调整后的改良参数与增加后的掘进速度相适应；获取调整改良参数后的盾构的土仓压力值和刀盘扭矩值是否符合第一条件，若符合第一条件，继续提高掘进速度直至提高掘进速度后盾构机已无法保持稳定的掘进状态时结束。

10.根据权利要求9所述的基于盾构掘进参数变化的渣土改良控制方法，其特征在于，根据掘进速度调整改良参数具体包括以下步骤：

对于首次掘进：

对于粘性土地层中，盾构掘进速度增加或减少后，采用计算公式(14)、(15)得到对应的理论改良参数增量或减量：

其中，Δw_粘在盾构速度增加后表示在粘性土地层中需增加的注水量，在盾构速度减少后表示在粘性土地层中需减少的注水量，w₁表示常压状态下在粘性土地层中每方渣土的理想注水量，v表示每环出渣量，ρ表示土体的密度，Δv在盾构速度增加后表示掘进速度增量，在盾构速度减少后表示掘进速度减量，ΔF_粘在盾构速度增加后表示在粘性土地层中需增加的泡沫混合液用量，在盾构速度减少后表示在粘性土地层中需减少的泡沫混合液用量，FIR₁表示在粘性土地层中的理想泡沫注入比；n表示发泡沫倍率，L表示盾构管片长度，单位为mm；所述w₁和FIR₁均通过粘性土地层渣土改良试验获取；

对于砂性土地层中，盾构掘进速度增加或减少后，采用计算公式(16)、(17)得到对应的理论改良参数增量或减量：

其中，Δw_砂在盾构速度增加后表示在砂性土地层中需增加的注水量，在盾构速度减少后表示在砂性土地层中需减少的注水量，w₂表示常压状态下在砂性土地层中每方渣土的理想注水量，ΔF_砂在盾构速度增加后表示在砂性土地层中需增加的泡沫混合液用量，在盾构速度减少后表示在砂性土地层中需减少的泡沫混合液用量，FIR₂表示在砂性土地层的理想泡沫注入比；所述w₂和FIR₂均通过砂性土地层渣土改良试验获取；

对于含粗颗粒卵、砾石土的地层中，盾构掘进速度增加或减少后，采用计算公式(18)、(19)得到对应的理论改良参数增量或减量：

其中，ΔP_粗在盾构速度增加后表示在含粗颗粒卵、砾石土的地层需增加的膨润土注入量，在盾构速度减少后表示在含粗颗粒卵、砾石土的地层中需减少的膨润土注入量，P₃表示常压状态下在含粗颗粒卵、砾石土的地层中每方渣土的理想膨润土注入量，ΔF_粗在盾构速度增加后表示在含粗颗粒卵、砾石土的地层需增加的泡沫混合液用量，在盾构速度减少后表示在含粗颗粒卵、砾石土的地层中需减少的泡沫混合液用量，FIR₃表示在含粗颗粒卵、砾石土的地层的理想泡沫注入比；所述P₃和FIR₃均通过含粗颗粒卵、砾石土的土地层渣土改良试验获取；

对于非首次掘进：

对于粘性土地层中，盾构掘进速度增加或减少后，采用计算公式(20)、(21)得到对应的理论改良参数增量或减量：

其中，v_上为上一环稳定掘进状态下的掘进速度，w_上为上一环稳定掘进状态下的注水量，单位为m³/h，F_上为上一环稳定掘进状态下的泡沫混合液用量设定值，单位为L/min；

对于砂性土地层中，盾构掘进速度增加或减少后，采用计算公式(22)、(23)得到对应的理论改良参数增量或减量：

对于含粗颗粒卵、砾石土的地层中，盾构掘进速度增加或减少后，采用计算公式(24)、(25)得到对应的理论改良参数增量或减量：

其中，P_上为上一环稳定掘进状态下的膨润土注入量设定值，单位为m³/h。

11.一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述权利要求1至10任一所述方法的步骤。

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