CN111594190A - 一种盾构穿越不同风险源时的盾构掘进参数控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种盾构穿越不同风险源时的盾构掘进参数控制方法，进行工程地质勘察；根据不同施工方法进行接近关系度分级；建立仿真模拟，通过模拟不同掘进步来研究盾构通过风险源时，地表的沉降情况，进而采取相应的加固措施；试验段预掘进，优化初始施工参数；采用加固近接区土体和同步注浆法进行土体加固，以注浆压力控制为主，注浆量控制为辅；根据穿越不同风险源在现场布置监测点；实际盾构掘进过程中，保持施工的连续性，在盾构施工到达风险源前，停机对盾构机刀盘、刀具、螺旋出土器等构件进行检查。通过该系列措施保证盾构施工开挖面稳定，实现穿越不同风险源的控制与调节方法，降低盾构机掘进过程中穿越不同风险源时的工作面失稳风险。
Description
技术领域
本发明涉及一种盾构掘进参数控制方法，具体为一种盾构穿越不同风险源时的盾构掘进参数控制方法，属于盾构施工技术领域。
背景技术
盾构法隧道随着地下铁道建设的快速发展，盾构隧道的新技术、新方法不断开发和完善，相关的理论不断提高和实用化。目前，国内外在复杂土层盾构隧道建设方面的技术也逐渐成熟。通过调整挖掘模式和挖掘参数维持掌子面的稳定，对周围环境影响小、自动化程度高、施工速度快、优质高效、安全、可靠、环保，并且不受地形、地貌、工程质量、施工进度、环境等方面的影响，尤其适用于地层条件差、地质情况复杂、地下水位高等传统施工不能解决的复杂地质情况。
盾构法施工时，不可避免会穿越各种风险源，往往会引起隧道周围地层的土体扰动，地层土体扰动一方面在地表引起不均匀沉降，当不均匀沉降过大时，使得地表建筑物发生开裂或倾斜；另一方面直接引起地下近接结构物的变位，当变位不均匀时会产生附加应力，如果附加应力超过了结构物的强度，将造成地下结构开裂。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种盾构穿越不同风险源时的盾构掘进参数控制方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种盾构穿越不同风险源时的盾构掘进参数控制方法，包括以下步骤：
(1)首先进行工程地质勘察；
(2)根据不同施工方法进行接近关系度分级；
(3)建立仿真模拟，通过模拟不同掘进步来研究盾构通过风险源时，地表的沉降情况，进而采取相应的加固措施，降低盾构施工带来的影响；
(4)试验段预掘进，优化初始施工参数，包括盾构机推力、扭矩、螺旋输送机扭矩、掘进速度、土仓压力、注浆量、注浆压力、泡沫量、泡沫压力和出土量；
(5)采用加固近接区土体和同步注浆法进行土体加固，以注浆压力控制为主，注浆量控制为辅，确保浆液的饱满；
(6)根据穿越不同风险源在现场布置监测点；
(7)实际盾构掘进过程中，保持施工的连续性，在盾构施工到达风险源前，停机对盾构机刀盘、刀具、螺旋出土器等构件进行检查，确保处于良好工作状态。
作为本发明进一步的方案：所述步骤1的工程地质勘察包括调研盾构隧道穿越不同风险源周围环境基本情况和土层物理学参数。不同风险源类型，距离盾构隧道距离。土层密度、弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角、层厚。
作为本发明进一步的方案：所述步骤2中的根据不同施工方法接近关系度分级分为接近、较接近和一般三类。
作为本发明进一步的方案：所述步骤3中的仿真模拟根据风险源与盾构隧道关系进行分析。将土体弹性模量根据不同风险源现场地层情况取压缩模量的2-5倍。
作为本发明进一步的方案：所述步骤4所述试验段预掘进，通过信息化反馈进一步优化施工参数，对地层变形实现控制，计算盾构单环出土实方量，单环出土虚方量，在盾构出土时严格控制出土量，使每环出土量均在控制范围内，严禁多出。
作为本发明进一步的方案：所述步骤5所述的土体加固在隧道开挖影响范围内与被控制的结构之间设置补偿注浆，注浆材料为水泥+改性水玻璃双液浆，浆液凝固时间调整到25～30秒。
本发明的有益效果是：该盾构穿越不同风险源时的盾构掘进参数控制方法设计合理，可以保证盾构施工开挖面稳定，实现穿越不同风险源的控制与调节方法，降低盾构机掘进过程中穿越不同风险源时的工作面失稳风险。
附图说明
图1为本发明流程示意图；
图2为发明穿越道路风险源时沿轴线布置观察点示意图。
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1，一种盾构穿越不同风险源时的盾构掘进参数控制方法，包括以下步骤：
工程地质勘察，调研盾构隧道穿越不同风险源周围环境基本情况和土层物理学参数。不同风险源类型，距离盾构隧道距离。土层密度、弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角、层厚。风险源一般分为：道路、河流、桥梁。
穿越风险源时考虑盾构施工将对周边环境及其自身产生不良影响，把周边环境与新建地铁结构的相对位置关系用接近度表述，分为接近、较接近和一般三类，不同施工方法的接近关系度分级标准如下表所示
周边环境与新建地铁结构的接近读分级参考标准
其中，H—基坑开挖深度；B—矿山法隧道毛洞设计宽度；D—盾构法隧道设计外径。
根据风险源与盾构隧道关系进行仿真模拟分析。将土体弹性模量根据不同风险源现场地层情况取压缩模量的2-5倍。根据如下公式得到各土层体积模量K和剪切模量G。
根据圣维南原理，将模型尺寸取为地铁隧道开挖洞径的3～5倍最合理，既能满足求解精度要求，也能满足计算速度要求。
根据计算分析，使盾构隧道施工达到设计要求，通过模拟不同掘进步来研究盾构通过风险源时，地表的沉降情况，进而采取相应的加固措施，降低盾构施工带来的影响，确保盾构施工时安全平稳穿越风险源。
施工前进行试验段预掘进。在施工前，首先根据经验选取施工参数，通过对地面变形和对建筑物影响的预测，优化初始施工参数；施工参数包括盾构机推力、扭矩、螺旋输送机扭矩、掘进速度、土仓压力、注浆量、注浆压力、泡沫量、泡沫压力和出土量。施工中通过信息化反馈进一步优化施工参数，对地层变形实现控制，使其不至于影响周围建筑物的正常使用或安全。
试验段掘进过程中总结合理推进参数，对试验段数据进行分析整理，并按照下穿段进行管理，紧密依靠沉降监测数据，及时调整盾构掘进参数，不断完善施工工艺，及时总结出盾构机穿越该类土层的最佳参数，选择合适参数进行穿越不同风险源的施工。
根据实际施工过程中得到的沉降实测数据，挑选典型监测断面按照Peck 公式计算相关参数，计算出比较合理的K值参考范围。
Peck公式计算相关参数表
Peck经验公式法地层沉降位移预测模型：
其中，S(x)—距离隧道中心线为X处地表沉降值(m)；Smax—隧道中心线处地表最大沉降值(m)；i—地表沉降槽曲线拐点到开挖体轴线的距离 (m)；Vi—施工引起的隧道单位长度地层损失。
沉降槽曲线宽度系数的计算公式：
i＝KZ0
其中，K—取决于不同土壤类型的无量纲的常数；Z0—隧道轴线到地表的距离(m)。
求出K值后进行K值精确，利用方差分析法，方差公式为：
式中，D(Xi)为方差；Xi为样本；E(x)为样本平均值；n为样本总数。去除样本中的最大值和最小值，通过上式计算得出方差值，判断出K值变化范围。根据取值范围值对地面沉降进行分析，验证K值正确性。通过K 值预测盾构开挖的地面沉降，及时做好应对措施。
调整好控制掘进速度，确保盾构比较匀速地穿越，同时也能保证刀盘对土体进行充分切削；根据试验段确定的控制土压动态控制，保证掘进面的土压稳定；计算盾构单环出土实方量，单环出土虚方量，在盾构出土时严格控制出土量，使每环出土量控制在计算量的1.10-1.16倍，严禁多出。
采用加固近接区土体和同步注浆法进行土体加固，利用土体损失影响地面沉降的滞后现象严格控制注浆压力和注浆量，以注浆压力控制为主，注浆量控制为辅，确保浆液的饱满。在隧道开挖影响范围内与被控制的结构之间设置补偿注浆，在盾构穿越段同步注浆材料为水泥+改性水玻璃双液浆，浆液凝固时间调整到25～30秒，尽最大程度减少由于浆液凝固时间造成的沉降和浆液损失。
根据穿越不同风险源在现场布置监测点。
①穿越道路风险源时沿轴线(横断面)布置观察点，得到的同一观察点在不同时刻累计沉降量；沿隧道轴线(纵断面)布置一系列观察点，得到不同时刻累计沉降量(以盾构掘进方向为正)。观察点位置示意图如图2所示。
当盾构下穿道路风险源时，选择车流量较低的时候进行穿越，同时指派专职人员在道路风险源处进行现场调查，随时观测、与隧道内及监控室建立紧密联系，同时记录穿越隧道上方地面情况，若出现紧急状况，及时通知相关人员及作业人员，及时设置警示标志牌，防止车辆误入，导致交通意外，同时做好绕道警示标志，让过往车辆顺利绕道行驶。
②当盾构下穿桥梁风险源时，重点关注桥桩竖向位移Sx、水平位移 Sy，结合数值模拟选取靠近隧道一侧桥桩的一些点为观察点，获取模拟盾构施工过程中相应的沉降值绘制曲线进行分析，根据结果进行盾构参数调整，确保Sx＜Sx限值，Sy＜Sy限值。
盾构推进时，要尽量保证盾构掘进轨迹遵循设计轴线，以减小盾构掘进中的纠偏量，从而减小盾构纠偏周边地层的剪切挤压扰动而造成的过大地层损失，降低盾周空隙和盾尾空隙。
盾构施工中，尽量保持施工的连续性。在盾构施工到达风险源前，停机对盾构机刀盘、刀具、螺旋出土器等构件进行检查，确保处于良好工作状态，盾构推进中做好渣土改良等配套工作，降低事故发生几率。
如果遇到情况必须停止推进时，盾构机正面及盾尾要严密封闭，以减小停机期间对周围环境的影响。
③当盾构下穿河流风险源时，在掘进过程中上覆土体厚度会发生变化，隧道拱顶的竖向压应力也会随之改变，所以在穿越河流时，在确定土压力、推进速度、加泥加泡沫量同时并严格保证穿越过程匀速、连续，确保在穿越区不停机的前提下，及时调整注浆压力的大小，切不可使较大的注浆压力作用在河底土体上，以防止河底覆土发生太大的隆起造成土体破坏而引发工程事故。在下穿非河流段和穿越河流段时分别使用0.4MPa～0.5MPa的注浆压力和0.3MPa～0.4MPa的注浆压力。
工作原理：在使用该盾构穿越不同风险源时的盾构掘进参数控制方法时，首先进行工程地质勘察；根据不同施工方法进行接近关系度分级；建立仿真模拟，通过模拟不同掘进步来研究盾构通过风险源时，地表的沉降情况，进而采取相应的加固措施，降低盾构施工带来的影响；试验段预掘进，优化初始施工参数，包括盾构机推力、扭矩、螺旋输送机扭矩、掘进速度、土仓压力、注浆量、注浆压力、泡沫量、泡沫压力和出土量；采用加固近接区土体和同步注浆法进行土体加固，以注浆压力控制为主，注浆量控制为辅，确保浆液的饱满；根据穿越不同风险源在现场布置监测点；实际盾构掘进过程中，保持施工的连续性，在盾构施工到达风险源前，停机对盾构机刀盘、刀具、螺旋出土器等构件进行检查，确保处于良好工作状态；通过该系列措施可以保证盾构施工开挖面稳定，实现穿越不同风险源的控制与调节方法，降低盾构机掘进过程中穿越不同风险源时的工作面失稳风险。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (6)
1.一种盾构穿越不同风险源时的盾构掘进参数控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)首先进行工程地质勘察；
(2)根据不同施工方法进行接近关系度分级；
(3)建立仿真模拟，通过模拟不同掘进步来研究盾构通过风险源时，地表的沉降情况，进而采取相应的加固措施，降低盾构施工带来的影响；
(4)试验段预掘进，优化初始施工参数，包括盾构机推力、扭矩、螺旋输送机扭矩、掘进速度、土仓压力、注浆量、注浆压力、泡沫量、泡沫压力和出土量；
(5)采用加固近接区土体和同步注浆法进行土体加固，以注浆压力控制为主，注浆量控制为辅，确保浆液的饱满；
(6)根据穿越不同风险源在现场布置监测点；
(7)实际盾构掘进过程中，保持施工的连续性，在盾构施工到达风险源前，停机对盾构机刀盘、刀具、螺旋出土器等构件进行检查，确保处于良好工作状态。
2.根据权利要求1所述的一种盾构穿越不同风险源时的盾构掘进参数控制方法，其特征在于：所述步骤1的工程地质勘察包括调研盾构隧道穿越不同风险源周围环境基本情况和土层物理学参数。不同风险源类型，距离盾构隧道距离。土层密度、弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角、层厚。
3.根据权利要求1所述的一种盾构穿越不同风险源时的盾构掘进参数控制方法，其特征在于：所述步骤2中的根据不同施工方法接近关系度分级分为接近、较接近和一般三类。
4.根据权利要求1所述的一种盾构穿越不同风险源时的盾构掘进参数控制方法，其特征在于：所述步骤3中的仿真模拟根据风险源与盾构隧道关系进行分析；将土体弹性模量根据不同风险源现场地层情况取压缩模量的2-5倍。
5.根据权利要求1所述的一种盾构穿越不同风险源时的盾构掘进参数控制方法，其特征在于：所述步骤4所述试验段预掘进，通过信息化反馈进一步优化施工参数，对地层变形实现控制，计算盾构单环出土实方量，单环出土虚方量，在盾构出土时严格控制出土量，使每环出土量均在控制范围内，严禁多出。
6.根据权利要求1所述的一种盾构穿越不同风险源时的盾构掘进参数控制方法，其特征在于：所述步骤5所述的土体加固在隧道开挖影响范围内与被控制的结构之间设置补偿注浆，注浆材料为水泥+改性水玻璃双液浆，浆液凝固时间调整到25～30秒。
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