CN111828037B - 长距离岩石顶管中继间布置方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种长距离岩石顶管中继间布置方法，确定管岩全接触状态下管节的最大单位长度摩阻力，并通过管节的最大单位长度摩阻力、中继间的最大推力和安全系数，确定应对管节与围岩处于全接触这种极端情况的第一中继间与机头之间的最大距离，以及相邻中继间之间的最大间距，并将最大距离与经验阈值范围进行比较，若最大距离小于经验阈值范围，则按照最大距离布置第一中继间，反之，按照经验阈值范围布置第一中继间，对于其余中继间可以按照最大间距布置，并在施工后期可以根据顶进施工情况适当调整安全系数，如此就可以保证拥有足够的顶力储备应对管节处于不同接触状态的顶力需求，还可以减少中继间数量，节约施工成本和后期拆卸工作量。

Description

长距离岩石顶管中继间布置方法

技术领域

本发明涉及隧道施工技术领域，具体涉及一种长距离岩石顶管中继间布置方法。

背景技术

中继间是长距离顶管施工中必不可少的设备，通过加设中继间的方法，可以把原来需要一次性连续顶进的管道，分成若干个短距离的小段来分别加以顶进。在实际应用中，如何合理地布置中继间之间的间距对于长距离顶管施工非常重要。如果中继间之间的间距过短，则会增加中继间的数量，这样不仅增加施工成本，而且也增加了后续拆除中继间的工作量。而如果中继间之间的间距过长，则会出现顶力过大导致卡管和管节开裂的现象。

为解决该技术问题，现有技术提供了在土层顶管施工中布置中继间的技术。但在岩石顶管施工中，刀盘开挖的碎石会沉积在管节底部，随着管节底部的沉渣逐渐增多，管节会由注浆效果良好时的悬浮状态转变为顶部接触状态，如果沉渣继续增多，管节就会转变为底部填充状态，如果管节底部的沉渣角度2θ超过180度，管节的上部区域也会被沉渣填充，管节将转变为上部填充状态。

由于受到的摩阻力会管节和围岩的接触状态变化而改变，所以在岩石顶管施工中布置中继间会比土层顶管施工更为复杂。而现有技术中并没有提供在岩石顶管施工中布置中继间的手段，所以，亟需一种在长距离岩石顶管施工中布置中继间的技术。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提出一种长距离岩石顶管中继间布置方法，可以通过岩石顶管施工中最不利情况时管节的最大单位长度摩阻力，确定首个中继间与机头之间的最大距离，和相邻中继间之间的最大间距，并以此合理布置中继间在岩石顶管中的位置和数量，以便应对管节处于不同接触状态。

具体技术方案如下：

提供了一种长距离岩石顶管中继间布置方法，在第一种可实现方式中，包括：

确定管岩全接触状态下管节的最大单位长度摩阻力；

通过管节的最大单位长度摩阻力、中继间的最大推力和安全系数确定第一中继间与机头之间的最大距离，以及相邻中继间之间的最大间距；

根据第一中继间与机头之间的最大距离，以及中继间之间的最大间距布置中继间。

结合第一种可实现方式，在第二种可实现方式中，所述确定管岩全接触状态下管节的最大单位长度摩阻力包括：

确定管岩全接触状态下的最大管岩摩擦系数；

采集管节外半径、每延米重量、每延米配重，以及岩石重度和内摩擦角；

通过管节外半径、每延米重量、每延米配重、岩石重度、内摩擦角、最大管岩摩擦系数计算管节的最大单位长度摩阻力。

结合第二种可实现方式，在第三种可实现方式中，所述确定管岩全接触状态下的最大管岩摩擦系数包括：

采集施工现场的岩石构建原岩试件，以及构建表面粗糙度与所使用管节相同的管节试件；

通过岩石剪切流变试验机进行管岩接触面直剪试验确定管岩全接触状态下的最大管岩摩擦系数。

结合第二种可实现方式，在第四种可实现方式中，采用以下计算公式计算管节的最大单位长度摩阻力f：

其中，R为管节外半径，G_c是管节的每延米重量，G_s为管节的每延米配重，μ_s为最大管岩摩擦系数，

为岩石内摩擦角，γ_r为围岩重度。

结合第一种可实现方式，在第五种可实现方式中，采用以下计算公式计算第一中继间与机头之间的最大距离L₁：

其中，F_z为中继间的最大推力，F_face为机头阻力，γ为安全系数。

结合第一种可实现方式，在第六种可实现方式中，采用以下计算公式计算中继间之间的最大间距L₂：

结合第一至六种可实现方式中的任意一种可实现方式，在第七种可实现方式中，还包括判断计算得到第一中继间与机头之间的最大距离是否超过预设的经验阈值范围；

若没有超过，则直接按照计算得到第一中继间与机头之间的最大距离布置第一中继间；

若超过，则按照经验阈值范围布置第一中继间。

结合第一至六种可实现方式中的任意一种可实现方式，在第八种可实现方式中，还包括根据顶进施工情况调整所述安全系数。

有益效果：采用本发明的长距离岩石顶管中继间布置方法，可以确定足以应对管节与围岩处于全接触这种极端情况的第一中继间与机头之间的最大距离，以及相邻中继间之间的最大间距，并以此在顶进过程中合理地布置中继间的距离，保证拥有足够的顶力储备应对管节处于不同接触状态的顶力需求，还可以在施工后期根据顶进施工情况适当调整安全系数，保证能够顺利施工的同时，减少中继间数量，节约施工成本和后期拆卸工作量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明的布置方法流程图；

图2为管节与围岩的接触状态示意图；

图3为沉渣与管节的接触示意图。

图4为确定管节的最大单位长度摩阻力的流程图；

图5为中继间的布置位置示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示的长距离岩石顶管中继间布置方法的流程图，该布置方法包括：

步骤1-1、确定管岩全接触状态下管节的最大单位长度摩阻力；

步骤1-2、通过管节的最大单位长度摩阻力、中继间的最大推力和安全系数确定第一中继间与机头之间的最大距离，以及相邻中继间之间的最大间距；

步骤1-3、根据第一中继间与机头之间的最大距离，以及中继间之间的最大间距布置中继间。

具体而言，随着开挖的碎石会在管节底部沉积，管节底部的沉渣角度会逐渐增大，管节与围岩之间的接触状态也从图2所示的4种接触状态。如图3所示，如果管节底部的沉渣持续增加，沉渣角度2θ达到360度这种极限情况，管节与围岩之间被碎屑填充，此时管节受到的单位长度摩阻力最大。通过最大单位长度摩阻力可以确定足以应对极端情况的第一中继间与机头之间的最大距离，以及相邻中继间之间的最大间距，如此布置中继间就可以保证拥有足够的顶力储备以应对管节处于各种接触状态。

在本实施例中，优选的，如图4所示，所述确定管岩全接触状态下管节的最大单位长度摩阻力包括：

步骤2-1、确定管岩全接触状态下的最大管岩摩擦系数；

在本实施例中，通过管岩接触面直剪试验确定管岩全接触状态下的最大管岩摩擦系数，具体包括：

采集施工现场的岩石构建原岩试件，以及构建表面粗糙度与所使用管节相同的管节试件；

通过岩石剪切流变试验机进行管岩接触面直剪试验确定管岩全接触状态下的最大管岩摩擦系数。试验过程中施加恒定的4KN的法向力，并采用10mm/min剪切速率剪切管-岩接触面，剪切位移设定为12mm。最后，通过计算剪力与轴力的比值获得最大管岩摩擦系数。

步骤2-2、采集管节外半径、每延米重量、每延米配重，以及岩石重度和内摩擦角；

步骤2-3、通过管节外半径、每延米重量、每延米配重、岩石重度、内摩擦角、最大管岩摩擦系数计算管节的最大单位长度摩阻力。当管节处于管岩全接触状态时，管节受到的摩阻力是由润滑泥浆摩阻力、接触压力引起的摩阻力以及侧向压力引起的侧摩阻力组成，而且由于整个管节与围岩之间被碎屑填充，润滑泥浆难以注入管节与围岩之间，润滑泥浆会逐渐流失，可以忽略管节受到的浮力。综上可以采用以下计算公式计算管节的最大单位长度摩阻力f：

其中，R为管节外半径，G_c是管节的每延米重量，G_s为管节的每延米配重，μ_s为最大管岩摩擦系数，

为岩石内摩擦角，γ_r为围岩重度。

具体而言，首先，可以通过试验确定管节与围岩处于全接触状态时的最大管岩摩擦系数，然后，可以直接测量管节的管节外半径、每延米重量、每延米配重，并通过现有的检测方法检测施工现场的岩石重度和内摩擦角。最后，根据管节外半径、每延米重量、每延米配重、岩石重度、内摩擦角、最大管岩摩擦系数，采用上式就可以计算得到管节的最大单位长度摩阻力。

在本实施例中，确定管节的最大单位长度摩阻力后，第一中继间主要是克服机头受到的阻力和管节受到的摩阻力，所以可以采用以下计算公式计算第一中继间与机头之间的最大距离L₁：

其中，F_z为中继间的最大推力，F_face为机头阻力，γ为安全系数。

中继间的最大推力F_z可以根据中继间所使用的油缸的推力和数量确定，机头阻力F_face可以直接从机头的设备中读取，在顶进初期，安全系数可以设置得较大。

计算得到第一中继间与机头之间的最大距离后，为更好第应对不良地质条件，可以将最大距离与人为设定的经验阈值范围进行对比，如果计算得到的最大距离没有超过经验阈值范围，则直接按照计算得到第一中继间与机头之间的最大距离布置第一中继间，如图5所示。反之，则需要按照经验阈值范围布置第一中继间。

在本实施例中，优选的，除第一中继间外，其余的中继间主要克服的是管节受到的摩阻力，所以可以采用以下计算公式计算中继间之间的最大间距L₂：

具体而言，如图5所示，在安装第一中继间后的其他中继间时，需要保证第二中继间与第一中继间之间的间距不能大于最大间距L₂，其余相邻中继间之间的间距同样不能大于最大间距L₂。如此才能拥有足够多的顶力储备以满足管节不同接触状态的需求。

在本实施例中，优选的，还包括根据顶进施工情况调整所述安全系数。在顶进快要结束时，在已经清楚顶进范围内的地质情况下，可以适当放宽安全系数的取值，在确保能顺利施工的同时，可以减少中继间的数量，节约施工成本和后期拆除的工作量。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (6)

1.一种长距离岩石顶管中继间布置方法，其特征在于，包括：

确定管岩全接触状态下管节的最大单位长度摩阻力；

通过管节的最大单位长度摩阻力、中继间的最大推力和安全系数确定管节与围岩处于全接触这种极端情况的第一中继间与机头之间的最大距离，以及相邻中继间之间的最大间距；

根据第一中继间与机头之间的最大距离，以及中继间之间的最大间距布置中继间；

所述确定管岩全接触状态下管节的最大单位长度摩阻力包括：

确定管岩全接触状态下的最大管岩摩擦系数；

采集管节外半径、每延米重量、每延米配重，以及岩石重度和内摩擦角；

通过管节外半径、每延米重量、每延米配重、岩石重度、内摩擦角、最大管岩摩擦系数计算管节的最大单位长度摩阻力；

采用以下计算公式计算管节的最大单位长度摩阻力f：

其中，R为管节外半径，G_c是管节的每延米重量，G_s为管节的每延米配重，μ_s为最大管岩摩擦系数，

为岩石内摩擦角，γ_r为围岩岩石重度。

2.根据权利要求1所述的长距离岩石顶管中继间布置方法，其特征在于，所述确定管岩全接触状态下的最大管岩摩擦系数包括：

采集施工现场的岩石构建原岩试件，以及构建表面粗糙度与所使用管节相同的管节试件；

通过岩石剪切流变试验机进行管岩接触面直剪试验确定管岩全接触状态下的最大管岩摩擦系数。

3.根据权利要求1所述的长距离岩石顶管中继间布置方法，其特征在于，采用以下计算公式计算第一中继间与机头之间的最大距离L₁：

其中，F_z为中继间的最大推力，F_face为机头阻力，γ为安全系数。

4.根据权利要求3所述的长距离岩石顶管中继间布置方法，其特征在于，采用以下计算公式计算中继间之间的最大间距L₂：

5.根据权利要求1-4任一所述的长距离岩石顶管中继间布置方法，其特征在于，还包括判断计算得到第一中继间与机头之间的最大距离是否超过预设的经验阈值范围；

若没有超过，则直接按照计算得到第一中继间与机头之间的最大距离布置第一中继间；

若超过，则按照经验阈值范围布置第一中继间。

6.根据权利要求1-4任一所述的长距离岩石顶管中继间布置方法，其特征在于，还包括根据顶进施工情况调整所述安全系数。

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