CN111914373A - 长距离岩石顶管摩阻力计算方法及管岩接触状态检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种长距离岩石顶管摩阻力计算方法及管岩接触状态检测方法，首先采集施工参数，然后根据采集到的施工参数采用不同接触状态对应的摩阻力计算模型，计算出管节与围岩处于不同接触状态时所受到的摩阻力。以此确定不同管岩接触状态下对应的管节单位长度摩阻力阈值范围。在实际施工过程中，可以通过检测顶管机的顶力和机头阻力确定顶管受的摩阻力的实测值，并根据理论计算方法得出的不同管岩接触状态下顶管单位长度摩阻力阈值范围对比实测值，确定管节与围岩的接触状态。弥补了单一计算模型不能真实反映长距离顶管工程中的管岩接触状态的不足，以便于在长距离岩石顶管工程中确定管节所处状态并进行相应的顶力控制。
Description
技术领域
本发明涉及顶管摩阻力计算方法技术领域，具体涉及一种长距离岩石顶管摩阻力计算方法及管岩接触状态检测方法。
背景技术
作为一种非开挖技术，顶管施工具有施工效率高、安全、环保以及对交通影响小等优点，因而越来越广泛地应用到工程建设中。现阶段，随着顶管技术越来越成熟，顶管工程已朝着超长距离、大断面、适应复杂地层的方向发展。
在顶管工程中，顶力是决定管节工作井结构设计设计以及顶管机选型的决定性因素之一。准确预测顶管工程顶力可有效控制工程安全与工程造价。顶力由两部分组成，即刀盘迎面阻力以及管土侧摩阻力，而对于长距离顶管工程，侧摩阻力的大小对顶力起控制作用。因而，摩阻力是决定顶力的主要参数。
目前，在长距离顶管工程中，一般会通过在管节与隧道超挖间隙中注入润滑材料减小摩阻力，如膨润土泥浆，然而，膨润土的注入会使得管节与围岩之间的接触状态变得更为复杂。
在工程实践中，长距离岩石顶管施工中的开挖物料会通过超挖间隙进入管壁周围形成沉渣，并不断累积进而改变管岩接触状态，引起管岩接触圧力的变化，并对接触圧力的分布造成影响。可见在计算摩阻力时需要考虑管节与围岩之间不同接触状态。
但已有的摩阻力计算方法都只是采用单一的计算模型计算摩阻力，基本没有或没有较全面考虑膨润土的注浆效应，往往忽略了其浮托作用。因此，亟需一种全面考虑注浆效应的摩阻力计算方法，以弥补了单一计算模型不能真实反映长距离顶管工程中的管岩接触状态的不足。
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摩阻力计算方法及管岩接触状态检测方法，采用相应的摩阻力计算模型计算管节处于不同接触状态时的摩阻力，真实反映长距离施工中管节的接触状态。
具体技术方案如下：
第一方面，提供了一种长距离岩石顶管摩阻力计算方法，包括：
采集管节的施工参数；
基于施工参数通过相应的摩阻力计算模型计算管节处于不同接触状态时所受的摩阻力。
结合第一方面，在第一方面的第一种可实现方式中，根据施工参数中的管节外直径、注浆压力、管浆摩擦系数和顶进距离，计算管节处于悬浮状态时所受的摩阻力。
结合第一方面或第一方面的第一种可实现方式，在第一方面的第二种可实现方式中，根据所述施工参数中的管节外直径、管节每延米重量、每延米配重、注浆压力、管浆摩擦系数、管岩摩擦系数、顶进距离和管节浮力，计算管节处于顶部接触状态时所受的摩阻力。
结合第一方面、第一方面的第一或第二种可实现方式，在第一方面的第三种可实现方式中，根据所述施工参数中的管节外直径、管节每延米重量、每延米配重、管节外半径、注浆压力、管岩摩擦系数、管浆摩擦系数、顶进距离、泥浆重度，以及液体自由液面与管节顶面之间的距离，计算管节处于底部填充状态时，不同接触角度所对应的摩阻力。
结合第一方面、第一方面的第一至三种可实现方式中的任意一种可实现方式，在第一方面的第四种可实现方式中，根据所述施工参数中的管节外直径、管节每延米重量、每延米配重、管节外半径、注浆压力、管浆摩擦系数、管岩摩擦系数、顶进距离、泥浆重度、岩石内摩擦角、围岩重度，以及液体自由液面与管节顶面之间的距离，计算管节处于上部填充状态时，不同接触角度所对应的摩阻力。
第二方面，提供了一种长距离岩石顶管接触状态检测方法，包括：
采集顶管机的施工参数；
基于采集的施工参数通过相应的摩阻力计算模型计算管节处于不同接触状态时所受的摩阻力，得到理论计算结果；
根据理论计算结果确定不同接触状态下管节的单位长度摩阻力阈值范围；
实地测量顶管机在施工过程中的顶力和机头阻力，建立摩阻力曲线；
根据摩阻力曲线、理论计算的不同接触状态下管节的单位长度摩阻力阈值范围确定管节的管岩接触状态。
结合第二方面，在第二方面的第一种可实现方式中，采用以下方法确定管节的管岩接触状态：
分段对摩阻力曲线进行曲线拟合，确定顶进距离范围对应的单位长度摩阻力；
根据单位长度摩阻力与不同接触状态对应单位长度摩阻力阈值范围进行对比，确定顶进距离范围内管节的管岩接触状态。
有益效果：采用本发明的长距离岩石顶管摩阻力计算方法及管岩接触状态检测方法，充分考虑了润滑泥浆的浮托作用和管节底部沉渣引起的管岩接触状态变化，通过不同接触状态对应的摩阻力计算模型，计算管节与围岩在不同接触状态下对应的摩阻力，弥补了单一计算模型不能真实反映长距离顶管工程中的管岩接触状态的不足，为保证工程的顺利贯通提供了支持，以便于在长距离岩石顶管工程中确定管节所处状态以进行相应的顶力控制。
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为本发明摩阻力计算方法的流程图；
图2为管节接触状态检测流程图；
图3为确定接触状态的阈值范围的流程图；
图4为管岩不同接触状态的示意图；
图5为管节的顶进轨迹示意图；
图6为沉渣与管节的接触示意图。
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摩阻力计算方法的流程图，该计算方法包括：
步骤1-1、采集管节的施工参数；
步骤1-2、基于施工参数，通过相应的摩阻力计算模型计算管节处于不同接触状态时所受的摩阻力。
具体而言，首先，可以采集施工参数，如管节外直径、管节每延米重量、每延米配重、管节外半径、注浆压力、管浆摩擦系数、管岩摩擦系数、顶进距离、泥浆重度、岩石内摩擦角、围岩重度，以及液体自由液面与管节顶面之间的距离。
然后，根据采集到的施工参数采用不同接触状态对应的摩阻力计算模型，计算出管节与围岩处于不同接触状态时所受到的摩阻力。在本实施例中，管节与围岩的接触状态主要分为4种接触状态。
如图4所示，这4种接触状态分别为悬浮状态、顶部接触状态、底部填充状态和上部填充状态，每种接触状态管节所受到的摩阻力的因素不同，可以通过不同的摩阻力计算模型分别计算每种接触状态管节所受到的摩阻力，以弥补了单一计算模型不能真实反映长距离顶管工程中的管岩接触状态的不足。
在本实施例中，优选的，根据施工参数中的管节外直径、注浆压力、管浆摩擦系数和顶进距离，计算管节处于悬浮状态时所受的摩阻力。
具体而言，机头以及机头后部含工作台车管节在重力作用下一般与围岩底部接触，注浆良好情况下，后续管节在机头等的牵引作用下以及膨润土浆液浮力作用下处于悬浮状态，管节与围岩不直接接触，此时，管节所承受的摩阻力是主要由于与润滑泥浆接触产生的泥浆摩阻力。在这种悬浮状态下，可以采用模型Ⅰ计算所述管节所承受的摩阻力fI，模型Ⅰ为：
fI＝πDpPmμmfk；
其中，Dp为管节外直径，Pm为注浆压力，μm为管浆摩擦系数，fk为中轴线偏差影响系数。
实际工程中，由于受到管节尺寸偏差、地质不均、测量偏差、管节重力以及刀盘损耗变形等因素的影响，如图5所示，管节在顶进过程中顶进轨迹呈“S”型。中轴线偏差影响系数fk可以采用如下公式求得：
L为顶进距离、L0为单根管节长度，λ为人工设定的相邻管节角度偏差，n为“S”型曲线段一半长度范围内的管节数量。
在本实施例中，优选的，根据所述施工参数中的管节外直径、管节每延米重量、每延米配重、注浆压力、管浆摩擦系数、管岩摩擦系数、顶进距离和管节浮力，计算管节处于顶部接触状态时所受的摩阻力。
具体而言，如图6所示，当管节与机头相距较远，受到的牵引力较小，如果管节受到的浮力大于重力，且底部沉渣角度小于30度时，此时管节顶部会与围岩接触。管节与围岩处于点接触状态，摩阻力主要由点接触压力引起的摩阻力以及泥浆摩阻力组成，可以采用模型Ⅱ计算顶部接触状态下管节所受到的摩阻力fII，模型Ⅱ为：
fII＝(πDpPmμm+|Gc+Gs-Gup|μs)fk；
其中，Gc是管节每延米重量，Gs为管节每延米配重，即管节每延长单位长度各种管线的重量，Gup为管节浮力，μs为管岩摩擦系数，管节每延米重量Gc、管节每延米配重Gs可以直接从施工设备资料中获取，管岩摩擦系数μs可以通过试验获得。
如图6所示，管节浮力Gup可以采用以下计算公式计算得到：
管岩摩擦系数μs可以通过筛选表面粗糙度与现场管节较为接近的混凝土试件以及加工的现场原岩试件，注入与施工所使用的润滑泥浆，采用WDAJ-600型岩石剪切流变试验机进行管-岩接触面直剪试验，通过计算剪力与轴力的比值获得相应的管岩摩擦系数。
在本实施例中，优选的，根据所述施工参数中的管节外半径、管节每延米重量、每延米配重、管节外半径、注浆压力、管岩摩擦系数、管浆摩擦系数、顶进距离、泥浆重度，以及液体自由液面与管节顶面之间的距离，计算管节处于底部填充状态时，不同接触角度所对应的摩阻力。
具体而言，机头切削产生的岩石碎渣如果不能得到有效清理，碎渣会在管节底部逐渐积累，随着顶进距离增长碎渣与管节的接触面积不断增长。在管节与围岩的接触角度小于180°时，管节所受到的摩阻力主要由管岩接触面接触压力引起的摩阻力以及润滑泥浆摩阻力组成，可以采用模型Ⅲ计算底部填充状态下管节所受到的摩阻力fIII，模型Ⅲ为：
其中，Kc为接触压力增大系数，γm为泥浆重度，θ为底部沉渣与管节接触角度的一半，R为管节外半径，H为液体自由液面与管节顶面之间的距离。长距离岩石顶管工程中浆液会从岩石节理裂隙处流失，在持续注浆的情况下也难保持很大压力。且根据现场实测，发现在打开顶部注浆孔往往有浆液流出，但流出速度缓慢，因此认为顶部浆液水头高度不高，液体自由液面与管节顶面之间的距离H可取值为0。另外，可以通过现有的数值模型算得到不同接触角度所对应的接触压力增大系数Kc。
首先，可以检测施工现场围岩、管节的计算参数，如密度、弹性模量等。然后，利用现有的工程模拟软件，如ABAQUS模拟确定不同接触角度对应的顶力数值Fs。最后，根据数值模拟中的管岩摩擦系数μs、顶力数值Fs和管节自重Gp，采用以下计算公式计算得出接触压力增大系数Kc：
在本实施例中，优选的，根据所述施工参数中的管节外直径、管节每延米重量、每延米配重、管节外半径、注浆压力、管浆摩擦系数、管岩摩擦系数、顶进距离、泥浆重度、岩石内摩擦角、围岩重度，以及液体自由液面与管节顶面之间的距离，计算管节处于上部填充状态时，不同接触角度所对应的摩阻力。
具体而言，当底部沉渣持续增多，底部沉渣角度大于180度，管节的上部区域也被碎渣填充，此时管节受到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，可以采用模型Ⅳ计算上部填充状态下，管节与围岩不同接触角度所对应的摩阻力fIV，模型Ⅳ为：
其中，
为岩石内摩擦角，γr为围岩重度。
为验证上述计算方法的效果，实地采集隧道4#、7#和8-1#，在施工过程中的施工参数，并测量了在不同顶进距离范围内的摩阻力。根据采集的施工参数采用不同的计算方法进行得到的理论值，通过对比理论值与实测值之间的误差来验证本上述计算方法的效果，具体计算结果如下表所示。
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如图2所示的长距离岩石顶管接触状态检测方法的流程图，该检测方法包括：
步骤2-1、采集顶管机的施工参数；
步骤2-2、基于采集的施工参数通过相应的摩阻力计算模型计算管节处于不同接触状态时所受的摩阻力，得到理论计算结果；
步骤2-3、根据理论计算结果确定每种接触状态对应的管节的单位长度摩阻力阈值范围；
步骤2-4、实地测量顶管机在施工过程中的顶力和机头阻力，建立摩阻力曲线；
步骤2-5、根据摩阻力曲线、理论计算的不同管岩接触状态下管节的单位长度摩阻力阈值范围确定管节的管岩接触状态。
具体而言，首先，可以采集顶管机的施工参数，如管节外直径、泥浆重度、管节外直径、管节每延米重量、每延米配重、管节外半径、注浆压力、管浆摩擦系数、管岩摩擦系数、顶进距离、泥浆重度、围岩重度等。
然后，根据采集的施工参数，采用上述的4个计算公式计算管节分别处于悬浮状态、顶部接触状态、底部填充状态和上部填充状态时所受到的摩阻力，得到理论计算结果。
然后，根据理论计算结果确定每种接触状态下管节对应的单位长度摩阻力阈值范围。
然后，通过顶管机现有的检测设备，实时检测顶管机的顶力和机头阻力，根据顶力、机头阻力计算得到管节在施工过程中的实测摩阻力，并根据实测摩阻力建立摩阻力曲线。
最后，根据摩阻力曲线、理论计算得到的每种接触状态下管节对应的单位长度摩阻力阈值范围，确定管节的管岩接触状态。
当管节处于理想的悬浮状态，或者顶部接触状态下，管节的单位长度摩阻力值都很小，能保证顶力在可控范围内。随着沉渣角度增大，管节处于底部填充或顶部填充接触状态下，管节的单位长度摩阻力值会显著增大，造成摩阻力、顶力的急剧增大。因此，通过管节对应的管岩接触状态，可以反映沉渣角度情况和单位长度摩阻力情况，以提醒施工人员及时进行清渣等处理。
在本实施例中，优选的，如图3所示，采用以下方法确定管节的管岩接触状态：
步骤3-1、分段对摩阻力曲线进行曲线拟合，确定不同顶进距离范围对应的单位长度摩阻力；
步骤3-2、根据单位长度摩阻力与不同接触状态下管节的单位长度摩阻力阈值范围进行对比，确定管节在顶进距离范围内的管岩接触状态。
具体而言，首先，可以分段对摩阻力曲线进行曲线拟合，确定在顶进距离范围内管节对应的单位长度摩阻力，最后，将单位长度摩阻力与顶进距离范围对应的每种接触状态的单位长度摩阻力阈值范围进行对比，从而确定管节与围岩的接触状态。
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 (7)
1.一种长距离岩石顶管摩阻力计算方法，其特征在于，包括：
采集管节的施工参数；
基于施工参数通过相应的摩阻力计算模型计算管节处于不同接触状态时所受的摩阻力。
2.根据权利要求1所述的长距离岩石顶管摩阻力计算方法，其特征在于，根据施工参数中的管节外直径、注浆压力、管浆摩擦系数和顶进距离，计算管节处于悬浮状态时所受的摩阻力。
3.根据权利要求1或2所述的长距离岩石顶管摩阻力计算方法，其特征在于，根据所述施工参数中的管节外直径、管节每延米重量、每延米配重、注浆压力、管浆摩擦系数、管岩摩擦系数、顶进距离和管节浮力，计算管节处于顶部接触状态时所受的摩阻力。
4.根据权利要求1-3任一所述的长距离岩石顶管摩阻力计算方法，其特征在于，根据所述施工参数中的管节外直径、管节每延米重量、每延米配重、管节外半径、注浆压力、管岩摩擦系数、管浆摩擦系数、顶进距离、泥浆重度，以及液体自由液面与管节顶面之间的距离，计算管节处于底部填充状态时，不同接触角度所对应的摩阻力。
5.根据权利要求1-4任一所述的长距离岩石顶管摩阻力计算方法，其特征在于，根据所述施工参数中的管节外直径、管节每延米重量、每延米配重、管节外半径、注浆压力、管浆摩擦系数、管岩摩擦系数、顶进距离、泥浆重度、岩石内摩擦角、围岩重度，以及液体自由液面与管节顶面之间的距离，计算管节处于上部填充状态时，不同接触角度所对应的摩阻力。
6.一种长距离岩石顶管接触状态检测方法，其特征在于，包括：
采集顶管机的施工参数；
基于采集的施工参数通过相应的摩阻力计算模型计算管节处于不同接触状态时所受的摩阻力，得到理论计算结果；
根据理论计算结果确定不同接触状态下管节的单位长度摩阻力阈值范围；
实地测量顶管机在施工过程中的顶力和机头阻力，建立摩阻力曲线；
根据摩阻力曲线、理论计算的不同接触状态下管节的单位长度摩阻力阈值范围确定管节的管岩接触状态。
7.根据权利要求6所述的长距离岩石顶管管岩接触状态检测方法，其特征在于，采用以下方法确定管节的管岩接触状态：
分段对摩阻力曲线进行曲线拟合，确定顶进距离范围对应的单位长度摩阻力；
根据单位长度摩阻力与不同接触状态对应单位长度摩阻力阈值范围进行对比，确定顶进距离范围内管节的管岩接触状态。
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