CN111981197B - 长距离岩石顶管施工清渣控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种长距离岩石顶管施工清渣控制方法，首先，可以确定在长距离岩石顶管施工中根据管节上的注浆孔的分布位置确定管节的单位长度摩阻力阈值，然后，通过顶管机现有的设备实时监测顶力和机头阻力，并根据监测结果确定管节的单位长度摩阻力，最后，通过对比管节的单位长度摩阻力和单位长度摩阻力阈值，判断是否需要对管节底部进行清渣，如果管节单位长度摩阻力超过单位长度摩阻力阈值，则表明管节底部的沉渣范围超过了注浆孔，需要进行清渣，反之，则不会影响到注浆效果，不需要进行清渣。如此，就可以有效地指导工程清渣，避免堵塞注浆孔，以保持良好地润滑效果，降低了摩阻力，有效地预防了卡管。并且不用频繁清渣，避免延长工程时间。

Description

长距离岩石顶管施工清渣控制方法

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施工清渣控制方法。

背景技术

长距离岩石顶管工程中，底部沉渣是一个不容忽视的问题，其影响了管岩接触压力分布以及浆液浮力，进而影响顶力。清渣能有效改善管岩接触状态，是长距离岩石顶管工程中减小摩阻力、预防卡管的重要举措，准确判断底部沉渣范围是进行清渣工作的前提，如果频繁清渣会延误工期，而如果清渣不及时，则可能导致膨润土注浆孔堵塞，浆液流失则管节接触压力增大，且泥浆润滑效果降低会导致管岩摩擦力系数增大，一系列因素作用下可能导致卡管。因此，需要一种能够有效指导长距离岩石顶管工程清渣的清渣控制方法。

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施工清渣控制方法。可以通过管节的单位长度摩阻力阈值有效地指导长距离岩石顶管工程的清渣工作，避免堵塞顶管机的注浆孔。

具体技术方案如下：

一种长距离岩石顶管施工清渣控制方法，在第一种可实现方式中，包括：

确定在长距离岩石顶管施工中管节的单位长度摩阻力阈值；

监测顶管机的顶力和机头阻力，并根据监测结果确定管节的单位长度摩阻力；

判断管节的单位长度摩阻力是否超过单位长度摩阻力阈值；

若没有超过，则继续监测顶管机的顶力和机头阻力以确定管节的单位长度摩阻力；

若超过，则对管节底部进行清渣。

结合第一种可实现方式，在第二种可实现方式中，所述确定在长距离岩石顶管施工中管节的单位长度摩阻力阈值包括：

获取长距离岩石顶管施工的施工参数和接触角度阈值；

根据施工参数和接触角度阈值计算管节的单位长度摩阻力阈值。

结合第二种可实现方式，在第三种可实现方式中，根据顶管机的注浆孔分布位置设定所述接触角度阈值。

结合第二种可实现方式，在第四种可实现方式中，所述施工参数包括管节外直径、管节每延米重量、每延米配重、管节半径、注浆压力、管岩摩擦系数、管浆摩擦系数、顶进距离、泥浆重度、中轴线偏差影响系数、接触压力增大系数。

结合第四种可实现方式，在第五种可实现方式中，通过管-岩接触面直剪试验获取所述管岩摩擦系数。

结合第四种可实现方式，在第六种可实现方式中，根据所述顶进距离确定所述中轴线偏差影响系数。

结合第四种可实现方式，在第七种可实现方式中，通过数值模拟确定所述接触压力增大系数。

结合第二至七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，采用以下计算公式计算单位长度摩阻力阈值f_max：

K_c为接触压力增大系数，γ_m为泥浆重度，θ为接触角度，R为管节半径，H为液体自由液面与管节顶面之间的距离，G_c是管节每延米重量，G_s为管节每延米配重、D_p为管节外直径，P_m为注浆压力，μ_m为管浆摩擦系数，f_k为中轴线偏差影响系数、μ_s为管岩摩擦系数。

结合第一至七种可实现方式中的任意一种可实现方式，在第九种可实现方式中，所述根据监测结果确定管节的单位长度摩阻力包括：

根据监测结果生成摩阻力曲线；

对摩阻力曲线分段进行曲线拟合，确定顶进距离范围对应的单位长度摩阻力。

有益效果：采用本发明的长距离岩石顶管施工清渣控制方法，充分考虑到了长距离顶管施工中润滑泥浆对摩阻力的影响，以此设定的单位长度摩阻力阈值可以有效地指导工程清渣，避免堵塞注浆孔，以保持良好地润滑效果，降低了摩阻力，有效地预防了卡管。并且不用频繁清渣，避免延长工程时间。

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为本发明一控制方法流程图；

图2为确定单位长度摩阻力阈值的流程图；

图3为确定管节单位长度摩阻力的流程图；

图4为注浆孔的分布位置示意图；

图5为管节的顶进轨迹示意图；

图6为管节与围岩的接触状态示意图。

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施工清渣控制方法的流程图，该控制方法包括：

步骤1-1、确定在长距离岩石顶管施工中管节的单位长度摩阻力阈值；

步骤1-2、监测顶管机的顶力和机头阻力，并根据监测结果确定管节的单位长度摩阻力；

步骤1-3、判断管节的单位长度摩阻力是否超过单位长度摩阻力阈值；

若没有超过，则继续监测顶管机的顶力和机头阻力以确定管节的单位长度摩阻力；

若超过，则对管节底部进行清渣。

具体而言，首先，可以确定在长距离岩石顶管施工中管节的单位长度摩阻力阈值，单位长度摩阻力阈值是根据管节上的注浆孔的分布位置确定，然后，通过顶管机现有的设备实时监测顶力和机头阻力，并根据监测结果确定管节的单位长度摩阻力，最后，通过对比管节的单位长度摩阻力和单位长度摩阻力阈值，判断是否需要对管节底部进行清渣。

如果管节单位长度摩阻力超过单位长度摩阻力阈值，则表明管节底部的沉渣范围已经到达注浆孔的位置，需要进行清渣，反之，则不需要进行清渣。如此，就可以有效地指导工程清渣，避免堵塞注浆孔，以保持良好地润滑效果，降低了摩阻力，有效地预防了卡管。并且不用频繁清渣，避免延长工程时间。

在本实施例中，优选的，如图2所示，所述确定在长距离岩石顶管施工中管节的单位长度摩阻力阈值包括：

步骤2-1、获取长距离岩石顶管施工的施工参数和接触角度阈值；

步骤2-2、根据施工参数和接触角度阈值计算管节的单位长度摩阻力阈值。

具体而言，在本实施例中，可以根据顶管机的注浆孔分布位置设定所述接触角度阈值，关于注浆孔分布位置可以直接从设备资料中获取，如图4所示，管节上设置有A、B、C共3个注浆孔，3个注浆孔围绕管节的中轴线均匀分布，注浆孔之间的夹角为120度。如图6所示，岩石渣会在管节底部沉积，如果不进行清渣，管节底部的沉渣范围会逐渐增大，直至超过注浆孔的位置，造成注浆孔堵塞，为确保注浆孔不被堵塞，同时避免频繁清渣，接触角度阈值可以设置为120度。

所述施工参数包括管节外直径、管节每延米重量、每延米配重、管节半径、注浆压力、管岩摩擦系数、管浆摩擦系数、顶进距离、泥浆重度、中轴线偏差影响系数、接触压力增大系数。其中，管节外直径、管节每延米重量、每延米配重、管节半径、注浆压力可以直接通过设备资料获取得到，管浆摩擦系数可以根据润滑泥浆人工设定。

管岩摩擦系数可以通过管-岩接触面直剪试验获取，具体而言，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。

中轴线偏差影响系数可以根据所述顶进距离确定。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f_k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。

接触压力增大系数可以通过数值模拟确定，具体而言，首先可以通过现有技术检测施工现场围岩、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F_s。最后，根据数值模拟中的管岩摩擦系数μ_s、顶力数值F_s和管节自重G_p，采用以下计算公式计算得出接触压力增大系数K_c：

在确定长距离岩石顶管施工的施工参数和接触角度阈值后，可以采用以下计算公式计算单位长度摩阻力阈值f_max：

K_c为接触压力增大系数，γ_m为泥浆重度，2θ为接触角度阈值，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，G_c是管节每延米重量，G_s为管节每延米配重、D_p为管节外直径，P_m为注浆压力，μ_m为管浆摩擦系数，f_k为中轴线偏差影响系数、μ_s为管岩摩擦系数。

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。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。

在本实施例中，优选的，如图3所示，所述根据监测结果确定管节的单位长度摩阻力包括：

步骤3-1、根据监测结果生成摩阻力曲线；

步骤3-2、对摩阻力曲线分段进行曲线拟合，确定顶进距离范围对应的单位长度摩阻力。

具体而言，首先，可以根据监测得到的顶力和机头阻力计算得到摩阻力实测值，然后，根据监测得到摩阻力实测值生成摩阻力曲线，之后，对摩阻力曲线分段进行曲线拟合并求得斜率，即可确定每一段顶进距离范围内管节对应的单位长度摩阻力。

在确定管节的单位长度摩阻力后，将确定的单位长度摩阻力与基于注浆孔分布位置确定的单位长度摩阻力阈值进行比较。如果单位长度摩阻力没有超过单位长度摩阻力阈值，则不需要进行工程清渣，反之则需要进行工程清渣，避免注浆孔被堵塞。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，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施工清渣控制方法，其特征在于，包括：

确定在长距离岩石顶管施工中管节的单位长度摩阻力阈值；

监测顶管机的顶力和机头阻力，并根据监测结果确定管节顶进距离范围对应的单位长度摩阻力；

判断管节的单位长度摩阻力是否超过单位长度摩阻力阈值；

若没有超过，则继续监测顶管机的顶力和机头阻力以确定管节的单位长度摩阻力；

若超过，则对管节底部进行清渣；

所述确定在长距离岩石顶管施工中管节的单位长度摩阻力阈值包括：

获取长距离岩石顶管施工的施工参数和接触角度阈值；

根据施工参数和接触角度阈值计算管节的单位长度摩阻力阈值；

采用以下计算公式计算单位长度摩阻力阈值f_max：

K_c为接触压力增大系数，γ_m为泥浆重度，2θ为接触角度阈值，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，G_c是管节每延米重量，G_s为管节每延米配重、D_p为管节外直径，P_m为注浆压力，μ_m为管浆摩擦系数，f_k为中轴线偏差影响系数、μ_s为管岩摩擦系数。

2.根据权利要求1所述的长距离岩石顶管施工清渣控制方法，其特征在于，根据顶管机的注浆孔分布位置设定所述接触角度阈值。

3.根据权利要求1所述的长距离岩石顶管施工清渣控制方法，其特征在于，所述施工参数包括管节外直径、管节每延米重量、每延米配重、管节半径、注浆压力、管岩摩擦系数、管浆摩擦系数、顶进距离、泥浆重度、中轴线偏差影响系数、接触压力增大系数。

4.根据权利要求3所述的长距离岩石顶管施工清渣控制方法，其特征在于，通过管-岩接触面直剪试验获取所述管岩摩擦系数。

5.根据权利要求3所述的长距离岩石顶管施工清渣控制方法，其特征在于，根据所述顶进距离确定所述中轴线偏差影响系数。

6.根据权利要求3所述的长距离岩石顶管施工清渣控制方法，其特征在于，通过数值模拟确定所述接触压力增大系数。

7.根据权利要求1-6任一所述的长距离岩石顶管施工清渣控制方法，其特征在于，所述根据监测结果确定管节的单位长度摩阻力包括：

根据监测结果生成摩阻力曲线；

对摩阻力曲线分段进行曲线拟合，确定顶进距离范围对应的单位长度摩阻力。

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