CN113309524A - 一种浅覆土地层矩形顶管掘进对周边环境影响控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种浅覆土地层矩形顶管掘进对周边环境影响控制方法，旨在解决浅覆土甚至超浅覆土地层顶管机顶进过程中存在的重大安全风险：地层隆起、顶管机姿态突变。本发明提供了从顶管机顶推力和扭矩的计算、顶推力和扭矩对地层的影响、基于宾汉姆流体的排土量计算公式计算得到的渣土适宜状态和力学性质，再到渣土改良试验确定合适的渣土改良剂，最后进行现场监控并反馈调整顶管顶进和改良方法。本发明采用的基于宾汉姆流体排土计算公式能够快速合理确定渣土改良的适宜状态，保证顶管机在正常的顶推力和扭矩作用下达到顶管机较好工作状态，避免排土不畅、压力或扭矩过大导致地面被顶破的安全风险。
Description
技术领域
本发明是一种浅覆土地层矩形顶管掘进对周边环境影响控制方法，属于地下工程施工技术领域。
背景技术
在城市道路、隧道建设中，存在大量需要穿越既有道路、铁路或隧道的通道建设任务，还有地铁车站需要开挖大量的下穿繁华路段的出入口，顶管施工法成为了重要的施工方法，得到广泛推广应用。这些顶管工程实施往往埋深较浅，这既是顶管的优势，也是顶管顶进的难点。浅覆土或超浅覆土顶进时，极易发生顶进推力过大发生地面隆起、甚至顶管机姿态突变的安全事故。这也是很多类似工程没有大量采用顶管顶进的主要原因。在这种浅覆土施工中存在以下难题：(1)上覆土极易被顶破，导致顶管施工失败。不得不采取对上覆土进行大面积的地基加固以提高其强度；(2)由于浅覆土顶进，顶管机刀盘的扭矩对上覆土的扰动影响不可以忽略，采用常规的Peck沉降槽的计算方法难以考虑；(3) 为了节约成本，顶管机始发竖井往往较小，不利于安排后续台车运输渣土，通常以管道方式进行渣土外运，这就对渣土改良要求较高。
发明内容
本发明提出的是一种浅覆土地层矩形顶管掘进对周边环境影响控制方法，旨在解决浅覆土甚至超浅覆土地层顶管机顶进过程中存在的重大安全风险：地层隆起、顶管机姿态突变。本发明提供了从顶管机顶推力和扭矩的计算、顶推力和扭矩对地层的影响、基于宾汉姆流体的排土量计算公式计算得到的渣土适宜状态和力学性质，再到渣土改良试验确定合适的渣土改良剂，最后进行现场监控并反馈调整顶管顶进和改良方法。本发明采用的基于宾汉姆流体排土计算公式能够快速合理确定渣土改良的适宜状态，保证顶管机在正常的顶推力和扭矩作用下达到顶管机较好工作状态，避免排土不畅、压力或扭矩过大导致地面被顶破的安全风险。
本发明的技术解决方案：一种浅覆土地层顶管掘进对周边环境影响控制方法，包括如下步骤：
(1)查清地层的分布、地层基本物理力学性质、上覆土厚度、地下水位和顶管机尺寸和相关参数，采用相关规范或公开文献中的计算公式计算顶管的顶推力，确定管节与地层之间的摩擦力；
(2)建立顶管顶推有限元模型，在开挖面上施加梯形分布荷载的形式来模拟顶管推力、以及管节与地层之间的摩擦力，计算分析顶管顶进过程对周边环境的影响；
(3)计算顶管顶进时渣土的适宜状态，基于宾汉姆流体理论、顶管埋深、地下水压力计算获得渣土改良适宜状态，并通过渣土改良试验确定改良剂种类及掺入量、渣土状态参数合适的范围；
(4)顶管顶进时，通过向开挖面和压力舱内注入渣土改良剂如膨润土泥浆、泡沫、或分散剂，至步骤三得到的范围，减少刀盘结泥饼概率，便于渣土顺利排出，有利于开挖面压力的稳定；
(5)加强现场顶管顶进施工的监控，检测顶管机顶进参数变化、渣土状态变化、排渣量统计和地面沉降变化，并据此进行顶进参数反馈。
所述步骤(2)中，需要联合考虑顶管顶进推力和摩擦力作用下地面沉降特征，不同于通常只考虑顶推力的Peck沉降槽，也不同于只考虑顶推力的地表隆起。
所述步骤(3)中，所述的适宜状态基于渣土改良后达到理想的流塑状态及其在管道中的流量计算公式求得。
所述的适宜状态基于渣土改良后达到理想的流塑状态及其在管道中的流量计算公式求得。
式中q——渣土在螺旋排土器中的流量；
μ——流体的塑性粘度
τ0——流体的剪切屈服应力
re——宾汉姆流体的流核，
根据该公式，根据正常顶进速度可以知道排土流量，从而可以反算得到渣土的流变性质τ0,μ，该指标即反映了渣土改良的性质。在渣土改良试验的基础上可获得有效的渣土改良剂及掺入量。
所述步骤(3)中，所述渣土改良试验包括渣土的塌落度试验或者跳桌流动度实验、渣土的直接剪切实验和渣土无压渗透实验或者有压渗透试验和渣土的旋转粘度计测试渣土的宾汉姆流变特性。
本发明的有益效果：
1)提出了考虑顶管推力和管节的摩擦力同时作用的顶管顶进对地层影响的评估方法，能够更加符合实际情况和准确评估其影响；
2)采用了基于宾汉姆流体的渣土排土计算公式确定了合适的渣土改良后的状态和力学性质指标，避免了盲目依赖现有的工程经验导致的风险(因为埋深不一样，对渣土改良后的适宜状态是不一样的)；
3)向管节与地层之间的空隙注入触变泥浆进行减摩，有利于降低超浅覆土的被顶破的风险。
4)渣土改良成理想的流塑状态后，有利于渣土管道排渣和开挖面压力的稳定。
以上四方面的优势，将使得顶管机对浅覆土甚至超浅覆土地层顶进变得更加可控、安全和高效。
具体实施方式
一种浅覆土地层顶管掘进对周边环境影响控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、查清地层的分布、地层基本物理力学性质、上覆土厚度、地下水位和顶管机尺寸和相关参数等，采用相关规范或公开文献中的计算公式计算顶管的顶推力和或经验或试验方法确定管节与地层之间的摩擦力；
步骤二、建立顶管顶推有限元模型，在开挖面上施加梯形分布荷载的形式来模拟顶管推力、以及管节与地层之间的摩擦力，计算分析顶管顶进过程对周边环境的影响；需要联合考虑顶管顶进推力和摩擦力作用下地面沉降特征不同于通常只考虑顶推力的Peck沉降槽，也不同于只考虑顶推力的地表隆起。
步骤三、顶管顶进时渣土的适宜状态通过以下计算分析获得：基于宾汉姆流体理论、顶管埋深、地下水压力计算获得渣土改良状态，并通过渣土改良试验确定适当改良剂种类及掺入量、渣土状态参数合适的范围；所述的适宜状态基于渣土改良后达到理想的流塑状态及其在管道中的流量计算公式求得的。
所述的渣土改良试验主要包括渣土的塌落度试验或者跳桌流动度实验、渣土的直接剪切实验和渣土无压渗透实验或者有压渗透试验和渣土的旋转粘度计测试渣土的宾汉姆流变特性。
步骤四、顶管顶进时，通过向开挖面和压力舱内注入膨润土泥浆、泡沫、或分散剂等改良渣土状态至步骤三得到的范围，减少刀盘结泥饼概率，便于渣土顺利排出和开挖面压力的稳定；
步骤五、加强现场顶管顶进施工的监控，比如顶管机顶进参数变化、渣土状态变化、排渣量统计和地面沉降监测，并据此进行顶进参数的反馈。
实施例1
某地铁站出入口采用矩形顶管技术开挖，顶管机平面尺寸7.09m×4.10m。顶管顶进的地层主要粉土、黏土两种地层，其上覆土厚度为4.0m，地下水位位于地面以下1.0m，顶管机中心压力估算为80kPa，管节与地层之间的摩擦力为10-15kPa。顶管现场顶进超过30m时，出现了一定程度的顶进困难，顶管机中部压力有一定程度升高至90kPa，顶管顶部隆起变形超过1cm，顶管机上覆土有被顶破导致姿态突变的风险。经过计算分析，顶管顶部隆起变形达到1.5cm，与实际情况较为符合。为此，经过反复试验，注入润滑性更好的触变性浆液。通过试验测试，该新型触变性泥浆摩擦力降为4-5kPa，地面隆起不明显，最大值仅为1-2mm。同时通过向压力仓和刀盘上注入分散型泡沫剂加强渣土改良，螺旋排土器出渣顺畅，表现为较好的流塑性。
本工程案例，证实了本发明与工程实践结果吻合较好，特别是适用于超浅覆土顶管顶进作业，从理论分析、室内试验和现场措施、现场监控反馈等方面确保了工程安全、高效。
Claims (4)
1.一种浅覆土地层矩形顶管掘进对周边环境影响控制方法，其特征是包括如下步骤：
(1)查清地层的分布、地层基本物理力学性质、上覆土厚度、地下水位和顶管机尺寸和相关参数，采用相关规范或公开文献中的计算公式计算顶管的顶推力，确定管节与地层之间的摩擦力；
(2)建立顶管顶推有限元数值分析模型，在开挖面上施加梯形分布荷载的形式来模拟顶管推力、以及管节与地层之间的摩擦力，计算分析顶管顶进过程对周边环境的影响；
(3)基于宾汉姆流体理论、顶管埋深、地下水压力计算获得渣土改良适宜状态，并通过渣土改良试验确定改良剂种类及掺入量、渣土状态参数合适的范围；
(4)顶管顶进时，通过向开挖面和压力舱内注入渣土改良剂如膨润土泥浆、泡沫、或分散剂，至步骤三得到的范围，减少刀盘结泥饼概率，便于渣土顺利排出，有利于开挖面压力的稳定；
(5)加强现场顶管顶进施工的监控，检测顶管机顶进参数变化、渣土状态变化、排渣量统计和地面沉降变化，并据此进行顶进参数反馈。
2.根据权利要求1所述的一种浅覆土地层顶管掘进对周边环境影响控制方法，其特征是所述步骤(2)中，需要联合考虑顶管顶进推力和摩擦力作用下地面沉降特征，不同于通常只考虑顶推力的Peck沉降槽，也不同于只考虑顶推力的地表隆起。
3.根据权利要求1所述的一种浅覆土地层顶管掘进对周边环境影响控制方法，其特征是所述步骤(3)中，所述的适宜状态基于渣土改良后达到理想的流塑状态及其在管道中的流量计算公式求得；
式中q——渣土在螺旋排土器中的流量；
μ——流体的塑性粘度
τ0——流体的剪切屈服应力
re——宾汉姆流体的流核，
根据该公式，根据正常顶进速度可以知道排土流量，从而可以反算得到渣土的流变性质τ0,μ，该指标即反映了渣土改良的性质。在渣土改良试验的基础上可获得有效的渣土改良剂及掺入量。
4.根据权利要求1所述的一种浅覆土地层顶管掘进对周边环境影响控制方法，其特征是所述步骤(3)中，所述渣土改良试验包括渣土的塌落度试验或者跳桌流动度实验、渣土的直接剪切实验和渣土无压渗透实验或者有压渗透试验和渣土的旋转粘度计测试渣土的宾汉姆流变特性。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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