CN113482648B - 复合地层盾构掘进贯入度的控制方法 - Google Patents

复合地层盾构掘进贯入度的控制方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种复合地层盾构掘进贯入度的控制方法。方法包括：基于地质勘测报告，确定拟掘进地层中强度最大的岩石的抗压强度值；基于所述岩石的抗压强度值，确定所述岩石对应的临界最大贯入度，并将所述岩石对应的临界最大贯入度作为盾构机掘进贯入度最大值；根据所述盾构机掘进贯入度最大值，结合预设应用场景，调整盾构机的作业方式。将盾构机掘进贯入度作为控制依据，对盾构机在复合地层的作业方式进行调整，最大限度减少甚至杜绝刀具因受力过大而出现异常破损的情况，大幅降低开仓换刀的频率，同时也能节省对地层进行预爆破的时间和费用，减少开仓作业的频率，能够降低复合地层盾构掘进的成本和难度。

Description

复合地层盾构掘进贯入度的控制方法
技术领域
本申请涉及盾构施工领域，特别是涉及一种复合地层盾构掘进贯入度的控制方法。
背景技术
伴随社会经济水平的日益提高，以及城市化进程的不断加快，高层建筑不断增加，地上空间的可利用率越来越小，因此在很多一线城市，陆续发起地下建筑，如城市地下电缆工程、城市地铁工程等，在所有涉及地下隧道施工工程中，盾构机凭借其施工技术的安全高效性得到了充分应用。而在盾构机使用过程中，如遇到复合的地层，滚刀容易出现因受力过大而异常破损的现象。在上软下硬地层中，盾构机掘进方向还容易“抬头”，且难以纠正。所以，复合地层掘进总是非常艰难。
为了改善这些问题，目前主要措施有：1、对掘进范围内的岩石层进行预爆破处理；2、在掘进参数上，调整推力不超过理论值和降低刀盘转速；3、根据所掘进地层和滚刀相关参数，计算得出盾构机在掘进过程的临界最小贯入度和临界最大贯入度，进而调整盾构机在掘进过程中的推力，使其实际贯入度控制在临界最小贯入度和临界最大贯入度的取值范围之内。
在实际作业过程中，会存在因现场复合地层的情况复杂，而不能进行预爆破，或进行预爆破后没有达到预期效果的情况；而计算临界贯入度这项技术，除了贯入度的计算值还需要在实践中验证外，其适应的范围还很窄，只适应单一地层，而且施工前对地层的各项指标都需要全面掌握，而对于复合地层，这项技术就无法实施。
而目前解决抬头的方法是：1、更换边滚刀。2、扩大推进油缸上下编组行程差，增大盾构机的刀盘面向前倾斜角度。但经常出现这两种方法都不能解决问题的情况，所以在复合地层，如何设置盾构掘进贯入度在合理的范围内是一个值得研究的问题。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够有效调整复合地层盾构掘进贯入度的方法。
一种复合地层盾构掘进贯入度的调整方法，该方法包括：
基于地质勘测报告，确定拟掘进地层中强度最大的岩石的抗压强度值；
基于所述岩石的抗压强度值，确定所述岩石对应的临界最大贯入度，并将所述岩石对应的临界最大贯入度作为盾构机掘进贯入度最大值；
根据所述盾构机掘进贯入度最大值，结合预设应用场景，调整盾构机的作业方式。
在其中一个实施例中，盾构机在复合地层中任一地段内掘进的贯入度控制在所述盾构机掘进贯入度最大值以内。
在其中一个实施例中，岩石的抗压强度值与所述岩石对应的临界最大贯入度呈负相关。
在其中一个实施例中，岩石对应的临界最大贯入度是根据历史数据和滚刀出厂数据得到，历史数据是以往施工数据记录的每一强度岩石在施工时滚刀开始出异常损坏时对应的贯入度。
在其中一个实施例中，滚刀出厂数据包括滚刀参数和试验数据，滚刀参数包括滚刀半径、刀尖宽度、刀尖距及滚刀的额定荷载，试验数据是滚刀出厂前针对不同强度的岩石进行试验所得到的试验贯入度值。
在其中一个实施例中，盾构机掘进贯入度最大值确定之后，若盾构机的总推力和刀盘扭矩发生满足预设条件的变化时，停止盾构机作业并分析原因，所述预设条件用于判断盾构机是否正常运行。
在其中一个实施例中，预设应用场景包括盾构机抬头；相应地，调整盾构机的作业方式，包括：
在工作过程中，若盾构机导向系统显示检测到盾构机在垂直方向上，向上偏移，则以盾构机不大于盾构机掘进贯入度最大值为前提，按第一预设值不断减小盾构机掘进贯入度，直至盾构机导向系统显示正常。
在其中一个实施例中，预设应用场景包括盾构机土仓内进入预设规格的石块；相应地，调整盾构机的作业方式，包括：
若在盾构机作业过程中检测到刀盘卡顿，则在停止作业清空土仓后，减小盾构机掘进贯入度继续作业。
在其中一个实施例中，预设应用场景包括：若盾构机是以空仓开始作业，则保持盾构机掘进贯入度不变，并增加刀盘转速。
在其中一个实施例中，预设应用场景包括：若从岩石强度低的地层进入岩石强度高的地层，保持盾构机掘进贯入度不变。
上述复合地层盾构掘进贯入度的控制方法，基于地质勘测报告，确定拟掘进地层中强度最大的岩石的抗压强度值；基于所述岩石的抗压强度值，确定所述岩石对应的临界最大贯入度，并将所述岩石对应的临界最大贯入度作为盾构机掘进贯入度最大值；根据所述盾构机掘进贯入度最大值，结合预设应用场景，调整盾构机的作业方式。将盾构机掘进贯入度作为控制依据，对盾构机在复合地层的作业方式进行调整，最大限度减少甚至杜绝刀具因受力过大而出现异常破损的情况，大幅降低开仓换刀的频率，同时，节省了对地层进行预爆破的时间，减少了开仓作业的频率，能够降低复合地层盾构掘进的成本和难度。
附图说明
图1为一个实施例中复合地层盾构掘进贯入度的调整方法的流程示意图；
图2为另一个实施例中复合地层盾构掘进贯入度的调整方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种专业名词，但除非特别说明，这些专业名词不受这些术语限制。这些术语仅用于将一个专业名词与另一个专业名词区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，第三预设阈值与第四预设阈值可以相同可以不同。
伴随社会经济水平的日益提高，以及城市化进程的不断加快，高层建筑不断增加，地上空间的可利用率越来越小，因此在很多一线城市，陆续发起地下建筑，如城市地下电缆工程、城市地铁工程等，在所有涉及地下隧道施工工程中，盾构机凭借其施工技术的安全高效性得到了充分应用。而在盾构机使用过程中，如遇到复合的地层，滚刀容易出现因受力过大而异常破损的现象。在上软下硬地层中，盾构机掘进方向还容易“抬头”，且难以纠正。为了解决这些问题，盾构机经常要在复杂环境下带着巨大的风险开仓，盾构机掘进反复停顿，有时为了处理滚刀的刀盘严重受损的问题，盾构机掘进需要长时间停顿，所以，复合地层掘进总是非常艰难。
为了改善这些问题，目前主要措施有：1、对掘进范围内的岩石层进行预爆破处理；2、在掘进参数上，调整推力不超过理论值和降低刀盘转速；3、根据所掘进地层和滚刀相关参数，计算得出盾构机在掘进过程的临界最小贯入度和临界最大贯入度，进而调整盾构机在掘进过程中的推力，使其实际贯入度控制在临界最小贯入度和临界最大贯入度的取值范围之内。
在实际作业过程中，会存在因现场复合地层的情况复杂，而不能进行预爆破，或进行预爆破后没有达到预期效果的情况；而计算临界贯入度这项技术，除了贯入度的计算值还需要在实践中验证外，其适应的范围还很窄，只适应单一地层，而且施工前对地层的各项指标都需要全面掌握，而对于复合地层，这项技术就无法实施。
而目前解决抬头的方法是：1、更换边滚刀。2、扩大推进油缸上下编组行程差，增大盾构机的刀盘面向前倾斜角度。但经常出现这两种方法都不能解决问题的情况，所以在复合地层，如何设置盾构掘进贯入度在合理的范围内是一个值得研究的问题。
针对上述相关技术中存在的问题，本发明实施例提供了一种复合地层盾构掘进贯入度的调整方法，参见图1，该方法包括如下步骤：
S11，基于地质勘测报告，确定拟掘进地层中强度最大的岩石的抗压强度值；
S12，基于所述岩石的抗压强度值，确定所述岩石对应的临界最大贯入度，并将所述岩石对应的临界最大贯入度作为盾构机掘进贯入度最大值；
S13，根据盾构机掘进贯入度最大值，结合预设应用场景，调整盾构机的作业方式。
贯入度是指盾构机的刀盘转动一周时，刀盘向前推进的距离。在不同的地层中，由于地层岩石的组成或成分不同，盾构机在掘进时的贯入度会不同。地层的成因类型指的是形成这一地层的原因，例如有人工填层、冲积层、残积层等等，只要盾构机前方的岩石，无论是全断面岩石、孤石、基岩突起或其风化层是同一种成因(如沉积岩或火山岩)，可以把这些地层作为同一个单元，用同一个贯入度最大值对盾构机进行调整。
这个贯入度最大值是指项目盾构机的刀盘以每个滚刀所承受的推力都不超过其额定荷载这样的条件，在拟通过地层中强度最硬的地层(未进行预爆破处理)中掘进，所产生的最大贯入度，这个最大贯入度就是盾构机刀盘在该含岩石地层中最硬岩石的临界最大贯入度。
在本发明实施例提供的方法中，基于地质勘测报告，确定拟掘进地层中强度最大的岩石的抗压强度值；基于所述岩石的抗压强度值，确定所述岩石对应的临界最大贯入度，并将所述岩石对应的临界最大贯入度作为盾构机掘进贯入度最大值；根据盾构机掘进贯入度最大值，结合预设应用场景，调整盾构机的作业方式。将盾构机掘进贯入度作为控制依据，对盾构机在复合地层的作业方式进行调整，最大限度减少甚至杜绝刀具因受力过大而出现异常破损的情况，大幅降低开仓换刀的频率，同时，节省了对地层进行预爆破的时间，减少了开仓作业的频率，能够降低复合地层盾构掘进的成本。
结合上述实施例的内容，在一个实施例中，盾构机在复合地层中任一地段内掘进的贯入度控制在所述盾构机掘进贯入度最大值以内。
也就是说，只要盾构掘进贯入度控制在此数值以内，即使遇到已探明的最硬地层，该地层也没进行预爆破处理，刀盘上的任何滚刀所受的推力都不会超过额定荷载，也不会因受力过大而异常破损(如：刀刃崩边、开裂、偏磨、刀圈崩裂等)，刀具受到的是正常的磨损。反之，如果刀具出现异常破损，如无其他因素，就是贯入度太大，应减小贯入度最大值。
本发明实施例提供的方法中，盾构机在复合地层中任一地段内掘进的贯入度控制在所述盾构机掘进贯入度最大值以内。将盾构机掘进贯入度作为控制依据，对盾构机在复合地层的作业方式进行调整，最大限度减少甚至杜绝刀具因受力过大而出现异常破损的情况，大幅降低开仓换刀的频率，同时，节省了对地层进行预爆破的时间，减少了开仓作业的频率，能够降低复合地层盾构掘进的成本。
结合上述实施例的内容，在一个实施例中，岩石的抗压强度值与岩石对应的临界最大贯入度呈负相关。
其中，可以理解的是，盾构机在岩石中掘进时，盾构机的掘进贯入度会受到岩石抗压强度的影响，岩石的抗压强度越大，对应的盾构机在掘进时的临界贯入度就越小。例如在以下计算在某一岩石中盾构机的临界最大贯入度的公式中：
其中，hmax是某一岩石地层的临界最大贯入度，σc是岩石抗压强度，可以看出岩石的抗压强度值与岩石对应的临界最大贯入度呈负相关。
本发明实施例提供的方法中，岩石的抗压强度值与岩石对应的临界最大贯入度呈负相关。盾构机在复合地层中的掘进贯入度控制在所述最大值以内，盾构机在所述复合地层中任何一硬度岩石内掘进，其贯入度都不会过大，避免刀具因受力过大而异常损坏。
结合上述实施例的内容，在一个实施例中，岩石对应的临界最大贯入度是指一定参数滚刀的刀盘，所述滚刀以额定荷载在岩石中掘进所产生的盾构机掘进贯入度值，若贯入度大于这个值，滚刀会因所受的荷载超过额定荷载而异常损坏。
滚刀的额定荷载指的是滚刀在出厂时试验所得到的滚刀正常工作时所能承受的最大荷载，额定荷载的大小与滚刀的参数有关。而岩石抗压强度越大，其临界最大贯入度值越小。按照这个原则设置盾构掘进的贯入度，在复合地层中掘进，当盾构机从强度低的地层进入强度高的地层掘进，其贯入度都不会大过该坚硬地层的临界最大贯入度，滚刀不会因过载而异常损坏。在实践过程中按照这样的原则控制盾构的贯入度，一把边滚刀在基岩突起地层掘进，可以一次掘进200环。
在本发明实施例提供的方法中，岩石对应的临界最大贯入度是指一定参数滚刀的刀盘，所述滚刀以额定荷载在岩石中掘进所产生的盾构机掘进贯入度值，若贯入度大于这个值，滚刀就会因所受的荷载超过额定荷载而异常损坏。以岩石对应的临界最大贯入度为最大值掘进，能够最大限度减少甚至杜绝刀具因受力过大而出现异常破损的情况，大幅降低开仓换刀的频率。
结合上述实施例的内容，在一个实施例中，盾构机掘进贯入度最大值确定之后，若盾构机的总推力和刀盘扭矩发生满足预设条件的变化时，停止盾构机作业并分析原因，所述预设条件用于判断盾构机是否正常运行。
需要说明的是，当盾构掘进贯入度控制在最大值以内后，不需要主动控制盾构总推力和刀盘扭距的大小。此时盾构所反应出的总推力和扭距作为参考，若发生异常波动，出现满足预设条件的变化，如预设条件为：贯入度骤然减小而总推力或扭距异常增大，此时应停机分析原因，研究对策。
在本发明实施例提供的方法中，盾构机掘进贯入度最大值确定之后，若盾构机的总推力和刀盘扭矩发生满足预设条件的变化时，停止盾构机作业并分析原因，所述预设条件用于判断盾构机是否正常运行。以推力和刀盘扭距为参考对盾构机的运行状态进行分析，能够最大限度减少甚至杜绝刀具因受力过大而出现异常破损的情况，大幅降低开仓换刀的频率。
结合上述实施例的内容，在一个实施例中，参见图2，预设应用场景包括盾构机抬头；相应地，所述调整盾构机的作业方式，包括：
S21，若盾构机导向系统显示检测到盾构机在垂直方向上，向上偏移；
S22，则以盾构机不大于盾构机掘进贯入度最大值为前提，按第一预设值不断减小盾构机掘进贯入度，直至盾构机导向系统显示正常。
在一些特殊的地形中，如由于地层软弱不均、上软下硬，盾构机就很容易出现抬头的现象。盾构机“抬头”是因为上方是软弱地层，对盾构机的约束力很小，盾构机向前方的推力几乎不能增加盾构机边缘滚刀朝隧道下方的碾压力。当盾构机出现“抬头”时，主要表现在盾构机导向系统显示，盾构机的前端在垂直方向一直向上偏离。此时盾构机边缘滚刀的朝隧道下方的压力主要来自盾构机自身的重量，而盾构机的重量大部分是支撑在底部的盾壳上，支撑在边缘滚刀上重力只是一小部分，有时受盾壳底部的渣土影响，边缘滚刀承受盾构机重力很小，这样滚刀朝下的切削能力很小。此时如果调整盾构机的贯入度，使其变小，边缘滚刀在底部岩面上的螺旋轨迹间距就会变小，实际上相当减小外边缘刀刃间距，这样外边缘滚刀朝下的每次切削深度就会增大，盾构机向上拐弯现象就可以得到纠正
在本发明实施例提供的方法中，预设应用场景包括盾构机抬头；相应地，若在盾构机作业过程中检测到抬头信号，则按第一预设值不断减小盾构机掘进贯入度，直至未检测到抬头信号，抬头信号由盾构机内部系统识别。利用贯入度作为控制依据，调整盾构机的作业方式，在盾构机出现“抬头”时便于调整，且不用反复停顿，降低复合地层盾构机掘进的难度。
结合上述实施例的内容，在一个实施例中，预设应用场景包括盾构机土仓内进入预设规格的石块；相应地，所述调整盾构机的作业方式，包括：
若在盾构机作业过程中检测到刀盘卡顿，则在停止作业清空土仓后，减小盾构机掘进贯入度继续作业。
预设规格的石块指的是在土仓内排不出去，会对盾构机的正常运行产生影响的石块，可以是体积较大的石块，也可以是重量较大的石块。盾构土仓堆集大石块是不能直观看到的，盾构机表现在刀盘频繁出现卡顿现象，扭距值波动大，有时伴随刀具损坏，渣土滞排。大石块进入土仓，是因为盾构机掘进贯入度过大，刀具对石块施加了较大的侧向力而被掀起的结果。在减小盾构机掘进贯入度之后，贯入度稳定的保持在较小的状态，掌子面上破碎的石块就很少被掀起，石块卡刀盘或刀具的现象就会减少。
在本发明实施例提供的方法中，预设应用场景包括盾构机土仓内进入预设规格的石块；相应地，若在盾构机作业过程中检测到卡仓信号，则按第二预设值不断减小盾构机掘进贯入度，直至未检测到卡仓信号，卡仓信号由盾构机内部系统识别。利用贯入度作为控制依据，调整盾构机的作业方式，在盾构机土仓中进入大石块时便于调整，降低复合地层盾构机掘进的难度。
结合上述实施例的内容，在一个实施例中，预设应用场景包括若盾构机是以空仓开始作业，则保持盾构机掘进贯入度不变，并增加刀盘转速。
在盾构机掘进贯入度控制在最大值以内后，若土仓内渣土很少，例如掌子面(即开挖坑道不断向前推进的工作面)为全断面岩石时，土压盾构可以空仓掘进，或泥水盾构土仓内虽然充满泥浆，但是渣粒很少时，可以适当增加刀盘转速，比软土中掘进的刀盘转速要快，如泥水盾构在全断面岩石条件下掘进，刀盘转速可以由平常的1r/min增加到2r/min，这样可以在保证刀盘不受损的前提下，加快掘进速度。
在本发明实施例提供的方法中，预设应用场景包括若盾构机是以空仓开始作业，则保持盾构机掘进贯入度不变，并增加刀盘转速。该方法在保证刀盘不受损的前提下，加快掘进速度。
结合上述实施例的内容，在一个实施例中，预设应用场景包括：若从岩石强度低的地层进入岩石强度高的地层，保持盾构机掘进贯入度不变。
因岩石的抗压强度值越大，对应的临界最大贯入度越小，所以强度高的地层对应的临界最大贯入度小于强度低的地层对应的临界最大贯入度，而在复合地层中掘进时，是以抗压强度值最大的岩石对应的临界最大贯入度作为盾构机掘进贯入度最大值，所以从强度低的地层进入强度高的地层时，可以保持盾构机的掘进贯入度不变，此时不会对滚刀造成损坏。
在本发明实施例提供的方法中，预设应用场景包括：若从岩石强度低的地层进入岩石强度高的地层，保持盾构机掘进贯入度不变。以贯入度为参考对盾构机的运行状态进行分析，在从软岩地层进入硬岩地层时，不改变掘进贯入度，能够最大限度减少甚至杜绝刀具因受力过大而出现异常破损的情况，大幅降低开仓换刀的频率。
应该理解的是，虽然图1及图2的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1及图2中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
需要说明的是，上述阐述的技术方案在实际实施过程中可以作为独立实施例来实施，也可以彼此之间进行组合并作为组合实施例实施。另外，在对上述本发明实施例内容进行阐述时，仅基于方便阐述的思路，按照相应顺序对不同实施例进行阐述，如按照数据流流向的顺序，而并非是对不同实施例之间的执行顺序进行限定，也不是对实施例内部步骤的执行顺序进行限定。相应地，在实际实施过程中，若需要实施本发明提供的多个实施例，则不一定需要按照本发明阐述实施例时所提供的执行顺序，而是可以根据需求安排不同实施例之间的执行顺序。

Claims (9)

1.一种复合地层盾构机掘进贯入度的控制方法，其特征在于，所述方法包括：
基于地质勘测报告，确定拟掘进复合地层中强度最大的岩石的抗压强度值；
基于所述岩石的抗压强度值，确定所述岩石对应的临界最大贯入度，并将所述岩石对应的临界最大贯入度作为盾构机掘进贯入度最大值；
根据所述盾构机掘进贯入度最大值，结合预设应用场景，调整盾构机的作业方式；
其中，所述预设应用场景包括：若从岩石强度低的地层进入岩石强度高的地层，保持盾构机掘进贯入度不变。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，盾构机在所述复合地层中任一地段内掘进的贯入度控制在所述盾构机掘进贯入度最大值以内。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述岩石的抗压强度值与所述岩石对应的临界最大贯入度呈负相关。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述岩石对应的临界最大贯入度是根据历史数据和滚刀出厂数据得到，所述历史数据是以往施工数据记录的每一强度岩石在施工时滚刀开始出异常损坏时对应的贯入度。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述滚刀出厂数据包括滚刀参数和试验数据，所述滚刀参数包括滚刀半径、刀尖宽度、刀尖距及滚刀的额定荷载，所述试验数据是滚刀出厂前针对不同强度的岩石进行试验所得到的试验贯入度值。
6.根据权利要求1 所述的方法，其特征在于，所述盾构机掘进贯入度最大值确定之后，若盾构机的总推力和刀盘扭矩发生满足预设条件的变化时，停止盾构机作业并分析原因，所述预设条件用于判断盾构机是否正常运行。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设应用场景包括盾构机抬头；相应地，所述调整盾构机的作业方式，包括：
若盾构机导向系统显示检测到盾构机在垂直方向上，向上偏移，则以盾构机不大于盾构机掘进贯入度最大值为前提，按第一预设值不断减小盾构机掘进贯入度，直至盾构机导向系统显示正常。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设应用场景包括盾构机土仓内进入预设规格的石块；相应地，所述调整盾构机的作业方式，包括：
若在盾构机作业过程中检测到刀盘卡顿，则在停止作业清空土仓后，减小盾构机掘进贯入度继续作业。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设应用场景包括：若盾构机是以空仓开始作业，则保持盾构机掘进贯入度不变，并增加刀盘转速。
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