CN114118603B - 一种土压平衡盾构出渣量预估与校正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种土压平衡盾构出渣量预估与校正方法，包括以下步骤：S1、清洗土压平衡盾构掘进参数数据；S2、选取清洗后的正常施工区段的盾构掘进参数与出渣量数值，计算盾构理论出渣质量；S3、计算盾构实际出渣质量；S4、计算盾构额外出渣质量；S5、计算盾构出渣质量预估值；S6、优化校正与调整盾构出渣量的预估值。本发明采用上述土压平衡盾构出渣量预估与校正方法，通过综合外添加剂与土仓保压模式的调整以及地下来水因素所引起的盾构出渣质量的改变，所预测的盾构出渣质量计算值与实际出渣质量更接近，再通过循环校正，进一步提高了每环盾构出渣量的预测精度和可靠性。

Description

一种土压平衡盾构出渣量预估与校正方法
技术领域
本发明涉及一种出渣量预估技术，尤其涉及一种土压平衡盾构出渣量预估与校正方法。
背景技术
随着城镇化率逐年提高，庞大的城镇人口对城镇公共基础设施的需求不断增加，交通堵塞、可利用土地短缺等问题也日益严重。因此，大力发展非开挖式地下管道工程与地下轨道交通项目已成为城市基础设施建设的主要命题之一。盾构法作为非开挖管道与隧道工程的主流方法，已被用于各地的城市轨道交通、水电隧道的建设中。以华南片区城市群为例，广州城市轨道交通第三期(2017～2023年)将新增258.1公里的运营区间，其中采用盾构工法施工双线区间达174个。其中，土压平衡盾构(下文简称“盾构”)因其高效、安全、扰动小以及经济等特点，更是得到了快速应用。
由于地层的多样性、地下管线复杂性以及城市建筑的多变性与密集性，土压平衡盾构在城市施工过程中将对周边环境造成不同程度的影响。其中，盾构所引起的地表位移过大问题一直是土压平衡盾构施工的主要安全风险之一。并且盾构施工过程中，地表位移与盾构出渣量息息相关，当盾构持续处于超挖状态时，容易引起地表塌陷，反之则为隆起。从而造成地表建筑、构筑物的倾斜、开裂以及倒塌等，这些不良的影响还往往会造成人员、经济损失以及不良的社会影响。
因此，如何控制土压平衡盾构出渣质量，以规避因盾构出渣不合理而引起的地表位移过大等工程问题就显得尤为重要与迫切。
针对以上的问题，实际工程中所采取的方法为预估土压平衡盾构每环的出渣量，并以此为参考指标对盾构每环的出渣量进行调控，并加强地表位移监控，提高对土压平衡盾构出渣量调整效果的监测，以减小土压平衡盾构施工对周边环境的影响。
当前，基于盾构出渣量预估值的土压平衡盾构出渣量控制方法存在诸多不足。一方面，现有土压平衡盾构出渣量预估方法大多数是基于地质勘查资料，对盾构开挖范围内土体的理论质量与体积进行计算。然而，由于松散系数取值范围较大以及地质勘查资料与土层实际情况存在一定出入，因此盾构开挖后的土体理论体积值与实际体积偏差较大，并且预估的土体理论质量往往小于实际出渣质量。出渣量预测值精度低的不足致使现有的盾构出渣量预估方法难以在工程上真正推广应用。另一方面，盾构施工所引起的地表沉降由盾构出渣与盾构注浆量共同决定，并且地层沉降存在时间滞后性，所以加强地表沉降监测不能够及时地为盾构出渣量的调整提供指导，仅能作为盾构施工后的施工效果评估指标。
发明内容
本发明的目的是提供一种土压平衡盾构出渣量预估与校正方法，通过综合外添加剂与土仓保压模式的调整以及地下来水因素所引起的盾构出渣质量的改变，所预测的盾构出渣质量计算值与实际出渣质量更接近，再通过循环校正，进一步提高了每环盾构出渣量的预测精度和可靠性。
为实现上述目的，本发明提供了一种土压平衡盾构出渣量预估与校正方法，包括以下步骤：
S1、清洗土压平衡盾构掘进参数数据；
S2、选取清洗后的正常施工区段的盾构掘进参数与出渣量数值，计算盾构理论出渣质量
Figure GDA0003598479530000021
其中，盾构理论出渣质量包含了盾构超挖部分的盾构开挖直径，D为含盾构超挖部分的盾构开挖直径；l为一环盾构管片的宽度；γ0为开挖范围内地层加权容重，γ0＝a1γ1+a2γ2+…+aiγi+…+anγn，ai为一环内容重为的加权系数；n为盾构正常施工区间内的盾构环数；
S3、计算盾构实际出渣质量；
S4、计算盾构额外出渣质量；
S5、计算盾构出渣质量预估值；
S6、优化校正与调整盾构出渣量的预估值。
优选的，步骤S1具体包括以下步骤：
S11、导出前n环的掘进参数数据，并对盾构掘进参数进行编号，同一环盾构区间的掘进参数为一组并编号为Ni；
S12、对位于施工异常段的参数数据进行删除，即当任意组数据Ni中任意数据位于施工异常段时，Ni组数据全部作废并删除；
S13、重复步骤S12，获得不同地层段完全处于正常施工段的盾构掘进参数数据集合。
优选的，步骤S12中所述施工异常段至少包括结泥饼段、刀具磨损段、数据突变段、地表位移段。
优选的，在步骤S2中ai由每环土层所占比例确定，且ai≤1。
优选的，在步骤S3中实际出渣质量由称重机构测量，实际出渣量计算如下：
mt＝m0+m1+m2 (2)
其中，m0为每一环的理论出渣量；m1为每一环盾构施工的外添加剂质量；m2为每一环范围内因土仓保压模式的调整以及地下来水因素导致的额外出渣质量。
优选的，在步骤S4中盾构额外出渣质量计算如下：
Figure GDA0003598479530000041
优选的，每一环盾构施工的外添加剂质量由累积量计算而得。
优选的，步骤S5具体包括以下步骤：
S51、重复步骤S2-S4，获得n环盾构出渣中外添加剂质量均值与额外出渣质量均值：
Figure GDA0003598479530000042
..
Figure GDA0003598479530000043
其中，mi,1，mi,2分别为第i环盾构出渣中外添加剂质量和额外出渣质量，n为计算所选取的正常施工区间的盾构环数；
S52、第n+1环盾构隧道出渣量的预测计算如下：
Figure GDA0003598479530000044
其中，r0,n+1为第n+1环盾构开挖范围内地层加权容重，
Figure GDA0003598479530000045
为前n环外添加剂质量均值，
Figure GDA0003598479530000046
为前n环额外出渣质量均值。
优选的，步骤S6具体包括以下步骤：
对盾构隧道n+1环的掘进参数、理论出渣量、实际出渣量按照步骤S1-步骤S4进行处理，并结合前n环累计的外添加剂质量m1和外添剂质量m2，按照步骤S5重新计算外添加剂质量均值与额外出渣质量均值，作为后续出渣质量预估的校正值。
优选的，步骤S3中的称重机构为连续皮带式称重机或者龙门称重吊机。
因此，本发明采用上述土压平衡盾构出渣量预估与校正方法，通过综合外添加剂与土仓保压模式的调整以及地下来水因素所引起的盾构出渣质量的改变，所预测的盾构出渣质量计算值与实际出渣质量更接近，再通过循环校正，进一步提高了每环盾构出渣量的预测精度和可靠性。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的实施例一种土压平衡盾构出渣量预估与校正方法的流程图；
图2为本发明的实施例一种土压平衡盾构出渣量预估与校正方法的盾构开挖横截面图；
图3为本发明的实施例一种土压平衡盾构出渣量预估与校正方法的盾构开挖纵截面图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
图1为本发明的实施例一种土压平衡盾构出渣量预估与校正方法的流程图，如图1所示，本发明包括以下步骤：
S1、清洗土压平衡盾构掘进参数数据；
优选的，步骤S1具体包括以下步骤：
S11、导出前n环的掘进参数数据，并对盾构掘进参数进行编号，同一环盾构区间的掘进参数为一组并编号为Ni；
S12、对位于施工异常段的参数数据进行删除，即当任意组数据Ni中任意数据位于施工异常段时，Ni组数据全部作废并删除；
优选的，步骤S12中所述施工异常段至少包括结泥饼段、刀具磨损段、数据突变段、地表位移段。
S13、重复步骤S12，获得不同地层段完全处于正常施工段的盾构掘进参数数据集合。
由于盾构开挖范围内土体体积计算所使用松散系数的松散系数范围较大，为了避免由松散系数选取不合理所引起的盾构出渣量预估值的误差，本方法选取盾构出渣质量作为预估对象。图2为本发明的实施例一种土压平衡盾构出渣量预估与校正方法的盾构开挖横截面图；图3为本发明的实施例一种土压平衡盾构出渣量预估与校正方法的盾构开挖纵截面图，如图2和图3所示，S2、选取清洗后的正常施工区段的盾构掘进参数与出渣量数值，计算盾构理论出渣质量
Figure GDA0003598479530000061
其中，盾构理论出渣质量包含了盾构超挖部分的盾构开挖直径，D为含盾构超挖部分的盾构开挖直径；l为一环盾构管片的宽度；γ0为开挖范围内地层加权容重，γ0＝a1γ1+a2γ2+…+aiγi+…+anγn，ai为一环内容重为的加权系数；n为盾构正常施工区间内的盾构环数；优选的，在步骤S2中ai由每环土层所占比例确定，且ai≤1。
S3、计算盾构实际出渣质量；
由于盾构开挖范围内土体体积计算所使用松散系数的松散系数范围较大，为了避免由松散系数选取不合理所引起的盾构出渣量预估值的误差，本方法选取盾构出渣质量作为预估对象。即在步骤S3中实际出渣质量由称重机构测量，实际出渣量计算如下：
mt＝m0+m1+m2 (2)
其中，m0为每一环的理论出渣量；m1为每一环盾构施工的外添加剂质量；m2为每一环范围内因土仓保压模式的调整以及地下来水因素导致的额外出渣质量。优选的，步骤S3中的称重机构为连续皮带式称重机或者龙门称重吊机。
S4、计算盾构额外出渣质量；
优选的，在步骤S4中盾构额外出渣质量计算如下：
Figure GDA0003598479530000071
优选的，每一环盾构施工的外添加剂质量由累积量计算而得。
S5、计算盾构出渣质量预估值；
优选的，步骤S5具体包括以下步骤：
S51、重复步骤S2-S4，获得n环盾构出渣中外添加剂质量均值与额外出渣质量均值：
Figure GDA0003598479530000072
..
Figure GDA0003598479530000073
其中，mi,1，mi,2分别为第i环盾构出渣中外添加剂质量和额外出渣质量，n为计算所选取的正常施工区间的盾构环数；
S52、第n+1环盾构隧道出渣量的预测计算如下：
Figure GDA0003598479530000074
其中，r0,n+1为第n+1环盾构开挖范围内地层加权容重，
Figure GDA0003598479530000075
为前n环外添加剂质量均值，
Figure GDA0003598479530000076
为前n环额外出渣质量均值。
S6、优化校正与调整盾构出渣量的预估值。
优选的，步骤S6具体包括以下步骤：
对盾构隧道n+1环的掘进参数、理论出渣量、实际出渣量按照步骤S1-步骤S4进行处理，并结合前n环累计的外添加剂质量m1和外添剂质量m2，按照步骤S5重新计算外添加剂质量均值与额外出渣质量均值，作为后续出渣质量预估的校正值。此步骤可以根据盾构施工的进度，不断调整土压平衡盾构出渣质量预估值的精度，为后续的盾构出渣提供更为可靠的参考指标。
因此，本发明采用上述土压平衡盾构出渣量预估与校正方法，通过综合外添加剂与土仓保压模式的调整以及地下来水因素所引起的盾构出渣质量的改变，所预测的盾构出渣质量计算值与实际出渣质量更接近，再通过循环校正，进一步提高了每环盾构出渣量的预测精度和可靠性。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳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：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种土压平衡盾构出渣质量预估与校正方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、清洗土压平衡盾构掘进参数数据；
S2、选取清洗后的正常施工区段的盾构掘进参数与出渣质量数值，计算盾构理论出渣质量
Figure FDA0003631671150000011
其中，盾构理论出渣质量包含了盾构超挖部分的盾构开挖直径，D为含盾构超挖部分的盾构开挖直径；l为一环盾构管片的宽度；γ0为开挖范围内地层加权容重，γ0＝a1γ1+a2γ2+…+aiγi+…+anγn，ai为一环内容重为的加权系数；n为盾构正常施工区间内的盾构环数；
S3、计算盾构实际出渣质量；
在步骤S3中实际出渣质量由称重机构测量，实际出渣质量计算如下：
mt＝m0+m1+m2 (2)
其中，m0为每一环的理论出渣质量；m1为每一环盾构施工的外添加剂质量；m2为每一环范围内因土仓保压模式的调整以及地下来水因素导致的额外出渣质量；
S4、计算盾构额外出渣质量；
在步骤S4中盾构额外出渣质量计算如下：
Figure FDA0003631671150000012
S5、计算盾构出渣质量预估值；
步骤S5具体包括以下步骤：
S51、重复步骤S2-S4，获得n环盾构出渣中外添加剂质量均值与额外出渣质量均值：
Figure FDA0003631671150000021
Figure FDA0003631671150000022
其中，mi,1，mi,2分别为第i环盾构出渣中外添加剂质量和额外出渣质量，n为计算所选取的正常施工区间的盾构环数；
S52、第n+1环盾构出渣质量的预测计算如下：
Figure FDA0003631671150000023
其中，γ0,n+1为第n+1环盾构开挖范围内地层加权容重，
Figure FDA0003631671150000024
为前n环外添加剂质量均值，
Figure FDA0003631671150000025
为前n环额外出渣质量均值；
S6、优化校正与调整盾构出渣质量的预估值；
在步骤S2中ai由每环土层所占比例确定，且ai≤1。
2.根据权利要求1所述的一种土压平衡盾构出渣质量预估与校正方法，其特征在于：步骤S1具体包括以下步骤：
S11、导出前n环的掘进参数数据，并对盾构掘进参数进行编号，同一环盾构区间的掘进参数为一组并编号为Ni；
S12、对位于施工异常段的参数数据进行删除，即当任意组数据Ni中任意数据位于施工异常段时，Ni组数据全部作废并删除；
S13、重复步骤S12，获得不同地层段完全处于正常施工段的盾构掘进参数数据集合。
3.根据权利要求2所述的一种土压平衡盾构出渣质量预估与校正方法，其特征在于：步骤S12中所述施工异常段至少包括结泥饼段、刀具磨损段、数据突变段、地表位移段。
4.根据权利要求3所述的一种土压平衡盾构出渣质量预估与校正方法，其特征在于：每一环盾构施工的外添加剂质量由累积量计算而得。
5.根据权利要求4所述的一种土压平衡盾构出渣质量预估与校正方法，其特征在于：步骤S6具体包括以下步骤：
对盾构隧道n+1环的掘进参数、理论出渣质量、实际出渣质量按照步骤S1-步骤S4进行处理，并结合前n环累计的外添加剂质量m1和额外出渣质量m2，按照步骤S5重新计算外添加剂质量均值与额外出渣质量均值，作为后续出渣质量预估的校正值。
6.根据权利要求1所述的一种土压平衡盾构出渣质量预估与校正方法，其特征在于：步骤S3中的称重机构为连续皮带式称重机或者龙门称重吊机。
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