CN114370285A - 用于软土地层中盾构机切削桩基的判断方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于软土地层中盾构机切削桩基的判断方法，包括：设定盾构机在软土地层中的掘进路径，确定所述盾构机掘进路径上存在的钢筋混凝土桩基；观察盾构机刀盘扭矩及刀盘电机电流曲线的变化特征，使得在盾构机掘进过程中，对盾构机刀盘是否开始接触桩基及盾构机刀盘是否已脱离桩基进行正确、合理的判断，根据判断及时、合理的调整施工参数，使得盾构机能够安全、高效的完成切削桩基施工。

Description

用于软土地层中盾构机切削桩基的判断方法
技术领域
本发明涉及一种隧道工程中盾构机掘进施工方法，尤其是一种用于软土地层中盾构切削桩基的判断方法。
背景技术
盾构机在软土地层中掘进时，由于软土地质比较均匀，盾构机可采用低刀盘转速，快推进速度进行掘进施工。当盾构机切削桩基施工时，由于钢筋混凝土材质的桩基强度远大于软土，需采用不同于软土掘进的施工参数，通过采用高刀盘转速、慢推进速度可大为减少刀具切入桩基的贯入度，使刀具对桩基进行慢速切磨，以充分切削、破碎桩身，同时也避免了桩身对刀具的反冲击力过大造成刀具损坏、盾构机扭转角过大等情况，并减少了切桩施工对桩基上方的建构筑物结构的不良影响，提升施工效率，节约施工成本。
因此，需要一种用于软土地层中盾构切削桩基的判断方法，综合判断盾构机刀盘是否开始接触桩基及盾构机刀盘是否已完全脱离桩基，以便及时、合理的调整施工参数，避免对盾构机本身的损伤及对周边环境的不良影响等，提升施工效率，节约施工成本。
发明内容
本发明的目的是针对现有软土地层中盾构切削桩基施工技术的不足，提供一种用于软土地层中盾构机切削桩基的判断方法，准确判断盾构机刀盘是否开始接触桩基及是否完全脱离桩基，其方法步骤简单，易于理解，经准确判断后，可及时、合理的调整盾构施工参数，提升盾构施工效率，节约施工成本，且减少对周边环境的不良影响。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种用于软土地层中盾构机切削桩基的判断方法，包括：
步骤1、设定盾构机掘进路径；
步骤2、确定盾构机掘进路径上存在的钢筋混凝土桩基；
步骤3、启动盾构机进行掘进，观察刀盘扭矩、刀盘电机电流曲线的振幅、频率变化特征，判断盾构机刀盘是否开始接触桩基；
步骤4、若盾构机刀盘已开始接触桩基，则立即将盾构施工参数调整至切削桩基状态；
步骤5、继续观察刀盘扭矩、刀盘电机电流曲线的振幅、频率变化特征，判断盾构机刀盘是否完全脱离桩基；
步骤6、若盾构机刀盘已完全脱离桩基，则调整盾构施工参数至正常软土掘进状态。
进一步，所述设定盾构机掘进路径具体方法为：通过调整盾构姿态，使盾构机沿着设计中心线掘进，且盾构姿态误差范围不超过设计值的±50mm。
进一步，所述确定盾构机掘进路径上存在的钢筋混凝土桩基具体方法为：确定侵入盾构掘进范围的钢筋混凝土桩基，盾构机向前掘进对该钢筋混凝土桩基进行切削、破碎。
进一步，所述盾构机和刀盘扭矩、刀盘电机电流曲线是通过盾构机监控及管理系统中的数据采集系统将采集到的刀盘扭矩、刀盘电机电流数据处理分析后在监控服务器界面上以图表形式显示的曲线。
进一步，所述盾构机刀盘扭矩、刀盘电机电流曲线的振幅、频率变化特征是曲线波动的振幅大小、曲线波动频率变化的快慢。
进一步，当盾构机刀盘开始接触桩基时，所述盾构机刀盘扭矩曲线出现振幅逐渐扩大，频率逐渐加快的特征，同时刀盘电机电流曲线也出现振幅逐渐扩大，频率逐渐加快的特征。
进一步，当盾构机刀盘完全脱离桩基时，所述盾构机刀盘扭矩曲线振幅、频率恢复至正常软土地层掘进的相对平缓状态，同时刀盘电机电流曲线振幅、频率也恢复至正常软土地层掘进的相对平缓状态。
进一步，所述将盾构施工参数调整至切削桩基状态具体方法为：盾构机切削桩基前，提前1环，即1.2m，将盾构机推进速度下调至10～20mm/min，刀盘转速保持0.8rpm，盾构机刀盘开始接触桩基时，将盾构机推进速度进一步下调至不超过5mm/min，刀盘转速上调至1.0rpm。
本发明的有益效果是：
本发明通过设定盾构机在软土地层中的掘进路径，确定所述盾构机掘进路径上存在的钢筋混凝土桩基；观察盾构机刀盘扭矩及刀盘电机电流曲线的变化特征，使得在盾构机掘进过程中，对盾构机刀盘是否开始接触桩基及盾构机刀盘是否已脱离桩基进行正确、合理的判断，根据判断及时、合理的调整施工参数，使得盾构机能够安全、高效的完成切削桩基施工。
附图说明
图1为软土地层中盾构机切削桩基的判断方法的盾构机刀盘与桩基相对位置关系的横剖面图；
图2为软土地层中盾构机切削桩基的判断方法的盾构机刀盘与桩基相对位置关系的纵剖面图；
图3为软土地层中盾构机切削桩基的判断方法的正常软土掘进的刀盘扭矩及刀盘电机电流曲线图；
图4为软土地层中盾构机切削桩基的判断方法的软土中开始切削桩基的刀盘扭矩及刀盘电机电流曲线图；
图5为软土地层中盾构机切削桩基的判断方法的流程图。
具体实施方式
本发明提供了一种用于软土地层中盾构机切削桩基的判断方法，针对软土地层中盾构掘进路径上存在的障碍物，该障碍物为建构筑物的地下钢筋混凝土桩基，本发明的判断方法用于判断盾构切削桩基时的盾构机刀盘是否开始接触桩基及盾构机刀盘是否完全脱离桩基，便于及时、合理的调整施工参数，较好的完成切削桩基施工，并保护盾构机本身及桩基上方的建构筑物。为了使本发明的目的、技术方案更加清楚明白，
下面结合附图1～5对本发明用于软土地层中盾构机切削桩基的判断方法进行说明。
盾构机刀盘扭矩属于被动施工参数，受掘进土层的均匀性、推进速度及螺旋机出土量等影响，处于不停的变化中，但其直接影响着刀盘刀具的受力及被切削桩基的变形，是切桩施工的重要控制参数。但刀盘扭矩作为切削桩基的判断依据时，由于其本身数值一般较大，而刀具最初接触桩基时，阻力的变化相对较小，这就导致一开始刀盘扭矩数值变化不大，难以及时进行判断。因此，我们引入了变化更为灵敏的刀盘电机的电流曲线，通过单个刀盘电机的电流曲线波动特征进行辅证，从而更为及时、准确的进行判断。
如图3所示，盾构机在软土地层中掘进时，由于软土地质比较均匀，盾构机刀盘刀具受力相对均衡，其刀盘扭矩、刀盘电机电流的曲线变化也相对平缓。
如图1、2所示，由于地下隧道工程的特性，盾构机沿设计中心线向前掘进时，在竖向上基本都具有一定的坡度，而建构筑物的桩基一般都采用钢筋混凝土结构垂直向下施工，因此在盾构机切削桩基时，盾构机与桩基在竖向上通常存在＜90°的夹角，造成盾构切削桩基时，首先是刀盘1边缘的刀具接触到桩基2，然后才是面板上的刀具，最后是刀盘中心的刀具。
设定固定的刀盘转速，在刀具切削桩基时，钢筋混凝土材质的桩基硬度远大于软土，会对刀盘旋转产生更大的阻力，而盾构机刀盘驱动电机为克服阻力也会相应的增大输出功率；同时，由于盾构机刀盘上刀具之间存在固定的间距，随着刀盘的旋转，当桩基与刀具接触时，刀盘扭矩会增大，当桩基处于刀具之间时，刀盘扭矩则会缩小，这就会使刀盘扭矩及刀盘电机电流曲线出现具有一定规律的明显波动。随着越来越多的刀具接触到桩身，更多的阻力叠加，刀盘扭矩及刀盘电机电流曲线的波动幅度会逐步增大，如图4所示，但曲线的波峰高度受切削的桩基材料影响，存在上限。
根据盾构机刀盘刀具的分布特点，主要依靠先行刀切削桩基，每把先行刀都有固定的轨迹线,将盾构机刀盘刀具的轨迹线进行编号，按照刀盘中心至刀盘边缘的顺序，分别为L1、L2……Li，其对应的轨迹半径分别为R1、R2……Ri，每条轨迹线上的刀具数量为N1、N2……Ni，每条轨迹线上的刀具中心夹角为α1、α2……αi，其中α＜180°。
设定钢筋混凝土桩基侵入到隧道的全断面，盾构机切削桩基时，刀盘与桩基的夹角为β，刀盘转速为1.0rpm，刀盘上先行刀的高度一致；同时对盾构机刀盘同一径向线上的刀具切削桩基存在的细微时间差异忽略不计。
阶段一：由Li轨迹线上的先行刀接触桩基开始，至L1轨迹线上的先行刀接触桩基为止。本阶段，刀盘1min旋转1周，轨迹线上的每把先行刀1min切桩1次，下面以Li轨迹线上的先行刀切削桩基为例，说明阶段一刀盘扭矩及刀盘电机电流曲线波动频率变化特征。
Li轨迹线上的先行刀开始切削桩基，刀盘1min旋转1周，轨迹线上的每把先行刀1min切桩1次，即刀盘旋转一周，刀具切削桩基的次数为Ni，该轨迹线刀具每一圈切削桩基产生的刀盘扭矩及刀盘电机电流曲线波动频率Vi＝Ni次/min，曲线波峰的间隔时间分别为
Figure BDA0003435168590000051
……及
Figure BDA0003435168590000052
间隔时间的和为1min。
此阶段中，盾构机刀盘中心尚未切入桩身，刀盘上的先行刀只能切削桩身的上部分，因此，每把先行刀均是1min切削一次桩身，但接触桩基的刀具轨迹线由Li逐渐叠加至L1，接触到桩基的刀具逐渐增加，使刀盘扭矩及刀盘电机电流曲线波动频率出现逐渐加快的情况，。但需注意的是，根据刀盘刀具的分布特点，不同轨迹线的刀具中心在径向上有位于同一径向线上，也有位于不同径向线上，因此曲线波动频率的加快并不是1+1＝2的关系，而是1+1≥1的关系。
阶段二：由L1轨迹线上的先行刀可以切削到刀盘中心以下的桩身开始，至Li轨迹线上的先行刀可以切削到刀盘中心以下的桩身结束。本阶段，刀盘1min旋转1周，轨迹线上的每把先行刀0.5min切桩1次，下面以L1轨迹线上的先行刀切削桩基为例，说明阶段二刀盘扭矩及刀盘电机电流曲线波动频率变化特征。
L1轨迹线上的先行刀可以切削到桩身上半部及下半部，刀盘1min旋转1周，轨迹线上的每把先行刀0.5min切桩1次，即刀盘旋转一周，刀具切削桩基的次数为2N1，该轨迹线刀具每一圈切削桩基产生的刀盘扭矩及刀盘电机电流曲线波动频率V1＝2N1次/min，曲线波峰的间隔时间为
Figure BDA0003435168590000061
……及
Figure BDA0003435168590000062
间隔时间和为0.5min。
此阶段的最后，盾构机刀盘完全切入桩身，刀盘上每把先行刀均是0.5min切削一次桩身。整个过程由L1轨迹线逐渐叠加至Li轨迹线。因此，同阶段一，并在其基础上，刀盘扭矩及刀盘电机电流曲线波动频率会进一步加快，并在Li轨迹线上的先行刀可以切削到桩身下半部时达到最快。
因此，在盾构机切桩的初期阶段，刀盘扭矩及刀盘电机电流曲线的波动频率会逐步加快，并在Li轨迹线(刀盘最外侧)的先行刀可以切削到刀盘中心以下的桩身达到最快，如图4所示。
同理，在刀具脱离桩身时，刀盘扭矩及刀盘电机电流曲线的变化特征呈现相反的变化，直至变化为软土掘进的相对平缓状态，此时盾构机刀盘完全脱离桩基。
本发明主要通过观察盾构机刀盘扭矩及刀盘电机电流曲线的变化特征，来判断盾构机刀盘是否开始接触桩基及是否完全脱离桩基。若发现盾构机刀盘扭矩及刀盘电机电流曲线出现振幅逐步扩大，振动频率逐步加快，则盾构机刀盘已开始接触桩基，立即将施工参数调整至切削桩基状态；若发现盾构机刀盘扭矩及刀盘电机电流曲线的振幅逐步缩小，振动频率逐步减缓，直至基本平缓，则盾构机刀盘已完全脱离桩基，则将施工参数调整至软土掘进状态。
如图5所示，本发明用于软土地层中盾构机切削桩基的判断方法包括：
1)设定盾构机掘进路径；
2)确定盾构机掘进路径上存在的钢筋混凝土桩基；
3)启动盾构机进行掘进，观察刀盘扭矩、刀盘电机电流曲线的振幅、频率变化特征，判断盾构机刀盘是否开始接触桩基；
4)若盾构机刀盘扭矩、刀盘电机电流曲线出现振幅逐渐扩大，频率逐渐加快的情况,则判断为盾构机刀盘已开始接触桩基，立即将盾构施工参数调整至切削桩基状态；
5)盾构机切削桩基前，提前1环(1.2m)将盾构机推进速度下调至10～20mm/min，刀盘转速保持0.8rpm，盾构机刀盘开始接触桩基时，将盾构机推进速度进一步下调至不超过5mm/min，刀盘转速上调至1.0rpm。
6)继续观察刀盘扭矩、刀盘电机电流曲线的振幅、频率变化特征，判断盾构机刀盘是否完全脱离桩基；
7)若盾构机刀盘扭矩、刀盘电机电流曲线出现振幅逐渐缩小，频率逐渐减缓，直至正常软土地层掘进的平缓状态，则判断盾构机刀盘已完全脱离桩基，调整盾构施工参数至正常软土掘进状态。
对本发明的用于软土地层中盾构机切削桩基的判断方法的效果检测：
采用上述方法判断盾构机刀盘是否开始接触桩基及盾构机刀盘是否完全脱离桩基，配合及时、合理的施工参数调整，从地下构筑物的结构沉降来看，切削桩基完成约30日后，结构沉降最大值为+3.22mm，水平位移最大值为-1.9mm；从盾构机保护来说，在切削桩基完成后，对盾构机设备进行全面检查，整体状态良好，未出现异常情况，并且在盾构机接收后，对刀盘刀具进行观察，刀具基本无异常损坏情况。
以上结合附图实例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于软土地层中盾构机切削桩基的判断方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、设定盾构机掘进路径；
步骤2、确定盾构机掘进路径上存在的钢筋混凝土桩基；
步骤3、启动盾构机进行掘进，观察刀盘扭矩、刀盘电机电流曲线的振幅、频率变化特征，判断盾构机刀盘是否开始接触桩基；
步骤4、若盾构机刀盘已开始接触桩基，则立即将盾构施工参数调整至切削桩基状态；
步骤5、继续观察刀盘扭矩、刀盘电机电流曲线的振幅、频率变化特征，判断盾构机刀盘是否完全脱离桩基；
步骤6、若盾构机刀盘已完全脱离桩基，则将盾构施工参数调整至正常软土掘进状态。
2.根据权利要求1所述的用于软土地层中盾构机切削桩基的判断方法，其特征在于：所述设定盾构机掘进路径具体方法为：通过调整盾构姿态，使盾构机沿着设计中心线掘进，且盾构姿态误差范围不超过设计值的±50mm。
3.根据权利要求1所述的用于软土地层中盾构机切削桩基的判断方法，其特征在于：所述确定盾构机掘进路径上存在的钢筋混凝土桩基具体方法为：确定侵入盾构掘进范围的钢筋混凝土桩基，盾构机向前掘进对该钢筋混凝土桩基进行切削、破碎。
4.根据权利要求1所述的用于软土地层中盾构机切削桩基的判断方法，其特征在于：所述盾构机和刀盘扭矩、刀盘电机电流曲线是通过盾构机监控及管理系统中的数据采集系统将采集到的刀盘扭矩、刀盘电机电流数据处理分析后在监控服务器界面上以图表形式显示的曲线。
5.根据权利要求4所述的用于软土地层中盾构机切削桩基的判断方法，其特征在于：所述盾构机刀盘扭矩、刀盘电机电流曲线的振幅、频率变化特征是曲线波动的振幅大小、曲线波动频率变化的快慢。
6.根据权利要求4所述的用于软土地层中盾构机切削桩基的判断方法，其特征在于：当盾构机刀盘开始接触桩基时，所述盾构机刀盘扭矩曲线出现振幅逐渐扩大，频率逐渐加快的特征，同时刀盘电机电流曲线也出现振幅逐渐扩大，频率逐渐加快的特征。
7.根据权利要求4所述的用于软土地层中盾构机切削桩基的判断方法，其特征在于：当盾构机刀盘完全脱离桩基时，所述盾构机刀盘扭矩曲线振幅、频率恢复至正常软土地层掘进的相对平缓状态，同时刀盘电机电流曲线振幅、频率也恢复至正常软土地层掘进的相对平缓状态。
8.根据权利要求1所述的用于软土地层中盾构机切削桩基的判断方法，其特征在于：所述将盾构施工参数调整至切削桩基状态具体方法为：盾构机切削桩基前，提前1环，即1.2m，将盾构机推进速度下调至10～20mm/min，刀盘转速保持0.8rpm，盾构机刀盘开始接触桩基时，将盾构机推进速度进一步下调至不超过5mm/min，刀盘转速上调至1.0rpm。
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