CN117662165A - 一种富水液化粉砂地层盾构掘进参数取值方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了盾构机技术领域的一种富水液化粉砂地层盾构掘进参数取值方法，包括以下步骤：步骤一，地层信息：获取施工地层基本信息，并结合地层基本信息设置盾构机原始施工数据；步骤二，机器准备：在盾构机上安装采集点；步骤三，采集点分区：盾构机刀片上的采集点采集刀盘与粉砂接触的压力和刀盘转速，机身上的采集点采集地层对机身的挤压力；步骤四，掘进参数获取：结合盾构机施工获取盾构机施工时，掘进速度、刀盘左右盘的压力差值和粉砂在刀盘上停留时长；步骤五，取值反证。本发明简单易操作，通过结合传统的盾构机取值和盾构机施工时的特殊取值，能够对盾构机在施工过程中遇到的不同地层情况及时的调整盾构机的取值。

Description

一种富水液化粉砂地层盾构掘进参数取值方法

技术领域

本发明属于盾构机技术领域，具体是一种富水液化粉砂地层盾构掘进参数取值方法。

背景技术

随着社会的发展，尤其是科学技术的进步，大大促进了社会生产力的飞速，尤其是交通运输业的发展，大大改变了人们是生活半径和生活方式。在诸多的交通工具中，地铁在人们生活中扮演的角色越来越重要。地铁能够快捷、安全、舒适地运送大流量的乘客，具有良好的社会经济效益，所以近年来，城市地铁建设飞速发展。但是由于地铁施工是在地下进行，地下结构受到水文地质环境的影响较大。特别是在富水粉砂地层进行深基坑开挖时，更加容易发生涌水、涌砂事故，对周边建筑物、管线、道路均有较大影响，如果基坑内发生涌水涌砂险情，短时间内得不到有效控制，一旦形涌水涌砂通道，势必造成地面塌陷，波及到管线和生活小区安全。

盾构法是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法，盾构法因其具有对周围环境影响小、施工速度快、对地层沉降控制好、工程质量容易保证、地层适应性强等优点,在城市地铁建设中已经成为主要施工手段。现有的富水液化粉砂地层中利用盾构机进行掘进时均采用先采集地层信息，并根据地层信息判断应对盾构机的各参数进行对应的获取，然后直接进行施工。但是在实际的施工情况下，地层情况复杂，且富水液化粉砂地层中常有地下水通道，若是直接在掘进过程中未及时的对盾构机的掘进参数及时的根据地层变化和是否遇到地下水遇到而进行调整的话，一方面具有盾构机参数不匹配进而使盾构机遭到较大的磨损，另一方面具有使地层在盾构作用下受到更大伤害。

发明内容

本发明的目的是提供一种富水液化粉砂地层盾构掘进参数取值方法，通过结合传统的盾构机取值和盾构机施工时的特殊取值，能够对盾构机在施工过程中遇到的不同地层情况及时的调整盾构机的取值。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种富水液化粉砂地层盾构掘进参数取值方法，包括以下步骤：

步骤一，地层信息：获取施工地层基本信息，并结合地层基本信息设置盾构机原始施工数据；

步骤二，机器准备：在盾构机上安装采集点，采集点分别安装至刀盘和盾构机机身；

步骤三，采集点分区：盾构机刀片上的采集点采集刀盘与粉砂接触的压力和刀盘转速，机身上的采集点采集地层对机身的挤压力；

步骤四，掘进参数获取：结合盾构机施工获取盾构机施工时，掘进速度、刀盘左右盘的压力差值和粉砂在刀盘上停留时长；

步骤五，取值反证：结合盾构机掘进时获取的参数和地层信息处的原始信息，并进行对比，以获取准确的地层信息及该地层所适宜的盾构机目标取值。

进一步，步骤一中，盾构机原始施工数据包括总推力、刀盘扭矩、推进速度、刀盘转速、渣土参数、注浆参数和盾构姿态参数。

进一步，步骤二中，盾构机机身顶部和底部均安装采集点，并获取盾构机顶部土压、顶部测压、底部测压和底部抗力信息。

进一步，顶部土压、顶部测压、底部测压和底部抗力的计算式如下：

顶部土压为P₀＝γ(H-HW)+γ′HW+P′

顶部测压为P₁＝P₀·k_a。

底部测压为P₂＝[γ(H-HW)+γ′H₀+P′]K_a

底部抗力为P′₀＝P₀+W_g/(DL)

式中，K_a为侧压系数，γ为覆土平均容重，W_g为盾构及附加物总重，D为盾体外径，L为盾壳长度，H为盾构顶部埋深，HW为地下水位至盾构顶部的高度，H₀为地下水位至盾构底部的高度，P′为地表荷载。

进一步，步骤三中，采集刀盘上的所接触的压力包括地层内不同的硬度的地层对刀盘冲击压力信息，并根据冲击刀盘的不同压力信息，能够判断此时为硬地层还是软地层对刀盘的冲击，并判断此时盾构机掘进的地层信息；

采集刀盘的转速，并将转速与盾构机掘进速率进行对比，相同转速下掘进速率降低或增快，且结合刀盘此时受到的冲击压力增大或减小，能够判断此时盾构机处于硬地层或软地层，并将该采集信息传送至外部控制部门处，结合调整刀盘转速，以对硬地层或软地层成功掘进。

进一步，步骤四中，粉砂在刀盘上停留时长指的是，当盾构机进行掘进时，同一粉砂块首次接触刀盘和脱离刀盘的时间，通过粉砂块停留时长的采集，能够判断此时地层的粘稠度与是否处于富水状态。

进一步，步骤四中，刀盘左右盘的压力差值指的是，当盾构机进行掘进刀盘进行旋转时，刀盘接触到的左右侧压力不同，当差值达到一定阈值，能够判断此时盾构机两侧的地层为不同的硬度的粉砂层，以实现对地层的信息的采集。

进一步，步骤四中，结合刀盘处的粉砂在刀盘的停留时间过长时，能够判断此时该地层处有地下水通道，并结合此时刀盘的旋转速度和掘进速度，能够确定是否此地层地质软硬并确定地下水通道，再结合刀盘左右侧刀盘压力能够确定地下水通道的位置，并将采集的信息传送至外部控制部门，获取此时盾构机最佳的掘进参数，以调整盾构机取值参数。

基础方案的原理及有益效果是：1、本方法实现了在传统的盾构机取值考虑下，还采集到盾构机的进行掘进时粉砂泥土等对刀盘的冲击力、四周对盾构机的挤压力及刀盘处左右侧受到的不同的压力差值参数，进而根据盾构机在实际盾构时所接触到不同的采集信息，能够对此时盾构机的掘进情况进行数字化的直观观察，进而将该采集的信息传送回控制处时，能够根据此处盾构机的详情调节盾构机的掘进参数，进而使盾构机能够在地层内顺利掘进。

2、在盾构机进行掘进时，根据刀盘处的不同的粉砂对刀盘的冲击力能够判断此时该地层内的是偏硬还是软，进而能够判断该地层的软硬度，同时采集刀盘的转速，并将转速与盾构机掘进速率进行对比，当此时盾构机的掘进速率变缓时，且刀盘处所受到的冲击力较小时时能够判断此地层可能为较软层，并辅助之粉砂停留在道具上的时间较长等参数时，则能确定此时该地层为富水较软地层，进而调节此时盾构机的参数进行适宜的盾构，因为在富水粉砂地层由于土质松软、稳定性差，所需更加精细地控制土压平衡、防止地层塌方等问题。

3、在富水液化粉砂地层中，地下水的存在可能会对盾构掘进产生一定的影响，例如地下水的流动可能会增加地层的含水量，使得地层更加软弱和容易受到扰动，在富水液化粉砂地层中，由于地层具有较好的渗透性，地下水可能会对盾构掘进产生一定的影响，例如地下水的流动可能会增加地层的含水量，使得地层更加软弱和容易受到扰动；

由此在进行盾构时，结合采集的刀盘处的粉砂在刀盘的停留时间过长时，能够判断此时该地层含水量较大且较易粘连至刀片上，进而判断此处具有地下水通道，并结合此时刀盘的旋转速度和掘进速度，若此时地层含水量较多并使地层较软时，则能够进一步判断此地层较软掘进速度缓慢且有地下水通道，再结合刀盘左右侧刀盘压力，当一侧压力大而另一侧无压力时，能够判断某一侧具有孔隙，所以刀盘接触其是无较大压力，进而产生空转的情况，从而能够确定地下水通道的位置，并将采集的信息传送至外部控制部门，后续控制部门能够通过抽水、降水、注浆等方式来降低地下水对掘进过程的影响，进而减少对盾构机的工作影响。

附图说明

图1为本发明实施例中富水液化粉砂地层盾构掘进参数取值方法的方法示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

实施例

基本如附图1所示：一种富水液化粉砂地层盾构掘进参数取值方法，包括以下步骤：

步骤一，地层信息：获取施工地层基本信息，并结合地层基本信息设置盾构机原始施工数据；其中盾构机原始施工数据包括总推力、刀盘扭矩、推进速度、刀盘转速、渣土参数、注浆参数和盾构姿态参数；

步骤二，机器准备：在盾构机上安装采集点，采集点分别安装至刀盘和盾构机机身；

其中盾构机机身顶部和底部均安装采集点，并获取盾构机顶部土压、顶部测压、底部测压和底部抗力信息；顶部土压、顶部测压、底部测压和底部抗力的计算式如下：

顶部土压为P₀＝γ(H-HW)+γ′HW+P′

顶部测压为P₁＝P₀·k_a。

底部测压为P₂＝[γ(H-HW)+γ′H₀+P′]K_a

底部抗力为P′₀＝P₀+W_g/(DL)

式中，K_a为侧压系数，γ为覆土平均容重，W_g为盾构及附加物总重，D为盾体外径，L为盾壳长度，H为盾构顶部埋深，HW为地下水位至盾构顶部的高度，H₀为地下水位至盾构底部的高度，P′为地表荷载。

步骤三，采集点分区：盾构机刀片上的采集点采集刀盘与粉砂接触的压力和刀盘转速，机身上的采集点采集地层对机身的挤压力；

采集刀盘上的所接触的压力包括地层内不同的硬度的地层对刀盘冲击压力信息，并根据冲击刀盘的不同压力信息，能够判断此时为硬地层还是软地层对刀盘的冲击，并判断此时盾构机掘进的地层信息；

采集刀盘的转速，并将转速与盾构机掘进速率进行对比，相同转速下掘进速率降低或增快，且结合刀盘此时受到的冲击压力增大或减小，能够判断此时盾构机处于硬地层或软地层，并将该采集信息传送至外部控制部门处，结合调整刀盘转速，以对硬地层或软地层成功掘进；

步骤四，掘进参数获取：结合盾构机施工获取盾构机施工时，掘进速度、刀盘左右盘的压力差值和粉砂在刀盘上停留时长；

粉砂在刀盘上停留时长指的是，当盾构机进行掘进时，同一粉砂块首次接触刀盘和脱离刀盘的时间，通过粉砂块停留时长的采集，能够判断此时地层的粘稠度与是否处于富水状态；

刀盘左右盘的压力差值指的是，当盾构机进行掘进刀盘进行旋转时，刀盘接触到的左右侧压力不同，当差值达到一定阈值，能够判断此时盾构机两侧的地层为不同的硬度的粉砂层，以实现对地层的信息的采集。

结合刀盘处的粉砂在刀盘的停留时间过长时，能够判断此时该地层处有地下水通道，并结合此时刀盘的旋转速度和掘进速度，能够确定是否此地层地质软硬并确定地下水通道，再结合刀盘左右侧刀盘压力能够确定地下水通道的位置，并将采集的信息传送至外部控制部门，获取此时盾构机最佳的掘进参数，以调整盾构机取值参数。

步骤五，取值反证：结合盾构机掘进时获取的参数和地层信息处的原始信息，并进行对比，以获取准确的地层信息及该地层所适宜的盾构机目标取值。

具体实施过程如下：

一、实验准备

成都某轨道工程区间，该区间左线长1786.56m，右线长1792.486m。区间左右线将分别使用一台中铁装备125号和一台中铁装备126号土压平衡盾构机进行掘进施工，在本段区间中，管片衬砌环内径设计为5400mm，外径为6000mm，管片厚度为300mm，幅宽为1500mm。

本区间地质工程表层多为以杂填土为主的第四系全新统人工填土覆盖，其下依次为粉质黏土、砂类土、卵石土的第四系全新统冲积层，风化泥岩强，风化泥岩中等。

盾构机刀具安装39刃18寸滚刀，刀盘旋转速度为1.3r/min；采用8组液压驱动，驱动功率为945kW，额定扭矩为6200kN·m，脱困扭矩为7500kN·m，扭矩系数为24.2；掘进速度为40～60mm/min。

二、实验过程

将盾构机移动至开挖地区，并进行开挖，开挖过程中，持续采集地层内砂土等对刀盘的冲击力、刀盘左右侧的受力变化、盾构机外部的挤压力及砂土等在刀盘上的停留时间；

当采集的刀盘处的粉砂在刀盘的停留时间过长，掘进速度降低且刀盘左右侧刀盘压力，当一侧压力大而另一侧无压力时，判断盾构机此时在进行掘进时遇到了地下水通道，此时需及时将该信息传送至控制部，并对应进行处理，然后通过抽水、降水、注浆等方式来降低地下水对掘进过程的影响。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (8)

1.一种富水液化粉砂地层盾构掘进参数取值方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，地层信息：获取施工地层基本信息，并结合地层基本信息设置盾构机原始施工数据；

步骤二，机器准备：在盾构机上安装采集点，采集点分别安装至刀盘和盾构机机身；

步骤三，采集点分区：盾构机刀片上的采集点采集刀盘与粉砂接触的压力和刀盘转速，机身上的采集点采集地层对机身的挤压力；

步骤四，掘进参数获取：结合盾构机施工获取盾构机施工时，掘进速度、刀盘左右盘的压力差值和粉砂在刀盘上停留时长；

步骤五，取值反证：结合盾构机掘进时获取的参数和地层信息处的原始信息，并进行对比，以获取准确的地层信息及该地层所适宜的盾构机目标取值。

2.根据权利要求1所述的富水液化粉砂地层盾构掘进参数取值方法，其特征在于：步骤一中，盾构机原始施工数据包括总推力、刀盘扭矩、推进速度、刀盘转速、渣土参数、注浆参数和盾构姿态参数。

3.根据权利要求2所述的富水液化粉砂地层盾构掘进参数取值方法，其特征在于：步骤二中，盾构机机身顶部和底部均安装采集点，并获取盾构机顶部土压、顶部测压、底部测压和底部抗力信息。

4.根据权利要求3所述的富水液化粉砂地层盾构掘进参数取值方法，其特征在于：顶部土压、顶部测压、底部测压和底部抗力的计算式如下：

顶部土压为P₀＝γ(H-HW)+γ′HW+P′

顶部测压为P₁＝P₀·k_a。

底部测压为P₂＝[γ(H-HW)+γ′H₀+P′]K_a

底部抗力为P′₀＝P₀+W_g/(DL)

式中，K_a为侧压系数，γ为覆土平均容重，W_g为盾构及附加物总重，D为盾体外径，L为盾壳长度，H为盾构顶部埋深，HW为地下水位至盾构顶部的高度，H₀为地下水位至盾构底部的高度，P′为地表荷载。

5.根据权利要求4所述的富水液化粉砂地层盾构掘进参数取值方法，其特征在于：步骤三中，采集刀盘上的所接触的压力包括地层内不同的硬度的地层对刀盘冲击压力信息，并根据冲击刀盘的不同压力信息，能够判断此时为硬地层还是软地层对刀盘的冲击，并判断此时盾构机掘进的地层信息；

采集刀盘的转速，并将转速与盾构机掘进速率进行对比，相同转速下掘进速率降低或增快，且结合刀盘此时受到的冲击压力增大或减小，能够判断此时盾构机处于硬地层或软地层，并将该采集信息传送至外部控制部门处，结合调整刀盘转速，以对硬地层或软地层成功掘进。

6.根据权利要求5所述的富水液化粉砂地层盾构掘进参数取值方法，其特征在于：步骤四中，粉砂在刀盘上停留时长指的是，当盾构机进行掘进时，同一粉砂块首次接触刀盘和脱离刀盘的时间，通过粉砂块停留时长的采集，能够判断此时地层的粘稠度与是否处于富水状态。

7.根据权利要求6所述的富水液化粉砂地层盾构掘进参数取值方法，其特征在于：步骤四中，刀盘左右盘的压力差值指的是，当盾构机进行掘进刀盘进行旋转时，刀盘接触到的左右侧压力不同，当差值达到一定阈值，能够判断此时盾构机两侧的地层为不同的硬度的粉砂层，以实现对地层的信息的采集。

8.根据权利要求7所述的富水液化粉砂地层盾构掘进参数取值方法，其特征在于：步骤四中，结合刀盘处的粉砂在刀盘的停留时间过长时，能够判断此时该地层处有地下水通道，并结合此时刀盘的旋转速度和掘进速度，能够确定是否此地层地质软硬并确定地下水通道，再结合刀盘左右侧刀盘压力能够确定地下水通道的位置，并将采集的信息传送至外部控制部门，获取此时盾构机最佳的掘进参数，以调整盾构机取值参数。