本发明属于岩土工程
技术领域：
，涉及盾构掘削局部超挖区域同步注浆动态补偿填充控制方法。
背景技术：
：盾构法是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法。它是将盾构机械在地中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌。同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法。盾构机既是一种施工机具，也是一种强有力的临时支撑结构。盾构机外形上看似一个大的钢管机，较隧道部分略大，它是设计用来抵挡外向水压和地层压力的。它包括三部分：前部的切口环、中部的支撑环以及后部的盾尾。大多数盾构的形状为圆形，也有椭圆形、半圆形、马蹄形及箱形等其他形式。盾构施工虽然高效便捷，但同时也带来了新的工程问题，如地铁施工中对地层的扰动，对地表房屋建筑、沥青路面、城市地下管网线等基础设施的扰动，严重者会造成临近建筑物的倒塌、城市水电及交通系统的瘫痪等。由此可见，施工工艺的控制是保障城市正常运行的决定性因素，量化分析和研究盾构工艺变化情况下对地表沉降的影响规律是十分重要的。地铁盾构施工工艺引起土体的扰动主要表现为：盾构对土体的挤压和松动、加载与卸载、孔隙水压上升与下降所引起土性的变异、地表隆起与下沉等。由于盾构机刀盘的开挖直径大于管片外径，管片拼装完毕并脱出盾尾后，与土体间形成一个环形间隙，简称盾尾间隙。盾尾间隙如果不及时得到填充，势必造成地层变形，使相邻地表建、构筑物沉降或隧道本身偏移。盾尾注浆的最重要目的就是及时填充盾尾间隙，防止因盾尾间隙的存在导致地层发生较大变形，提高隧道的抗渗性；但盾尾注浆最终效果受各项施工参数影响，现有技术盾尾注浆作业中对各项参数的制定缺少实时性，精确性，导致施工效果难以保证。技术实现要素：本发明的目的是提供一种盾构掘削局部超挖区域同步注浆动态补偿填充控制的方法，利用盾构掘进实时监测数据和相关设计资料测算出土体超挖量，再针对性的调整盾尾注浆参数，做到实时化、精确化控制，以减小盾构施工对周边环境造成的影响。为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：本方法包括两个子环节系统：超挖预判系统、注浆参数控制系统。由超挖预判系统对施工区域超挖情况进行定性判断：其中初测进土量主要利用螺旋输送机出土量监测数据和土斗外运土方体积共同确定，理论进土量是根据设计盾构方案计算得到的出土量，二者之差即为粗侧超挖量，超挖程度评价的依据是施工规范和本次施工特殊要求中较严格者；压力监测数据由盾构机头四组活塞自有的压力传感器得到，超挖定位分析主要依据相邻活塞的压力差值，若出现相邻活塞对应的压力监测数据在同时段差值超过限值的情况，则判定以相邻活塞为边界的范围内土体在施工过程中有超挖风险；结合超挖程度评价和超挖区定位分析结果，形成决策信息，并将信息传递给注浆参数控制系统；注浆参数控制系统结合各项条件，即：地层参数，预估超挖量，盾构掘进控制参数，形成基础性盾尾注浆参数，结合超挖预判系统生成的决策信息，对盾尾注浆的各项施工参数进行调整，并将调整后的盾尾注浆参数输入盾构机盾尾注浆控制子系统，实现实时化、精确化控制。对于超挖预判系统，其步骤如下：第一步，结合掘进土层自身特性及其在施工过程中的变形时间，对其流动填充管片与土体间空隙情况进行评价；第二步，利用设计资料计算理论进土量，结合出土量相关数据，初步估测超挖程度，若判定土体流动导致空隙被填充，则无需进行超挖情形下的参数调整，若判定土体成拱性强，空隙依然存在，则进入第三步；第三步，根据盾构机活塞压力传感器监测数据对超挖区域进行定位，并将定位信息传递给注浆参数控制系统。对于注浆参数控制系统，其步骤如下：第一步，通过盾构掘进监测数据测算出被挖除的土体体积；第二步，输入现阶段设计土体开挖量相关资料，若判断不会出现超挖，则继续按照原有盾构参数施工，若判断会出现超挖，则进入第三步；第三步，结合穿越土层特性和盾构掘进监测参数进行盾尾注浆参数配置，并实施盾尾注浆。进一步而言，所述超挖预判系统的主要功能有二：判定超挖是否存在、判定局部超挖区域的方位。其中判定超挖存在与否的方法仅限于土质较硬，成拱能力强的地层，对于淤泥质软土等流动性强的土体，不适用本判定方法。所述超挖预判系统中初测出土量等于土斗容积与土斗运出次数之积，此数据仅在预判是否存在超挖时使用，不用于注浆参数控制系统。所述超挖预判系统中的定位分析以盾构隔板压力传感器实时数据作为依据，通过识别各压力变化规律判断超挖区域，出现压力快速衰减的判定为超挖区域。所述注浆参数控制系统中，土层特性参数包括：土层湿容重，土体无侧限抗压强度，土的内聚力，土的内摩擦角等；盾构掘进参数包括：埋深，隧道直径，刀盘直径，出土量，活塞压力，掘进速度等。所述注浆参数控制系统中，基础注浆参数包括：注浆量，注浆压力，注浆速度。三者数值可根据土层特性参数，预估超挖量，盾构掘进参数，利用相关公式进行计算。此时各组注浆孔参数设定值一致。所述注浆参数控制系统中，超挖区注浆动态方案是指：结合预判系统提供的定位信息，对超挖区域范围内最近的两组注浆孔的基础注浆参数进行调整，达到消除超挖的目的。超挖区注浆动态方案的实现：将本方法中的系统与盾构机自身操作软件平台相结合，从盾构设备自身掘进控制系统获取相关实时监测数据，输入本方法提及的系统进行判定与计算生成动态方案，将动态方案输入盾构设备自身盾尾注浆系统，实时修正各项注浆参数。当土体因二次变形或其他原因导致动态方案未能控制地表沉降或控制精确度未达要求时，可以利用管片注浆孔进行二次注浆。对于需要实时监测数据，如：出土量，活塞压力，掘进速度等，其数据采集频率为：每推进1cm收集一次，系统储存一节管片范围内的监测数据，并据此计算出对应的盾尾注浆各项参数，监测数据与盾尾注浆参数将以管片为项目进行储存。由于采用上述技术方案，本发明具有以下优点和有益效果：1)减少地面测量人员工作量，加快盾构作业进度，提高整体施工效率；2)对土体超挖情况进行实时监测，且系统可自动对盾尾注浆参数做出相应调整，降低人为误差；3)盾尾注浆参数调整方式相对灵活，既提供系统计算参数，也允许人工修正，可以应对不同情况的超挖情况；4)有效减小盾构施工对周边环境的影响。附图说明图1为本发明的超挖预判环节(系统)运行图。图2为本发明的注浆参数控制环节(系统)运行图。图3是本发明实施例的盾尾注浆施工横断面示意图。具体实施方式以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。图1为超挖预判环节(系统)运行图。首先通过计算得出理论出土量，再结合盾构机螺旋输送机挖出土体体积和土斗挖出体积得出初测出土量，二者之差即为粗测超挖量，结合一般施工规范和本次具体施工要求对超挖严重程度进行评价；然后通过盾构活塞的压力传感器监测数据进行分析，通过相邻活塞压力监测数据的同时段对比得到超挖区方位信息；最后综合超挖程度评价和定位分析结果形成决策信息，传递给注浆参数控制系统。图2为注浆参数控制环节(系统)运行图。首先获取盾构施工所需的基本参数：地层特性参数，预估超挖量(需要特殊说明的是此处的预估超挖量是由于盾构曲线开挖时由于盾构机自身转弯半径极限造成的土体超挖，可通过理论计算得到，此不赘述)，盾构掘进控制参数；然后根据上述基本参数形成基础性盾尾注浆参数；最后结合超挖预判系统形成的决策信息，对基础性盾尾注浆参数进行实时调整，形成超挖区注浆动态方案。为保证施工安全性，本系统在最终输出参数前需进行人工复核，由施工人员再次确认并提供修改参数的权限。图3为本发明实施例的施工横断面示意图。本次实施例采用的盾尾注浆管形式为4组16孔。由该横断面图可知，在第一组和第四组注浆孔间有超挖现象，当此处开始进行盾尾注浆作业时，本发明的控制系统启动：由超挖预判系统获得超挖量和超挖区位置信息，并形成决策信息，供注浆参数控制系统使用。注浆参数控制系统接收基本参数信息后，首先形成基础性注浆控制参数。再结合决策信息进行调整，本实施例中需要增大注浆孔1和注浆孔4的注浆量，由于注浆参数的相关性，注浆孔1和注浆孔4的注浆速度和压力也需同时调整。现某地区有一地铁盾构区间施工正在作业，以其右线拼装一节管片为例：已知盾构机直径6.28m，管片外径6m，管片长度1.5m，盾构推进速度2cm/min。根据上述条件得出盾尾注浆压力，注浆量，注浆速度。地层为砂土层，成拱性较强，土体各项参数已知。依据本发明具体包括如下步骤：一)超挖预判系统1.超挖程度评价根据土层特性判定其流动性和成拱性，结合盾构施工中的土体变形时间，计算出由于土体流动填充到空隙中的体积V1。通过土斗容积和运出土斗次数计算毛测出土量，结合理论进土量可以初步测出超挖量V2，计算V1与V2之差。当V1小于V2，则认为存在超挖。2.超挖区定位分析分析活塞压力监测数据，通过同一时间段各相邻活塞压力分布两两比较找出超挖区域的大致方位，以坐标信息的形式记录超挖区范围。3.决策信息将超挖程度评价和超挖区定位分析成果进行汇总，结合本次施工的规范限值，明确超挖修复程度，形成量化注浆参数变动量的决策信息，导入注浆参数控制系统。二)注浆参数计算系统1.注浆压力计算由于注浆压力涉及因素多，受环境影响大，且土层实际分布情况难以真实预测，故采用以下三步骤确定注浆压力。1.1地层劈裂压力计算(注浆压力上限)根据土层特性计算该地层的劈裂压力Pf，当注浆压力大于劈裂压力时，浆液冲击力可在土层中形成裂缝，使浆液流向不可控，从而导致其有效注浆量难以计算，故为保证注浆作业的有效性，注浆压力不应大于Pf。1.2埋深处地层应力(注浆压力下限)根据太沙基公式可计算出所在土层的土压力Pe，当注浆压力小于土压力时，会导致浆液难以喷出，堵塞注浆口等情况，为保证注浆作业正常进行，注浆压力不应小于Pe。1.3注浆压力参考值确定理论上注浆压略大于地层土压与水压P0，以达到对环向空隙的有效充填而不是劈裂注浆，在满足上下限要求的前提下可参考水土压力确定注浆压力：P＝(1.1～1.5)P0最佳施工注浆压力范围为0.32Mpa～0.42Mpa，本案例中取0.4Mpa。2.注浆量计算注浆量的确定是以盾尾建筑空隙量为基础并结合地层、线路及掘进方式等考虑适当的饱满系数，以保证达到充填密实的目的。根据施工实践，这里的饱满系数包括由注浆压力产生的压密系数、取决于地质情况的土质系数、施工消耗系数、由掘进方式产生的超挖系数等。在计算注浆量时，要考虑到土体二次填充，施工中注入其他材料如盾尾油脂等填充的空隙体积，对盾尾建筑空隙量进行修正。盾尾注浆的注浆率范围一般控制在120％～180％，故注浆量范围为4.86～7.29立方米/环(环轴向长度1.5m)，本案例注浆率取150％，故注浆量为6.075立方米/环。3.注浆速度注浆速度可根据盾构掘进速度及注浆量，结合体积关系算出。盾构推进速度一般为2.5～5.5cm/min，本次取3cm/min，已知一环轴向长度为1.5m，可算出总注浆速度取0.12立方米/min。4.动态方案形成将超挖预判系统的决策信息导入，对超挖区域进行定位，并自动寻找到该区域附近的两组注浆口，即下表中的注浆孔1和注浆孔4，按2:1比例分配额外注浆量，并计算因超挖量而改变的其余参数修正值，最终完成四组注浆口各项参数的设定。最终四组注浆孔在此环范围盾尾注浆参数调整为：编号注浆压力(Mpa)注浆量(立方米/环)注浆速度(立方米/min)注浆孔10.441.650.033注浆孔20.401.530.031注浆孔30.401.530.031注浆孔40.411.590.032根据现场实测数据，该环范围内工后最大沉降为-5.7mm，小于控制沉降范围10mm，采用本发明调整盾尾注浆参数，有效的控制了盾构超挖导致的地表沉降问题，减小了施工对周边环境的影响。上述对实施例子的描述是为了便于该
技术领域：
的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3