泥水式盾构掘进中泥水劈裂现象的全过程监控方法与流程

本发明涉及隧道工程领域，尤其涉及一种泥水式盾构掘进过程中泥水劈裂现象的全过程监控方法。

背景技术：

泥水式盾构工法是水底软土隧道施工的首选工法。泥水盾构在软土隧道施工时，为了保证施工的质量和工程安全，最重要的问题之一就是如何以泥水压力平衡开挖面土水压力来保证开挖面的稳定，特别是在江海中段掘进时，由于覆土厚度一般较小，水压较大，极限支护压力难以确定，如有不慎，就有可能发生泥水劈裂地层，使得泥水喷发到江(海)底，从而产生塌陷和江(海)水倒灌等重大事故。

申请号为201310013157.3(“水底泥水式盾构掘进泥水喷发现象判断方法”)的发明专利申请中公开了一种通过比较劈裂伸展到达地表的时间ts和泥水压力作用于劈裂发生口的时间t0的大小关系来判断是否会产生泥水喷发的技术方案。但从发展阶段来说，泥水劈裂现象主要分为劈裂的发生、发展和贯通3个阶段。其中，劈裂的贯通阶段也称为泥水喷发，因此，申请号为201310013157.3的现有技术中，仅仅只是关注了泥水劈裂现象中劈裂的贯通阶段，而没有涉及劈裂的发生、发展过程的监测，因此，其远远无法满足实际的泥水式盾构施工过程的需要。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的上述缺陷，提供一种泥水式盾构掘进过程中泥水劈裂现象的全过程监控方法，其可以对泥水劈裂的发生、发展和贯通3个阶段进行全过程的监控，及时反馈监控结果，并且根据监控结果适时调节泥水式盾构的掘进速度以及减少泥水压力，由此大幅降低泥水喷发的概率，极大提高施工的安全性以及施工效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种泥水式盾构掘进过程中泥水劈裂现象的全过程监控方法，包括如下步骤：

s1、在泥水式盾构在掘进时，采用压力传感器实时监测掘进时开挖面的泥水压力p，以及所述泥水式盾构泥水仓中的泥水容量q；在预定时间段t内记录若干时间点t1、t2、t3...tn对应的泥水压力p1、p2、p3...pn；并按照公式(1-1)计算出预定时间段t内所述泥水压力的变化率△p，所述公式(1)如下：

△p＝(p1-pn)/p1(1-1)；

同时，实时获取时间点t1、t2、t3...tn对应的泥水容量q1、q2、q3...qn；

若预定时间段t内，△p≥3.6％，且同时qn>qn-1，则判定所述泥水式盾构的开挖面发生劈裂；

s2、若认为所述泥水式盾构的开挖面发生劈裂，则按照公式(1)计算有效劈裂伸展压力ps，并根据ps判断发生劈裂后的裂隙是否继续延伸，所述公式(1-2)如下：

ps＝p-pc(1-2)；

其中，所述pc为抵抗劈裂持续压力；

s3、若认为发生劈裂后的裂隙会继续延伸，则按照公式(2)-(3)判断所述裂隙的延伸是否会造成泥水喷发，所述公式(2)-(3)如下：

其中，ts为裂隙延伸至到达地表的时间；ls为劈裂发展到地面发生口的周长，φ为斜向上劈裂伸展方向与竖直方向之间的角度；qc为劈裂伸展泥水流量；d为盾构机直径；b为劈裂开展宽度；t0为泥水压力作用于裂隙的时间；l为刀具前端到盾壳前端的距离；vs为泥水式盾构的掘进速度；

s4、若认为所述裂隙会延伸至地表以造成泥水喷发，则将所述泥水式盾构的掘进速度vs调整至vs’，以及将所述泥水压力p减少至p’；

其中，且p'≥kσv，k介于朗肯主动与被动土压力系数ka～kp之间，σv为竖向土压力。

优选的，所述预定时间段t为30-45s。

优选的，所述劈裂伸展压力，若ps>0，则认为发生劈裂后的裂隙会继续延伸。

优选的，所述抵抗劈裂持续压力pc与该深度对应的小主应力σ3相等。

优选的，所述裂隙延伸至地表的时间ts，若ts<t0，则认为泥水喷发现象发生。

优选的，所述劈裂伸展泥水流量qc在泥水黏性为24～28s的条件下，其与有效劈裂伸展压力ps的关系式为：其中，a0为现场试验孔劈裂泥水流入面积，a为盾构等劈裂泥水流入面积；且所述劈裂发展到地面发生口的周长ls的计算公式为：

本发明技术方案的有益效果在于：

泥水式盾构掘进过程中泥水劈裂现象的全过程监控方法，其可以对泥水劈裂的发生、发展和贯通3个阶段进行全过程的监控，及时反馈监控结果，并且根据监控结果适时调节泥水式盾构的掘进速度以及减少泥水压力，由此大幅降低泥水喷发的概率，极大提高施工的安全性以及施工效率。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的实施例一中泥水式盾构掘进过程中泥水劈裂现象的全过程监控方法的步骤流程图；

图2是本发明的实施例一中泥水式盾构掘进过程中泥水劈裂现象的全过程监控方法的运作流程图；

图3a是本发明的实施例一中泥水压力与时间的第一组曲线图；

图3b是本发明的实施例一中泥水压力与时间的第二组曲线图；

图3c是本发明的实施例一中泥水压力与时间的第三组曲线图；

图4是本发明的实施例一中泥水式盾构的掘进示意图；

图5为盾构在地层中的侧面示意图和俯视示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一：

图1-2示出了本发明中的泥水式盾构掘进过程中泥水劈裂现象的全过程监控方法的步骤流程以及运作流程，其包括如下步骤：

s1、在泥水式盾构在掘进时，采用压力传感器实时监测掘进时开挖面的泥水压力p，以及所述泥水式盾构泥水仓中的泥水容量q；根据预定时间段t内所述泥水压力p以及所述泥水容量q的变化判定所述泥水式盾构的开挖面是否发生劈裂；

s2、若认为所述泥水式盾构的开挖面发生劈裂，则在数据处理单元中按照公式(1)计算有效劈裂伸展压力ps，并根据ps判断发生劈裂后的裂隙是否继续延伸，所述公式(1)如下：

ps＝p-pc(1)；

其中，所述pc为抵抗劈裂持续压力；

s3、若认为发生劈裂后的裂隙会继续延伸，则在数据处理单元中按照公式(2)-(3)判断所述裂隙的延伸是否会造成泥水喷发，所述公式(2)-(3)如下：

其中，ts为裂隙延伸至到达地表的时间；ls为劈裂发展到地面发生口的周长，φ为斜向上劈裂伸展方向与竖直方向之间的角度；qc为劈裂伸展泥水流量；d为盾构机直径；b为劈裂开展宽度；t0为泥水压力作用于裂隙的时间；l为刀具前端到盾壳前端的距离；vs为泥水式盾构的掘进速度；

以及s4、若认为所述裂隙会延伸至地表以造成泥水喷发，则调整所述泥水式盾构的掘进速度以及减少所述泥水压力。

具体的，如图3a-3c所示，通过现场泥水加压劈裂实验可以得知，随着时间的增加，泥水压力p逐渐增大，在达到最大值后急剧下降，下降后几乎保持一个一定值。这个泥水压力最大点即是劈裂发生点，压力急剧下降之后基本以一定值推移，伴随劈裂持续进行，这部分称作劈裂伸展或劈裂持续现象。因此在所述步骤s1中，在预定时间段t内记录若干时间点t1、t2、t3...tn对应的泥水压力p1、p2、p3...pn；并按照公式(4)计算出预定时间段t(优选的，所述t为30s左右)内所述泥水压力p的变化率△p，所述公式(4)如下：

△p＝(p1-pn)/p1(4)；

同时，实时获取时间点t1、t2、t3...tn对应的泥水容量q1、q2、q3...qn；

土体主要由固体、液体和气体材料组成，其内部存在许多层理、结构面，空隙等缺陷，即受力薄弱处。在泥水盾构掘进的过程中，带有压力的泥水会作用在开挖面上，由于泥水压力的作用使得某一处的薄弱处发生破坏即启裂之后，便形成了应力集中，因此会发生泥水压力下降的过程，而后由于应力集中的作用，让已经发生启裂的裂隙继续伸展的泥水压力会比启裂时的泥水压力更小；另外，劈裂发生的过程中，需要通过泥水来不断填充裂隙以便下一步的伸展，因此泥水箱中泥水的容量应该不断减小。

实例中所在地层无侧限抗压强度为46～66.7kpa，最小主应力为247～315kpa，因此若预定时间段t内，p发生如图3所示的骤降，△p≥3.6％，且同时qn>qn-1，则判定所述泥水式盾构的开挖面发生劈裂。其中3.6％是通过对若干组试验结果进行数据处理后得到的结论，实际的盾构掘进中该参数需根据具体的地层参数以及盾构掘进参数进行修正。通过△p和q的双指标监测，可以实现劈裂发生的定性及定量监测，保障盾构掘进的安全与高效。

进一步的，劈裂发生后，作用在开挖面的泥水压力p一方面需要抵抗劈裂持续压力pc，另一方面需要有让劈裂持续伸展的压力，该压力越大，劈裂伸展的速度也越大，因此定义泥水有效劈裂伸展压力ps为泥水压力p与劈裂持续压力pc的差值，且其中pc的值与劈裂发生处对应的小主应力σ3基本相等，在此基础上，步骤s2中，若ps>0，则意味着有效劈裂伸展压力大于零，因此判断劈裂发生后，裂隙会继续伸展。

步骤s3中，当劈裂在切削面发生时，劈裂裂缝先端是否在土层中停止，或者伸展到地表发生泥水喷发，取决于一定的劈裂伸展速度下，劈裂伸展到达地表的时间ts和泥水压力作用于劈裂发生口的时间t0的大小关系。时间t0与盾构掘进速度密切相关，即盾构掘进中如果劈裂发生后，随着盾构继续掘进，盾构本体外壳到达劈裂口，把劈裂口堵死，泥水压力无法继续作用，劈裂伸展就会停止，因此，若ts<t0，则盾构外壳无法及时对劈裂口进行封堵，此时认为泥水喷发现象发生；进一步的，所述劈裂伸展泥水流量qc在泥水黏性为24～28s的条件下，其与有效劈裂伸展压力ps的关系式为：其中，a0为现场试验孔劈裂泥水流入面积，a为盾构等劈裂泥水流入面积；且所述劈裂发展到地面发生口的周长ls的计算公式为：

在步骤s3的基础上，所述步骤s4中，若认为所述裂隙会延伸至地表以造成泥水喷发，则将所述泥水式盾构的掘进速度vs调整至vs’，以及将所述泥水压力p减少至p’；其中，通过令ts＝t0，反算出vs的值得到一般来讲，对于泥水盾构其开挖面的支护压力取值采用静止土压力，当地基朝开挖面变形时，采用主动土压力；当地基朝土体变形时采用被动土压力。因此调节泥水压力时，其值应处于主动与被动土压力之间，即p'＝kσv，k介于主动与被动土压力系数ka～kp之间，σv为竖向土压力。

综上所述，本发明的泥水式盾构掘进过程中泥水劈裂现象的全过程监控方法可以对泥水劈裂的发生、发展和贯通3个阶段进行全过程的监控，及时反馈监控结果，并且根据监控结果适时调节泥水式盾构的掘进速度以及减少泥水压力，由此大幅降低泥水喷发的概率，极大提高施工的安全性以及施工效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。