一种适用于砂卵石地层的盾构高效掘进方法

本发明涉及隧道建设工程技术领域，具体涉及一种适用于砂卵石地层的盾构高效掘进方法。

背景技术：

国内城市轨道交通建设的规划建设方式以地下线路为主，地下轨道交通工程中隧道建设中盾构法由于其速度快、施工安全、机械化程度高、地层适应性好等优点应用的最为广泛。我国幅员辽阔，不同地区的地铁隧道建设面临的地层条件有所不同，其中砂卵石地层为典型的困难地层之一，在北京、成都、兰州、沈阳等城市遇到了大面积砂卵石地层，土压平衡盾构穿越此种地层困难较大。土压平衡盾构在卵石地层中掘进，由于卵石强度高、磨蚀性强，刀具正常磨损及非正常磨损非常严重，需频繁开舱检修刀具，盾构掘进效率低下，严重影响工期，且工程造价急剧增加。

现有技术对刀具磨损控制通常针对刀具设计、渣土改良这两部分。但在面对卵砾石地层长距离掘进挑战下，仅从刀具设计、渣土改良这两个角度无法从根本上解决刀具磨损问题，盾构在卵砾石地层中掘进，磨损十分严重。由于刀具磨损严重，需频繁换刀，会导致盾构掘进不连续，无法进一步提高施工效率。

综上所述，现有技术中存在以下问题：砂卵石地层中，刀具磨损非常严重需频繁开舱检修刀具，盾构掘进效率低。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决砂卵石地层中，刀具磨损非常严重需频繁开舱检修刀具，盾构掘进效率低的问题。

为此，本发明提出了一种适用于砂卵石地层的盾构高效掘进方法，所述方法包括以下步骤：

控制初始掘进的参数和控制长距离掘进的参数；所述长距离掘进是在所述初始掘进之后进行的；

所述控制初始掘进的参数包括：将土压力设定在0.9bar，推进速度控制在50～70mm/min，控制转速在1.0～1.2r/min，贯入度为50～60mm/r；

所述控制长距离掘进的参数包括：将土压力设定在0.7bar，推进速度控制在30～50mm/min，控制转速在1.2r/min，贯入度为30～40mm/r。

进一步地，所述方法还包括：对渣土改良，所述对渣土改良贯穿在所述初始掘进和所述长距离掘进的过程中；所述对渣土改良，包括：通过第一刀盘孔注入发泡材料和水，所述发泡材料和水形成泡沫，控制所述泡沫浓度为2.5％～3％，所述泡沫膨胀率为20％～25％，所述泡沫注入量为3～4m³/环；同时通过第二刀盘孔注入膨润土，所述膨润土和水形成泥浆，所述泥浆的发酵粘度为35s～40s；所述泥浆加注量为12～16m³/环。同时采用“泡沫和膨润土”的渣土改良方法，泡沫发泡效果好，使渣土松软，膨润土泥浆携渣能力强，渣土流塑性好，可以在刀具与卵砾石间起缓冲作用，降低刀具磨损。

进一步地，所述通过第一刀盘孔注入发泡材料和水的步骤中，所述刀盘孔优选为8个。

进一步地，所述同时通过第二刀盘孔注入膨润土的步骤中，所述刀盘孔优选为4个。

进一步地，所述控制初始掘进的参数的步骤中，所述推进速度优选为60mm/min。

进一步地，所述控制长距离掘进的参数的步骤中，所述推进速度优选为40mm/min。

进一步地，所述控制初始掘进的参数的步骤中，所述贯入度为55mm/r。

进一步地，所述控制长距离掘进的参数的步骤中，所述贯入度为33mm/r。

进一步地，所述控制初始掘进的参数的步骤中，控制扭矩在7000～9000kn·m。

进一步地，所述控制长距离掘进的参数的步骤中，扭矩控制在11000～13000kn·m。

本发明提出的用于砂卵石地层的盾构高效掘进方法的贯入度更高，掘进相同的距离刀具的运动轨迹更短，从而达到降低刀具磨耗的目的；刀盘转速更低，可以降低刀具的运动速度，从而达到降低刀具与卵石碰撞导致冲击破坏的目的。同时采用“泡沫+膨润土”的渣土改良方法，泡沫发泡效果好，使渣土松软，膨润土泥浆携渣能力强，渣土流塑性好，可以在刀具与卵砾石间起缓冲作用，降低刀具磨损。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种适用于砂卵石地层的盾构高效掘进方法流程图；

图2是对比例提供的常规掘进模式下，盾构机的推进速度与刀盘扭矩曲线图；

图3是对比例提供的常规掘进模式下，盾构机的贯入度和刀盘扭矩曲线图；

图4是本发明实施例提供的“高贯低转”高效掘进模式下，盾构机的推进速度与刀盘扭矩曲线图；

图5是本发明实施例提供的“高贯低转”高效掘进模式下，盾构机的贯入度和刀盘扭矩曲线图；

图6是对比例提供的常规掘进模式下，盾构推进500环后，盾构机的推进速度与刀盘扭矩曲线图；

图7是对比例提供的常规掘进模式下，盾构推进500环后，盾构机的贯入度和刀盘扭矩曲线图；

图8是本发明实施例提供的“高贯低转”高效掘进模式下，盾构推进800环后，盾构机的推进速度与刀盘扭矩曲线图；

图9是本发明实施例提供的“高贯低转”高效掘进模式下，盾构推进800环后，盾构机的贯入度和刀盘扭矩的曲线图；

图10是对比例提供的常规掘进模式下，盾构掘进过程示意图；

图11是本发明实施例提供的“高贯低转”高效掘进模式下，盾构掘进过程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中，如图1，提供了一种适用于砂卵石地层的盾构高效掘进方法，所述方法包括以下步骤：

s101：控制盾构机的初始掘进的参数和控制盾构机的长距离掘进的参数；所述长距离掘进是在所述初始掘进之后进行的；

s102：所述控制盾构机的初始掘进的参数包括：将土压力设定在0.9bar，推进速度控制在50～70mm/min，控制转速在1.0～1.2r/min，贯入度为50～60mm/r；

初始掘进阶段，刀具状态良好，将土压力设定在0.9bar，推进速度控制在60mm/min左右，转速控制在1.0～1.2r/min，此时贯入度为50～60mm/r，依照此方法可将推力控制在40000kn，扭矩控制在7000～9000kn·m。增加盾构刀具换刀的距离，提高整体掘进的效率。

s103：所述控制长距离掘进的参数包括：将土压力设定在0.7bar，推进速度控制在30～50mm/min，控制转速在1.2r/min，贯入度为30～40mm/r。增加掘进的距离。

长距离掘进后，刀具状态差，可将土压力设定在0.7bar，推进速度控制在40mm/min左右，转速控制在1.2r/min，此时贯入度为33mm/r，依照此方法可将推力控制在50000kn，扭矩控制在11000～13000kn·m。

所述方法还包括：对渣土改良，所述对渣土改良贯穿在所述初始掘进和所述长距离掘进的过程中；所述对渣土改良，包括：通过盾构机的第一刀盘孔注入发泡材料和水，所述发泡材料和水形成泡沫，控制所述泡沫浓度为2.5％～3％，所述泡沫膨胀率为20％～25％，所述泡沫注入量为3～4m³/环；同时通过盾构机的第二刀盘孔注入膨润土，所述膨润土和水形成泥浆，所述泥浆的发酵粘度为35s～40s；所述泥浆加注量为12～16m³/环。同时采用“泡沫和膨润土”的渣土改良方法，泡沫发泡效果好，使渣土松软，膨润土泥浆携渣能力强，渣土流塑性好，可以在刀具与卵砾石间起缓冲作用，降低刀具磨损。利用加入泡沫改善土体粒状构造，吸附在土体颗粒之间的气泡可以减少土体颗粒的摩擦，增加渣土的粘聚力，同时降低土体渗透性。盾构机的第一刀盘孔和第二刀盘孔的形状和结构可以相同，可以相互替代。

所述通过第一刀盘孔注入发泡材料和水的步骤中，所述刀盘孔优选为8个。通过8个刀盘孔注入泡沫，既能平衡开挖面土压又能连续向外顺畅排土。

所述同时通过第二刀盘孔注入膨润土的步骤中，所述刀盘孔优选为4个。增加开挖土体的塑流性。

所述控制初始掘进的参数的步骤中，所述推进速度优选为60mm/min。

所述控制长距离掘进的参数的步骤中，所述推进速度优选为40mm/min。

所述控制初始掘进的参数的步骤中，所述贯入度为55mm/r。

所述控制长距离掘进的参数的步骤中，所述贯入度为33mm/r。

所述控制初始掘进的参数的步骤中，控制扭矩在7000～9000kn·m。

所述控制长距离掘进的参数的步骤中，扭矩控制在11000～13000kn·m。

图2所示的是在“高转低贯”常规掘进模式下，盾构机的推进速度与刀盘扭矩随着掘进时间的变化情况；图3所示的是在“高转低贯”常规掘进模式下，盾构机的贯入度和刀盘扭矩随着掘进时间的变化情况；图4所示的是本发明的“高贯低转”高效掘进模式下，盾构机的推进速度与刀盘扭矩随着掘进时间的变化情况；图5所示的是本发明的“高贯低转”高效掘进模式下，盾构机的贯入度和刀盘扭矩随着掘进时间的变化情况；图6所示的是在“高转低贯”常规掘进模式下，盾构推进500环后，盾构机的推进速度与刀盘扭矩随着掘进时间的变化情况；图7所示的是在“高转低贯”常规掘进模式下，盾构推进500环后，盾构机的贯入度和刀盘扭矩随着掘进时间的变化情况；图8所示的是本发明的“高贯低转”高效掘进模式下，盾构推进800环后，盾构机的推进速度与刀盘扭矩随着掘进时间的变化情况；图9所示的是本发明的“高贯低转”高效掘进模式下，盾构推进800环后，盾构机的贯入度和刀盘扭矩随着掘进时间的变化情况。图2至图9横坐标为时间，单位为10秒。图10所示的是在“高转低贯”常规掘进模式下，盾构掘进过程示意图；图11是本发明实施例提供的“高贯低转”高效掘进模式下，盾构掘进过程示意图。

本发明提出的用于砂卵石地层的盾构高效掘进方法的贯入度更高，掘进相同的距离刀具的运动轨迹更短，从而达到降低刀具磨耗的目的；刀盘转速更低，可以降低刀具的运动速度，从而达到降低刀具与卵石碰撞导致冲击破坏的目的。同时采用“泡沫+膨润土”的渣土改良方法，泡沫发泡效果好，使渣土松软，膨润土泥浆携渣能力强，渣土流塑性好，可以在刀具与卵砾石间起缓冲作用，降低刀具磨损。

本发明可以实现卵砾石地层土压平衡盾构单次连续掘进更长距离，减少换刀次数，节约成本及工期；提高卵砾石地层盾构掘进效率，有效控制掘进参数，可保持长距离快速掘进。

实施例1：

初始掘进阶段参数控制方法：初始掘进阶段，刀具状态良好，可将土压力设定在0.9bar，推进速度控制在60mm/min左右，转速控制在1.0～1.2r/min，此时贯入度为50～60mm/r，依照此方法可将推力控制在40000kn，扭矩控制在7000～9000kn·m。

长距离掘进后参数控制方法：长距离掘进后，刀具状态差，可将土压力设定在0.7bar，推进速度控制在40mm/min左右，转速控制在1.2r/min，此时贯入度为33mm/r，依照此方法可将推力控制在50000kn，扭矩控制在11000～13000kn·m。

渣土改良方法：刀盘8孔加注泡沫，泡沫浓度2.5％～3％，膨胀率20％～25％，混合液注入量3～4m³/环；刀盘4孔加注膨润土，泥浆发酵粘度35～40s，加注量12～16m³/环。

如图2所示，在“高转低贯”常规掘进模式下，如图10所示，保持刀盘转速为1.7r/min，盾构掘进速度保持在60mm/min。选取盾构始发掘进100环后，盾构平稳掘进段进行分析。100环后“高转低贯”常规掘进模式下，如图3所示，盾构的贯入度在36mm/r左右波动，此时刀盘扭矩在8000kn·m～10000kn·m之间波动。

本发明提供了一种适用于砂卵石地层的盾构高效掘进方法，(高贯低转掘进方法)，如图11所示，本发明的“高贯低转”高效掘进模式下，如图4，保持刀盘转速为1.2r/min，盾构掘进速度保持在60mm/min。盾构掘进100环后“高贯低转”模式下，如图5所示，盾构的贯入度在50mm/r左右波动，此时刀盘扭矩在6000kn·m～7000kn·m之间波动。

在短距离掘进时，保持同样的盾构掘进速度60mm/min，“高转低贯”模式刀盘扭矩变化较大，变化区间差为2000kn·m,整体掘进控制性较差。“高贯低转”模式刀盘扭矩低于“高转低贯”常规掘进模式，且扭矩变化值较小，易于保持盾构的平稳运行。综合考虑知，短距离情况下，“高贯低转”模式优于“高转低贯”模式。

如图6、图7所示，“高转低贯”常规掘进模式下，盾构推进500环后，刀具磨损较大，盾构整体状态下降，刀盘转速由1.7r/min下降至1.5r/min。盾构掘进速度由60mm/min下降至30mm/min，整体掘进速度减小为短距离时的一半。贯入度由36mm/r下降至20mm/r,贯入度减小了44.4％。在掘进速度、刀盘转速、贯入度大幅度降低的情况下，刀盘扭矩由短距离时8000kn·m～10000kn·m增加到12000kn·m～16000kn·m，比短距离时增加了约55％。

如图8、图9所示，“高贯低转”高效掘进模式下，盾构刀具磨损较小，整体保持平稳，刀盘转速仍保持为1.2r/min。盾构推进800环后，各项参数均保持较好状态。因掘进距离较长，刀具磨损有所增加，掘进速度由60mm/min下降至50mm/min，掘进速度比100环时下降了16.7％。贯入度由50mm/r下降至40mm/r,贯入度减小了20％。刀盘扭矩由短距离时6000n～7000n增加到10000n～14000n，增幅约为80％。长距离掘进时“高贯低转”模式刀盘扭矩虽然增加比例比“高转低贯”模式大，但其扭矩绝对值低于“高转低贯”常规掘进模式。综合考虑知，长距离情况下，“高贯低转”模式也优于“高转低贯”模式。

本发明可以实现卵砾石地层土压平衡盾构单次连续掘进更长距离，减少换刀次数，节约成本及工期；提高卵砾石地层盾构掘进效率，有效控制掘进参数，可保持长距离快速掘进。

北京地区土压平衡盾构采用常规掘进模式在卵砾石地层中掘进效率低，体现在两个方面：1、换刀频繁，平均400m～600m需换刀一次；2、日均掘进距离短，6m直径盾构日均掘进距离约8m。应用高效掘进模式后，首次实现了全断面卵砾石地层8.8m土压平衡盾构单次不换刀掘进1.7km，同时日均掘进速度明显提升，高达16m以上。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。为本发明的各组成部分在不冲突的条件下可以相互组合，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。