一种动态反馈调节盾构土压平衡控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种动态反馈调节盾构土压平衡控制的方法，在土压平衡盾构施工中，首先确定开挖地层水土压力，并在进行修正后作为土仓压力的预设值；随后在盾构试推过程中，对地表沉降进行实时监测，对监测获得的数据进行地表沉降分析；将分析结果传输至盾构控制系统，通过判断并调整土仓压力，使得开挖面土压平衡。本发明的方法有效控制了盾构下穿既有铁路、建筑密集区等重要建筑物时产生的地层变形，减小了盾构施工对地面的影响。
【专利说明】
一种动态反馈调节盾构土压平衡控制方法
技术领域
[0001 ]本发明属于岩土工程领域，涉及动态反馈调节盾构土压平衡控制的方法【背景技术】
[0002]近几年来，我国城市化进程迅速发展，为缓解地面交通压力，城市地铁大规模兴建。盾构法作为修建隧道的一种施工方法，相对其它施工方法具有比较明显的优越性，因此被广泛应用于城市地铁隧道工程中。
[0003]在盾构法施工中以土压平衡盾构法较为常用，它的原理是用刀盘旋转切削开挖面土体，刀盘上被切割、破碎的碴土，经过刀盘上的开口进入密闭的土仓，利用端部伸入土仓下部的螺旋输送机排土;通过控制螺旋输送机转速或盾构推进速度，达到土仓内土压力与开挖面地层土压力动态平衡，使得开挖面保持稳定。由于开挖面上的压力是不能实时直接测得的，一般根据地质情况对土仓压力预先设定数值为静止土压力+20kpa的理论值，以此作为标准来调节土仓压力。这种方法只是经验的方法，在工程实践中设定土仓压力与实际地层土压力往往存在差异，引起周围地层位移及引起地表沉降或隆起，这对于一些地表沉降要求高的情况是不允许的。因此，需建立一套动态调整土仓压力值的方法，以确保在施工过程中开挖面的动态平衡。
【发明内容】
[0004]为了有效控制盾构下穿既有铁路、建筑密集区等重要建筑物时产生的地层变形， 本发明的目的是提供一种土仓压力预设联合地层变形监测动态反馈调节盾构土压平衡控制的方法。
[0005]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下:
[0006]—种土仓压力预设联合地层变形监测动态反馈调节盾构土压平衡控制的方法，包括以下步骤:首先确定开挖地层水土压力，并在进行修正后作为土仓压力的预设值。随后在盾构试推过程中，对地表沉降进行实时监测，对监测获得的数据进行地表沉降分析，同时将分析结果传输至盾构控制系统，通过判断并调整土仓压力，使得开挖面土压平衡。
[0007]所述水土压力是指根据隧道所处位置、埋深情况以及周边地表环境状况计算水平侧土压力;根据隧道所处地层和施工状态，确定地层水压力。
[0008]所述进行修正是根据不同的施工环境、施工条件及施工经验，考虑0.0IMpa? 20Mpa压力值作为调整值来修正施工土压力。
[0009]所述预设值是指由确定的水平侧土压力、地层水压力和施工土压力调整值确定， 即[0010 ]0爾直=0細帳力+0抽爵_+〇爾亩[〇〇11]所述盾构试推过程是指根据不同的施工地层条件和地面建筑情况，确定盾构出洞后80?100m的试推长度，在试推长度内根据地表沉降监测数据调整土仓压力使得开挖面土压平衡。
[0012]所述对地表沉降进行实时监测是指盾构开挖的同时，在隧道轴线上方地表一定范围内，根据现场实际条件架设监测仪器以及布置监测点位，通过监测仪器量测地面的高程， 将所测地面高程与原有地面高程作差值作为地表的沉降量或隆起量并记录在仪器或电脑中。
[0013]进一步，所述监测仪器为水准仪或电子水准仪。
[0014]所述地表沉降分析是指利用记录在仪器或电脑中的地表沉降监测数据进行地表沉降的曲线拟合，得到地表沉降曲线。
[0015]所述通过判断是指对比地表沉降曲线与沉降为零处的水平线之间的位置关系，根据曲线的变化趋势决定是否调整土仓压力。
[0016]所述调整土仓压力依据为若地表沉降曲线与沉降为零处的水平线平行，则保持目前的土仓压力；若地表沉降曲线趋于下降，即地表趋于沉降，则增大土仓压力；若地表沉降曲线趋于上升，即地表趋于隆起，则减少土仓压力。
[0017]进一步，所述调整土仓压力是指通过增加推进速度和减小螺旋输送机排土速率来增大土仓压力，通过减小推进速度和增大螺旋输送机排土速率来减小土仓压力。
[0018]由于采用上述技术方案，本发明具有以下优点和有益效果:
[0019](1)本发明的方法能根据隧道情况、隧道埋深、地层情况及施工情况等通过理论计算对盾构土仓压力值进行预设，获得与实际施工开挖面水土压力较相近的值。
[0020](2)本发明提出了通过地表沉降监测来控制盾构土仓压力的方法，根据地表沉降或隆起量的数据拟合曲线，判断地层变形的趋势，从而调整土仓压力。
[0021](3)本发明提出了调整土仓压力的主要施工参数为推进速度和螺旋输送机排土速率。[〇〇22](4)本发明的方法能够对盾构土仓压力进行实时调整。
[0023](5)本发明提供了一种有效控制了盾构下穿既有铁路、建筑密集区等重要建筑物时产生的地层变形的方法。【附图说明】[〇〇24]图1为本发明土仓压力预设联合地层变形监测动态反馈调节盾构土压平衡控制的方法的流程示意图。
[0025]图2为盾构施工下穿建筑物密集地段试推段地表沉降曲线示意图。
[0026]图3为盾构施工下穿铁路路基试推段地表沉降曲线示意图。【具体实施方式】
[0027]以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。[〇〇28]本发明针对现有工程实践中地层变形控制不佳的问题，建立了土仓压力预设联合地层变形监测动态反馈调节盾构土压平衡控制的方法，有效控制目前施工中存在地层变形过大的问题。[〇〇29]如图1所示，一种土仓压力预设联合地层变形监测动态反馈调节盾构土压平衡控制的方法的流程示意图，该方法包括以下步骤:在土压平衡盾构施工中，首先确定开挖地层水土压力，并在进行修正后作为土仓压力的预设值。随后在盾构试推过程中，对地表沉降进行实时监测，对监测获得的数据进行地表沉降分析，同时将分析结果传输至盾构控制系统， 通过判断并调整土仓压力，使得开挖面土压平衡。
[0030]其中，土仓压力预设值是在根据隧道所处位置、埋深情况以及周边地表环境状况确定的水平侧土压力(即考虑隧道所处位置所在的土层性质好坏以确定侧土压力系数的大小;考虑埋深大小确定如太沙基、水土总重等计算理论计算隧道上覆荷载;考虑周边地表建筑和将来开发建筑与隧道之间的互相制约关系)与根据隧道所处地层和施工状态确定的地层水压力(即考虑隧道所处地层的性质如含水率、渗透系数等、考虑施工降水等施工措施对水压力的影响)的基础上进行修正(即通常使用的理论计算方法得到的结果与实际施工时的需要有一定偏差，根据不同的施工环境、施工条件及施工经验考虑0.0IMpa?20Mpa压力值作为调整值来修正施工土压力)得到的。
[0031] 土仓压力预设值得到后，在盾构试推过程之前以及盾构开挖的过程中，在隧道轴线上方地表一定范围内，根据现场实际条件架设监测设施(所述监测设施为水准仪或电子水准仪)以及布置监测点位并根据不同的施工地层条件和地面建筑情况确定盾构出洞后80 ?100m的试推长度。随后盾构进行试推施工，试推过程中通过监测仪器量测地面的高程，将所测地面高程与原有地面高程作差值作为地表的沉降量或隆起量并记录在仪器或电脑中， 通过数据传输系统将检测数据传至数据分析系统进行地表沉降的曲线拟合，观察地表沉降曲线的变化趋势，若地表沉降曲线与沉降为零处的水平线平行，则保持目前的土仓压力;若地表沉降曲线趋于下降，即地表趋于沉降，则增大土仓压力；若地表沉降曲线趋于上升，即地表趋于隆起，则减少土仓压力。最后在不断调整过程中使得盾构开挖面的水土压力尽可能保持平衡，最大限度减少对地表的影响。所述调整土仓压力指通过增加推进速度和减小螺旋输送机排土速率来增大土仓压力，通过减小推进速度和增大螺旋输送机排土速率来减小土仓压力。[〇〇32] 实施例1
[0033]某盾构施工下穿建筑物密集地段。在此区段隧道穿过的地层主要为全风化和残积土层地层，隧道埋深20m-22m。
[0034] 步骤一:土仓预设值确定
[0035]盾构在此段地层施工时，为确保地表建筑物安全，根据地层状况，确定占隧道施工范围数量较多的不利地层考虑土压力。[〇〇36] (1)围岩以残积土层考虑，隧道埋深以安全角度考虑，在隧道纵向范围内统一取 22m。进一步，可针对隧道不同断面选取20至22m中的不同值；[〇〇37] (2)静止土压力系数通常可取1/3?1/2,在本实例中实际采取静止土压力系数k为 1/3。进一步，可针对隧道所处围岩性质选取1/3?1/2中的不同值；[〇〇38]本实施例围岩以残积土层考虑，初步确定采用深埋隧道土压力计算土压，地层水平压力计算结果为:〇7屈翻助=0 ? 〇49Mpa?0 ? 074Mpa[〇〇39] (3)由于全风化泥质粉砂岩以及残积土层的透水性差，通常考虑f = 0.1的折减系数地层，本实施例水压力计算结果为:〇ifld<±IK(=0.〇2Mpa
[0040] (4)残积土层中考虑0.01?0.02MPa压力值作为调整值来修正施工土压力，即: 〇i廳直=〇 ? OIMpa ?0 ? 02Mpa[OO41 ] (5)确定的土仓压力预设值为:〇姻1脆=0.079Mpa?0? IMpa[0〇42]步骤二:盾构试推
[0043] (1)通常盾构试推段长度可取为80?100m，本施工段的地质条件较差且周边地表建筑物较多，故不能考虑较长的试推段，本实施例选取长度为80m的试推段(2)在试推过程前及试推中，根据盾构机位置在隧道中线上方地表每间隔10米布设一个监测点，每隔20米布置一个横断面，横断面以隧道中心线为对称每隔3米布置一个监测点。
[0044] (3)测量仪器采用普通水准仪，将测得的数据记录在记录簿上，每记录10?20组数据后将数据输入至电脑分析系统。
[0045] (4)电脑分析系统接收到测量数据后拟合出沉降曲线，并实时反馈至盾构控制室中的控制面板上，盾构控制员根据沉降曲线变化趋势调整土仓压力。
[0046]采用上述方法，盾构试推段的地表沉降监测结果如图2所示，从监测结果可以看出图中1位置为盾构试推发生最大沉降量-10.1mm，图中2位置为试推过程中发生的最大隆起量1.56mm，在试推83m后地表沉降曲线趋于平缓。根据现场实测数据，下穿建筑物密集地段时，最大沉降为-5.6mm，最大隆起为2.3mm，采用本发明调整施工阶段的土仓压力，有效地控制了施工带来的地表沉降，未对地面建筑物造成较大影响。[〇〇47] 实施例2
[0048]某盾构施工下穿铁路路基，隧道在此位置穿越的主要地层为中风化地层和强风化地层，隧道埋深15?20m。与实施例1不同之处在于为保证铁路的安全运行，盾构施工对地表沉降的要求更高，要求轨面沉降值不得超过l〇mm，最大隆起量不得超过+l〇mm。[〇〇49] 步骤一:土仓预设值确定
[0050]盾构在此段地层施工时，因考虑下穿铁路范围内的沉降量的限制要求，土仓压力控制应更精确化。
[0051] (1)围岩以强风化地层考虑，盾构试推段隧道埋深在离铁路路基200m范围外(称为统一段)沿隧道纵向统一取20m;在离铁路路基200m范围内(称为随机段)，考虑隧道埋深的变化，每隔l〇m取不同的隧道埋深进行计算。[〇〇52] (2)静止土压力系数通常可取1/3?1/2,取值方式与隧道埋深相同，统一段取2/5; 本实施例围岩以残积土层考虑，采用深埋隧道的土压力计算土压，地层水平压力计算结果为:〇7屈姻助=〇 ? 〇25Mpa?0 ? 049Mpa[〇〇53] (4)在强风化泥质粉砂岩中，计算地层水压力时通常考虑0.05的折减系数，本实施例水压力计算结果为:幄灶励=〇 ? 〇49Mpa[〇〇54] (5)残积土层中考虑0.01?0.02MPa压力值作为调整值来修正施工土压力，即: 〇i廳直=〇 ? OIMpa ?0 ? 02Mpa[〇〇55] (6)确定的土仓压力预设值为:〇通鎖直=〇 ? OIMpa?0 ? 02Mpa [〇〇56]步骤二:盾构试推[〇〇57] (1)通常盾构试推段长度可取为80?100m，本实施例盾构始发端距离铁路路基为 352m，故选取长度为100m的试推段。
[0058] (2)由于对沉降要求较高，在试推过程前及试推中，根据盾构机位置在隧道中线上方地表每间隔5米布设一个监测点，每隔10米布置一个横断面，横断面以隧道中心线为对称每隔3米布置一个监测点。
[0059] (3)测量仪器采用电子水准仪，测得的数据记录在仪器内部，仪器与电脑连接，实时将测得数据输入至电脑分析系统。
[0060](4)电脑分析系统接收到测量数据后拟合出沉降曲线，并实时反馈至盾构控制室中的控制面板上，盾构控制员根据沉降曲线变化趋势调整土仓压力。
[0061]采用上述方法，盾构试推段的地表沉降监测结果如图2所示，从监测结果可以看出图中1位置为盾构试推发生最大沉降量-5.08mm，图中2位置为试推过程中发生的最大隆起量0.94mm，在试推75m后地表沉降曲线趋于平缓。根据现场实测数据，下穿铁路路基段时，最大沉降为-4.4mm，最大隆起量为0.88mm，均小于控制标准10mm，采用本发明调整施工阶段的土仓压力，有效地控制了施工带来的地表沉降，未对铁路路基段造成较大影响。
[0062]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。
【主权项】
1.一种动态反馈调节盾构土压平衡控制的方法，其特征在于:在土压平衡盾构施工中， 首先确定开挖地层水土压力，并在进行修正后作为土仓压力的预设值;随后在盾构试推过 程中，对地表沉降进行实时监测，对监测获得的数据进行地表沉降分析;将分析结果传输至 盾构控制系统，通过判断并调整土仓压力，使得开挖面土压平衡。2.根据权利要求1所述的动态反馈调节盾构土压平衡控制的方法，其特征在于:所述水 土压力是指根据隧道所处位置、埋深情况以及周边地表环境状况计算水平侧土压力；根据 隧道所处地层和施工状态，确定地层水压力。3.根据权利要求1所述的动态反馈调节盾构土压平衡控制的方法，其特征在于:所述进 行修正是根据不同的施工环境、施工条件及施工经验，考虑浮动范围为0.0IMpa?20Mpa压 力值作为调整值来修正施工土压力。4.根据权利要求1所述的动态反馈调节盾构土压平衡控制的方法，其特征在于:所述预 设值由确定的水平侧土压力、地层水压力和施工土压力调整值确定，即0爾直=0水腺励+0i雕直。5.根据权利要求1所述的动态反馈调节盾构土压平衡控制的方法，其特征在于:所述盾 构试推过程是指根据不同的施工地层条件和地面建筑情况，确定盾构出洞后80?100m的试 推长度，在试推长度内根据地表沉降监测数据调整土仓压力使得开挖面土压平衡。6.根据权利要求1所述的动态反馈调节盾构土压平衡控制的方法，其特征在于:所述对 地表沉降进行实时监测是指盾构开挖的同时，在隧道轴线上方地表一定范围内，根据现场 实际条件架设监测设施以及布置监测点位，通过监测仪器量测地面的高程，将所测地面高 程与原有地面高程作差值作为地表的沉降量或隆起量并记录在仪器或电脑中；优选地，所 述监测设施为水准仪或电子水准仪。7.根据权利要求1所述的动态反馈调节盾构土压平衡控制的方法，其特征在于:所述地 表沉降分析是指利用记录在仪器或电脑中的地表沉降监测数据进行地表沉降的曲线拟合， 得到地表沉降曲线。8.根据权利要求1所述的动态反馈调节盾构土压平衡控制的方法，其特征在于:所述判 断是指对比地表沉降曲线与沉降为零处的水平线之间的位置关系，根据曲线的变化趋势决 定是否调整土仓压力。9.根据权利要求1所述的动态反馈调节盾构土压平衡控制的方法，其特征在于:所述调 整土仓压力依据为:若地表沉降曲线与沉降为零处的水平线平行，则保持目前的土仓压 力；若地表沉降曲线趋于下降，即地表趋于沉降，则增大土仓压力；若地表沉降曲线趋于上 升，即地表趋于隆起，则减少土仓压力。10.根据权利要求1所述的动态反馈调节盾构土压平衡控制的方法，其特征在于:所述 调整土仓压力是指通过增加推进速度和减小螺旋输送机排土速率来增大土仓压力，或通过 减小推进速度和增大螺旋输送机排土速率来减小土仓压力。
【文档编号】E21D9/093GK105971615SQ201610297051
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月6日
【发明人】季昌, 周顺华, 周瑜亮, 肖军华, 程茜
【申请人】同济大学