一种适用于大漂石高富水地层土压平盾构防止超挖的方法
【专利摘要】本发明涉及一种适用于大漂石高富水地层土压平盾构防止超挖的方法，包括以下步骤：1)采用PFC软件对大漂石高富水地层土压平衡盾构施工中的各个工况进行模拟分析，确定初始掘进参数；2)根据初始掘进参数和现场试验段的监测数据，对施工参数进行调整，设定最终掘进参数，包括盾构机推进速度、刀盘转速、盾构推力、刀盘扭矩、土仓压力、螺旋输送机转速和掘进方向；3)在按照最终掘进参数保持盾构机掘进的同时向土仓内注入渣土改良剂，并在隧道掘进一环后进行管片拼装，实现对隧道的支护。与现有技术相比，本发明具有操作灵活、安全可控、前景广阔等优点。
【专利说明】
一种适用于大漂石高富水地层土压平盾构防止超挖的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及盾构隧道施工技术领域，尤其是涉及一种适用于大漂石高富水地层土 压平盾构防止超挖的方法。
【背景技术】
[0002] 截止2014年底我国的城镇化率达54.77%，预计到2020年，全国城镇化率将达 60%。随着大量人口的涌入，城市的交通拥挤状况日渐突出，从而对城市公共交通提出了更 高要求。由于轨道交通具有运量大、速度快、安全可靠、准点舒适的优势，很多城市竞相发展 各自的轨道运输系统，截止2015年底我国25个城市114条轨道交通线路运营里程达3516.71 公里，其中地铁所占比例高达78.3%，据不完全统计，到2020年我国将有44座城市开通近 200条线路，线路里程将达5500km，诸多二、三线城市也在积极筹划轨道交通建设。
[0003] 在城市轨道交通建设中，盾构施工法以其明显的技术经济优势和对城市环境影响 小的特点，成为城市地铁施工中的首选施工方法。就我国和世界上大部分地区的盾构施工 来看，关于软土、复合地层及其黄土地区盾构隧道施工的问题已经有了较为深入的研究，成 都地铁4号线二期工程西沿线地层盾构施工主要穿越大漂石、高富水地层，漂石含量高达5 ~20%，现场踏勘漂石最大粒径110cm，作为国内外罕见的特殊工程，由于地层条件相对于 软土等地层更加复杂、施工经验相对匮乏，施工过程由于超挖严重造成地表发生较大变形、 甚至地面塌陷或者刀盘卡死的现象经常发生，所以选择一种适用于大漂石高富水地层土压 平盾构施工防止超挖的方法对于保证大漂石地层盾构安全施工具有重要的意义。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种操作灵活、安全 可控、前景广阔的适用于大漂石高富水地层土压平盾构防止超挖的方法。
[0005] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006] -种适用于大漂石高富水地层土压平盾构防止超挖的方法，包括以下步骤：
[0007] 1)采用PFC软件对大漂石高富水地层土压平衡盾构施工中的各个工况进行模拟分 析，确定初始掘进参数；
[0008] 2)根据初始掘进参数和现场试验段的监测数据，对施工参数进行调整，设定最终 掘进参数，包括盾构机推进速度、刀盘转速、盾构推力、刀盘扭矩、土仓压力、螺旋输送机转 速和掘进方向；
[0009] 3)在按照最终掘进参数保持盾构机掘进的同时向土仓内注入渣土改良剂，并在隧 道掘进一环后进行管片拼装，实现对隧道的支护。
[0010] 所述的步骤1)具体包括以下步骤：
[0011] 11)将盾构施工中的初始掘进段作为试验段，采用PFC软件建立大漂石高富水地层 土压平衡盾构施工颗粒离散单元数值模型，对各项施工参数进行数值模拟；
[0012] 12)依据试验段的模拟结果对掘进参数进行调整，确定初始掘进参数。
[0013]所述的步骤2)中，最终掘进参数设置为：
[0014]盾构推进速度设定为40~50mm/min时保压效果最好，可以有效控制地表变形，保 证了尽可能少的超挖；
[0015] 盾构推进速度设定为40~50mm/min时，场切深指数和扭矩切深指数最小，从而避 免了盾构机"卡死"引起超挖，按照式
?和式
计算得盾构推力设定为8000 ~20000kN，刀盘扭矩设定为2000~5000kN ? m;
[0016]为了避免由于刀盘转速过快造成刀具磨损严重，转速过慢造成搅动开挖面土体后 渣土大量涌入土仓造成大量超挖，刀盘转速设定为1.2~1.5rpm;
[0017] 土仓压力设定为0.3bar;
[0018]螺旋输送机转速设定为无量纲推进速度的10 %时土仓基本处于土压平衡状态，有 效避免了超挖，所以大漂石、高富水地层螺旋输送机转速取无量纲推进速度的10%。
[0019] 所述的步骤2)中，掘进方向的设定方法包括：
[0020] 21)采用VMT自动导向系统和辅助人工测量进行盾构姿态监测；
[0021 ] 22)根据盾构姿态监测数据通过分区调节推进油缸控制盾构推进方向。
[0022] 所述的步骤3)中渣土改良剂为膨润土泥浆，膨润土泥浆配比按照水:膨润土 = 8:1 配料，
[0023] 泥浆粘度值处于12.5~22.5MPa，塌落度处于150~250mm之间时渣土具有良好的 流塑特性，推荐选用膨润土改良，泥浆配比按照水:膨润土质量比为8:1配料。
[0024]所述的步骤3)具体包括以下步骤：
[0025] 设备检查--管片吊装--喂片--夹取管片--初定位置--精确定位-- 千斤顶顶片一一螺栓紧固一一质量检查。
[0026] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0027] (1)本发明通过现场试验段对离散元确定的施工参数进行按照地表变形最小、渣 土流塑性最好的原则进行二次调整，对于合理控制大漂石高富水地层土压平盾构施工造成 的超挖现象具有良好的效果，创造了 250环零超挖的记录，保证了大漂石高富水地层土压平 衡盾构施工的安全高效。
[0028] (2)该方法对于大漂石高富水地层土压平盾构施工防止超挖的方法具有广泛的适 用性，应用前景广阔。
【附图说明】
[0029] 图1为本发明的方法流程图。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0031] 实施例：
[0032] 如图1所示，图为本发明的方法流程图。
[0033] 一、工程概况：
[0034]成都地铁4号线西沿线为连接市区至西部温江区的路线，全长10.8km，全线共设8 站8区间，盾构区间6个，盾构隧道长度6.7km。盾构区间隧道所穿越的地层以〈2-9-3>卵石土 (密实）、〈3-8-3>卵石土 (密实）为主，穿越区段漂石含量5~20%，最大漂石粒径达1.1m，漂 石最大抗压强度高达299MPa，区间地质纵断面图见图1。盾构隧道区间采用辐板式海瑞克 S892 土压平衡盾构机施工，开挖直径6.3m，刀盘开口率约36%，配置单刃滚刀35把。专门设 计的螺旋输送机最大出渣能力400m3/h，最大通过粒径340 X 560mm。隧道主线最大纵坡 25%〇，最小曲线半径为300m，区间最小埋深约9.7m，最大埋深约15.5m。隧道结构外径6.0m、 内径5.4m，隧道管片分6块，采用螺栓连接，错缝拼装，直线段环宽1.5m，曲线段环宽1.2m。 [0035] 二、工程难点：
[0036] (1)大漂石富水地层超挖控制难
[0037] 在掘进过程中发现较多高强度的大粒径漂石未经破碎而直接被排出，而这些漂石 可能只有部分在掘进断面内，整块漂石被刀具带入土舱后引起漂石附近小颗粒松动，跟随 漂石落入土舱，造成更多的超挖量；
[0038] 其次，盾构推进过程大漂石不能被破碎，增大推力的同时刀盘扭矩过大而卡机。目 前，现场盾构机脱困的办法就是清空土仓内的渣土，这个过程中虽然没有推进，但是，刀盘 转动过程会涌入大量渣土，往往造成地面塌陷。
[0039] (2)高强度、大粒径的漂石处理难
[0040]盾构所穿越的地层存在漂石，大粒径漂石含量较高且局部富集。漂石粒径较大，部 分无法通过刀盘开口和排渣装置，加上强度高，极易造成刀盘、刀具的磨损，甚至造成盾构 无法继续掘进，因此，处理高强度、大粒径漂石是一大难点。
[0041 ] (3)渣土改良难
[0042]由于该地层卵漂石含量高达70~90%，超出了软土等传统地层的渣土改良理论， 如果改良效果不好，渣土流动性差，造成盾构机卡机，开挖面失稳等诸多问题。
[0043] 三、施工措施，如图1所示：
[0044] 1、大漂石地层盾构施工颗粒离散单元法数值模拟
[0045] 结合试验段情况，应用PFC颗粒离散单元法建立大漂石地层盾构施工数值模型，并 依据试验段监测数据对各项施工参数进行调整，设定各项施工参数。
[0046] 2、大漂石地层盾构施工技术措施
[0047] (1)盾构推进速度设定
[0048]盾构推进速度是一个综合效能指标，不仅与盾构设备本身的开挖性能有关，还与 螺旋输送机的出土效率有关。综合刀盘扭矩、盾构推力等多个因素大漂石、高富水地层盾构 推进速度控制在45mm/min左右。
[0049] (2)刀盘转速
[0050] 刀盘转速控制在1.4rpm左右，保证不会由于刀盘转速过快造成刀具磨损严重，转 速过慢造成搅动开挖面土体后渣土大量涌入土仓造成大量超挖。
[0051] (3)盾构推力
[0052]只有配备充足的盾构推力，才能保证盾构在地层中的正常掘进，依据设定的推进 速度和刀盘转速综合确定场切身指数最小的推力值即为推荐值，换言之以最快的速度，最 小的推力保持掘进。大漂石、高富水地层盾构推力控制在14652.608kN左右。
[0053] (4)刀盘扭矩
[0054]依据设定的推进速度和刀盘转速综合确定扭矩切身指数最小的扭矩值，即为推荐 值，换言之以最快的速度，最小的扭矩保持掘进，不会造成刀盘卡死。大漂石、高富水地层盾 构推力控制在3914.751kN ? m左右。
[0055] (5) 土仓压力设定
[0056] 土仓压力通过进出土来控制，土压平衡盾构土仓压力与开挖面静止土压力差控制 值为30kPa，且假定压力差与超挖率间呈线性关系变化，大漂石、高富水地层超挖量控制值 为0.9m3。
[0057] (6)螺旋输送机转速
[0058]为了保证盾构施工过程尽量不超挖，所以尽量保证以土压平衡状态掘进，所以大 漂石、高富水地层螺旋输送机转速为控制在3.516RPM左右。
[0059] (7)盾构掘进方向的设定方法如下：
[0060] (a)采用VMT自动导向系统和人工测量辅助进行盾构姿态监测；
[0061 ] (b)通过分区调节推进油缸控制盾构推进方向；
[0062] (8)盾构掘进方向设定及纠偏应该服从如下原则：
[0063]姿态调整过程时应该缓慢进行，如操之过急，蛇形涌动可能会更加明显；其次，推 进油缸的调整不宜过快、过大;否则可能造成管片破损或开裂。
[0064] (9)同步注浆：
[0065] 表1所示为同步注浆浆液配比，注浆量控制在2~6m3左右，注浆压力依据现场实测 建议去1.5bar左右。
[0066] 表1同步注浆浆液配比
[0068] (10)刀盘扭矩相同时，膨润土的保压效果比聚合物好;推力相同时，膨润土比聚合 物改良时刀盘扭矩小，大漂石、高富水地层盾构施工推荐采用膨润土改良，膨润土泥浆配比 按照水:膨润土 = 8:1配料。
[0069] (11)管片拼装具体实施过程如下：
[0070] 管片拼装按照如下步骤:设备检查--管片吊装--喂片--夹取管片--初定 位置一一精确定位一一千斤顶顶片一一螺栓紧固一一质量检查。
[0071] 本说明书未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
【主权项】
1. 一种适用于大漂石高富水地层土压平盾构防止超挖的方法，其特征在于，包括以下 步骤： 1) 采用PFC软件对大漂石高富水地层土压平衡盾构施工中的各个工况进行模拟分析， 确定初始掘进参数； 2) 根据初始掘进参数和现场试验段的监测数据，对施工参数进行调整，设定最终掘进 参数，包括盾构机推进速度、刀盘转速、盾构推力、刀盘扭矩、土仓压力、螺旋输送机转速和 掘进方向； 3) 在按照最终掘进参数保持盾构机掘进的同时向土仓内注入渣土改良剂，并在隧道掘 进一环后进行管片拼装，实现对隧道的支护。2. 根据权利要求1所述的一种适用于大漂石高富水地层土压平盾构防止超挖的方法， 其特征在于，所述的步骤1)具体包括以下步骤： 11) 将盾构施工中的初始掘进段作为试验段，采用PFC软件建立大漂石高富水地层土压 平衡盾构施工颗粒离散单元数值模型，对各项施工参数进行数值模拟； 12) 依据试验段的模拟结果对掘进参数进行调整，确定初始掘进参数。3. 根据权利要求1所述的一种适用于大漂石高富水地层土压平盾构防止超挖的方法， 其特征在于，所述的步骤2)中，最终掘进参数设置为： 盾构推进速度设定为40~50mm/min， 刀盘转速设定为1.2~1.5rpm， 盾构推力设定为8000~20000kN， 刀盘扭矩设定为2000~5000kN · m， 土仓压力设定为〇 · 3bar， 螺旋输送机转速设定为无量纲推进速度的10 %。4. 根据权利要求1所述的一种适用于大漂石高富水地层土压平盾构防止超挖的方法， 其特征在于，所述的步骤2)中，掘进方向的设定方法包括： 21) 采用VMT自动导向系统和辅助人工测量进行盾构姿态监测； 22) 根据盾构姿态监测数据通过分区调节推进油缸控制盾构推进方向。5. 根据权利要求1所述的一种适用于大漂石高富水地层土压平盾构防止超挖的方法， 其特征在于，所述的步骤3)中渣土改良剂为膨润土泥浆，膨润土泥浆配比按照水:膨润土 = 8:1配料。
【文档编号】G06F17/50GK105893717SQ201610390408
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年6月3日
【发明人】周顺华, 季昌, 王炳龙, 赵志国, 肖军华
【申请人】同济大学