一种基于盲区超前导洞扩挖的矩形顶管施工方法与流程

本发明属于地下空间施工，具体涉及一种基于盲区超前导洞扩挖的矩形顶管施工方法。

背景技术：

1、近年来，随着城镇化进程的快速发展，城市地下空间利用的需求量越来越大，地下空间建设要求也越来越高。为了保证城市地面交通的顺畅、减少地上地下障碍物的迁移工作量、加快工程建设进度以及确保周边建筑物、构筑物的安全等，传统的明挖现浇施工技术越来越无法满足工程建设的需要，取而代之的是急速发展的不开槽施工技术，顶管法就是其中比较典型的非开挖施工技术。顶管法应用于地下空间工程建设中，能够有效降低对地表的占用，对保护城市环境、加强地下空间合理规范化建设起到了积极作用。

2、现阶段，顶管法施工技术主要包括矩形顶管和圆形顶管两种形式。其中，矩形顶管能够充分利用结构断面，提高断面利用率，相较于圆形顶管，能够节省约20%的空间，对于地下综合管廊以及地下通道等地下空间工程建设更加具有优越性。

3、目前，矩形顶管施工技术还处于实践摸索阶段，响应国家或行业技术标准和验收规范等尚不成熟。根据中国工程建设标准化协会标准《矩形顶管工程技术规程》（t/cecs716-2020）以及中国市政工程协会团体标准《综合管廊矩形顶管技术标准》（t/cmea 14-2020），明确提出“单轴抗压强度大于5mpa的岩石地层不宜采用矩形顶管施工”的理念。综上所述，国内矩形顶管贯通全断面岩层的成功案例较少，矩形顶管工程将面临巨大的顶进失败风险。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于盲区超前导洞扩挖的矩形顶管施工方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于盲区超前导洞扩挖的矩形顶管施工方法，包括：

4、s1、开展始发井、接收井施工作业；

5、s2、进行盲区超前导洞扩挖模拟：通过将有限元法fem和边界元法bem结合，对矩形顶管盲区超前导洞扩挖进行模拟，将二维平面问题简化，明确超前导洞扩挖的孔位位置、孔洞大小、范围、渗透率参数，进一步地分析地应力平衡、地表沉降、地下水流，保证盲区超前导洞扩挖的科学性、安全性和可行性，具体包括：

6、s21、将盲区超前导洞扩挖建模为一个边界值问题，确定边界和内部区域，以及地表和地下水流的物理参数；

7、s22、将问题域分割为有限元网格和边界元网格，其中有限元网格用于描述问题的内部区域，而边界元网格用于描述边界；

8、s23、使用有限元法，在有限元网格上建立物理方程的离散形式，得到地下工程中的位移、应力分布，具体如下：

9、在有限元网格上，使用弹性方程：其中, 表示梯度运算符,σ是应力张量，通过背应力-位移关系得到：

10、其中，c是弹性刚度矩阵，ε是应变张量，与位移u之间通过以下关系建立：

11、

12、其中, 表示梯度运算符,作用于位移场u用于计算位移场的梯度，u的梯度是一个列向量，其中包含了位移场在各个坐标方向上的变化率,符号 表示为位移场u的梯度向量;

13、s24、使用边界元法，处理求解边界上的势流问题，得到地下水位、渗透率，具体如下：

14、在边界元网格上，使用渗流方程来描述地下水流：

15、其中，表示梯度运算符，h是一个标量场，表示水头，k是渗透率，为一个常数;

16、:计算标量场 h 的梯度，得到一个向量场;

17、:将梯度向量场乘以常数 k 的负值;

18、：计算结果向量场的散度，表示该向量场在某一点的流出或流入速率；

19、二维势流问题的基本解可以表示为：

20、

21、其中，g是势函数，x和x'是空间中的两个点，用于计算边界上的位势；

22、s3、根据s2中制定的盲区预处理方案模拟方案，利用plaxis通用岩土有限元计算软件对后续矩形顶进的工况进行论证分析，确保顶进过程的安全性；

23、s4、进行盲区超前导洞扩挖施工：根据s2、s3中模拟论证结果，开展洞门破除、先导孔及分级回扩成孔、工作井回填、孔道充填和路面沉降观测；

24、s5、土层矩形顶管机的改进，对矩形顶管机进行改进，提高掘进效率；

25、s6、矩形顶管始发接收、正常顶进：洞门止水钢环安装、井下基座安装、井下顶推系统安装、顶管机拼装及试运行、土压力建立与调整控制、姿态测量与纠偏、触变泥浆减阻、渣土改良外运、管节吊放安装、道路导改及施工监测、泥浆置换、内防水施工、顶管机拆除吊运。

26、优选的，所述矩形顶管机进行改进包括：

27、一是选用辐板式刀盘，降低开口率，提升刀盘切削刚度；

28、二是优化配置刀具；除常设的中心刀、刮刀、贝壳刀以外，增设三十九把双刃滚刀，进一步提升岩石破碎能力；

29、三是增强动力系统配置；每个刀盘的动力系统参照圆形硬岩顶管机的标准，并加大标准配备十八台驱动电机，充分加长、加粗主轴，进一步提升切削扭矩及动力；

30、四是去直角化处理；针对矩形边角及盲区直角区域，采用斜板或锥板进行平顺过渡处理；

31、五是增强出渣功能；在螺旋出土器上增设截齿，进一步提高底部螺旋出土口破碎岩石的能力，强化出渣效果。

32、优选的，矩形顶管机始发施工作业；包括如下步骤：清除始发井内的回填料、破除洞口剩余桩和墙、喷锚封闭洞口暴露的掌子面、安装固定洞门钢环、安装始发基座、安装调试顶推系统、矩形顶管机组装调试、安装洞门密封及止水装置、顶推矩形顶管机至洞口、就位首节管节及顶铁装置和始发掘进。

33、优选的，矩形顶管机接收施工作业，包括如下步骤：清除接收井内的回填料、破除洞口剩余桩和墙、喷锚封闭洞口暴露的掌子面、安装固定洞门钢环、安装接收基座、到达掘进、矩形顶管机推上接收基座、洞门密封、置换触变泥浆和拆卸矩形顶管机，转场。

34、优选的，在矩形顶管机运行过程中，通过测量系统实时监测矩形顶管机的运行轨迹，利用纠偏方法及时对轨迹偏差进行矫正；在管节外壁和岩层之间注入触变泥浆减阻；通过注浆孔向掌子面或土仓内注入渣土改良剂，改良剂选用钠基膨润土泥浆，具体性能要求参照触变泥浆技术指标控制。

35、优选的，所述长距离全断面岩石地层条件指：顶进距离超过80m、顶进范围全部处于岩层、岩层的单轴抗压强度达到30mpa及以上。

36、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

37、（1）本发明遵循“传统土层矩形顶管机改进+盲区预处理”的理念，通过在矩形顶管顶进前提前处理盲区，并改进传统土层矩形顶管机，通过将有限元法fem和边界元法bem结合，对矩形顶管盲区超前导洞扩挖进行模拟，将二维平面问题简化，明确超前导洞扩挖的孔位位置、孔洞大小、范围、渗透率参数，进一步地分析地应力平衡、地表沉降、地下水流，保证盲区超前导洞扩挖的科学性、安全性和可行性。

38、（2）本发明通过计算地下工程中的应力分布，帮助工程人员了解岩土体的稳定性，预测潜在的岩体破裂或位移问题；确定地下工程中的位移分布，可用于评估结构变形、地下空间的稳定性以及地下工程对周围环境的影响；通过计算渗流方程，可以描述地下水流的行为，对地下工程和环境影响至关重要，通过渗流方程的求解，可以确定地下水位、流速、流向等信息，有助于评估地下水资源的管理、地下水位的变化以及地下水对矩形顶管施工的影响，确保工程的稳定性，防止水灾和地下水质污染，评估地下水资源的可持续性，帮助制定合理的水资源管理策略。

39、（3）本发明针对传统土层矩形顶管机改进，提升刀盘切削刚度、提升岩石破碎能力、提升切削扭矩及动力、针对矩形边角及盲区直角区域，采用斜板或锥板进行平顺过渡处理、提高底部螺旋出土口破碎岩石的能力和强化出渣效果。