一种土压平衡盾构土仓进排土引起的地表沉降预测方法与流程

本发明涉及一种地表沉降预测方法，具体的说，本发明涉及一种土压平衡盾构土仓进排土引起的地表沉降预测方法。

背景技术：

土压平衡盾构工法作为软土地层隧道开挖的重要工法之一，普遍应用于国内外各大城市的地铁建设中。然而，土压平衡盾构掘进施工引起的过大地表隆起和沉陷现象时有发生，盾构掘进引起的地表沉降，目前仍缺乏实用、精确的预测方法。

地表沉降源于地层损失。盾构掘进引起的地表损失主要由三部分构成，包括：1)盾构刀盘到达土体时土仓进排土引起的地层损失；2)盾构通过时引起的地层损失；3)盾尾注浆不足引起的地层损失。在三部分地层损失中，盾构刀盘到达土体时土仓进排土引起的地层损失主要由于盾构掘进参数与地层情况不相适应引起。在土压平衡盾构的各个掘进参数中，盾构的掘进速度影响土仓进土量，螺旋输送机的转速影响土仓排土量，土仓进排土的平衡影响着地表的变形情况，在具体地质条件和周围环境条件下预测盾构掘进参数引起的地表沉降数值，对于盾构掘进参数的选择和地表变形的控制具有重要意义。

当前实际施工中，土压盾构的掘进参数更多的依据盾构司机的经验来控制，同时通过地表沉降监测值反馈，当监测值已经超限或者接近限值，再调整螺旋输送机速度或推进速度。这种方法存在三个缺点，缺点一是盾构掘进参数控制的好坏，很大程度上取决于盾构司机的操作技术，以及在类似地层和埋深下的盾构操作经验；缺点二是地表沉降信息反馈太迟，当盾构司机得到更换掘进参数信息时，过大沉降或隆起已经发生，在管线密集、建(构)筑物林立的城市，反馈过程迟缓，可能引起过大损失；缺点三是掘进控制过程类似黑箱行为，既无掘进过程的指导依据，也无掘进参数的明确范围。

中国发明专利(申请号：201510746893.9，专利名称：一种盾构机掘进速度的控制方法)主要涉及盾构机掘进速度的控制方法。该法通过调节盾构机的限速控制电位器，可以使盾构机的掘进速度大于零，小于等于设定的掘进最大速度。即该发明从机械角度提供了一种控制盾构掘进速度到指定速度及更低速度的方法，但并未涉及盾构掘进速度具体应该控制的范围。

中国发明专利(申请号：201310365004.5，专利名称：电力隧道盾构施工地面最大沉降值预测方法)主要涉及一种电力隧道盾构施工地面最大沉降值预测方法。该方法将扰动荷载简化为一锥形荷载，基于土体均值弹性半空间假定，使用布西内斯克解和积分处理得到地面最大沉降值。该发明未能考虑土仓进排土状态，对于盾构隧道而言是误差较大的，实践中，当土仓内排土量持续少于进土量时，土仓压力过大，会引起地面隆起。显然，该发明忽略了进排土影响，单纯的认为盾构隧道一定沉降，这对盾构隧道掘进引起的地表沉降预测是不合理的。

中国发明专利(申请号：201110379662.0，专利名称：城市轨道交通盾构工程预警预测方法)主要涉及一种城市轨道交通盾构工程预警预测方法。该发明通过分析在盾构隧道中影响地表沉降的因素，引入诸多系数形成预测理论公式，再结合工程实测数据，利用多元线性回归等统计方法拟合未知参数，形成预测公式，进行地表沉降预测。该发明的主要不足有：1、地表沉降预测公式粗糙，等式左右两侧的项不符合“量纲一致”原则，也就是说，本预测公式在物理意义上是不成立的。2、未深入探究盾构进排土引起的地表变形关系，依靠大量实测数据使用线性回归等统计手段拟合未知参数。此类统计方法的主要问题有：问题1是基于前期的工程数据来拟合参数，形成预测公式，对于超出经验的掘进参数，拟合参数取值不准，即仅适用于类似已经掘进过的地层和埋深，对于新的环境条件下拟合公式适应性差；问题2是统计数据充足才能保证拟合精度，需要采集和维护大量现场数据，操作麻烦。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种预测精度高、预测流程量化、清晰、预测成本低廉、简单实用的土压平衡盾构土仓进排土引起的地表沉降预测方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供的土压平衡盾构土仓进排土引起的地表沉降预测方法，包括以下步骤：

步骤(1)：当盾构在掘进过程中，土仓压力开始稳定时，测定在一环管片时间T内盾构排出渣土体积V和渣土重量G，通过渣土重量G除以渣土体积V，得到渣土的重度γ₁；记录掘进速度v、螺旋输送机转速N、渣土改良材料添加重量G₁；

步骤(2)：结合盾构掘进时螺旋输送机排出渣土重度G与盾构自身参数即螺纹节距P、螺机芯轴直径D₁和螺机内径D₂，基于公式(1)反算螺旋输送机出土效率η：

$\mathrm{\η}=\frac{4G}{\mathrm{\π}N(D_2^2-D_1^2){\mathrm{p\γ}}_{1}T}---\left(1\right)$

其中：N为螺旋输送机转速，D₂为螺旋机内径，D₁为螺旋机轴直径，P为旋转翼片的间距；

步骤(3)：根据盾构排出渣土重量G，盾构实际土体开挖重量G₁，渣土改良材料添加重量G₂，基于公式(2)计算T时间内有效出土比K_e：

$K_e=\frac{G_1}{G}=\frac{G-G_2}{G}---\left(2\right)$

步骤(4)：结合地勘参数即原地层重度γ₂和掘进速度v，基于公式(3)计算盾构理论进土量G₃；在完全没有地层损失的情况下，盾构掘进T时间内，理论进土量G₃为：

$G_3=\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}^2{\mathrm{vT\γ}}_2---\left(3\right)$

步骤(5)：结合有效出土比K_e、螺机出土效率η、螺旋输送机转速N、螺旋输送机参数即螺纹节距P、螺机芯轴直径D₁和螺机内径D₂、渣土重度γ₁、地层重度γ₂、盾构掘进直径D与掘进速度v，采用公式(4)计算土仓排土引起的地层损失值V_loss：

$V_{loss}=\frac{G_1-G_3}{{\mathrm{\γ}}_2}=\frac{\mathrm{\π}}{4}(\frac{{\mathrm{\ηp\γ}}_1{K}_e(D_2^2-D_1^2)}{{\mathrm{\γ}}_2}\frac{N}{v}-D^2)---\left(4\right)$

步骤(6)：结合计算地层损失值与实测地表沉降值，通过公式(5)反算地表沉降槽宽度i：

$i=\frac{V_{loss}}{\sqrt{2\mathrm{\π}}{S}_{max}}---\left(5\right)$

其中：S_max为地表最大沉降点；x为横断面上距离隧道中心轴线的距离；i为地面沉降槽宽度，为沉降曲线对称中心到曲线拐点的距离；

步骤(7)：通过公式(6)建立考虑盾构掘进参数的地表沉降预测公式：

$S\left(x\right)=\frac{\sqrt{2\mathrm{\π}}}{8i}(\frac{{\mathrm{\ηp\γ}}_1{K}_e(D_2^2-D_1^2)}{{\mathrm{\γ}}_2}\frac{N}{v}-D^2)\exp (-\frac{x^2}{2i^2})---\left(6\right)$

步骤(8)：盾构在新的掘进环，将盾构掘进参数代入公式(6)，能预测地表即将产生的沉降值。

在一个新的掘进循环内，重复上述计算步骤，得到新的地表沉降预测公式。

采用上述技术方案的土压平衡盾构土仓进排土引起的地表沉降预测方法，并非总沉降预测，而是盾构刀盘到达土体时，由于掘进参数与地层情况不相适应而产生的地表沉降，因此称盾构掘进参数引起的地表沉降，此部分沉降在盾构掘进全过程发生的总沉降中占重要地位。

步骤(1)所述的初始掘进阶段，并非是试掘进阶段，是指土仓内土压已完全建立，盾构开始正常掘进的阶段。

步骤(1)所述螺旋输送机出土效率η与步骤(5)所述地表沉降槽宽度i均根据上一环的实测地表沉降数据反算得到。与通过经验取值的方法相比，本发明提供的方法适用性更强，误差来源于相邻管片的地层差别和掘进参数差别。

步骤(7)所述的盾构掘进参数的地表沉降预测公式，盾构在每掘进一环后，因地层参数、埋深以及渣土改良参数变化，需根据上述流程重新进行计算，以保证地表沉降预测公式有较高精度。

本发明与现有技术相比，本发明的技术效果在于：本方法提供了土压平衡盾构掘进速度、螺旋输送机排土速度与地表沉降的定量关系，给出了螺旋输送机出土效率η和地表沉降槽宽度i的量化策略，为土压平衡盾构掘进参数引起的地表沉降预测分析提供了一种新的科学方法：

效果(1)是在掘进速度与螺栓输送机排土速度既定的情况下，可以通过步骤(6)提供的公式预测地表将要产生的沉降。除了数值模拟方法、数学统计方法等预测方法外，本方明提供了一种充分考虑盾构进排土状态的地表沉降预测方法，本发明预测精度高，预测流程量化、清晰，预测成本低廉、简单实用。

效果(2)是提供了一套基于掘进参数的完整、量化的地表沉降预测技术路线。

综上所述，本发明是一种预测精度高、预测流程量化、清晰、预测成本低廉、简单实用的土压平衡盾构土仓进排土引起的地表沉降预测方法。

附图说明

图1是所述的盾构进排土引起的地表沉降预测技术路线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参见图1，土压平衡盾构土仓进排土引起的地表沉降预测方法，包括以下步骤：

步骤(1)：当盾构在掘进过程中，土仓压力开始稳定时，测定在一环管片时间T内盾构排出渣土体积V和渣土重量G，通过渣土重量G除以渣土体积V，得到渣土的重度γ₁；记录掘进速度v、螺旋输送机转速N、渣土改良材料添加重量G₁；

步骤(2)：结合盾构掘进时螺旋输送机排出渣土重度G与盾构自身参数即螺纹节距P、螺机芯轴直径D₁和螺机内径D₂，基于公式(1)反算螺旋输送机出土效率η：

$\mathrm{\η}=\frac{4G}{\mathrm{\π}N(D_2^2-D_1^2){\mathrm{p\γ}}_{1}T}---\left(1\right)$

其中：N为螺旋输送机转速，D₂为螺旋机内径，D₁为螺旋机轴直径，P为旋转翼片的间距；

步骤(3)：根据盾构排出渣土重量G，盾构实际土体开挖重量G₁，渣土改良材料添加重量G₂，基于公式(2)计算T时间内有效出土比K_e：

$K_e=\frac{G_1}{G}=\frac{G-G_2}{G}---\left(2\right)$

步骤(4)：结合地勘参数即原地层重度γ₂和掘进速度v，基于公式(3)计算盾构理论进土量G₃；在完全没有地层损失的情况下，盾构掘进T时间内，理论进土量G₃为：

$G_3=\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}^2{\mathrm{vT\γ}}_2---\left(3\right)$

步骤(5)：结合有效出土比K_e、螺机出土效率η、螺旋输送机转速N、螺旋输送机参数即螺纹节距P、螺机芯轴直径D₁和螺机内径D₂、渣土重度γ₁、地层重度γ₂、盾构掘进直径D与掘进速度v，采用公式(4)计算土仓排土引起的地层损失值V_loss：

$V_{loss}=\frac{G_1-G_3}{{\mathrm{\γ}}_2}=\frac{\mathrm{\π}}{4}(\frac{{\mathrm{\ηp\γ}}_1{K}_e(D_2^2-D_1^2)}{{\mathrm{\γ}}_2}\frac{N}{v}-D^2)---\left(4\right)$

步骤(6)：结合计算地层损失值与实测地表沉降值，通过公式(5)反算地表沉降槽宽度i：

$i=\frac{V_{loss}}{\sqrt{2\mathrm{\π}}{S}_{max}}---\left(5\right)$

其中：S_max为地表最大沉降点；x为横断面上距离隧道中心轴线的距离；i为地面沉降槽宽度，为沉降曲线对称中心到曲线拐点的距离；

步骤(7)：通过公式(6)建立考虑盾构掘进参数的地表沉降预测公式：

$S\left(x\right)=\frac{\sqrt{2\mathrm{\π}}}{8i}(\frac{{\mathrm{\ηp\γ}}_1{K}_e(D_2^2-D_1^2)}{{\mathrm{\γ}}_2}\frac{N}{v}-D^2)\exp (-\frac{x^2}{2i^2})---\left(6\right)$

步骤(8)：盾构在新的掘进环，将盾构掘进参数代入公式(6)，能预测地表即将产生的沉降值。

在一个新的掘进循环内，重复上述计算步骤，得到新的地表沉降预测公式。