基于转推速度比的土压平衡盾构机掌子面稳定性评价方法与流程

1.本发明属于土压平衡盾构开挖技术领域，尤其涉及一种基于转推速度比的土压平衡盾构机掌子面稳定性评价方法。


背景技术：

2.土压平衡盾构开挖过程中，推进力通过开挖土(渣土)和刀盘开口将压力传到掌子面，利用螺旋输送机(与土仓连接)精确控制开挖土体的排出速率与盾构掘进速率成比例，使其与盾构掘进的速度成比例以保持支护掌子面的压力等于或略高于周围地层的压力。开挖后的土体作为受压介质保持掌子面的稳定(平衡)。
3.螺旋输送机是土压平衡盾构机的重要组成部分，它主要用来从盾构密封仓内将刀盘切削下来的泥土排出盾体，同时保持密封仓内土压力，维持掌子面土体的稳定。
4.在盾构隧道施工过程中，土仓内进土量与出土量之间的介质平衡。如果螺机排土量过大，会导致挖掘表面的地层大量流失，容易导致地层崩塌或地表过度沉降的问题；螺机排土量过小，会对掌子面施加过大的压力，造成地表隆起破坏。要使掌子面稳定，就需要实现土仓内进土量与出土量之间的介质平衡，介质平衡是通过控制螺旋输送机的排土量，使螺旋输送机的转速与盾构掘进机的掘进速度的比值匹配来实现的。
5.现有技术中，中国专利申请号201610213037.1公开了一种盾构掘进方法，包括：盾构始发时，推力由0逐步增大，推进速度小于等于10mm/min；所述盾构过程中还包括利用根据理论出渣量而设置的运输装置将渣土运出；所述理论出渣量为v＝ρπd2l/4，其中，ρ为堆积密度松散系数，取值范围根据试验测定；d为刀盘直径，l为管片宽度。
6.现有技术的不足在于，现有技术中的运输装置能基本保证排出的渣土被及时运出，但无法精确保证土压平衡盾构开挖过程中，土仓内进土量与出土量之间的介质平衡。


技术实现要素：

7.(一)要解决的技术问题
8.基于此，本发明提供了一种基于转推速度比的土压平衡盾构机掌子面稳定性评价方法，以解决现有方案在盾构机开挖过程中缺乏相关的评价方法，无法精准地评价土压平衡盾构机掌子面的稳定性，难以指导盾构机安全高效掘进。
9.(二)技术方案
10.为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于转推速度比的土压平衡盾构机掌子面稳定性评价方法，包括如下步骤:
11.s1，计算松散系数
12.计算最初松散系数ξ1；其中：g1为土在自然状态下的体积，g2为土挖出后松散状态下的体积；
13.计算最终松散系数ξ2；其中：g3为土经压实后的体积；
14.s2，计算理论出土量
15.计算土压盾构开挖的自然状态下土的体积gw，其中：π为指圆周率，d为盾构隧道的开挖直径，v为盾构掘进机的掘进速度，t盾构掘进机的掘进开挖时间；
16.计算出土压平衡盾构理论最大出土量g
max
，g
max
＝ξ1gw；
17.计算出土压平衡盾构理论最小出土量g
min
，g
min
＝ξ2gw；
18.s3，计算螺旋输送机的出土效率
19.计算螺旋机一转的出土量g
dp
，其中：d1为螺旋输送机的螺纹外径，d2为螺旋输送机轴的直径，l表示螺旋输送机叶片间距；
20.计算螺旋输送机出土效率η，其中：k为调节系数；
21.s4，计算土体损失体积
22.计算有效出土比ka，ka＝dg
天然
/(dg
天然
+dg
添加
)，其中：dg
天然
为天然土体的重量，dg
添加
为泡沫剂的添加重量；
23.计算土仓排土引起的地层损失值g
floss
，
24.式中：n为螺旋输送机转速，p为螺纹节距，d1为螺机芯轴直径，d2为螺机内径，γ1为渣土重度，γ2为地层重度，v为掘进速度；
25.计算盾尾空隙引起的地层损失体积g
tloss
，其中：α为壁后注浆充填折减系数；g＝2(δ+t)，δ为盾尾间隙，t为盾尾壳体厚度；
26.计算土体损失体积g
loss
，g
loss
＝g
floss
+g
tloss
；
27.s5，计算地表最大沉降值
28.计算地表最大沉降值s
max
，其中，i为沉降槽宽度；
29.s6，得到平衡公式
30.在盾构掘进引起的地表沉隆阈值既定的情况下，螺旋输送机转速n的控制范围为：
31.其中：s
min
为地表最小沉降值；
32.转换得到n和v的关系为：
[0033][0034]
根据转推速度比φ＝n/v，即
[0035]
步骤s1之前还包括如下步骤：搜集土在自然状态下的体积，土挖出后松散状态下的体积，土经回填压实后的体积数据。
[0036]
优选的，当未加入泡沫剂对土体进行改良的情况下，得ka＝1。
[0037]
优选的，步骤s4中，当盾构开挖的土体为砂土时，α值取为0.23。
[0038]
优选的，步骤s4中，当盾构开挖的土体为粘土时，根据隧道埋深和洞径确定α值。
[0039]
优选的，α值与隧道埋深及洞径有关系为：其中：h为地表到隧道中心的距离。
[0040]
优选的，步骤s1之前还包括如下步骤：搜集土在自然状态下的体积，土挖出后松散状态下的体积，土经回填压实后的体积数据。
[0041]
优选的，步骤s6中，在盾构掘进引起的地表沉隆阈值既定的情况下是指：s
min
≤s(x)≤s
max
，其中s(x)为盾构掘进引起的地表沉降值，s
min
为地表最小沉降值。
[0042]
优选的，当出土效率和松散系数的值为稳定值时，螺旋输送机转速和推进速度之间的比为一个定值，
[0043]
优选的，所述基于转推速度比的土压平衡盾构机掌子面稳定性评价方法还包括：步骤s7，判断螺旋输送机转速和推进速度之间的比值是否为定值；若为定值，说明密封仓内土压力平衡，能够按现有参数继续掘进；若不是定值，说明密封仓内土压力不平衡，需调整现有参数。
[0044]
优选的，当推进速度与螺旋输送机转速之比小于该定值时，盾构处于超推进状态，前方土体受到挤压作用；当推进速度与螺旋输送机转速之比大于该定值时，盾构处于欠推进状态，前方土体受到卸载作用，当推进速度与螺旋输送机转速之比等于该定值时，此时盾构掘进保持几何平衡状态，前方土体既不受到挤压作用也不受到卸载作用，密封仓内土压力平衡，维持掌子面土体的稳定。
[0045]
(三)有益效果
[0046]
与现有技术对比，本发明的基于转推速度比的土压平衡盾构机掌子面稳定性评价方法具备如下优点：
[0047]
与现有技术相比，本发明确了转推速度比的计算方法，并通过判断转推速度比是否为一个固定值，可精确判断在土压平衡盾构开挖过程中，土仓内进土量与出土量是否平衡，以判断盾构机掌子面的稳定情况，以指导盾构机掘进的参数的设置，利于实现安全高速掘进。
附图说明
[0048]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0049]
图1为本发明的流程图。
[0050]
图2为本发明的土压平衡盾构简图。
具体实施方式
[0051]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
[0052]
下面结合附图1-2对本发明的基于转推速度比的土压平衡盾构机掌子面稳定性评价方法作进一步的说明。
[0053]
本发明提供了一种基于转推速度比的土压平衡盾构机掌子面稳定性评价方法，包括如下步骤:
[0054]
s1，计算松散系数
[0055]
计算最初松散系数ξ1；其中：g1为土在自然状态下的体积，g2为土挖出后松散状态下的体积。
[0056]
计算最终松散系数ξ2，其中：g3为土经压实后的体积。
[0057]
s2，计算理论出土量
[0058]
计算土压盾构开挖的自然状态下土的体积gw，其中：π为指圆周率，d为盾构隧道的开挖直径，v为盾构掘进机的掘进速度，t盾构掘进机的掘进开挖时间。
[0059]
计算出土压平衡盾构理论最大出土量g
max
，g
max
＝ξ1gw。
[0060]
计算出土压平衡盾构理论最小出土量g
min
，g
min
＝ξ2gw。
[0061]
s3，计算螺旋输送机的出土效率
[0062]
计算螺旋机一转的出土量g
dp
，其中：d1为螺旋输送机的螺纹外径，d2为螺旋输送机轴的直径，l表示螺旋输送机叶片间距。
[0063]
计算螺旋输送机出土效率η，其中：k为调节系数。
[0064]
s4，计算土体损失体积
[0065]
计算有效出土比ka，ka＝dg
天然
/(dg
天然
+dg
添加
)，其中：dg
天然
为天然土体的重量，dg
添加
为泡沫剂的添加重量。
[0066]
计算土仓排土引起的地层损失值g
floss
，
[0067]
式中：n为螺旋输送机转速，p为螺纹节距，d1为螺机芯轴直径，d2为螺机内径，γ1为渣土重度，γ2为地层重度，v为掘进速度。
[0068]
计算盾尾空隙引起的地层损失体积g
tloss
，其中：α为壁后注浆充填折减系数。g＝2(δ+t)，δ为盾尾间隙，t为盾尾壳体厚度。
[0069]
计算土体损失体积g
loss
，g
loss
＝g
floss
+g
tloss
。
[0070]
s5，计算地表最大沉降值
[0071]
计算地表最大沉降值s
max
，其中，i为沉降槽宽度。
[0072]
s6，得到平衡公式
[0073]
在盾构掘进引起的地表沉隆阈值既定的情况下，螺旋输送机转速n的控制范围为：
[0074]
其中：s
min
为地表最小沉降值。
[0075]
转换得到n和v的关系为：
[0076][0077]
根据转推速度比φ＝n/v，即
[0078]
本实施方式中，s6中最后得到的平衡公式，反映了螺旋输送机的转速和土压盾构的推进速度之间的关系，值会在一个固定的范围内变化。
[0079]
盾构掘进时，从直接控制的角度而言，需要保持必要的几何平衡关系，即盾构掘进切削的天然土体体积与螺旋输送机排出土的体积相等。此时，盾构既不挤压前方土体，也不对前方土体形成卸载，盾构对前方土体扰动最小。但是，自然状态下的土经切削挤压搅动后，内部组织破坏，其体积较原状因松散而增大。因此需要考虑松散系数。
[0080]
在实际工程中，排土量应控制在区间。否则，挖土量和排土量的不平衡会导致开挖面失稳。
[0081]
本实施方式中，如下平衡公式，反映了螺旋输送机的转速和土压盾构的推进速度之间的关系，值会在一个固定的范围内变化。
[0082][0083]
根据本发明的具体实施方式，当未加入泡沫剂对土体进行改良的情况下，得ka＝1。
[0084]
本实施方式中，若盾构在施工时遇到含砂量较小的地层时，无需加入泡沫剂对土体进行改良。
[0085]
根据本发明的具体实施方式，步骤s4中，当盾构开挖的土体为砂土时，α值取为0.23。
[0086]
根据本发明的具体实施方式，步骤s4中，当盾构开挖的土体为粘土时，根据隧道埋深和洞径确定α值。
[0087]
根据本发明的具体实施方式，α值与隧道埋深及洞径有关系为：其中：h为地表到隧道中心的距离。
[0088]
根据本发明的具体实施方式，步骤s1之前还包括如下步骤：搜集土在自然状态下的体积，土挖出后松散状态下的体积，土经回填压实后的体积数据。
[0089]
根据本发明的具体实施方式，步骤s6中，在盾构掘进引起的地表沉隆阈值既定的情况下是指：s
min
≤s(x)≤s
max
，其中s(x)为盾构掘进引起的地表沉降值，s
min
为地表最小沉降值。
[0090]
根据本发明的具体实施方式，当出土效率和松散系数的值为稳定值时，螺旋输送机转速和推进速度之间的比为一个定值，
[0091]
本实施方式中，一般情况，在某一地层条件和埋深差异不大时，出土效率和松散系数的值相对较为稳定，所以平衡状态时，螺旋输送机转速和推进速度之间的比值也应为一个定值。
[0092]
与现有技术相比，本发明考虑了松散系数、土体损失、地表沉降、不同组分的土层对平衡公式的影响，明确了转推速度比的计算方法，并通过判断转推速度比是否为一个固定值，可精确判断在土压平衡盾构开挖过程中，土仓内进土量与出土量是否平衡，以判断盾构机掌子面的稳定情况，以指导盾构机掘进的参数的设置，利于实现安全高速掘进。
[0093]
根据本发明的具体实施方式，所述基于转推速度比的土压平衡盾构机掌子面稳定性评价方法还包括：步骤s7，判断螺旋输送机转速和推进速度之间的比值是否为定值。若为定值，说明密封仓内土压力平衡，能够按现有参数继续掘进。若不是定值，说明密封仓内土压力不平衡，需调整现有参数。
[0094]
根据本发明的具体实施方式，当推进速度与螺旋输送机转速之比小于该定值时，盾构处于超推进状态，前方土体受到挤压作用。当推进速度与螺旋输送机转速之比大于该定值时，盾构处于欠推进状态，前方土体受到卸载作用，当推进速度与螺旋输送机转速之比等于该定值时，此时盾构掘进保持几何平衡状态，前方土体既不受到挤压作用也不受到卸载作用，密封仓内土压力平衡，维持掌子面土体的稳定。
[0095]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，也可以是“传动连接”，即通过带传动、齿轮传动或链轮传动等各种合适的方式进行动力连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。