一种基于泥水系统压力差变化的泥水盾构滞排预警方法

本发明涉及盾构施工，尤其涉及一种基于泥水系统压力差变化的泥水盾构滞排预警方法。

背景技术：

1、渣土滞排是盾构施工过程中常见问题。泥水盾构在粘性地层掘进时，刀盘切削下来的粘土之间相互粘聚、粘土与刀盘、盾构仓体和管路易发生粘结，发生盾构渣土滞排现象。

2、另外，盾构掘进砾石、卵石、漂石等地层，刀盘切削下的渣土中会伴随岩渣，岩渣易淤积在开挖仓内和泥水舱格栅处。导致盾构的泥浆循环参数异常，渣土滞排。滞排会导致盾构机械部件损坏、盾构掘进困难、挤压或超挖土体，甚至引发塌方或隆起等事故。

3、这给工程带来极大的安全隐患。研究泥水盾构滞排预方法给预防和处理滞排问题提供参考意见，是保证隧道施工安全高效的先决条件。目前少有泥水盾构滞排预警手段，一些学者通过声波与激光探测盾构泥水仓的渣土运移情况，但是由于声光信号在泥水仓内泥浆与渣土的传输能力弱，难以准确对泥水盾构滞排进行预警。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于泥水系统压力差变化的泥水盾构滞排预警方法，依托盾构数据监测平台，利用泥水系统压力差数据分析判断泥水盾构滞排情况，构建滞排预警方法，可以对泥水盾构掘进时滞排风险进行预警，为泥水盾构安全高效施工提供保障。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于泥水系统压力差变化的泥水盾构滞排预警方法，包括：

3、采集盾构掘进气压舱压力、切口泥水压力和排浆泵吸口压力，基于所述切口泥水压力与理论切口泥水压力的关系，确定放松系数；

4、基于采集的若干压力数据、第一压差与第二压差，分别获得所述第一压差、所述第二压差随开挖里程的原始波动曲线，其中，所述第一压差为所述气压舱压力与所述切口泥水压力的差值，所述第二压差为所述气压舱压力与所述排浆泵吸口压力的差值；

5、基于所述第一压差随开挖里程的原始波动曲线获得第一评价参数，基于所述第一评价参数确认开挖仓内滞排情况；若确认所述开挖仓内明显滞排，则通过所述第一压差、所述第二压差随开挖里程的原始波动曲线构建极坐标图，基于所述极坐标图，计算第一波动放大系数和第二波动放大系数；

6、通过所述放松系数、所述第一波动放大系数和所述第二波动放大系数，评价开挖舱内和泥水舱格栅处滞排情况。

7、优选地，确定所述放松系数，包括：

8、通过所述切口泥水压力与所述理论切口泥水压力的大小关系，判断泥水盾构掘进的开挖面支撑压力状态，其中，所述开挖面支撑压力状态包括超压状态、失压状态和稳压状态；

9、基于所述开挖面支撑压力状态，获取单环稳压率，基于所述单环稳压率确定所述放松系数。

10、优选地，获取所述单环稳压率，包括：

11、当所述开挖面支撑压力状态为所述超压状态时，定义单环超压率为：

12、

13、当所述开挖面支撑压力状态为所述失压状态时，定义单环失压率为：

14、

15、式中，m1为单环超压率，m2为单环失压率，l为盾构一环管片长度，l1i为第i次切口泥水压力超过1.211倍理论切口泥水压力时间范围内盾构掘进里程，l2i为第i次切口泥水压力小于0.789倍理论切口泥水压力时间范围内盾构掘进里程；

16、基于所述单环超压率和所述单环失压率，确定所述单环稳压率。

17、优选地，确定所述放松系数，包括：

18、若所述单环稳压率大于预设阈值一，则所述放松系数δ取值为1，若所述单环稳压率小于或等于预设阈值一，则所述放松系数δ取值为1.294；

19、其中，所述单环稳压率的计算方法为：

20、m0＝1-m1-m2

21、式中，m0单环稳压率。

22、优选地，基于所述第一压差随开挖里程的原始波动曲线获得第一评价参数，包括：

23、基于预设长度对所述第一压差随开挖里程的原始波动曲线进行分区，计算每段所述预设长度内掘进区段内的平均压力值，获得若干平均压力值数据点后依次顺滑连接，获取均化δp-s曲线；

24、通过所述均化δp-s曲线，计算所述第一评价参数：

25、

26、式中，k为第一评价参数，δp为压差，s为盾构掘进里程。

27、优选地，基于所述第一评价参数确认开挖仓内滞排情况，包括：

28、若所述第一评价参数的绝对值不大于预设评价参数一，则开挖仓无滞排风险；

29、若所述第一评价参数的绝对值大于所述预设评价参数一且不大于预设评价参数二，则开挖仓渣土排除效果良好，压力波动情况属于正常阈值；

30、若所述第一评价参数的绝对值大于所述预设评价参数二，则开挖仓压力波动异常，有滞排风险。

31、优选地，计算所述第一波动放大系数，包括：

32、基于所述第一压差随开挖里程的原始波动曲线，将第n+1个区段，以θ＝2πi/(n-1)为极角变量、第i个拐点与第一压差理论值的垂直距离为极径变量，构建极坐标图；

33、基于所述极坐标图，以r1＝2.5a，r2＝5a为半径做圆，计取极径di＜r1的拐点数为e1，极径r1＜di＜r2的拐点数为e2，极径di＞r2的拐点数为e3，计算所述第一波动放大系数：

34、

35、式中，ε1为第一波动放大系数，n为拐点总数。

36、优选地，计算所述第二波动放大系数，包括：

37、基于所述第二压差随开挖里程的原始波动曲线，将第n+1个区段，以θ＝2πi/(n-1)为极角变量、第i个拐点与第一压差理论值的垂直距离为极径变量，构建极坐标图；

38、在所述极坐标图中，以r1＝2.8a,r2＝6a为半径做圆，计取极径di＜r1的拐点数为f1，极径r1＜di＜r2的拐点数为f2，极径di＞r2的拐点数为f3，计算所述第二波动放大系数：

39、

40、式中，ε2为第二波动放大系数，n为拐点总数。

41、优选地，基于所述第一压差随开挖里程的原始波动曲线，计算第n+1个区段内的数据平均值

42、当开挖仓评价参数的绝对值小于预设评价参数二时，无滞排风险；

43、当开挖仓评价参数的绝对值大于预设评价参数二时，

44、开挖舱内轻微滞排；

45、开挖舱内明显滞排；

46、其中，d为隧道埋深，r为开挖隧道半径，δ为放松系数；

47、所述开挖仓评价参数等于第一评价参数。

48、优选地，基于所述第二压差随开挖里程的原始波动曲线，计算第n+1个区段内的数据平均值

49、当泥水仓格栅处评价参数的绝对值小于预设评价参数二时，无滞排风险；

50、当泥水仓格栅处评价参数的绝对值大于预设评价参数二时，

51、泥水舱格栅处轻微滞排；

52、泥水舱格栅处明显滞排；

53、其中，d为隧道埋深，r为开挖隧道半径，δ为放松系数；

54、所述泥水仓格栅处评价参数等于第一评价参数。

55、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

56、本发明依托盾构掘进数据监测平台，通过获取泥水系统压力差数据分析，构建滞排预警方法，对泥水盾构掘进时滞排风险进行预警，方法方便实用，灵敏度高，为泥水盾构安全高效施工提供保障。