[发明专利]一种利用地下水浮力减阻的岩石顶管施工方法

权利要求书

1.一种利用地下水浮力减阻的岩石顶管施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，采集计算管节接触压力所需的工程参数，所述工程参数包括管节内半径r₀、管节外半径r₁、管节重度γ_c和超挖间隙内地下水的水体重度γ_w；

S2，根据所述工程参数计算浮力指数Ω，所述浮力指数Ω为顶管隧洞超挖间隙内的地下水对管节的最大浮力与管节自重之比；

所述浮力指数Ω的计算公式为：

其中，K＝r₁/r₀；

S3，根据所得的浮力指数Ω对顶管工程进行分类，根据顶管工程的分类结果和所述工程参数，计算超挖间隙内地下水的最佳水位高度H；

所述浮力指数Ω满足0Ω≤1的顶管工程分类为第一类顶管工程，对应所述最佳水位高度H为地下水刚好没过管节顶部；

所述浮力指数Ω满足Ω1的顶管工程分类为第二类顶管工程，对应所述最佳水位高度H为根据管节-围岩接触压力公式：

计算的接触压力F_n为0时，对应的地下水水位；式中，θ_w为地下水液面高度对应管节圆心的圆心角，简称为液面角；

S4，顶进作业，利用顶进机开挖顶管隧洞并顶进管节；管节顶进过程中，管节与管节之间、管节与顶进机头之间和管节与顶管隧洞洞口保持密封连接；控制管节外超挖间隙内的水位，使超挖间隙内的水位等于或接近所述最佳水位高度H。

2.根据权利要求1所述的利用地下水浮力减阻的岩石顶管施工方法，其特征在于，所述最佳水位高度H为超挖间隙内的水体对管节产生浮力，并使管节与顶管隧洞下部围岩的接触压力达到最小时的水体水位高度。

3.根据权利要求1所述的利用地下水浮力减阻的岩石顶管施工方法，其特征在于，计算第二类顶管工程对应所述最佳水位高度H的步骤还包括：

利用Mathematica软件求解接触压力F_n等于0时的液面角θ_w，根据液面角θ_w与管节直径之间的关系，换算得到地下水对应的最佳水位高度H。

4.根据权利要求1或2中所述的利用地下水浮力减阻的岩石顶管施工方法，其特征在于，所述利用顶进机开挖顶管隧洞并顶进管节还包括以下步骤：

在管节内部设置润滑泥浆注浆管道，并利用所述润滑泥浆注浆管道向管节外超挖间隙内注入润滑泥浆或排出地下水。

5.根据权利要求4所述的利用地下水浮力减阻的岩石顶管施工方法，其特征在于，所述控制管节外超挖间隙内的水位还包括以下步骤：

在管节两侧设置孔隙水压力计，并利用所述孔隙水压力计测量管节外超挖间隙内的水压，根据所述孔隙水压力计测量的水压与所述最佳水位高度H对应的水压进行对比，根据对比结果控制所述润滑泥浆注浆管道向管节外超挖间隙内注入润滑泥浆或排出地下水，使所述孔隙水压力计测量压力的对应水位高度等于所述最佳水位高度H。

6.根据权利要求5所述的利用地下水浮力减阻的岩石顶管施工方法，其特征在于，所述在管节两侧设置孔隙水压力计还包括以下步骤：

在管节两侧的半高位置处设置孔隙水压力计预埋孔，将孔隙水压力计安装到预埋孔内，调整孔隙水压力计使孔隙水压力计外侧略低于管节外表面，采用密封材料封堵孔隙水压力计与预埋孔之间的间隙。

7.根据权利要求6所述的利用地下水浮力减阻的岩石顶管施工方法，其特征在于，还包括如下步骤：

利用孔隙水压力计实时监测超挖间隙内的地下水水位高度；当地下水水位高度低于最佳水位高度H时，通过所述润滑泥浆注浆管道向管节外壁压注一定数量的润滑泥浆，直到管节外水位高度等于最佳水位高度H；当地下水水位高度高于最佳水位高度H时，通过所述润滑泥浆注浆管道将多余的地下水排出，使地下水水位始终保持在最佳水位高度H。