[发明专利]一种在上软下硬地层中减小盾构机刀具损坏的施工方法

摘要

本发明提供了一种在上软下硬地层中减小盾构机刀具损坏的施工方法，包括：第一步，工程地质勘察，确定隧道沿线的地层分布情况及各地层土体或岩体的无侧限抗压强度；第二步，根据盾构机掘进路线和地层分布情况，确定盾构机在某单一地层中掘进时的刀盘合理转速及盾构机在通过上软下硬地层时掌子面范围内较硬地层所占面积与掌子面面积之比的最大值；第三步，确定盾构机在通过上软下硬地层时的刀盘设计转速；第四步，根据地层分布情况计算平均刀盘扭矩，判断是否已经进入复合地层，从而调整刀盘转速。本发明方法技术简单，操作容易，能有效减少上软下硬地层造成的刀具损坏，显著延长刀具的使用期限，极大地提高了施工效率和经济效益。

主权项

一种在上软下硬地层中减小盾构机刀具损坏的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，根据盾构机掘进路线和地层分布情况，确定盾构机在掘进过程中将遇到的地层及遇到上软下硬地层的位置，并由以下计算公式确定盾构机在某单一地层中掘进时的刀盘合理转速n_i：$n_i=\sqrt{\frac{K_{\mathrm{\α}}\·D}{1.2q_{ui}v}},$式中：i＝1,2；n_i—某单一地层中刀盘合理转速，r/min；K_α—相对于刀盘直径的扭矩系数；D—刀盘直径，m；q_ui—某地层土体或岩体的无侧限抗压强度，kPa；v—盾构机推进速度，m/h；并确定盾构机在通过上软下硬地层时掌子面范围内硬地层所占面积与掌子面面积之比的最大值K，其中以隧道底部为原点建立坐标系：$K=\frac{4}{{\mathrm{\πD}}^2}\·{\∫}_{-\frac{D}{2}}^{-\frac{D}{2}+h}\sqrt{D^2-4y^2}dy,$式中：h—掌子面内硬地层侵入软地层的最大距离，m；y——掌子面内硬地层侵入软地层的距离，m；D为刀盘直径，m；d为数学中微分的符号；第二步，确定盾构机在通过上软下硬地层时的刀盘设计转速由得到的n_i和K，引入安全系数λ，利用以下计算公式确定盾构机在通过上软下硬地层时的刀盘设计转速n_d：n_d＝λ[(1‑K)n₁+Kn₂]式中：n_d—上软下硬地层刀盘设计转速，r/min；λ—安全系数；n₁—上软下硬地层中软地层刀盘合理转速，r/min；n₂—上软下硬地层中硬地层刀盘合理转速，r/min；第三步，根据地层分布情况，当盾构机掘进到距离进入上软下硬地层为隧道直径的0.5倍时，开始每隔设定时间观察记录盾构机刀盘扭矩x_j，j＝1，2，3……，每掘进一定距离后计算平均刀盘扭矩i＝1，2，3，4，5，6，计算公式为：${\stackrel{\‾}{X}}_i=\frac{1}{5}\underset{j=5i-4}{\overset{5i}{\Σ}}{x}_j$并根据以下计算公式：$A_{i+1}=\frac{{\stackrel{\‾}{X}}_{i+1}-{\stackrel{\‾}{X}}_i}{{\stackrel{\‾}{X}}_i}\×100\%$判断A_i+1≥20.0％是否成立：如果A_i+1≥20.0％成立，则认为盾构机已经进入上软下硬地层，将刀盘的转速调整至设计转速，并停止记录刀盘扭矩；如果盾构机掘进到上软下硬地层时，A_i+1≥20.0％仍未成立，则立即将刀盘的转速调整至设计转速；当盾构机前端通过并重新掘进到单一地层时，将刀盘转速调整至盾构机前端所处单一地层的刀盘合理转速。