[发明专利]一种基于地表变形的土压平衡盾构掘进参数控制方法

摘要

本发明公开了一种基于地表变形的土压平衡盾构掘进参数控制方法。通过推导建立盾构土压平衡比(N/v)与盾构排土引起的地层损失的计算公式，考虑盾尾脱空引起的地层损失，结合盾构在初始掘进阶段的掘进数据和地表沉降数据，反算出螺旋输送机排土效率η和地表沉降槽宽度i，建立盾构在下一环掘进时的土压平衡比(N/v)控制范围，依据此范围，为盾构在下一环的掘进速度和螺旋输送机旋转速度提供合理控制依据。在下一环掘进过程中，重复计算流程。本发明简单实用，能为盾构的掘进速度和螺旋输送机旋转速度提供一个量化清晰的控制范围，能有效避免盾构机掘进产生过大的地表沉降和隆起问题。

主权项

1.一种基于地表变形的土压平衡盾构掘进参数控制方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤(1)：当盾构在掘进过程中，土仓压力开始稳定时，测量盾构掘进一环管片宽度所花的时间T，以及在此时间T内盾构螺旋输送机排出渣土的体积V和渣土的重量G，通过渣土的重量G除以渣土的体积V，得到盾构排出渣土重度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的重量G与盾构自身参数即螺纹节距P、螺旋输送机芯轴直径D1和螺旋输送机内径D2，基于公式(1)反算螺旋输送机出土效率η：其中：N为螺旋输送机转速，D2为螺旋输送机内径，D1为螺旋输送机芯轴直径，P为螺纹节距；步骤(3)：根据螺旋输送机排出渣土的重量G，渣土改良材料添加重量G1，盾构实际土体开挖重量G2，基于公式(2)计算盾构掘进一环管片宽度所花的时间T内有效出土比Ke：步骤(4)：结合地勘参数即地层重度γ2和掘进速度v，基于公式(3)计算盾构理论进土量G3；即在完全没有地层损失的情况下，盾构掘进一环管片宽度所花的时间T内，理论进土量G3为：步骤(5)：结合有效出土比Ke、螺旋输送机出土效率η、螺旋输送机转速N、螺纹节距P、螺旋输送机芯轴直径D1、螺旋输送机内径D2、盾构排出渣土重度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Vfloss：步骤(6)：采用公式5计算盾尾空隙引起的地层损失值Vtloss：其中，α为壁后注浆充填折减系数；(1‑α)为壁后注浆填充率；g＝2(δ+t)，δ为盾尾间隙，t为盾尾壳体厚度，对于砂土，α值取为0.23，对于粘土，α值与隧道埋深及洞径有关，一般取：其中，H为地表到隧道中心的距离；步骤(7)：将公式(6)土仓排土与盾尾空隙引起的地层损失值求和：Vloss＝Vfloss+Vtloss   (6)步骤(8)：结合计算地层损失值与实测地表沉降值，通过公式(7)反算地表沉降槽宽度i；其中：Smax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为地表沉降槽宽度，为沉降曲线对称中心到曲线拐点的距离；步骤(9)：明确地表沉降阈值(S(x)min，S(x)max)，使用公式(8)计算基于地表沉降阈值的掘进参数控制范围；在盾构掘进引起的地表沉降阈值既定的情况下，即S(x)min≤S(x)≤S(x)max时，土压平衡比的控制范围为：其中，土压平衡比为螺旋输送机转速N与掘进速度v的比值；步骤(10)：为了使盾构掘进后，地表不发生隆起或者沉降，计算此时盾构掘进中的土压平衡比的值应为：步骤(11)：依据公式(9)得出的土压平衡比选择盾构掘进速度和螺旋输送机转速，并确保控制土压平衡比在公式(8)的范围之内。