CN108022027A - 一种盾构穿过围岩接触带时出土量的预测方法 - Google Patents
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Abstract
一种盾构穿过围岩接触带时出土量的预测方法，它包括以下步骤：首先，通过地质勘探将围岩接触带的曲线以盾构掘进方向为X轴，刀盘平面垂直方向为Y轴拟合成一条或几条函数f（x）；刀盘直径d，如图1所示；其次，在盾构掘进机未进入围岩接触带之前获取刀盘在软岩中掘进一个单位距离所需时间tb；第三，在盾构掘进机接触硬岩的前期收集或者依据以往经验获取刀盘在硬岩中掘进同一个单位距离所需时间ta；第四，根据以下公式计算每拙进一个单位距离的总出土量C。将计算所得的出土量提前输入盾构机中即可使盾构机工作参数如土仓压刀盘转速等参数处于最佳状态，有利于提高掘进速度。
Description
技术领域
本发明涉及一种施工技术，尤其是一种利用质构机进行隧道施工的技术，具体地说是一种盾构穿过围岩接触带时出土量的预测方法。
背景技术
盾构机是一种使用盾构法的隧道掘进机。盾构的施工法是掘进机在掘进的同时构建(铺设)隧道之“盾”(指支撑性管片)，它区别于敞开式施工法。国际上，广义盾构机也可以用于岩石地层，只是区别于敞开式(非盾构法)的隧道掘进机。而在我国，习惯上将用于软土地层的隧道掘进机称为(狭义)盾构机，将用于岩石地层的称为(狭义)TBM。
全断面隧道掘进机里一部分采用盾构法，一部分采用敞开式施工法，例如，由中国铁建重工自主研制的全断面双护盾岩石隧道掘进机(TBM)自带双护盾，不需要构建(铺设)隧道之“盾”即不需要铺设管片，而是集开挖、支护、出渣于一体，可以实现隧道的一次成型。
盾构机的基本工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进边对土壤进行挖掘。该圆柱体组件的壳体即护盾，它对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时支撑的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面。挖掘、排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行。
当盾构机穿过单一围岩时，刀盘掘进过程中的出土量一般比较固定，因为刀盘各处的掘进速度相当。而当刀盘穿过围岩接触带时，此时刀盘盘面处的围岩因坚硬程度不同，就会出现同一刀盘的不同方向出现掘进效率有高低之分，即：相对软岩部分掘进效率高，相对硬岩部分掘进效率低，从而造成刀盘整体在转速相同的条件下，软岩部分与硬岩部分出土量不同，而刀盘又必须保持在设计好的固定平面，这就可能因出土不均而出现较大规模的土体沉降。
盾构掘进过程中难免遇到围岩变化的情况，而在围岩变化接触带处的出土量则是需要重点关注的问题，因为这不仅关系到盾构及姿态调整，同时还关系到同步注浆以及后期的二次注浆等，其中任何一点处理不当都可能对周边环境造成严重影响。而提前估算出盾构在此掘进过程中的出土量，对于后期施工有着很重要的指导作用。
发明内容
本发明的目的是针对目前盾构施工过程中开挖围岩接触带时，需等盾构进入后再花费较长时间搜集相关参数，且由于围岩分部的不确定性，参数的采集同样存在巨大的困难，所以为了能得到有利于后期施工的准确参数，需承担比较大的代价，会造成调试周期长，准确度差，影响施工效率，甚至出现土体沉降的问题，发明一种能提前获得施工位置出土量以便提前进行相关参数设定的盾构穿过围岩接触带时出土量的预测方法。
本发明的技术方案是：
一种盾构穿过围岩接触带时出土量的预测方法，其特征是它包括以下步骤：
首先，通过地质勘探将围岩接触带的曲线以盾构掘进方向为X轴，刀盘平面垂直方向为Y轴拟合成一条或几条函数f(x)；
其次，在盾构掘进机未进入围岩接触带之前获取刀盘在软岩中掘进一个单位距离所需时间tb；
第三，在盾构掘进机接触硬岩的前期收集或者依据以往经验获取刀盘在硬岩中掘进同一个单位距离所需时间ta；
第四，根据以下公式计算每拙进一个单位距离的总出土量C：
C＝∫Sa·dxa+∫Sb·dxa·k
式中：
k在两种围岩性质不变时近似为一个常数，根据盾构工作原理及围岩性质可知，k≥1；
Sb＝πr2-Sa
r＝d/2，d为刀盘直径。
所述的常数k、围岩接触带函数函数f(x)在施工过程中根据掘速度进行调整；盾构掘进机需要，提高掘进效率。
提前计算所得的出土量后，对盾构机掘进时各项参数，如土仓压力，刀盘转速等进行提前设置，以便避免出现刀盘掘至围岩后再进行相关参数的可行性调试的现象，大大降低了盾构掘进过程中的成本以及风险；且在掘进过程中可随时根据实际情况进行调整，与隧道开挖参数收集形成互惠互助的的效果。
本发明的有益效果：
本发明损伤方法，所需参数大多在盾构机进入接触带前可收集完成，而当提前计算出后期大致可能的出土量时，对盾构机掘进时各项参数的调整，如土仓压力，刀盘转速等都可以进行提前设置，这样就能在很大程度上避免出现刀盘掘至围岩后再进行相关参数的可行性调试的现象，大大降低了盾构掘进过程中的成本以及风险。且在掘进过程中可随时根据实际情况进行调整，与隧道开挖参数收集形成互惠互助的的效果。
本发明通过将计算所得的出土量提前输入盾构机中即可使盾构机工作参数如土仓压刀盘转速等参数处于最佳状态，有利于提高掘进速度。
本发明通过前期对数据资料的整理来指导后期盾构施工，从一定程度可以降低盾构掘进中所需付出的代价以及其中可能存在的风险。
附图说明
图1是本发明的围岩接触带纵剖面坐标示意图。
图2是本发明的围岩接触带横剖面坐标示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1-2所示。
一种盾构穿过围岩接触带时出土量的预测方法，它包括以下步骤：
首先，通过地质勘探将围岩接触带的曲线以盾构掘进方向为X轴，刀盘平面垂直方向为Y轴拟合成一条或几条函数f(x)；刀盘直径d，如图1所示；
其次，在盾构掘进机未进入围岩接触带之前获取刀盘在软岩中掘进一个单位距离所需时间tb；
第三，在盾构掘进机接触硬岩的前期收集或者依据以往经验获取刀盘在硬岩中掘进同一个单位距离所需时间ta；
第四，根据以下公式计算每拙进一个单位距离的总出土量C。
详述如下：
令：
其中：ta为刀盘于硬岩中掘进一个单位距离所需时间；
tb为刀盘于软岩中掘进一个单位距离所需时间；
k在两种围岩性质基本不变时可近似的看做常数，根据盾构工作原理及围岩性质可知，k≥1。如果发现两种围岩性质变化较大时，应实时调整k值；
令Sa为刀盘前方横剖面硬岩面积，Sb为刀盘前方横剖面软岩面积，则结合图1、2可得：
Sb＝πr2-Sa (1-3)
其中：r＝d/2
令刀盘掘进一个单位时总出土量为C，其中硬岩部分出土Ca，软岩部分出土Cb，则：
C＝Ca+Cb (1-4)
依据图1、2及以上公式结合微积分方程可得：
Ca＝∫Sa·dxa (1-5)
Ca＝∫Sb·dxb (1-6)
其中：dxa＝Va·ta
dxb＝Vb·tb
Va为硬岩掘进速度，Vb为软土掘进速度；
因软、硬围岩皆处于刀盘处，故掘进速度相同，即Va＝Vb，则：
故：
dxb＝dxa·k (1-8)
故：
C＝Ca+Cb
＝∫Sa·dxa+∫Sb·dxb
＝∫Sa·dxa+∫Sb·dxa·k (1-9)
结合以上各公式可知，盾构机掘进至围岩接触带时，只需搜集ta、tb、及围岩接触带的大致趋势关系函数f(x)，其中：tb可在未进入接触带之前收集，ta可在掘进接触带的前期收集或者依据以往经验获得，f(x)可依据勘察成果图大致描绘出，其中这些参数均可在后期进行相应的调整，以适应掘进需要。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (3)
1.一种盾构穿过围岩接触带时出土量的预测方法，其特征是它包括以下步骤：
首先，通过地质勘探将围岩接触带的曲线以盾构掘进方向为X轴，刀盘平面垂直方向为Y轴拟合成一条或几条函数f(x)；
其次，在盾构掘进机未进入围岩接触带之前获取刀盘在软岩中掘进一个单位距离所需时间tb；
第三，在盾构掘进机接触硬岩的前期收集或者依据以往经验获取刀盘在硬岩中掘进同一个单位距离所需时间ta；
第四，根据以下公式计算每拙进一个单位距离的总出土量C：
C＝∫Sa·dxa+∫Sb·dxa·k
式中：
k在两种围岩性质不变时近似为一个常数，根据盾构工作原理及围岩性质可知，k≥1；
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</msqrt>
</mrow>
Sb＝πr2-Sa
r＝d/2，d为刀盘直径。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的常数k、围岩接触带函数函数f(x)在施工过程中根据掘速度进行调整；盾构掘进机需要，提高掘进效率。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是提前计算所得的出土量后，对盾构机掘进时各项参数，如土仓压力，刀盘转速等进行提前设置，以便避免出现刀盘掘至围岩后再进行相关参数的可行性调试的现象，大大降低了盾构掘进过程中的成本以及风险；且在掘进过程中可随时根据实际情况进行调整，与隧道开挖参数收集形成互惠互助的的效果。
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