基于盾构掘进参数变化的渣土改良控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了基于盾构掘进参数变化的渣土改良控制方法及系统，通过实时获取并判断盾构掘进的土仓压力值和刀盘扭矩值是否符合第一条件，若符合第一条件，判断当前使用的掘进参数和改良参数适合当前的掘进地层条件，若不符合第一条件，判断当前使用的掘进参数和改良参数不适合当前的掘进地层条件，调整改良参数和掘进参数直至适合当前的掘进地层条件，通过基于掘进参数变化的改良参数调整获得适应于相应地层的改良参数，期间不需要再次取得未改良渣土进行试验，避免了掘进过程中取土困难及与实际地层条件与取得渣土差异较大，从而导致确定的改良参数不合理等问题。

【技术实现步骤摘要】
基于盾构掘进参数变化的渣土改良控制方法及系统
本专利技术属于盾构施工
，尤其涉及一种基于盾构掘进参数变化的渣土改良控制方法。
技术介绍
土压平衡盾构由于其施工速度快，对周围环境扰动小，可以较好适应城市中隧道施工条件，已成为城市隧道施工中的首选机型。然而，其顺利掘进的关键是盾构渣土保持为一种“塑性流动”状态，利于土仓内渣土建立有效土压来平衡掌子面水土压力，同时防止出现喷涌、刀盘结泥饼、土仓闭塞或地表变形过大等问题，确定掘进参数稳定在合适的范围之内。由于经切削入土仓内原状渣土难以满足盾构持续稳定工作的需求，务必进行渣土改良，改善渣土的流塑性。为保证盾构机能够正常的工作，我们需要根据渣土的不同性质在盾构掘进过程中向渣土之中添加诸如泡沫、膨润土等之类的改良剂以使渣土保持为理想的“塑性流动”状态。由于盾构掘进是一个动态过程，施工过程中的渣土改良剂的添加也是一个动态调整的过程，其应根据实际情况实时动态地调整渣土改良参数，以保证盾构能够安全、快速、顺畅地掘进。当前对于盾构渣土改良技术的研究主要是针对特定地层进行渣土改良试验，通过预先确定的理想塑本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于盾构掘进参数变化的渣土改良控制方法，其特征在于，包括以下步骤：/n实时获取并判断盾构掘进的土仓压力值和刀盘扭矩值是否符合第一条件，若符合第一条件，判断当前使用的掘进参数和改良参数适合当前的掘进地层条件，若不符合第一条件，判断当前使用的掘进参数和改良参数不适合当前的掘进地层条件，调整改良参数和掘进参数直至适合当前的掘进地层条件。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于盾构掘进参数变化的渣土改良控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
实时获取并判断盾构掘进的土仓压力值和刀盘扭矩值是否符合第一条件，若符合第一条件，判断当前使用的掘进参数和改良参数适合当前的掘进地层条件，若不符合第一条件，判断当前使用的掘进参数和改良参数不适合当前的掘进地层条件，调整改良参数和掘进参数直至适合当前的掘进地层条件。


2.根据权利要求1所述的基于盾构掘进参数变化的渣土改良控制方法，其特征在于，所述第一条件为：
实时获取的土仓压力处于理想土仓阈值内，实时获取的刀盘扭矩值处于理想扭矩阈值内。


3.根据权利要求2所述的基于盾构掘进参数变化的渣土改良控制方法，其特征在于，所述掘进参数包括排土速度，所述改良参数包括改良剂用量；调整改良参数和掘进参数直至适合当前的掘进地层条件，具体包括以下步骤：
根据当前的土仓压力值调整盾构机的螺旋输送机的排土速度使土仓压力处于理想土仓阈值内；
根据刀盘扭矩值在当前使用的改良参数的基础上逐步增加改良剂用量直至刀盘扭矩值处于理想扭矩阈值内。


4.根据权利要求2或3中所述的基于盾构掘进参数变化的渣土改良控制方法，其特征在于，所述理想土仓阈值为(σ仓-ζ，σ仓+ζ)，σ仓为理想土仓压力，ζ为掘进土层的理想波动阈值，由掘进土层的实际土质状况确定；所述理想扭矩阈值为(0，TcAVG+(Tcmax-Tcmin)/θ)，Tcmin、Tcmax分别为盾构刀盘扭矩阈值下限、盾构刀盘扭矩阈值上限，TcAVG为理想刀盘扭矩，θ为精确参数，取值范围为正整数，其具体的取值由用户所需求的精度确定，用户的精度需求越大，取值越大，所述理想土仓压力、盾构刀盘扭矩阈值下限、盾构刀盘扭矩阈值上限以及理想刀盘扭矩均由实际盾构机型号、掘进模式及施工经验确定。


5.根据权利要求4所述的基于盾构掘进参数变化的渣土改良控制方法，其特征在于，根据当前的土仓压力值调整盾构机的螺旋输送机的排土速度使土仓压力处于理想土仓阈值内，具体包括以下步骤：
若土仓压力在(σ仓+ζ，σ仓+2×ζ)范围内，则增加φrad/min的螺旋输送机转速，所述φ由土仓压力的偏离程度确定，为将土仓压力修正至理想土仓阈值内的螺旋输送机转速；
若土仓压力在(σ仓-2×ζ，σ仓-ζ范围内时，则减小φrad/min的螺旋输送机转速；
若土仓压力在(σ仓+2×ζ，σ仓+4×ζ)范围内时，则增加2φrad/min的螺旋输送机转速；
若土仓压力在(σ仓-4×ζ，σ仓-2×ζ)范围内时，则减小2φrad/min的螺旋输送机转速；
若土仓压力在(σ仓+2×ζ，σ仓+6×ζ)范围内时，则增加3φrad/min的螺旋输送机转速；
若土仓压力在(σ仓-6×ζ，σ仓-4×ζ)范围内时，则减小3φrad/min的螺旋输送机转速；
所述(σ仓-6×ζ，σ仓-6×ζ)为掘进土层的安全土仓阈值(σ仓-τbar，σ仓+τbar)的子集，所述τ为掘进土层的允许波动阈值，由掘进土层的实际土质状况确定。


6.根据权利要求3所述的基于盾构掘进参数变化的渣土改良控制方法，其特征在于，若掘进地层为黏性土地层，则改良剂包括水；若掘进地层为砂性土地层，则改良剂包括泡沫混合液；若掘进地层为含粗颗粒卵、砾石土的地层，则改良剂包括膨润土泥浆；根据刀盘扭矩值在当前使用的改良参数的基础上逐步增加改良剂用量直至刀盘扭矩值处于理想扭矩阈值内，具体包括：
若掘进地层为黏性土地层，则以初始注水量的α％作为增量逐步增加改良剂用量直至刀盘扭矩值处于理想扭矩阈值内，α取值范围为正数，具体取值根据实际情况确定；
若掘进地层为砂性土地层，则在保持发泡倍率及泡沫溶液浓度不变的条件下，以初始泡沫混合液注入量的β％作为增量，逐步增加改良剂用量直至刀盘扭矩值处于理想扭矩阈值内，β取值范围为正数，具体取值根据实际情况确定；
若掘进地层为含粗颗粒卵、砾石土的地层，则以初始膨润土泥浆注入量的δ％作为增量，逐步增加改良剂用量直至刀盘扭矩值处于理想扭矩阈值内，δ取值范围为正数，具体取值根据实际情况确定。


7.根据权利要求6所述的基于盾构掘进参数变化的渣土改良控制方法，其特征在于，所述掘进参数还包括掘进速度，每次增加改良剂用量后，还包括以下步骤：
统计已逐步增加的改良剂用量，判断所述已逐步增加的改良剂用量是否大于使用阈值，并监测螺旋输送机内是否出现喷涌现象，当判断所述已逐步增加的改良剂用量是否大于使用阈值或检测到螺旋输送机内出现喷涌现象时，减少掘进速度，并根据减少后的掘进速度调整改良参数，使调整后的改良参数与减少后的掘进速度相适应。


8.根据权利要求7所述的基于盾构掘进参数变化的渣土改良控制方法，其特征在于，对于砂性土地层，使用阈值为初始泡沫注入量的λ％，λ取值范围为正数，具体取值根据实际情况确定；对于含粗颗粒卵、砾石土的地层使用阈值为初始膨润土泥浆注入量的κ％，κ取值范围为正数，具体取值根据实际情况确定。


9.根据权利要求8所述的基于盾构掘进参数变化的渣土改良控制方法，其特征在于，对于粘性土地层或砂性土地层，改良剂包括水和泡沫混合液，盾构机的改良参数包括注水量和泡沫混合液用量，对于含粗颗粒卵、砾石土的地层，改良剂包括膨润土和泡沫混合液，盾构机的改良参数包括膨润土注入量和泡沫混合液用量；所述盾构机的初始改良参数通过以下步骤获取：
对于粘性土地层：
通过粘性土地层渣土改良试验结果获取常压状态下在粘性土地层中每方渣土的理想注水量以及在粘性土地层中的理想泡沫注入比，并根据实际工程经验，得到盾构机在粘性土地层的每环出渣量、粘性土体的密度、掘进时间、粘性土发泡沫倍率、盾构管片长度以及盾构掘进速度，再采用计算公式(2)、(3)得到适用于粘性土地层的初始改良参数：






其中，w粘为粘性土地层的初始注水量，单位为m3/h，w1表示常压状态下在粘性土地层中每方渣土的理想注水量，v表示每环出渣量，ρ表示土体的密度，v表示盾构掘进速度，单位为mm/m...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘正日，王树英，刘奥林，刘朋飞，王海波，钟嘉政，倪准林，付循伟，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43