一种泥水模式下盾构快速掘进施工控制方法技术

本发明专利技术公开了一种泥水模式下盾构快速掘进施工控制方法，该方法主要是通过设定盾构机部分参数适当阈值如泥浆性能指标、泥水仓压力、刀盘的扭矩及转速等参数，通过不断调节盾构的掘进速度及其它掘进参数如排泥压力及流量、注浆参数等，使盾构的泥水状态与掘进参数满足要求、排土量处于正常状态、盾构的姿态正确与造成地表的沉降在允许范围内。该方法可在保证施工安全状况下，使泥水盾构在满足地层沉降的限值及盾构姿态等各方面要求情况下能够保持最大速度进行快速掘进，有效提高泥水盾构的掘进速度，达到缩短工程工期的目的，节省施工成本，从而推进泥水盾构施工向着安全、快速、经济、自动化的方向发展，对社会产生一定的经济效益。济效益。济效益。

【技术实现步骤摘要】
一种泥水模式下盾构快速掘进施工控制方法


[0001]本专利技术涉及隧道盾构施工
，具体涉及一种泥水模式下盾构快速掘进施工控制方法。

技术介绍

[0002]泥水平衡盾构是将水、黏土(多为膨润土)及添加剂混合制成的泥浆，经输送管道泵入泥水平衡盾构的泥水仓中，待泥水充满整个泥水仓，同时盾构机的千斤顶向前推进，推力经仓内泥水传递到开挖面的土体上，泥水仓中的泥浆浓度和压力逐渐增大，并平衡于开挖面水土压力，在开挖面上形成泥膜或泥水压形成的渗透壁，对开挖面进行稳定挖掘。掘进中，刀盘旋转切削下来的渣土与地下水顺着刀盘开口流入泥水室中，经搅拌装置搅拌形成含切削渣土的高浓度泥水，经排泥泵送到地表的泥水分离系统。待土、水分离后，再把滤除渣土的泥水重新压送回泥水仓。如此不断循环，完成切削、排土和掘进。
[0003]目前，由于泥水盾构掘进的速度较慢且排出的泥水处理花费较大，而土压盾构掘进速度较快且掘进出的渣土便于处理，因此，在土压盾构与泥水盾构之间更加倾向于土压盾构，在双模盾构中往往也偏向于土压模式掘进，使用泥水盾构或泥水模式的工程较少。但是，泥水盾构在易发生流沙的地层中能稳定开挖面、开挖对于地层沉降控制更精确，刀盘扭矩小更适合大直径隧道施工，这也决定了泥水盾构在隧道盾构领域有举足轻重的作用。
[0004]因此，开发一种提高泥水盾构的掘进速度的方法，在确保各项盾构参数及地表沉降均在限值以内的前提下，有效提高泥水盾构的掘进速度，对于泥水盾构的推广运用具有重要意义。

技术实现思路

[0005]为了解决上述技术问题，提高泥水模式盾构在施工过程中的掘进速度，本文提出一种泥水模式下盾构快速掘进控制方法，该泥水盾构控制方法可在满足地层沉降的限值及盾构姿态等各方面要求前提下，能够保持最大速度进行快速掘进，显著提高泥水盾构的掘进速度，便于泥水盾构在隧道施工中的推广运用。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术提供了一种泥水模式下盾构快速掘进施工控制方法，包括以下步骤：
[0007]S1、根据泥水盾构掘进地层的现场勘测及补勘数据，对地层参数进行收集，根据收集的地层参数初步确定泥浆中膨润土、羧甲基纤维素钠、纯碱和水的材料配比，使泥浆性能指标达到如下表所示的要求：
[0008]表泥浆性能的指标要求
[0009][0010]将盾构开始的前5环作为试验段，每一环推进前测试泥浆性能指标，使泥浆配比满足泥浆性能指标要求，并做好记录，持续5环后，得出泥浆性能指标的变化趋势，结合开挖面稳定情况、流体输送状态及地面沉降量，检查泥浆配比是否合理：
[0011]若泥浆的性能指标变化趋势在对应的泥浆性能指标范围内，则确认泥浆配比合理，然后根据泥浆新性能指标的变化趋势控制泥浆比重稳定在对应的区间，进入下一步；
[0012]若泥浆的性能指标变化趋势不在对应的泥浆性能指标范围内，则确认泥浆配比不合理，重新调整泥浆配比。
[0013]S2、根据隧道埋深、地下水状况及地层参数设定泥水仓压力值，所述泥水仓压力值设定在上限值与下限值之间；
[0014]S3、根据地层状况及施工要求设定刀盘的扭矩及转速的上限值为盾构机设计值的80％～85％；
[0015]S4、设定盾构机推力的上限值；
[0016]S5、设定盾构机的初始掘进速度为V0；
[0017]S6、设定送排泥压力及流量值，当泥水仓的压力较大时，送排泥压力及流量值设置较大，反之较小，通过设定泥浆泵的转速进而调整泥浆的流量及送排泥压力，限制泥浆泵的转速最高值为盾构机设计值，然后启动送排泥泵；
[0018]S7、判断送排泥压力及流量是否稳定于设定值：
[0019]否，则将泥浆泵转速按5％进行增加，转速每增加5％泥浆泵保持相应速度运行3～10分钟，直至送排泥压力及流量稳定于设定值，然后再进入下一步；
[0020]是，则盾构掘进直接进入下一步骤；
[0021]S8、判断盾构刀盘扭矩、推力是否达到步骤S3设定的上限值：
[0022]否，则重复S5
‑
S8的步骤，进一步提高盾构机的掘进速度为V＝V0+ΔV，ΔV>0；
[0023]是，则盾构掘进进入下一步骤；
[0024]S9、判断实际泥水仓的压力值与设定的泥水仓压力值是否相符及泥浆性能指标是否满足要求：
[0025]若实际泥水仓的压力值与泥浆性能指标任一项或两项不满足要求，则进行步骤S1调整泥浆中膨润土、羧甲基纤维素钠、纯碱和水的材料配比使其符合泥浆性能指标，调整步骤S6中送排泥压力及流量设定值，然后重复步骤S7
‑
S9；
[0026]若实际泥水仓的压力值与泥浆性能指标均满足要求，则进入下一步；
[0027]S10、判断盾构排土量是否满足要求；
[0028]否，当盾构排土量小于理论应排渣土体积时，增大排泥泵的转速，提高盾构排土量，当盾构排土量大于理论应排渣土体积时，减小泥水泵的转速，降低盾构排土量，重复步骤S7
‑
S10；
[0029]是，则进入下一步；
[0030]S11、判断盾构机姿态是否正确及地表沉降监测值是否在允许范围内：
[0031]是，则保持此时最大的掘进速度进行快速盾构掘进；
[0032]否，则调整掘进参数与方向控制及调整施工参数与加强注浆，重复步骤11。
[0033]作为优选，所述泥浆中膨润土、羧甲基纤维素钠、纯碱、水配比与泥浆性能指标的对应关系通过室内试验确定：室内试验获得在膨润土、羧甲基纤维素钠、纯碱、水在不同配比的情况下，得到的泥浆的相对密度、粘度和含砂率性能指标参数值，将泥浆性能指标参数作为神经网络输入层，泥浆配比作为神经网络的输出层，获得泥浆配比与性能指标对应关系如下：
[0034][0035]其中，x1为泥浆的相对密度；x2为泥浆的粘度；x3为泥浆的含砂率；y1为膨润土含量；y2为C含量；y3为纯碱的含量；y4为纯水的含量。
[0036]作为优选，所述步骤S2中泥水仓压力值的上限值和下限值计算公式如下：
[0037]泥水仓压力值的上限值：P
max
＝P1+P2+P0；
[0038]泥水仓压力值的下限值：P
min
＝P1+P3+P0；
[0039]其中，P1为地下水压力，P2为静止土压力，P3为主动土或松动土压力，P0为预备压力，所述预备压力P0是弥补施工中损失的压力，P0取值范围为10～20kPa。
[0040]作为优选，所述步骤S4中盾构机推力上限值为盾构机正常掘进时推力大小的1.2倍。
[0041]作为优选，所述盾构机正常掘进时推力具体计算公式如下：
[0042]Fd＝F1+F2+F3+F4+F5；
[0043]其中，F1为盾壳外壁与周围地层之间的摩阻力；F2为盾构机推进时正面推进阻力；F3为盾尾与管片之间摩阻力；F4为切口环贯入地层时阻力；F5为后方台车的阻力。
[0044]作为优本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种泥水模式下盾构快速掘进施工控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据泥水盾构掘进地层的现场勘测及补勘数据，对地层参数进行收集，根据收集的地层参数初步确定泥浆中膨润土、羧甲基纤维素钠、纯碱和水的材料配比，使泥浆性能指标达到如下表所示的要求：表泥浆性能的指标要求将盾构开始的前5环作为试验段，每一环推进前测试泥浆性能指标，使泥浆配比满足泥浆性能指标要求，并做好记录，持续5环后，得出泥浆性能指标的变化趋势，结合开挖面稳定情况、流体输送状态及地面沉降量，检查泥浆配比是否合理：若泥浆的性能指标变化趋势在对应的泥浆性能指标范围内，则确认泥浆配比合理，然后根据泥浆新性能指标的变化趋势控制泥浆比重稳定在对应的区间，进入下一步；若泥浆的性能指标变化趋势不在对应的泥浆性能指标范围内，则确认泥浆配比不合理，重新调整泥浆配比；S2、根据隧道埋深、地下水状况及地层参数设定泥水仓压力值，所述泥水仓压力值设定在上限值与下限值之间；S3、根据地层状况及施工要求设定刀盘的扭矩及转速的上限值为盾构机设计值的80％～85％；S4、设定盾构机推力的上限值；S5、设定盾构机的初始掘进速度为V0；S6、根据泥水仓压力大小设定送排泥压力及流量值，当泥水仓的压力较大时，送排泥压力及流量值设置较大，反之较小，通过设定泥浆泵的转速进而调整泥浆的流量及送排泥压力，限制泥浆泵的转速最高值为盾构机设计值，然后启动送排泥泵；S7、判断送排泥压力及流量是否稳定于设定值：否，则将泥浆泵转速按5％进行增加，转速每增加5％泥浆泵保持相应速度运行3～10分钟，直至送排泥压力及流量稳定于设定值，然后再进入下一步；是，则盾构掘进直接进入下一步骤；S8、判断盾构刀盘扭矩、推力是否达到步骤S3设定的上限值：否，则重复S5
‑
S8的步骤，进一步提高盾构机的掘进速度为V＝V0+ΔV，ΔV>0；是，则盾构掘进进入下一步骤；S9、判断实际泥水仓的压力值与设定的泥水仓压力值是否相符及泥浆性能指标是否满足要求：若实际泥水仓的压力值与泥浆性能指标任一项或两项不满足要求，则进行步骤S1调整泥浆中膨润土、羧甲基纤维素钠、纯碱和水的材料配比使其符合泥浆性能指标，调整步骤S6中送排泥压力及流量设定值，然后重复步骤S7
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S9；若实际泥水仓的压力值与泥浆性能指标均满足要求，则进入下一步；
S10、判断盾构排土量是否满足要求；否，当盾构排土量小于理论应排渣土体积时，增大排泥泵的转速，提高盾...

【专利技术属性】
技术研发人员：张斌，周子豪，佟彬，王树英，刘国强，营伟乐，刘鹏鹏，阳军生，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：