一種動態(tài)反饋調節(jié)盾構土壓平衡控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種動態(tài)反饋調節(jié)盾構土壓平衡控制的方法，在土壓平衡盾構施工中，首先確定開挖地層水土壓力，并在進行修正后作為土倉壓力的預設值；隨后在盾構試推過程中，對地表沉降進行實時監(jiān)測，對監(jiān)測獲得的數據進行地表沉降分析；將分析結果傳輸至盾構控制系統，通過判斷并調整土倉壓力，使得開挖面土壓平衡。本發(fā)明的方法有效控制了盾構下穿既有鐵路、建筑密集區(qū)等重要建筑物時產生的地層變形，減小了盾構施工對地面的影響。
【專利說明】
一種動態(tài)反饋調節(jié)盾構土壓平衡控制方法
技術領域
[0001 ]本發(fā)明屬于巖土工程領域，涉及動態(tài)反饋調節(jié)盾構土壓平衡控制的方法【背景技術】
[0002]近幾年來，我國城市化進程迅速發(fā)展，為緩解地面交通壓力，城市地鐵大規(guī)模興建。盾構法作為修建隧道的一種施工方法，相對其它施工方法具有比較明顯的優(yōu)越性，因此被廣泛應用于城市地鐵隧道工程中。
[0003]在盾構法施工中以土壓平衡盾構法較為常用，它的原理是用刀盤旋轉切削開挖面土體，刀盤上被切割、破碎的碴土，經過刀盤上的開口進入密閉的土倉，利用端部伸入土倉下部的螺旋輸送機排土;通過控制螺旋輸送機轉速或盾構推進速度，達到土倉內土壓力與開挖面地層土壓力動態(tài)平衡，使得開挖面保持穩(wěn)定。由于開挖面上的壓力是不能實時直接測得的，一般根據地質情況對土倉壓力預先設定數值為靜止土壓力+20kpa的理論值，以此作為標準來調節(jié)土倉壓力。這種方法只是經驗的方法，在工程實踐中設定土倉壓力與實際地層土壓力往往存在差異，引起周圍地層位移及引起地表沉降或隆起，這對于一些地表沉降要求高的情況是不允許的。因此，需建立一套動態(tài)調整土倉壓力值的方法，以確保在施工過程中開挖面的動態(tài)平衡。
【發(fā)明內容】
[0004]為了有效控制盾構下穿既有鐵路、建筑密集區(qū)等重要建筑物時產生的地層變形， 本發(fā)明的目的是提供一種土倉壓力預設聯合地層變形監(jiān)測動態(tài)反饋調節(jié)盾構土壓平衡控制的方法。
[0005]為了實現上述目的，本發(fā)明采用的技術方案如下:
[0006]—種土倉壓力預設聯合地層變形監(jiān)測動態(tài)反饋調節(jié)盾構土壓平衡控制的方法，包括以下步驟:首先確定開挖地層水土壓力，并在進行修正后作為土倉壓力的預設值。隨后在盾構試推過程中，對地表沉降進行實時監(jiān)測，對監(jiān)測獲得的數據進行地表沉降分析，同時將分析結果傳輸至盾構控制系統，通過判斷并調整土倉壓力，使得開挖面土壓平衡。
[0007]所述水土壓力是指根據隧道所處位置、埋深情況以及周邊地表環(huán)境狀況計算水平側土壓力;根據隧道所處地層和施工狀態(tài)，確定地層水壓力。
[0008]所述進行修正是根據不同的施工環(huán)境、施工條件及施工經驗，考慮0.0IMpa? 20Mpa壓力值作為調整值來修正施工土壓力。
[0009]所述預設值是指由確定的水平側土壓力、地層水壓力和施工土壓力調整值確定， 即[0010 ]0爾直=0細帳力+0抽爵_+〇爾畝[〇〇11]所述盾構試推過程是指根據不同的施工地層條件和地面建筑情況，確定盾構出洞后80?100m的試推長度，在試推長度內根據地表沉降監(jiān)測數據調整土倉壓力使得開挖面土壓平衡。
[0012]所述對地表沉降進行實時監(jiān)測是指盾構開挖的同時，在隧道軸線上方地表一定范圍內，根據現場實際條件架設監(jiān)測儀器以及布置監(jiān)測點位，通過監(jiān)測儀器量測地面的高程， 將所測地面高程與原有地面高程作差值作為地表的沉降量或隆起量并記錄在儀器或電腦中。
[0013]進一步，所述監(jiān)測儀器為水準儀或電子水準儀。
[0014]所述地表沉降分析是指利用記錄在儀器或電腦中的地表沉降監(jiān)測數據進行地表沉降的曲線擬合，得到地表沉降曲線。
[0015]所述通過判斷是指對比地表沉降曲線與沉降為零處的水平線之間的位置關系，根據曲線的變化趨勢決定是否調整土倉壓力。
[0016]所述調整土倉壓力依據為若地表沉降曲線與沉降為零處的水平線平行，則保持目前的土倉壓力；若地表沉降曲線趨于下降，即地表趨于沉降，則增大土倉壓力；若地表沉降曲線趨于上升，即地表趨于隆起，則減少土倉壓力。
[0017]進一步，所述調整土倉壓力是指通過增加推進速度和減小螺旋輸送機排土速率來增大土倉壓力，通過減小推進速度和增大螺旋輸送機排土速率來減小土倉壓力。
[0018]由于采用上述技術方案，本發(fā)明具有以下優(yōu)點和有益效果:
[0019](1)本發(fā)明的方法能根據隧道情況、隧道埋深、地層情況及施工情況等通過理論計算對盾構土倉壓力值進行預設，獲得與實際施工開挖面水土壓力較相近的值。
[0020](2)本發(fā)明提出了通過地表沉降監(jiān)測來控制盾構土倉壓力的方法，根據地表沉降或隆起量的數據擬合曲線，判斷地層變形的趨勢，從而調整土倉壓力。
[0021](3)本發(fā)明提出了調整土倉壓力的主要施工參數為推進速度和螺旋輸送機排土速率。[〇〇22](4)本發(fā)明的方法能夠對盾構土倉壓力進行實時調整。
[0023](5)本發(fā)明提供了一種有效控制了盾構下穿既有鐵路、建筑密集區(qū)等重要建筑物時產生的地層變形的方法。【附圖說明】[〇〇24]圖1為本發(fā)明土倉壓力預設聯合地層變形監(jiān)測動態(tài)反饋調節(jié)盾構土壓平衡控制的方法的流程示意圖。
[0025]圖2為盾構施工下穿建筑物密集地段試推段地表沉降曲線示意圖。
[0026]圖3為盾構施工下穿鐵路路基試推段地表沉降曲線示意圖?！揪唧w實施方式】
[0027]以下結合附圖所示實施例對本發(fā)明作進一步的說明。[〇〇28]本發(fā)明針對現有工程實踐中地層變形控制不佳的問題，建立了土倉壓力預設聯合地層變形監(jiān)測動態(tài)反饋調節(jié)盾構土壓平衡控制的方法，有效控制目前施工中存在地層變形過大的問題。[〇〇29]如圖1所示，一種土倉壓力預設聯合地層變形監(jiān)測動態(tài)反饋調節(jié)盾構土壓平衡控制的方法的流程示意圖，該方法包括以下步驟:在土壓平衡盾構施工中，首先確定開挖地層水土壓力，并在進行修正后作為土倉壓力的預設值。隨后在盾構試推過程中，對地表沉降進行實時監(jiān)測，對監(jiān)測獲得的數據進行地表沉降分析，同時將分析結果傳輸至盾構控制系統， 通過判斷并調整土倉壓力，使得開挖面土壓平衡。
[0030]其中，土倉壓力預設值是在根據隧道所處位置、埋深情況以及周邊地表環(huán)境狀況確定的水平側土壓力(即考慮隧道所處位置所在的土層性質好壞以確定側土壓力系數的大小;考慮埋深大小確定如太沙基、水土總重等計算理論計算隧道上覆荷載;考慮周邊地表建筑和將來開發(fā)建筑與隧道之間的互相制約關系)與根據隧道所處地層和施工狀態(tài)確定的地層水壓力(即考慮隧道所處地層的性質如含水率、滲透系數等、考慮施工降水等施工措施對水壓力的影響)的基礎上進行修正(即通常使用的理論計算方法得到的結果與實際施工時的需要有一定偏差，根據不同的施工環(huán)境、施工條件及施工經驗考慮0.0IMpa?20Mpa壓力值作為調整值來修正施工土壓力)得到的。
[0031] 土倉壓力預設值得到后，在盾構試推過程之前以及盾構開挖的過程中，在隧道軸線上方地表一定范圍內，根據現場實際條件架設監(jiān)測設施(所述監(jiān)測設施為水準儀或電子水準儀)以及布置監(jiān)測點位并根據不同的施工地層條件和地面建筑情況確定盾構出洞后80 ?100m的試推長度。隨后盾構進行試推施工，試推過程中通過監(jiān)測儀器量測地面的高程，將所測地面高程與原有地面高程作差值作為地表的沉降量或隆起量并記錄在儀器或電腦中， 通過數據傳輸系統將檢測數據傳至數據分析系統進行地表沉降的曲線擬合，觀察地表沉降曲線的變化趨勢，若地表沉降曲線與沉降為零處的水平線平行，則保持目前的土倉壓力;若地表沉降曲線趨于下降，即地表趨于沉降，則增大土倉壓力；若地表沉降曲線趨于上升，即地表趨于隆起，則減少土倉壓力。最后在不斷調整過程中使得盾構開挖面的水土壓力盡可能保持平衡，最大限度減少對地表的影響。所述調整土倉壓力指通過增加推進速度和減小螺旋輸送機排土速率來增大土倉壓力，通過減小推進速度和增大螺旋輸送機排土速率來減小土倉壓力。[〇〇32] 實施例1
[0033]某盾構施工下穿建筑物密集地段。在此區(qū)段隧道穿過的地層主要為全風化和殘積土層地層，隧道埋深20m-22m。
[0034] 步驟一:土倉預設值確定
[0035]盾構在此段地層施工時，為確保地表建筑物安全，根據地層狀況，確定占隧道施工范圍數量較多的不利地層考慮土壓力。[〇〇36] (1)圍巖以殘積土層考慮，隧道埋深以安全角度考慮，在隧道縱向范圍內統一取 22m。進一步，可針對隧道不同斷面選取20至22m中的不同值；[〇〇37] (2)靜止土壓力系數通?？扇?/3?1/2,在本實例中實際采取靜止土壓力系數k為 1/3。進一步，可針對隧道所處圍巖性質選取1/3?1/2中的不同值；[〇〇38]本實施例圍巖以殘積土層考慮，初步確定采用深埋隧道土壓力計算土壓，地層水平壓力計算結果為:〇7屈翻助=0 ? 〇49Mpa?0 ? 074Mpa[〇〇39] (3)由于全風化泥質粉砂巖以及殘積土層的透水性差，通?？紤]f = 0.1的折減系數地層，本實施例水壓力計算結果為:〇ifld<±IK(=0.〇2Mpa
[0040] (4)殘積土層中考慮0.01?0.02MPa壓力值作為調整值來修正施工土壓力，即: 〇i廳直=〇 ? OIMpa ?0 ? 02Mpa[OO41 ] (5)確定的土倉壓力預設值為:〇姻1脆=0.079Mpa?0? IMpa[0〇42]步驟二:盾構試推
[0043] (1)通常盾構試推段長度可取為80?100m，本施工段的地質條件較差且周邊地表建筑物較多，故不能考慮較長的試推段，本實施例選取長度為80m的試推段(2)在試推過程前及試推中，根據盾構機位置在隧道中線上方地表每間隔10米布設一個監(jiān)測點，每隔20米布置一個橫斷面，橫斷面以隧道中心線為對稱每隔3米布置一個監(jiān)測點。
[0044] (3)測量儀器采用普通水準儀，將測得的數據記錄在記錄簿上，每記錄10?20組數據后將數據輸入至電腦分析系統。
[0045] (4)電腦分析系統接收到測量數據后擬合出沉降曲線，并實時反饋至盾構控制室中的控制面板上，盾構控制員根據沉降曲線變化趨勢調整土倉壓力。
[0046]采用上述方法，盾構試推段的地表沉降監(jiān)測結果如圖2所示，從監(jiān)測結果可以看出圖中1位置為盾構試推發(fā)生最大沉降量-10.1mm，圖中2位置為試推過程中發(fā)生的最大隆起量1.56mm，在試推83m后地表沉降曲線趨于平緩。根據現場實測數據，下穿建筑物密集地段時，最大沉降為-5.6mm，最大隆起為2.3mm，采用本發(fā)明調整施工階段的土倉壓力，有效地控制了施工帶來的地表沉降，未對地面建筑物造成較大影響。[〇〇47] 實施例2
[0048]某盾構施工下穿鐵路路基，隧道在此位置穿越的主要地層為中風化地層和強風化地層，隧道埋深15?20m。與實施例1不同之處在于為保證鐵路的安全運行，盾構施工對地表沉降的要求更高，要求軌面沉降值不得超過l〇mm，最大隆起量不得超過+l〇mm。[〇〇49] 步驟一:土倉預設值確定
[0050]盾構在此段地層施工時，因考慮下穿鐵路范圍內的沉降量的限制要求，土倉壓力控制應更精確化。
[0051] (1)圍巖以強風化地層考慮，盾構試推段隧道埋深在離鐵路路基200m范圍外(稱為統一段)沿隧道縱向統一取20m;在離鐵路路基200m范圍內(稱為隨機段)，考慮隧道埋深的變化，每隔l〇m取不同的隧道埋深進行計算。[〇〇52] (2)靜止土壓力系數通常可取1/3?1/2,取值方式與隧道埋深相同，統一段取2/5; 本實施例圍巖以殘積土層考慮，采用深埋隧道的土壓力計算土壓，地層水平壓力計算結果為:〇7屈姻助=〇 ? 〇25Mpa?0 ? 049Mpa[〇〇53] (4)在強風化泥質粉砂巖中，計算地層水壓力時通?？紤]0.05的折減系數，本實施例水壓力計算結果為:幄灶勵=〇 ? 〇49Mpa[〇〇54] (5)殘積土層中考慮0.01?0.02MPa壓力值作為調整值來修正施工土壓力，即: 〇i廳直=〇 ? OIMpa ?0 ? 02Mpa[〇〇55] (6)確定的土倉壓力預設值為:〇通鎖直=〇 ? OIMpa?0 ? 02Mpa [〇〇56]步驟二:盾構試推[〇〇57] (1)通常盾構試推段長度可取為80?100m，本實施例盾構始發(fā)端距離鐵路路基為 352m，故選取長度為100m的試推段。
[0058] (2)由于對沉降要求較高，在試推過程前及試推中，根據盾構機位置在隧道中線上方地表每間隔5米布設一個監(jiān)測點，每隔10米布置一個橫斷面，橫斷面以隧道中心線為對稱每隔3米布置一個監(jiān)測點。
[0059] (3)測量儀器采用電子水準儀，測得的數據記錄在儀器內部，儀器與電腦連接，實時將測得數據輸入至電腦分析系統。
[0060](4)電腦分析系統接收到測量數據后擬合出沉降曲線，并實時反饋至盾構控制室中的控制面板上，盾構控制員根據沉降曲線變化趨勢調整土倉壓力。
[0061]采用上述方法，盾構試推段的地表沉降監(jiān)測結果如圖2所示，從監(jiān)測結果可以看出圖中1位置為盾構試推發(fā)生最大沉降量-5.08mm，圖中2位置為試推過程中發(fā)生的最大隆起量0.94mm，在試推75m后地表沉降曲線趨于平緩。根據現場實測數據，下穿鐵路路基段時，最大沉降為-4.4mm，最大隆起量為0.88mm，均小于控制標準10mm，采用本發(fā)明調整施工階段的土倉壓力，有效地控制了施工帶來的地表沉降，未對鐵路路基段造成較大影響。
[0062]上述對實施例子的描述是為了便于該技術領域的普通技術人員能理解和應用本發(fā)明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于這里的實施例，本領域技術人員根據本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進和修改都應該在本發(fā)明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種動態(tài)反饋調節(jié)盾構土壓平衡控制的方法，其特征在于:在土壓平衡盾構施工中， 首先確定開挖地層水土壓力，并在進行修正后作為土倉壓力的預設值;隨后在盾構試推過 程中，對地表沉降進行實時監(jiān)測，對監(jiān)測獲得的數據進行地表沉降分析;將分析結果傳輸至 盾構控制系統，通過判斷并調整土倉壓力，使得開挖面土壓平衡。2.根據權利要求1所述的動態(tài)反饋調節(jié)盾構土壓平衡控制的方法，其特征在于:所述水 土壓力是指根據隧道所處位置、埋深情況以及周邊地表環(huán)境狀況計算水平側土壓力；根據 隧道所處地層和施工狀態(tài)，確定地層水壓力。3.根據權利要求1所述的動態(tài)反饋調節(jié)盾構土壓平衡控制的方法，其特征在于:所述進 行修正是根據不同的施工環(huán)境、施工條件及施工經驗，考慮浮動范圍為0.0IMpa?20Mpa壓 力值作為調整值來修正施工土壓力。4.根據權利要求1所述的動態(tài)反饋調節(jié)盾構土壓平衡控制的方法，其特征在于:所述預 設值由確定的水平側土壓力、地層水壓力和施工土壓力調整值確定，即0爾直=0水腺勵+0i雕直。5.根據權利要求1所述的動態(tài)反饋調節(jié)盾構土壓平衡控制的方法，其特征在于:所述盾 構試推過程是指根據不同的施工地層條件和地面建筑情況，確定盾構出洞后80?100m的試 推長度，在試推長度內根據地表沉降監(jiān)測數據調整土倉壓力使得開挖面土壓平衡。6.根據權利要求1所述的動態(tài)反饋調節(jié)盾構土壓平衡控制的方法，其特征在于:所述對 地表沉降進行實時監(jiān)測是指盾構開挖的同時，在隧道軸線上方地表一定范圍內，根據現場 實際條件架設監(jiān)測設施以及布置監(jiān)測點位，通過監(jiān)測儀器量測地面的高程，將所測地面高 程與原有地面高程作差值作為地表的沉降量或隆起量并記錄在儀器或電腦中；優(yōu)選地，所 述監(jiān)測設施為水準儀或電子水準儀。7.根據權利要求1所述的動態(tài)反饋調節(jié)盾構土壓平衡控制的方法，其特征在于:所述地 表沉降分析是指利用記錄在儀器或電腦中的地表沉降監(jiān)測數據進行地表沉降的曲線擬合， 得到地表沉降曲線。8.根據權利要求1所述的動態(tài)反饋調節(jié)盾構土壓平衡控制的方法，其特征在于:所述判 斷是指對比地表沉降曲線與沉降為零處的水平線之間的位置關系，根據曲線的變化趨勢決 定是否調整土倉壓力。9.根據權利要求1所述的動態(tài)反饋調節(jié)盾構土壓平衡控制的方法，其特征在于:所述調 整土倉壓力依據為:若地表沉降曲線與沉降為零處的水平線平行，則保持目前的土倉壓 力；若地表沉降曲線趨于下降，即地表趨于沉降，則增大土倉壓力；若地表沉降曲線趨于上 升，即地表趨于隆起，則減少土倉壓力。10.根據權利要求1所述的動態(tài)反饋調節(jié)盾構土壓平衡控制的方法，其特征在于:所述 調整土倉壓力是指通過增加推進速度和減小螺旋輸送機排土速率來增大土倉壓力，或通過 減小推進速度和增大螺旋輸送機排土速率來減小土倉壓力。
【文檔編號】E21D9/093GK105971615SQ201610297051
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月6日
【發(fā)明人】季昌, 周順華, 周瑜亮, 肖軍華, 程茜
【申請人】同濟大學