本發(fā)明屬于巖土工程
技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及盾構(gòu)掘削局部超挖區(qū)域同步注漿動(dòng)態(tài)補(bǔ)償填充控制方法。
背景技術(shù)：
：盾構(gòu)法是暗挖法施工中的一種全機(jī)械化施工方法。它是將盾構(gòu)機(jī)械在地中推進(jìn)，通過盾構(gòu)外殼和管片支承四周圍巖防止發(fā)生往隧道內(nèi)的坍塌。同時(shí)在開挖面前方用切削裝置進(jìn)行土體開挖，通過出土機(jī)械運(yùn)出洞外，靠千斤頂在后部加壓頂進(jìn)，并拼裝預(yù)制混凝土管片，形成隧道結(jié)構(gòu)的一種機(jī)械化施工方法。盾構(gòu)機(jī)既是一種施工機(jī)具，也是一種強(qiáng)有力的臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)。盾構(gòu)機(jī)外形上看似一個(gè)大的鋼管機(jī)，較隧道部分略大，它是設(shè)計(jì)用來抵擋外向水壓和地層壓力的。它包括三部分：前部的切口環(huán)、中部的支撐環(huán)以及后部的盾尾。大多數(shù)盾構(gòu)的形狀為圓形，也有橢圓形、半圓形、馬蹄形及箱形等其他形式。盾構(gòu)施工雖然高效便捷，但同時(shí)也帶來了新的工程問題，如地鐵施工中對地層的擾動(dòng)，對地表房屋建筑、瀝青路面、城市地下管網(wǎng)線等基礎(chǔ)設(shè)施的擾動(dòng)，嚴(yán)重者會(huì)造成臨近建筑物的倒塌、城市水電及交通系統(tǒng)的癱瘓等。由此可見，施工工藝的控制是保障城市正常運(yùn)行的決定性因素，量化分析和研究盾構(gòu)工藝變化情況下對地表沉降的影響規(guī)律是十分重要的。地鐵盾構(gòu)施工工藝引起土體的擾動(dòng)主要表現(xiàn)為：盾構(gòu)對土體的擠壓和松動(dòng)、加載與卸載、孔隙水壓上升與下降所引起土性的變異、地表隆起與下沉等。由于盾構(gòu)機(jī)刀盤的開挖直徑大于管片外徑，管片拼裝完畢并脫出盾尾后，與土體間形成一個(gè)環(huán)形間隙，簡稱盾尾間隙。盾尾間隙如果不及時(shí)得到填充，勢必造成地層變形，使相鄰地表建、構(gòu)筑物沉降或隧道本身偏移。盾尾注漿的最重要目的就是及時(shí)填充盾尾間隙，防止因盾尾間隙的存在導(dǎo)致地層發(fā)生較大變形，提高隧道的抗?jié)B性；但盾尾注漿最終效果受各項(xiàng)施工參數(shù)影響，現(xiàn)有技術(shù)盾尾注漿作業(yè)中對各項(xiàng)參數(shù)的制定缺少實(shí)時(shí)性，精確性，導(dǎo)致施工效果難以保證。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是提供一種盾構(gòu)掘削局部超挖區(qū)域同步注漿動(dòng)態(tài)補(bǔ)償填充控制的方法，利用盾構(gòu)掘進(jìn)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)和相關(guān)設(shè)計(jì)資料測算出土體超挖量，再針對性的調(diào)整盾尾注漿參數(shù)，做到實(shí)時(shí)化、精確化控制，以減小盾構(gòu)施工對周邊環(huán)境造成的影響。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：本方法包括兩個(gè)子環(huán)節(jié)系統(tǒng)：超挖預(yù)判系統(tǒng)、注漿參數(shù)控制系統(tǒng)。由超挖預(yù)判系統(tǒng)對施工區(qū)域超挖情況進(jìn)行定性判斷：其中初測進(jìn)土量主要利用螺旋輸送機(jī)出土量監(jiān)測數(shù)據(jù)和土斗外運(yùn)土方體積共同確定，理論進(jìn)土量是根據(jù)設(shè)計(jì)盾構(gòu)方案計(jì)算得到的出土量，二者之差即為粗側(cè)超挖量，超挖程度評(píng)價(jià)的依據(jù)是施工規(guī)范和本次施工特殊要求中較嚴(yán)格者；壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)由盾構(gòu)機(jī)頭四組活塞自有的壓力傳感器得到，超挖定位分析主要依據(jù)相鄰活塞的壓力差值，若出現(xiàn)相鄰活塞對應(yīng)的壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)在同時(shí)段差值超過限值的情況，則判定以相鄰活塞為邊界的范圍內(nèi)土體在施工過程中有超挖風(fēng)險(xiǎn)；結(jié)合超挖程度評(píng)價(jià)和超挖區(qū)定位分析結(jié)果，形成決策信息，并將信息傳遞給注漿參數(shù)控制系統(tǒng)；注漿參數(shù)控制系統(tǒng)結(jié)合各項(xiàng)條件，即：地層參數(shù)，預(yù)估超挖量，盾構(gòu)掘進(jìn)控制參數(shù)，形成基礎(chǔ)性盾尾注漿參數(shù)，結(jié)合超挖預(yù)判系統(tǒng)生成的決策信息，對盾尾注漿的各項(xiàng)施工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并將調(diào)整后的盾尾注漿參數(shù)輸入盾構(gòu)機(jī)盾尾注漿控制子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)化、精確化控制。對于超挖預(yù)判系統(tǒng)，其步驟如下：第一步，結(jié)合掘進(jìn)土層自身特性及其在施工過程中的變形時(shí)間，對其流動(dòng)填充管片與土體間空隙情況進(jìn)行評(píng)價(jià)；第二步，利用設(shè)計(jì)資料計(jì)算理論進(jìn)土量，結(jié)合出土量相關(guān)數(shù)據(jù)，初步估測超挖程度，若判定土體流動(dòng)導(dǎo)致空隙被填充，則無需進(jìn)行超挖情形下的參數(shù)調(diào)整，若判定土體成拱性強(qiáng)，空隙依然存在，則進(jìn)入第三步；第三步，根據(jù)盾構(gòu)機(jī)活塞壓力傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)對超挖區(qū)域進(jìn)行定位，并將定位信息傳遞給注漿參數(shù)控制系統(tǒng)。對于注漿參數(shù)控制系統(tǒng)，其步驟如下：第一步，通過盾構(gòu)掘進(jìn)監(jiān)測數(shù)據(jù)測算出被挖除的土體體積；第二步，輸入現(xiàn)階段設(shè)計(jì)土體開挖量相關(guān)資料，若判斷不會(huì)出現(xiàn)超挖，則繼續(xù)按照原有盾構(gòu)參數(shù)施工，若判斷會(huì)出現(xiàn)超挖，則進(jìn)入第三步；第三步，結(jié)合穿越土層特性和盾構(gòu)掘進(jìn)監(jiān)測參數(shù)進(jìn)行盾尾注漿參數(shù)配置，并實(shí)施盾尾注漿。進(jìn)一步而言，所述超挖預(yù)判系統(tǒng)的主要功能有二：判定超挖是否存在、判定局部超挖區(qū)域的方位。其中判定超挖存在與否的方法僅限于土質(zhì)較硬，成拱能力強(qiáng)的地層，對于淤泥質(zhì)軟土等流動(dòng)性強(qiáng)的土體，不適用本判定方法。所述超挖預(yù)判系統(tǒng)中初測出土量等于土斗容積與土斗運(yùn)出次數(shù)之積，此數(shù)據(jù)僅在預(yù)判是否存在超挖時(shí)使用，不用于注漿參數(shù)控制系統(tǒng)。所述超挖預(yù)判系統(tǒng)中的定位分析以盾構(gòu)隔板壓力傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)作為依據(jù)，通過識(shí)別各壓力變化規(guī)律判斷超挖區(qū)域，出現(xiàn)壓力快速衰減的判定為超挖區(qū)域。所述注漿參數(shù)控制系統(tǒng)中，土層特性參數(shù)包括：土層濕容重，土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，土的內(nèi)聚力，土的內(nèi)摩擦角等；盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)包括：埋深，隧道直徑，刀盤直徑，出土量，活塞壓力，掘進(jìn)速度等。所述注漿參數(shù)控制系統(tǒng)中，基礎(chǔ)注漿參數(shù)包括：注漿量，注漿壓力，注漿速度。三者數(shù)值可根據(jù)土層特性參數(shù)，預(yù)估超挖量，盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，利用相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算。此時(shí)各組注漿孔參數(shù)設(shè)定值一致。所述注漿參數(shù)控制系統(tǒng)中，超挖區(qū)注漿動(dòng)態(tài)方案是指：結(jié)合預(yù)判系統(tǒng)提供的定位信息，對超挖區(qū)域范圍內(nèi)最近的兩組注漿孔的基礎(chǔ)注漿參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到消除超挖的目的。超挖區(qū)注漿動(dòng)態(tài)方案的實(shí)現(xiàn)：將本方法中的系統(tǒng)與盾構(gòu)機(jī)自身操作軟件平臺(tái)相結(jié)合，從盾構(gòu)設(shè)備自身掘進(jìn)控制系統(tǒng)獲取相關(guān)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，輸入本方法提及的系統(tǒng)進(jìn)行判定與計(jì)算生成動(dòng)態(tài)方案，將動(dòng)態(tài)方案輸入盾構(gòu)設(shè)備自身盾尾注漿系統(tǒng)，實(shí)時(shí)修正各項(xiàng)注漿參數(shù)。當(dāng)土體因二次變形或其他原因?qū)е聞?dòng)態(tài)方案未能控制地表沉降或控制精確度未達(dá)要求時(shí)，可以利用管片注漿孔進(jìn)行二次注漿。對于需要實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，如：出土量，活塞壓力，掘進(jìn)速度等，其數(shù)據(jù)采集頻率為：每推進(jìn)1cm收集一次，系統(tǒng)儲(chǔ)存一節(jié)管片范圍內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并據(jù)此計(jì)算出對應(yīng)的盾尾注漿各項(xiàng)參數(shù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)與盾尾注漿參數(shù)將以管片為項(xiàng)目進(jìn)行儲(chǔ)存。由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：1)減少地面測量人員工作量，加快盾構(gòu)作業(yè)進(jìn)度，提高整體施工效率；2)對土體超挖情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，且系統(tǒng)可自動(dòng)對盾尾注漿參數(shù)做出相應(yīng)調(diào)整，降低人為誤差；3)盾尾注漿參數(shù)調(diào)整方式相對靈活，既提供系統(tǒng)計(jì)算參數(shù)，也允許人工修正，可以應(yīng)對不同情況的超挖情況；4)有效減小盾構(gòu)施工對周邊環(huán)境的影響。附圖說明圖1為本發(fā)明的超挖預(yù)判環(huán)節(jié)(系統(tǒng))運(yùn)行圖。圖2為本發(fā)明的注漿參數(shù)控制環(huán)節(jié)(系統(tǒng))運(yùn)行圖。圖3是本發(fā)明實(shí)施例的盾尾注漿施工橫斷面示意圖。具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖所示實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。圖1為超挖預(yù)判環(huán)節(jié)(系統(tǒng))運(yùn)行圖。首先通過計(jì)算得出理論出土量，再結(jié)合盾構(gòu)機(jī)螺旋輸送機(jī)挖出土體體積和土斗挖出體積得出初測出土量，二者之差即為粗測超挖量，結(jié)合一般施工規(guī)范和本次具體施工要求對超挖嚴(yán)重程度進(jìn)行評(píng)價(jià)；然后通過盾構(gòu)活塞的壓力傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過相鄰活塞壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)的同時(shí)段對比得到超挖區(qū)方位信息；最后綜合超挖程度評(píng)價(jià)和定位分析結(jié)果形成決策信息，傳遞給注漿參數(shù)控制系統(tǒng)。圖2為注漿參數(shù)控制環(huán)節(jié)(系統(tǒng))運(yùn)行圖。首先獲取盾構(gòu)施工所需的基本參數(shù)：地層特性參數(shù)，預(yù)估超挖量(需要特殊說明的是此處的預(yù)估超挖量是由于盾構(gòu)曲線開挖時(shí)由于盾構(gòu)機(jī)自身轉(zhuǎn)彎半徑極限造成的土體超挖，可通過理論計(jì)算得到，此不贅述)，盾構(gòu)掘進(jìn)控制參數(shù)；然后根據(jù)上述基本參數(shù)形成基礎(chǔ)性盾尾注漿參數(shù)；最后結(jié)合超挖預(yù)判系統(tǒng)形成的決策信息，對基礎(chǔ)性盾尾注漿參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，形成超挖區(qū)注漿動(dòng)態(tài)方案。為保證施工安全性，本系統(tǒng)在最終輸出參數(shù)前需進(jìn)行人工復(fù)核，由施工人員再次確認(rèn)并提供修改參數(shù)的權(quán)限。圖3為本發(fā)明實(shí)施例的施工橫斷面示意圖。本次實(shí)施例采用的盾尾注漿管形式為4組16孔。由該橫斷面圖可知，在第一組和第四組注漿孔間有超挖現(xiàn)象，當(dāng)此處開始進(jìn)行盾尾注漿作業(yè)時(shí)，本發(fā)明的控制系統(tǒng)啟動(dòng)：由超挖預(yù)判系統(tǒng)獲得超挖量和超挖區(qū)位置信息，并形成決策信息，供注漿參數(shù)控制系統(tǒng)使用。注漿參數(shù)控制系統(tǒng)接收基本參數(shù)信息后，首先形成基礎(chǔ)性注漿控制參數(shù)。再結(jié)合決策信息進(jìn)行調(diào)整，本實(shí)施例中需要增大注漿孔1和注漿孔4的注漿量，由于注漿參數(shù)的相關(guān)性，注漿孔1和注漿孔4的注漿速度和壓力也需同時(shí)調(diào)整?，F(xiàn)某地區(qū)有一地鐵盾構(gòu)區(qū)間施工正在作業(yè)，以其右線拼裝一節(jié)管片為例：已知盾構(gòu)機(jī)直徑6.28m，管片外徑6m，管片長度1.5m，盾構(gòu)推進(jìn)速度2cm/min。根據(jù)上述條件得出盾尾注漿壓力，注漿量，注漿速度。地層為砂土層，成拱性較強(qiáng)，土體各項(xiàng)參數(shù)已知。依據(jù)本發(fā)明具體包括如下步驟：一)超挖預(yù)判系統(tǒng)1.超挖程度評(píng)價(jià)根據(jù)土層特性判定其流動(dòng)性和成拱性，結(jié)合盾構(gòu)施工中的土體變形時(shí)間，計(jì)算出由于土體流動(dòng)填充到空隙中的體積V1。通過土斗容積和運(yùn)出土斗次數(shù)計(jì)算毛測出土量，結(jié)合理論進(jìn)土量可以初步測出超挖量V2，計(jì)算V1與V2之差。當(dāng)V1小于V2，則認(rèn)為存在超挖。2.超挖區(qū)定位分析分析活塞壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過同一時(shí)間段各相鄰活塞壓力分布兩兩比較找出超挖區(qū)域的大致方位，以坐標(biāo)信息的形式記錄超挖區(qū)范圍。3.決策信息將超挖程度評(píng)價(jià)和超挖區(qū)定位分析成果進(jìn)行匯總，結(jié)合本次施工的規(guī)范限值，明確超挖修復(fù)程度，形成量化注漿參數(shù)變動(dòng)量的決策信息，導(dǎo)入注漿參數(shù)控制系統(tǒng)。二)注漿參數(shù)計(jì)算系統(tǒng)1.注漿壓力計(jì)算由于注漿壓力涉及因素多，受環(huán)境影響大，且土層實(shí)際分布情況難以真實(shí)預(yù)測，故采用以下三步驟確定注漿壓力。1.1地層劈裂壓力計(jì)算(注漿壓力上限)根據(jù)土層特性計(jì)算該地層的劈裂壓力Pf，當(dāng)注漿壓力大于劈裂壓力時(shí)，漿液沖擊力可在土層中形成裂縫，使?jié){液流向不可控，從而導(dǎo)致其有效注漿量難以計(jì)算，故為保證注漿作業(yè)的有效性，注漿壓力不應(yīng)大于Pf。1.2埋深處地層應(yīng)力(注漿壓力下限)根據(jù)太沙基公式可計(jì)算出所在土層的土壓力Pe，當(dāng)注漿壓力小于土壓力時(shí)，會(huì)導(dǎo)致漿液難以噴出，堵塞注漿口等情況，為保證注漿作業(yè)正常進(jìn)行，注漿壓力不應(yīng)小于Pe。1.3注漿壓力參考值確定理論上注漿壓略大于地層土壓與水壓P0，以達(dá)到對環(huán)向空隙的有效充填而不是劈裂注漿，在滿足上下限要求的前提下可參考水土壓力確定注漿壓力：P＝(1.1～1.5)P0最佳施工注漿壓力范圍為0.32Mpa～0.42Mpa，本案例中取0.4Mpa。2.注漿量計(jì)算注漿量的確定是以盾尾建筑空隙量為基礎(chǔ)并結(jié)合地層、線路及掘進(jìn)方式等考慮適當(dāng)?shù)娘枬M系數(shù)，以保證達(dá)到充填密實(shí)的目的。根據(jù)施工實(shí)踐，這里的飽滿系數(shù)包括由注漿壓力產(chǎn)生的壓密系數(shù)、取決于地質(zhì)情況的土質(zhì)系數(shù)、施工消耗系數(shù)、由掘進(jìn)方式產(chǎn)生的超挖系數(shù)等。在計(jì)算注漿量時(shí)，要考慮到土體二次填充，施工中注入其他材料如盾尾油脂等填充的空隙體積，對盾尾建筑空隙量進(jìn)行修正。盾尾注漿的注漿率范圍一般控制在120％～180％，故注漿量范圍為4.86～7.29立方米/環(huán)(環(huán)軸向長度1.5m)，本案例注漿率取150％，故注漿量為6.075立方米/環(huán)。3.注漿速度注漿速度可根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)速度及注漿量，結(jié)合體積關(guān)系算出。盾構(gòu)推進(jìn)速度一般為2.5～5.5cm/min，本次取3cm/min，已知一環(huán)軸向長度為1.5m，可算出總注漿速度取0.12立方米/min。4.動(dòng)態(tài)方案形成將超挖預(yù)判系統(tǒng)的決策信息導(dǎo)入，對超挖區(qū)域進(jìn)行定位，并自動(dòng)尋找到該區(qū)域附近的兩組注漿口，即下表中的注漿孔1和注漿孔4，按2:1比例分配額外注漿量，并計(jì)算因超挖量而改變的其余參數(shù)修正值，最終完成四組注漿口各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定。最終四組注漿孔在此環(huán)范圍盾尾注漿參數(shù)調(diào)整為：編號(hào)注漿壓力(Mpa)注漿量(立方米/環(huán))注漿速度(立方米/min)注漿孔10.441.650.033注漿孔20.401.530.031注漿孔30.401.530.031注漿孔40.411.590.032根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，該環(huán)范圍內(nèi)工后最大沉降為-5.7mm，小于控制沉降范圍10mm，采用本發(fā)明調(diào)整盾尾注漿參數(shù)，有效的控制了盾構(gòu)超挖導(dǎo)致的地表沉降問題，減小了施工對周邊環(huán)境的影響。上述對實(shí)施例子的描述是為了便于該
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于這里的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3