本發(fā)明涉及盾構掘進，特別涉及一種盾構掘進微擾動控制方法。

背景技術：

1、盾構法是暗挖法施工中的一種全機械化施工方法，隨著各大城市軌道交通建設的蓬勃發(fā)展，盾構法施工因其安全性好、高效較高、噪聲較小的特點，盾構法已得到廣泛的運用。

2、相對于由單純泥巖組成的地層,盾構施工在裂隙發(fā)育富水泥巖地層等地層施工引起的沉降更大,對地層的擾動也更大。對于一些建筑物建設年代久遠、結構穩(wěn)定性差、抵抗地表變形能力弱，如沉降控制不當，會引起地表及建筑物沉降過大，致使建筑物開裂、傾斜甚至倒塌，從而造成重大的經濟損失和惡劣的社會影響。因此，如何在裂隙發(fā)育富水泥巖地層盾構掘進時進行微擾動控制，減小地層沉降，是本領域技術人員需要考慮的問題。

技術實現思路

1、本發(fā)明目的是：提供一種盾構掘進微擾動控制方法，以解決現有技術中裂隙發(fā)育富水泥巖地層盾構施工沉降大等問題。

2、本發(fā)明的技術方案是：一種盾構掘進微擾動控制方法，包括以下步驟：

3、s1、計算土倉壓力，所述土倉壓力是由側向水平松動壓力、地下水壓力和所設定的預備壓力之和獲得，可根據調整切削土量和排土量進行調整；

4、s2、計算盾構推力和刀盤扭矩，所述盾構推力由盾構設備的正面土體壓力和側面所承受的土體的摩擦力獲得；所述刀盤扭矩包括所述刀盤土體之間的摩擦力扭矩、地層抗力與刀具產生的扭矩；

5、s3、計算推進速度，所述推進速度影響因素包括盾構機輸出土的速度、注漿速度和盾尾油脂注入速度；

6、s4、盾構姿態(tài)的控制，所述盾構姿態(tài)的控制為動態(tài)調整的過程，包括盾構分區(qū)控制、蛇形糾偏和滾動控制。

7、優(yōu)選的，所述土倉壓力的計算方式為：

8、側向水平松動壓力p1為:

9、

10、其中，p0＝0.45×26-sγw；

11、w＝1+i(b-5)；

12、因此，p1＝(0.45×26-sγ(1+i(b-5)))；

13、其中，s為圍巖類別，可根據現行的《鐵路隧道設計規(guī)范》查表獲得，b為隧道凈寬度(m)，i為以b＝5m時基準，b每增減1m時的圍巖壓力增減率,當b＜5m時，取i＝0.2，b＞5m，取i＝0.1；

14、地下水壓力p2計算：

15、p2＝qγh；

16、式中：q為根據土的滲透系數確定的經驗數值；γ水的容重，取γ＝10kn/m3；h為地下水位距離刀盤頂部的高度。

17、綜上計算，所設定的土倉壓力p為：

18、p＝p1+p2+p備；

19、式中，p備為所設定的預備壓力。

20、優(yōu)選的，在盾構推進時，盾構主體逐漸沒入土體，其推力逐漸增大，所述盾構推力的計算方式為：

21、正面土體壓力為：

22、

23、盾構設備側面所受土體的摩擦力為：

24、

25、其中，pe為盾構機所受壓力,pe＝γh+p0；

26、p1為盾構機拱頂處側向水土壓力,p1＝pek0；

27、p2為盾構機底部側向水土壓力，p2＝(p1+γh)k0；

28、p01為盾構機底部均布壓力,

29、其中，g為盾構機機重，d為盾構機外徑，l為盾構機長度，u為盾體與土之間的摩擦系數；

30、盾構推力為：f＝f1+f2+f3；

31、其中，f3為配套拖車的摩擦阻力，取經驗值。

32、優(yōu)選的，所述刀盤與土體之間的摩擦力扭矩包括刀盤正面與土體之間的摩擦阻力扭矩t1；刀盤背面與壓力艙內的土體摩擦阻力扭矩t2；地層抗力與刀具產生的扭矩為t3，則所述刀盤扭矩為：

33、t＝t1+t2+t3；

34、其中,

35、t2＝w1μ1r；

36、

37、式中，k0為側向土壓系數，f為刀盤與土體之間的的摩擦因數，γ為土體重力密度，h為隧道埋深(算至隧道中心)(m),η為盾構機刀盤開口率，w1為刀盤質量，μ1為刀盤系數，r為刀盤半徑，d為盾構機外徑，u為盾構機掘進速度，ω為刀盤轉速，qu為土體單軸抗壓強度。

38、優(yōu)選的，在步驟s3中，在盾構機的輸出土的速度的控制中，通過螺旋機進行排土，且需要對排土量進行控制，以維持切削土量和排土量的體積平衡，盾構機每掘進長度為l時，切削土量體積為：

39、

40、其中，d為盾構機直徑；

41、切削土量重量為：

42、m1＝ρ1v1；

43、其中，ρ1為切削土的密度，；

44、根據切削土的密度的最大值和最小值，可獲得切削土重量的最大值和最小值：

45、m1max＝ρ1maxv1；

46、m1min＝ρ1minv1。

47、優(yōu)選的，在輸出土速度的控制中，需要維持切削土量和排土量的重量的平衡；切削時盾構機需進行注水，且排土前需要對切削的自然土添加改良劑溶液進行改良，盾構機每掘進長度為k時，排出土量重量為：

48、m2＝m1+m3+m4；

49、進而得排出土的最大值和最小值為：

50、m2max＝m1max+m3+m4；

51、m2min＝m1min+m3+m4；

52、其中，m3為改良劑溶液的重量，取經驗值；m4為切削時的用水量，取經驗值；

53、排出土的體積：

54、

55、進而排出土的體積的最大值和最小值為：

56、

57、其中，ρ2為排出土的密度，可測量獲得；

58、盾構機每前進距離l時，控制排出土的量在v2min和v2max的范圍內，當排出土量小于v2min時，說明盾構機速度過慢或螺旋機轉速過慢；當排出土量大于v2max時，說明盾構機的速度過快或螺旋機的轉速過快。

59、優(yōu)選的，保證所述注漿速度為盾構的同時對等隧道管片同步注漿。

60、優(yōu)選的，在步驟s4中，所述盾構分區(qū)控制為根據盾構機刀盤端的多組油缸，劃分為多個液壓區(qū)，每組設置行程傳感器，進行單獨的壓力控制，使得盾構機的刀盤端為向上的前進姿態(tài)。

61、與現有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點是：

62、(1)本發(fā)明中，通過對土倉壓力的計算可以計算出所需的盾構推力，并在掘進的過程中可以不斷地優(yōu)化調整以保持土倉內的壓力的動態(tài)平衡穩(wěn)定；

63、掘進速度由盾構推力和刀盤的扭矩來控制，配合排土量和切削量的關系，在實際掘進過程中，可根據實際地質條件，排出土的狀態(tài)對盾構機的各種工作狀態(tài)參數進行優(yōu)化，使得掘進速度、盾構推力、刀盤扭矩以及螺旋機的轉輸等保持動態(tài)平衡，進而保證掘進的微擾動控制；

64、(2)在盾構姿態(tài)的控制上，通過盾構分區(qū)控制使得盾構機刀盤端保持略微向上的掘進趨勢，以避免盾構因自重而產生栽頭、導致盾構姿態(tài)失控的情況出現；通過調整每組油缸不同的推進速度、每組壓力來對盾構姿態(tài)進行調整和糾偏；采取正反轉刀盤的方法來糾正盾構滾動。