一種在上軟下硬地層中減小盾構機刀具損壞的施工方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種盾構隧道技術領域中的技術方法，具體地，涉及一種在上軟下硬 地層中減小盾構機刀具損壞的施工方法。
【背景技術】
[0002] 隨著城市地鐵建設的快速發展，盾構隧道技術得到日益廣泛的采用，同時也不斷 遇到新的技術挑戰。如在廣州、深圳等地，盾構隧道在砂土地層掘進過程中常碰到由硬巖地 層侵入形成上軟下硬地層的情況。盾構機在砂土地層中掘進時一般掘進速度較快，刀盤轉 速較高。當盾構機剛進入到上軟下硬地層時，這種地層的變化會對處于快速轉動的刀盤上 的刀具施加巨大的沖擊荷載，極易造成刀具的瞬間崩壞；當盾構機在上軟下硬地層掘進時， 由于掌子面內存在多種地層，使得刀盤合理轉速的確定存在一定難度，存在刀具過快損壞 的風險。刀具作為盾構機掘進的最終執行部件，刀具的使用壽命將直接關系到盾構機的掘 進效率。因此，有必要針對上軟下硬地層，提出一種減小盾構機刀具損壞的施工方法。
[0003] 經對現有技術文獻檢索發現，申請號為：201010251601. 1，公布號為 CN101899981A，專利名稱為：應用于盾構機在隧道掘進過程中減少滾刀異常損壞的方法，該 專利提出通過調整刀盤推力來減少盾構機在硬巖掘進中的滾刀異常損壞。然而，調整刀盤 推力主要解決了刀具過載的問題。在復合地層中，特別是上軟下硬地層，刀具受到的沖擊荷 載過大是造成刀具斷裂和過快磨損的主要原因，而調整刀盤的推力并不能有效減少刀具斷 裂和過快磨損。事實上，在上軟下硬地層中掘進時，刀具受到過大的沖擊荷載主要由不合理 的刀盤轉速引起。因此，急需提出一種根據上軟下硬地層的特點確定合理刀盤轉速的盾構 隧道施工方法。
【發明內容】
[0004] 針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種在上軟下硬地層中減小盾構機 刀具損壞的施工方法，減小在掘進中遇到上軟下硬地層時盾構機刀具的損壞。
[0005] 為實現以上目的，本發明提供一種在上軟下硬地層中減小盾構機刀具損壞的施工 方法，包括以下步驟：
[0006] 第一步，根據盾構機掘進路線和地層分布情況，確定盾構機在掘進過程中將遇到 的地層及遇到上軟下硬地層的位置，并由以下計算公式確定盾構機在某單一地層中掘進時 的刀盤合理轉速n1:
[0008] 式中：叫一某單一地層中刀盤合理轉速，r/min ;Κα-相對于刀盤直徑的扭矩系數， 優選取土壓平衡盾構Κα = 14~23,泥水盾構Κ α = 9~18 ;D-刀盤直徑，m ;q U1-某地層 土體或巖體的無側限抗壓強度，kPa ;v-盾構機推進速度，m/h ;
[0009] 并確定盾構機在通過上軟下硬地層時掌子面范圍內較硬地層所占面積與掌子面 面積之比的最大值K :
[0011] 其中以隧道底部為原點建立坐標系，式中：h-掌子面內較硬地層侵入較軟地層的 最大距離，m ;y-一掌子面內硬地層侵入軟地層的距離，m ;D為刀盤直徑，m ;d為數學中微分 的符號。
[0012] 第二步，確定盾構機在通過上軟下硬地層時的刀盤設計轉速
[0013] 由得到的叫和K，引入安全系數λ，利用以下計算公式確定盾構機在通過上軟下 硬地層時的刀盤設計轉速nd:
[0014] nd= λ [ (1-K) n i+K^]
[0015] 式中：nd -上軟下硬地層刀盤設計轉速，r/min ; λ -安全系數，優選取0. 9 %- 上軟下硬地層中較軟地層刀盤合理轉速，r/min ;η2-上軟下硬地層中較硬地層刀盤合理轉 速，r/min ;
[0016] 第三步，根據地層分布情況，當盾構機掘進到距離進入上軟下硬地層為隧道直徑 的0. 5倍時，開始每隔0. lm觀察記錄盾構機刀盤扭矩Xj，（j = 1，2, 3......)，每掘進一定距 離后計算平均刀盤扭矩黑，（i = 1，2,3,4,5,6)，計算公式為：
[0018] 并根據以下計算公式：
[0020] 判斷Α1+1彡20. 0%是否成立：
[0021] 如果Α1+1彡20.0%成立，則認為盾構機已經進入上軟下硬地層，將刀盤的轉速調 整至設計轉速，并停止記錄刀盤扭矩；
[0022] 如果盾構機掘進到上軟下硬地層時，Α1+1彡20. 0%仍未成立，則立即將刀盤的轉速 調整至設計轉速；當盾構機前端通過并重新掘進到單一地層時，將刀盤轉速調整至盾構機 前端所處單一地層的刀盤合理轉速。
[0023] 優選地，在上述第一步之前，可以進行準備工作即工程地質勘察：根據隧道所在深 度合理選擇探地雷達型號；利用探地雷達進行探測，每前進lm記錄1次地層信息；根據探 地雷達記錄的地層信息，確定隧道沿線的地層分布情況；根據地層分布情況，利用鉆孔取土 方法獲取各類地層土樣，利用采集的土樣進行無側限抗壓試驗，確定各地層土體或巖體的 無側限抗壓強度；
[0024] 更優選地，所述的地層分布狀況是指：從地表至深度為隧道底部深度1. 5~2倍范 圍內分布的地層類型及各地層厚度；
[0025] 更優選地，所述的鉆孔取土方法是指：用厚壁取土設備，在已由探地雷達確定的 各地層中取土，用于做抗壓強度試驗，取樣量根據試件量確定，以每地層不少于三個試件為 宜。
[0026] 更優選地，所述的無側限抗壓試驗是指：試驗時將直徑為150. 0mm、高為150. 0mm 的圓柱形試樣放在無側限壓力儀中，在不加任何側向壓力的情況下施加垂直壓力，直到使 試件剪切破壞為止，剪切破壞時試樣所能承受的最大軸向壓力稱為無側限抗壓強度，該試 驗過程稱為無側限抗壓試驗。
[0027] 優選地，第一步中，所述的刀盤合理轉速是指：在保證盾構機掘進速度可接受的前 提下，盡量減少刀具損壞的刀盤轉速。
[0028] 優選地，第二步中，所述的刀盤設計轉速是指：盾構機在上軟下硬地層中掘進時， 在保證盾構機掘進速度可接受的前提下，能有效減少刀具損壞的刀盤轉速。
[0029] 與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果：
[0030] 本發明采用根據上軟下硬地層各地層面積比確定刀盤設計轉速，并根據刀盤扭矩 變化提前針對上軟下硬地層調整刀盤轉速的方法，避免盾構機在砂土地層高速掘進時由于 高轉速刀盤突然遇到上軟下硬地層而發生的刀具損壞。本發明方法技術簡單，操作容易，能 有效減少上軟下硬地層造成的刀具損壞，顯著延長刀具的使用期限，極大地提高了施工效 率和經濟效益。
【附圖說明】
[0031] 通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特征、 目的和優點將會變得更明顯：
[0032] 圖1為本發明一實施例的距1號車站478. 9m~498. 9m區段地層分布圖；
[0033] 圖2為本發明一實施例的距上軟下硬地層3m~0. 5m區段刀盤扭矩變化圖；
[0034] 圖3為本發明一實施例的距離1號車站485. 9m處隧道橫截面坐標不意圖。
【具體實施方式】
[0035] 下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術 人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術 人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發明 的保護范圍。
[0036] 實施例：
[0037] 某廣州地鐵區間內隧道盾構工程涉及沉積巖、巖漿巖和變質巖三大地層，同時也 涉及復雜的褶曲等地質構造，所以盾構機在掘進過程中將不可避免地遇到上軟下硬地層。 該區間位于1號車站和2號車站之間，隧道全長1350. 5m，隧道的直徑為6. 0m ;以地表為 零點，隧道頂部襯砌所在深度為4. Om，隧道底部襯砌所在深度為10.0 m ;采用土壓平衡盾 構機，刀盤直徑D = 6. Om，取相對于刀盤直徑的扭矩系數Κα = 20. 0 ;現以距離1號車站 473. 9m~498. 9m區段為例進行說明。
[0038] 如圖1-圖3所示，本實施例提供一種在上軟下硬地層中減小盾構機刀具損壞的施 工方法，包括以下步驟：
[0039] 第一步，工程地質勘察：
[0040] 根據隧道所在深度選擇UtilityScan DF市政管線多頻數字化地質雷達系統作為 探地雷達；在地表沿隧道前進方向，每前進lm記錄1次地層信息，根據各點地層信息確定 整個地鐵區間從地表到深度為20m范圍內的地層分布情況，并通過鉆孔取土采集各地層土 樣進行無側限抗壓強度試驗，確定各地層土體或巖體的無側限抗壓強度；隧道沿線的地層 主要有：雜填土地層，厚度為0. 8~2. 6m，無側限抗壓強度為95. OkPa ;砂土地層，厚度為 5. 3m~11. lm，無側限抗壓強度為150.0 kPa ;碳質灰巖中風化帶地層，厚度為>7. 9m，無側限 抗壓強度為1100.0 kPa。