本發明屬于掘進施工方法技術領域，具體涉及一種復合地層盾構掘進施工方法。

背景技術：

在大直徑盾構硬巖施工中，對刀盤的合理設計是保證施工進度和施工成本的關鍵性因素。刀盤刀具是掘進過程中實現破碎剝離巖土、渣土過流、界面支護功能的關鍵部件。刀盤刀具的設計技術是土壓平衡盾構機的核心技術之一。盾構在地下開挖中會遇到各種不同地層，從淤泥、黏土、砂層到軟巖及硬巖等，復雜地條件下介質物理參數隨機變化且差異極大，加之多場耦合作用，使得刀盤受力狀態變化劇烈，刀盤系統的切削狀況和受力狀態極其復雜。刀具布局、刀盤構型、開口位置、開口率等刀盤設計結構直接影響刀盤刀具發熱、磨損、切削效率和可靠性，而刀具布局與開口位置的相互制約更增大了刀盤的設計難度。因此如何保證刀盤的使用壽命及地層適應性是盾構施工掘進所必須解決的關鍵問題。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術中的不足，提供一種復合地層盾構掘進施工方法，其結構簡單、設計合理，根據復合地層的變化，合理選取盾構機，正確選取掘進參數，延長刀盤的使用壽命，提高刀盤對復合地層的適應性，保證盾構施工安全、快速、經濟的進行，使用操作方便，實用性強，使用效果好，便于推廣使用。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：一種復合地層盾構掘進施工方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一、復合地層地質勘探：通過在復合地層上鉆孔，探明復合地層的地質狀況；

步驟二、根據復合底層地質情況選取盾構刀具，包括以下步驟：

步驟201、盾構刀具受力分析：

步驟201、盾構刀具布置：根據復合地層的地質狀況安裝不同的刀具，刀尖距其中表示復合地層的巖石破碎角，T表示相鄰兩個滾刀刀尖之間的寬度，H表示滾刀貫入度，根據刀尖距S在刀盤上布置刀具；

步驟202、計算單個滾刀在破碎區的壓力P，其中，C表示無量綱系數，δ_c表示復合地層的巖石單軸抗壓強度，δ_t表示復合地層的巖石抗拉強度，R表示滾刀半徑，φ表示滾刀刀沿與復合地層的巖石的接觸角度，

步驟203、計算滾刀所受合力F_t，其中，ψ表示刀尖壓力分布系數；

步驟204、計算盾構機實際推力值：盾構機實際推力值F_t'＝mF_t，其中m表示盾構刀盤上安裝的滾刀的數量，m為正整數；

步驟三、根據復合底層地質情況選擇盾構掘進施工模式：針對復合地層的地質狀況選擇不同的掘進模式，在上軟下硬地層中采用土壓平衡模式，在硬巖地層中采用欠壓模式和土壓平衡模式；

步驟四、根據復合底層地質情況選擇盾構掘進參數：

步驟401、計算盾構機的推力：盾構機的理論推力值F＝F₁+F₂+F₃+F₄+F₅，F₁表示盾構機盾殼與圍巖的摩擦力，F₂表示盾構機的有效推力，F₃表示盾尾與管片之間的摩阻力，F₄表示后方臺車的阻力，F₅表示密封土艙內的土壓力引起的反作用力；其中，F₂＝mF₂'，m表示盾構刀盤上安裝的滾刀的數量，F₂'表示單個滾刀貫入巖石的理論有效推力，K_d表示巖石的滾壓系數，R_d表示巖石的抗壓強度，r_i表示盤形滾刀的刃角半徑，θ_i表示盤形滾刀的半刃角，表示巖石的自然破碎角；

步驟402、計算盾構機的扭矩：盾構機刀盤的扭矩其中C_T表示盾構機電機的轉矩常數，φ_M表示盾構機電機線圈的每極磁通，I_i表示盾構機電機的電流，λ表示盾構機電流與電壓的相位差，cosλ表示盾構機電機的功率因素；

步驟403、結果比較：步驟401中得到的盾構機理論推力值F和步驟二中得到的盾構機實際推力值F_t'需要滿足：F_t'＝1.5F；

步驟五、盾構掘進施工：

步驟501、盾構掘進方向反饋：在盾構掘進中采用激光導向，實現盾構機的掘進方向與隧道的理論中心線方向的對齊；

步驟502、盾構掘進方向調整：通過調整盾構機對每組油缸的不同推進壓力，調節盾構機的掘進方向，使盾構機的掘進方向趨向隧道的理論中心線方向。

上述的一種復合地層盾構掘進施工方法，其特征在于：步驟203中所述無量綱系數C＝2.12，步驟204中所述刀尖壓力分布系數ψ滿足：-0.2<ψ<0.2。

上述的一種復合地層盾構掘進施工方法，其特征在于：步驟202中所述刀尖距S滿足：10mm≤S≤92mm。

上述的一種復合地層盾構掘進施工方法，其特征在于：步驟401中所述巖石的滾壓系數K_d＝0.55。

上述的一種復合地層盾構掘進施工方法，其特征在于：當盾構機處于水平線路掘進時，盾構機的掘進方向與水平面的夾角為α，且5°≤α≤15°。

本發明與現有技術相比具有以下優點：

1、本發明的結構簡單，設計合理，實現及使用操作方便。

2、本發明在準確掌握復合地層的情況下，通過計算，正確選取掘進參數，尤其是刀盤和刀具的設計與布置，防止盾構刀具偏磨、刀盤崩裂等非正常磨損，達到保護刀具的作用，延長了刀盤的使用壽命，節約了工程成本。

3、本發明在準確掌握復合地層的情況下，根據復合地層的變化做出適當的調整，合理選取盾構機，確保盾構機對復合地層的適應性，能夠快速、高效、安全的進行盾構掘進施工。

綜上所述，本發明結構簡單、設計合理，根據復合地層的變化，合理選取盾構機，正確選取掘進參數，延長刀盤的使用壽命，提高刀盤對復合地層的適應性，保證盾構施工安全、快速、經濟的進行，使用操作方便，實用性強，使用效果好，便于推廣使用。

下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。

附圖說明

圖1為本發明的流程框圖。

具體實施方式

如圖1所示，本發明包括以下步驟：

步驟一、復合地層地質勘探：通過在復合地層上鉆孔，探明復合地層的地質狀況；

步驟二、根據復合底層地質情況選取盾構刀具，包括以下步驟：

步驟201、盾構刀具受力分析：

步驟201、盾構刀具布置：根據復合地層的地質狀況安裝不同的刀具，刀尖距其中表示復合地層的巖石破碎角，T表示相鄰兩個滾刀刀尖之間的寬度，H表示滾刀貫入度，根據刀尖距S在刀盤上布置刀具；

步驟202、計算單個滾刀在破碎區的壓力P，其中，C表示無量綱系數，δ_c表示復合地層的巖石單軸抗壓強度，δ_t表示復合地層的巖石抗拉強度，R表示滾刀半徑，φ表示滾刀刀沿與復合地層的巖石的接觸角度，

步驟203、計算滾刀所受合力F_t，其中，ψ表示刀尖壓力分布系數；

步驟204、計算盾構機實際推力值：盾構機實際推力值F_t'＝mF_t，其中m表示盾構刀盤上安裝的滾刀的數量，m為正整數；

步驟三、根據復合底層地質情況選擇盾構掘進施工模式：針對復合地層的地質狀況選擇不同的掘進模式，在上軟下硬地層中采用土壓平衡模式，在硬巖地層中采用欠壓模式和土壓平衡模式；

步驟四、根據復合底層地質情況選擇盾構掘進參數：

步驟401、計算盾構機的推力：盾構機的理論推力值F＝F₁+F₂+F₃+F₄+F₅，F₁表示盾構機盾殼與圍巖的摩擦力，F₂表示盾構機的有效推力，F₃表示盾尾與管片之間的摩阻力，F₄表示后方臺車的阻力，F₅表示密封土艙內的土壓力引起的反作用力；其中，F₂＝mF₂'，m表示盾構刀盤上安裝的滾刀的數量，F₂'表示單個滾刀貫入巖石的理論有效推力，K_d表示巖石的滾壓系數，R_d表示巖石的抗壓強度，r_i表示盤形滾刀的刃角半徑，θ_i表示盤形滾刀的半刃角，表示巖石的自然破碎角；

步驟402、計算盾構機的扭矩：盾構機刀盤的扭矩其中C_T表示盾構機電機的轉矩常數，φ_M表示盾構機電機線圈的每極磁通，I_i表示盾構機電機的電流，λ表示盾構機電流與電壓的相位差，cosλ表示盾構機電機的功率因素；

步驟403、結果比較：步驟401中得到的盾構機理論推力值F和步驟二中得到的盾構機實際推力值F_t'需要滿足：F_t'＝1.5F；

步驟五、盾構掘進施工：

步驟501、盾構掘進方向反饋：在盾構掘進中采用激光導向，實現盾構機的掘進方向與隧道的理論中心線方向的對齊；

步驟502、盾構掘進方向調整：通過調整盾構機對每組油缸的不同推進壓力，調節盾構機的掘進方向，使盾構機的掘進方向趨向隧道的理論中心線方向。

步驟502、盾構掘進方向調整：通過調整盾構機對每組油缸的推進壓力，調節盾構機的掘進方向，使盾構機的掘進方向趨向隧道的理論中心線方向。

本實施例中，無量綱系數C＝2.12，刀尖壓力分布系數ψ滿足：-0.2<ψ<0.2，刀尖距S滿足：10mm≤S≤92mm，巖石的滾壓系數K_d＝0.55。

本實施例中，當盾構機處于水平線路掘進時，盾構機的掘進方向與水平面的夾角為α，且5°≤α≤15°。

本實施例中，盾構刀盤旋轉帶動刀具掃過開挖面，在盾構機的推力作用下滾刀緊壓巖面，隨著刀盤旋轉，滾刀繞刀盤中心軸公轉，并繞自身軸線自轉。在刀盤強大的推力作用下，滾刀壓入巖石；在扭矩作用下，滾刀在掌子面中心切縫上滾動。當推力超過巖石強度時，滾刀下的巖石直接擠壓破碎，滾刀貫入巖石，掌子面被滾刀擠壓碎裂而形成隧道同心圓溝槽。隨著溝槽深度的增加，巖石表面裂紋加深擴大，當超過巖石剪切和拉伸強度時，相鄰同心圓溝槽間的巖石成片剝落，形成石渣，實現巖層的成功破碎。

掘進施工前，先根據復合地層的地質情況，計算刀尖距S，刀間距S是確定滾刀布置數量的重要工作參數，刀間距S太大，相鄰滾刀之間的巖石無法破除，在掘進過程中掌子面易形成“巖脊”使得刀具磨損程度加快，也很容易使得滾刀受到的剪切力突然加大，造成刀圈斷裂或脫落，使得刀具失效或者報廢。因此根據相鄰兩個滾刀刀尖之間的寬度T、滾刀的貫入度H和復合地層巖石的破碎角計算刀間距使得刀尖距S滿足滾刀破碎需要，然后在刀盤上根據刀尖距S布置滾刀安裝位置。防止盾構刀具偏磨、刀盤崩裂等非正常磨損，達到保護刀具的作用，延長了刀盤的使用壽命，節約了工程成本。

再根據復合地層的地質情況，確定復合地層掘進施工過程中需要的滾刀破碎壓力，即盾構機的實際推力值F_t'，計算過程中，先計算單個滾刀在破碎區的壓力P，根據刀盤上滾刀的個數，計算盾構機的實際推力值F_t'。

在盾構施工過程中，由于施工環境的不同，需要采用不同的掘進模式。掘進模式分為欠壓式、土壓平衡模式。在上軟下硬地層中采用土壓平衡模式，在硬巖地層中采用欠壓模式和土壓平衡模式。本實施例中，隧道從全斷面弱風化、中風化、混合片麻巖圍巖和全風化、粉質粘土中穿過，地下水主要是孔隙水和基巖裂隙水，埋深在2.0～5.0m，部分地段基巖裂隙水比較發育。因此，在掘進過程中主要采用欠壓模式和土壓平衡模式。

全斷面硬巖具有完全自穩能力。在硬巖中掘進時，盾構機的拱頂、兩側、底部所受的壓力均很小，對盾構機的推進影響不大，盾構機的推力主要消耗在滾刀貫入巖石所需要的推力上，所以可以近似的把滾刀貫入巖石的力看成盾構機的推力，因此本實施例中，通過計算多個滾刀的貫入巖石的有效推力mF₂'，得到盾構機的有效推力F₂，即F₂＝mF₂'。

在盾構施工過程中，需根據不同的地質情況，不同的刀具磨損情況，以及掘進過程中的現狀，選擇相應的掘進參數。本實施例中，掘進參數包括盾構機的理論推力值F和盾構機刀盤的扭矩M，由于盾構施工中經常需要糾偏、轉向，推力越大，貫入度越大，同等條件下切削下來的渣土也越多。如果盾構機的實際推力值F_t'過大，會加劇刀具的磨損，造成刀具解體、刀圈斷裂、脫落，擋圈斷裂、脫落甚至刀座變形、刀盤變形。因此盾構機的實際推力值F_t'要比盾構機的理論推力值F大，按照經驗數據，F_t'＝1.5F。根據復合地層的變化做出適當的調整，合理選取盾構機，確保盾構機對復合地層的適應性，能夠快速、高效、安全的進行盾構掘進施工。

盾構掘進施工中，盾構操作手需要連續不斷的得到盾構軸線位置相對于隧道設計軸線的位置以及方向的關系，以便使成型隧道保持正確的位置。在盾構掘進的過程中，以一定的掘進速度向前開挖，需要盾構的行走軌跡和隧道設計軸線一致，此時必須得到數據信息反饋。在施工中采用激光導向實現盾構機的掘進方向與隧道的理論中心線方向的對齊，來保證掘進方向的準確性和盾構姿態的控制。盾構機掘進方向的調節是通過調整每組油缸的推進壓力，使盾構機的掘進方向趨向隧道的理論中心線方向。當盾構機油缸左側壓力大于右側時，盾構機姿態自左向右擺；當上側壓力大于下側壓力時，盾構機姿態自上向下擺；依次類推即可調整盾構機的姿態。為了保證盾構機的鉸接密封、盾尾密封工作良好，同時也為了保證隧道管片不受破壞，盾構機在調向的過程中不能有太大的趨勢。當盾構機處于水平線路掘進時，盾構機的掘進方向與水平面的夾角為α，且5°≤α≤15°，以糾正盾構機因自重而產生的低頭現象。

以上所述，僅是本發明的實施例，并非對本發明作任何限制，凡是根據本發明技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變化，均仍屬于本發明技術方案的保護范圍內。