一种防止盾构在施工中冒顶的施工方法

摘要

本发明提供了一种防止盾构在施工中冒顶的施工方法，所述施工方法的步骤包括：第一步、沿盾构路线进行地层调查；第二步、在盾构机上安装帽檐装置；第三步、应用帽檐装置于盾构施工。帽檐装置未被使用时，帽檐装置利用液压油缸收缩到刀盘面内；当盾构进入冒顶地层时，帽檐装置能够利用液压油缸伸出，伸出长度可根据地层情况确定，并通过帽檐伸出长度的多少来防止冒顶。采用本发明所述施工方法使得防止盾构在各种地质条件中冒顶变得更加工艺简单，操作方便，提高了轴线控制质量，减少了土体扰动和地面变形。

权利要求

1.一种防止盾构在施工中冒顶的施工方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：第一步、沿盾构路线进行地层调查：

(1)在隧道轴线两侧距轴线3-4m处各布置一排勘探孔，相邻勘探孔的间隔40-50m，勘探孔深度为隧道底以下2倍隧道直径；

(2)基于勘探孔通过地质勘探进行土层划分，并确定土层厚度；

(3)通过标准贯入试验得到勘探范围内土体的实测标贯击数N；

(4)在每层土中进行取样，通过密度试验获得该层土的重度γ，通过三轴压缩试验获得该层土的摩擦角 ；

第二步、在盾构机上安装帽檐装置：

帽檐装置包括固定基座、液压油缸、连接杆、帽檐，其中：固定基座的一侧固定在盾构机壳体正上方的内侧；液压油缸的后端与固定基座固定连接；连接杆的下端与液压油缸的前端固定连接，连接杆上端与帽檐固定连接；

在盾构机上安装帽檐装置具体步骤为：

(1)在盾构机壳体的内侧安装固定基座；

(2)将液压油缸与固定基座固定连接；

(3)将连接杆与液压油缸固定连接；

(4)将帽檐与连接杆固定连接；

第三步、应用帽檐装置于盾构施工：

(1)当盾构机开挖至某段地层时，首先判断该地层是否属于冒顶地层：盾构开挖范围内上软下硬地层属于冒顶地层，其他地层属于非冒顶地层；

(2)在非冒顶地层中、且盾构轴线控制仪显示盾构向上偏移不超过50mm时，利用液压油缸将帽檐装置收缩到刀盘面内；

(3)在冒顶地层中，或盾构轴线控制仪显示盾构向上偏移超过50mm时，利用液压油缸将帽檐装置伸出，起到防止冒顶的作用；

第三步的(3)中，所述帽檐装置的伸长量按照以下公式计算：式中：

L是帽檐装置的伸长量，单位m；

F是盾构作用于刀盘面的顶推力，单位kN；

γ是上覆土层的重度，单位kN/m3；

h是上覆土层的总厚度，单位m；

是上覆土层每层的摩擦角，单位度；

是指各层土 的加权平均值。

2.根据权利要求1所述的一种防止盾构在施工中冒顶的施工方法，其特征在于，第一步的(3)中：如果实测标贯击数N≤30，划分为软土；

如果实测标贯击数N>30，划分为硬土。

3.根据权利要求1所述的一种防止盾构在施工中冒顶的施工方法，其特征在于，第一步的(4)中，所述密度试验是指测定单位体积v0的土样质量m，计算得到密度ρ：ρ＝m/v0

再将密度ρ乘以重力加速度，得到重度γ。

4.根据权利要求1所述的一种防止盾构在施工中冒顶的施工方法，其特征在于，第一步的(4)中，所述三轴压缩试验，是使用三轴试验仪对土样进行三个轴向的压缩试验，通过确定破坏状态时的大主应力σ1和小主应力σ3来间接得到摩擦角 ：以 为横坐标，以 为纵坐标绘出直线，直线的倾角即为摩擦角

5.根据权利要求4所述的一种防止盾构在施工中冒顶的施工方法，其特征在于，所述三轴压缩试验按试验固结、排水情况，分为不固结不排水、固结不排水、固结排水三种条件。

6.根据权利要求1所述的一种防止盾构在施工中冒顶的施工方法，其特征在于，第二步中，所述固定基座的一侧与所述盾构机壳体正上方的内侧焊接；

所述固定基座的前端设有螺栓孔，所述固定基座的前端还设有法兰盘和法兰垫，固定基座与法兰垫与法兰盘通过螺栓栓接；

所述固定基座为整块钢块，或者由钢板组成的盒状刚体。

7.根据权利要求1或6任一项所述的一种防止盾构在施工中冒顶的施工方法，其特征在于，第二步中，所述液压油缸的后端与固定基座通过法兰垫、法兰盘固定连接。

8.根据权利要求1所述的一种防止盾构在施工中冒顶的施工方法，其特征在于，第二步中，所述连接杆是长方体钢杆；

所述连接杆的上端穿出盾构机壳体并设有螺栓孔，所述连接杆的下端与液压油缸的前端通过法兰盘、法兰垫固定连接；

所述连接杆的轴线与液压油缸的轴线垂直。

9.根据权利要求1所述的一种防止盾构在施工中冒顶的施工方法，其特征在于，第二步中，所述帽檐是一块钢板；

所述钢板弯曲成与盾构机壳体外径一致的60°圆弧钢板；

所述帽檐的前端加工成45°刃角、后端设有螺栓孔且该螺栓孔与所述连接杆上端的螺栓孔相吻合，所述帽檐通过螺栓与连接杆上端垂直栓接；

所述帽檐的弧面轴线与盾构机轴线平行。

说明书

一种防止盾构在施工中冒顶的施工方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种盾构隧道工程施工技术领域的施工方法，具体地，涉及一种防止盾构在施工中冒顶的施工方法。

背景技术

[0002] 盾构工法有着掘进速度快、施工影响小、劳动强度低的特点，是大中型隧道的主要施工方式。但由于地下地质条件复杂，当盾构机的前进推力大于盾构机前方土体的抵抗力时，会使盾构机冒顶，从而影响盾构机的掘进方向，进而带来土体扰动范围加大、地面变形加大等问题，特别对于复杂地层条件，不同土层切削难易度不同，地面沉降变形控制难度更大，所以，防止盾构机冒顶是盾构施工中的难点之一。

[0003] 经对现有技术文献的检索发现，中国专利号为201110451625.6，专利公开号为103184876A，专利名称：一种防止盾构下沉或抬头的方法，该发明利用事先预留的定位孔、定位桩，在产生冒顶现象时开启孔盖堵头，将定位桩的端头从定位孔里插入到盾壳外面的土壤里，通过定位桩的上顶或下压作用将孔盖堵头将整个盾构机顶起或下压，从而实现防止盾构机的冒顶。然而，伸出的定位桩必然会加大对土体的扰动，从而加大地面变形。而且该发明只适用于简单地层条件下，没有考虑在复杂地质条件下，尤其是临近地层内障碍物较多的情况。利用该发明专利的方法不能很好解决在复杂地质条件下盾构冒顶的问题且难以保证施工质量和环境保护。所以，现有技术在防止施工过程中盾构机冒顶时存在土体扰动大、地面变形大且实际效果不佳的缺点。

发明内容

[0004] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种防止盾构在施工中冒顶的施工方法，该方法改变了现有技术在施工中盾构机发生冒顶以后再进行纠偏的被动纠偏方式，在盾构壳体上加装帽檐装置的主动防偏方式，从而有效防止盾构机冒顶，大大减少土体扰动，减小地面变形，施工工艺简单、可操作性强。

[0005] 为实现以上目的，本发明提供一种防止盾构在施工中冒顶的施工方法，所述施工方法包括以下步骤：

[0006] 第一步、沿盾构路线进行地层调查，具体的：

[0007] (1)在隧道轴线两侧距轴线3-4m处各布置一排勘探孔，相邻勘探孔的间隔40-50m，勘探孔深度为隧道底以下2倍隧道直径；

[0008] (2)基于勘探孔通过地质勘探进行土层划分，并确定土层厚度；

[0009] (3)通过标准贯入试验得到勘探范围内土体的实测标贯击数N；

[0010] (4)在每层土中进行取样，通过密度试验获得该层土的重度γ，通过三轴压缩试验获得该层土的摩擦角

[0011] 第二步、在盾构机上安装帽檐装置

[0012] 所述帽檐装置包括固定基座、液压油缸、连接杆、帽檐，其中：所述固定基座的一侧固定在盾构机壳体正上方的内侧；所述液压油缸的后端与所述固定基座固定连接；所述连接杆的下端与所述液压油缸的前端固定连接，所述连接杆上端与所述帽檐固定连接；

[0013] 在盾构机上安装帽檐装置具体步骤为：

[0014] (1)在盾构机壳体的内侧安装固定基座；

[0015] (2)将液压油缸与固定基座固定连接；

[0016] (3)将连接杆与液压油缸固定连接；

[0017] (4)将帽檐与连接杆固定连接；

[0018] 第三步、应用帽檐装置于盾构施工，具体的：

[0019] (1)当盾构机开挖至某段地层时，首先判断该地层是否属于冒顶地层：盾构开挖范围内上软下硬地层属于冒顶地层，其他地层属于非冒顶地层；

[0020] (2)在非冒顶地层中、且盾构轴线控制仪显示盾构向上偏移不超过50mm时，利用液压油缸将帽檐装置收缩到刀盘面内；

[0021] (3)在冒顶地层中，或盾构轴线控制仪显示盾构向上偏移超过50mm时，利用液压油缸将帽檐装置伸出，起到防止冒顶的作用。

[0022] 优选地，第一步的(3)中：

[0023] 如果实测标贯击数N≤30，划分为软土；

[0024] 如果实测标贯击数N>30，划分为硬土。

[0025] 优选地，第一步的(4)中，所述密度试验是指，应用环刀法通过称重测定单位体积v0的土样质量m，计算得到密度ρ：

[0026] ρ＝m/v0，

[0027] 再将密度ρ乘以重力加速度，得到重度γ。

[0028] 优选地，第一步的(4)中，所述三轴压缩试验，是使用三轴试验仪对圆柱型土样进行轴向的压缩试验，通过确定破坏状态时的大主应力σ1和小主应力σ3来间接得到摩擦角具体的：

[0029] 以 为横坐标，以 为纵坐标绘出直线，直线的倾角即为摩擦角

[0030] 更优选地，所述三轴压缩试验按试验固结、排水情况，分为不固结不排水、固结不排水、固结排水三种条件。

[0031] 优选地，第二步中，所述固定基座的一侧与所述盾构机壳体正上方的内侧焊接；

[0032] 所述固定基座的前端设有螺栓孔，所述固定基座的前端还设有法兰盘和法兰垫，固定基座与法兰垫与法兰盘通过螺栓栓接。

[0033] 更优选地，所述固定基座为整块钢块，或者由钢板组成的盒状刚体。

[0034] 优选地，第二步中，所述液压油缸的后端与固定基座通过法兰垫、法兰盘固定连接。

[0035] 优选地，第二步中，所述连接杆是长方体钢杆；所述连接杆的上端穿出盾构机壳体并设有螺栓孔，所述连接杆的下端与液压油缸的前端通过法兰盘、法兰垫固定连接。

[0036] 更优选地，所述连接杆的轴线与液压油缸的轴线垂直。

[0037] 优选地，第二步中，所述帽檐是一块厚度为30mm、宽度为300mm、长度为盾构圆周的六分之一的钢板；所述钢板弯曲成与盾构机壳体外径一致的60°圆弧钢板；所述帽檐的前端加工成45°刃角、后端设有螺栓孔且该螺栓孔与所述连接杆上端的螺栓孔相吻合，所述帽檐通过螺栓与连接杆上端垂直栓接。

[0038] 更优选地，所述帽檐的弧面轴线与盾构机轴线平行。

[0039] 优选地，第三步的(3)中，所述帽檐装置的伸长量按照以下公式计算：

[0040]

[0041] 式中：

[0042] L是帽檐装置的伸长量，单位m；

[0043] F是盾构作用于刀盘面的顶推力，单位kN；

[0044] γ是上覆土层的重度，单位kN/m3；

[0045] h是上覆土层的总厚度，单位m；

[0046] 是上覆土层每层的摩擦角，单位度；

[0047] 是指各层土 的加权平均值。

[0048] 本发明的工作原理为：

[0049] 所述帽檐装置未被使用时，所述帽檐装置利用所述液压油缸收缩到刀盘面内。当盾构进入冒顶地层时，所述帽檐装置能够利用所述液压油缸伸出，伸出长度可根据地层情况确定。盾构在掘进过程中，由于所述帽檐的阻挡作用，土体会对所述帽檐产生作用力，从而有效抵抗盾构机冒顶的趋势。所述帽檐伸出长度越大，土体和帽檐相互作用越大，抵抗盾构机冒顶的能力越强。因此当在易冒顶的地层施工时，所述帽檐装置伸出，并通过帽檐伸出长度的多少来防止冒顶。

[0050] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

[0051] 本发明从盾构设备的改装即设计帽檐装置，克服了现有施工方法在复杂地质条件下防止盾构机冒顶效果不佳、土体扰动大、地面变形大等缺点和不足。采用本发明所述施工方法将使得防止盾构在各种地质条件中冒顶变得更加工艺简单，操作方便，提高了轴线控制质量，减少了土体扰动和地面变形。

附图说明

[0052] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

[0053] 图1为本发明一实施例的帽檐装置伸长量L计算简图；

[0054] 图2为本发明一实施例的帽檐装置总体配置图；

[0055] 图3为本发明一实施例的帽檐装置的液压油缸和固定基座连接图；

[0056] 图4为本发明一实施例的帽檐装置的液压油缸、连接杆和帽檐截面示意图；

[0057] 图5为本发明一实施例的帽檐装置的帽檐立体图；

[0058] 图6为本发明一实施例的帽檐装置在盾构掘进机上的安装图；

[0059] 图中：L是帽檐装置的伸长量、F是盾构作用于刀盘面的顶推力；

[0060] 1为盾构机壳体、2为固定基座、3为液压油缸、4为连接杆、5为帽檐、6为法兰盘、7为法兰垫、8-1、8-2、8-3为螺栓、9为螺栓孔、10为帽檐装置、11为刀盘。

具体实施方式

[0061] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

[0062] 本实施例提供一种防止盾构在施工中冒顶的施工方法，应用于某电力电缆隧道的一长度为267m的直线段，纵向坡度为0.56％，隧道管节顶部覆土厚度为11.93m，隧道穿越的土层为淤泥质粉质粘土层，盾构作用于刀盘面的顶推力F为500kN；应用本实施例所述一种防止盾构在施工中冒顶的施工方法的具体实施步骤如下：

[0063] 第一步、沿盾构路线进行地层调查，具体的：

[0064] (1)在隧道轴线两侧距轴线4m处各布置一排勘探孔，相邻勘探孔的间隔50m，勘探孔深度为隧道底以下2倍隧道直径，为28米。

[0065] (2)基于勘探孔通过地质勘探进行土层划分，并确定土层厚度。

[0066] 本实施例中，土层分为人工填土、粉质粘土、淤泥质粉质粘土、砂质粉土、淤泥质粘土、粘土。盾构隧道主要位于淤泥质黏土层中，其中：人工填土厚1米，粉质粘土厚1.55米，淤泥质粉质粘土厚4.2米，砂质粉土厚3.05米，淤泥质粘土厚7.2米，粘土8.5米。

[0067] (3)通过标准贯入试验得到勘探范围内土体的实测标贯击数N，如果实测标贯击数N≤30，划分为软土，如果实测标贯击数N>30，划分为硬土。

[0068] 本实施例中，上覆土层平均标贯击数N是11，属于软土；下卧土层平均标贯击数N是32，属于硬土。

[0069] (4)在每层土中进行取样，通过密度试验获得该层土的重度γ，通过三轴压缩试验获得该层土的摩擦角

[0070] 本实施例中，所述密度试验是指通过环刀法等方法测定单位体积v0的土样质量m，计算得到密度ρ＝m/v0，再将密度ρ乘以重力加速度得到重度γ。

[0071] 本实施例中，通过实验测得重度γ等于17.8kN/m3。

[0072] 本实施例中，所述三轴压缩试验是使用三轴试验仪对特定尺寸的土样进行进行三个轴向的压缩试验，通过确定破坏状态时的大主应力σ1和小主应力σ3来间接得到摩擦角具体的：

[0073] 以 为横坐标，以 为纵坐标绘出直线，直线的倾角即为摩擦角

[0074] 本实施例中，分别对五个土层做固结不排水(CU)三轴压缩试验，并分别计算各土层的摩擦角 然后，将得到的摩擦角 的tan值加权平均得到：

[0075] 第二步、在盾构机上安装帽檐装置，具体的：

[0076] (1)在盾构机壳体的内侧安装固定基座；

[0077] (2)将液压油缸与固定基座固定连接；

[0078] (3)将连接杆与液压油缸固定连接；

[0079] (4)将帽檐与连接杆固定连接；

[0080] 其中：

[0081] 如图1所示，帽檐装置10固定在盾构机前端，包括：固定基座2、液压油缸3、连接杆4和帽檐5，其连接关系为：所述固定基座2的一侧固定在盾构机壳体1正上方内侧；所述液压油缸3的后端与所述固定基座2固定连接；所述连接杆4的下端与所述液压油缸3的前端固定连接，所述连接杆4上端与所述帽檐5固定连接(图2)。

[0082] 作为一个实施方式，所述固定基座2的一侧与所述盾构机壳体1正上方的内侧焊接，所述固定基座2的前端设有螺栓孔，螺栓孔的直径为20mm，所述固定基座2与法兰盘6、法兰垫7栓接。如图3所示，具体的：

[0083] 所述固定基座2是一块长300mm、宽300mm、高300mm的钢块，材料为Q235。所述固定基座2与所述盾构机壳体1采用角焊缝焊接，焊缝高度8mm；

[0084] 所述法兰盘6外径220mm、公称通径100mm、厚度22mm，材质20#，使用4颗M18螺栓8-1。

[0085] 作为一个实施方式，所述液压油缸3的后端通过法兰盘6、法兰垫7与所述固定基座2固定连接。如图3所示，具体的：

[0086] 所述液压油缸由合金钢制成，外直径100mm。

[0087] 作为一个实施方式，所述连接杆4是长方体钢杆；所述连接杆4的下端与液压油缸3通过法兰盘6、法兰垫7、螺栓8-2固定连接，其中螺栓8-2规格与螺栓8-1相同；所述连接杆4的上端穿出盾构机壳体1并设有螺栓孔；所述连接杆4的轴线与所述液压油缸3的轴线垂直。如图3与图4所示，具体的：所述连接杆4长350mm，截面规格200mm×50mm，螺栓孔内径20mm。

[0088] 作为一个实施方式，所述帽檐5是一块厚度为30mm、宽度为300mm、长度为盾构圆周的六分之一的钢板，钢板弯曲成与盾构机壳体1外径一致的60°圆弧钢板，所述帽檐5钢板的前端加工成45°刃角、后端设有螺栓孔9且该螺栓孔9与所述连接杆4上设有的螺栓孔相吻合；所述帽檐10通过螺栓8-3与所述连接杆4栓接；所述帽檐5与所述连接杆4垂直。如图5所示，具体的：所述螺栓孔9内径20mm；所述螺栓8-3规格M18。

[0089] 第三步、应用帽檐装置于盾构施工：

[0090] (1)当盾构机开挖至某段地层时，首先判断该地层是否属于冒顶地层；具体的，盾构开挖范围内上软下硬地层属于冒顶地层，其他地层属于非冒顶地层。

[0091] 本实施例中，上覆土层为软土，下卧土层为硬土，属于上软下硬地层，因此属于冒顶地层。

[0092] (2)在非冒顶地层中，且盾构轴线控制仪显示盾构向上偏移不超过50mm时，利用所述液压油缸3将所述帽檐装置10收缩到刀盘11面内。

[0093] (3)在冒顶地层中，或盾构轴线控制仪显示盾构向上偏移超过50mm时，利用所述液压油缸3将所述帽檐装置10伸出，起到防止冒顶的作用。

[0094] 如图2所示，所述帽檐装置10的伸长量L按照以下公式计算：

[0095]

[0096] 式中：

[0097] L是帽檐装置的伸长量，单位m；

[0098] F是盾构作用于刀盘面的顶推力，单位kN；

[0099] γ是上覆土层的重度，单位kN/m3；

[0100] h是上覆土层的总厚度，单位m；

[0101] 是上覆土层每层的摩擦角，单位度；

[0102] 是指各层土 的加权平均值。

[0103] 本实施例中，盾构所处地层属于冒顶地层，因此应利用所述液压油缸3将所述帽檐装置10伸出，所述帽檐装置10的伸长量L计算如下：

[0104]

[0105] 所述施工方法的工作原理为：

[0106] 所述帽檐装置10未被使用时，所述帽檐装置10利用所述液压油缸3收缩到刀盘11面内；当盾构进入易冒顶地层时，所述帽檐装置10能够利用所述液压油缸3伸出，伸出长度根据地层情况确定；盾构在掘进过程中，由于所述帽檐5的阻挡作用，土体会对所述帽檐5产生作用力，从而有效抵抗盾构机冒顶的趋势；所述帽檐5伸出长度越大，相互作用越大，抵抗盾构机冒顶的能力越强。因此当在易冒顶的地层施工时，所述帽檐装置10伸出，并通过所述帽檐5伸出长度的多少来防止冒顶，如图6所示。

[0107] 本发明从盾构设备的改装即设计帽檐装置，克服了现有施工方法在复杂地质条件下防止盾构机冒顶效果不佳、土体扰动大、地面变形大等缺点和不足。本装置将使得防止盾构在各种地质条件中冒顶变得更加工艺简单，操作方便，提高了轴线控制质量，减少了土体扰动和地面变形。

[0108] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。