一种土质盾构隧道施工病害超前预报方法.pdf

本发明公开了一种土质盾构隧道施工病害超前预报方法。在盾构机前方设置超前探测装置，利用超前探头可以探测到土层的侧阻力、端阻力及孔隙水压力，以确定土层性质，然后将结果输送到盾构施工控制中心，形成土层分布和性质三维模型，并自动生成更大范围内不断修正的土层分布和性质预测三维模型，由此判断前方土体工程性质，及时修订施工方案和采取安全措施，节省工程成本，保证施工质量、避免发生重大安全事故。本发明可预知施工环境，优化施工方案、采取安全措施，安全、方便、节省材料、可适用于不同性质的土层，是盾构施工中一种准确经济的土质盾构隧道施工病害超前预报方法。

1.  一种土质盾构隧道施工病害超前预报方法，包括以下技术步骤：
(1)制作改进的超前探头，探头上布置孔隙水压力传感器和土压力传感器；
(2)将探头与探杆的首端连接，探杆可伸缩，探杆长度30～50米；
(3)在盾体前盾固定若干根步骤(2)所述的可伸缩的探杆，在探杆上固定超前探头，使盾构机具有测试地基土体性质的功能；所述盾体前盾的端面安装刀盘，所述盾体前盾的侧面焊接若干个固定块；若干所述探杆的尾端固定在这些固定块上；
(4)前期准备，盾构机就位；就位过程中，经触探探头改进的超前探头，通过探杆水平插入到地层里面；
(5)开始掘进，在推进油缸作用下，刀盘旋转，盾构机前进，同时超前探头传感器测得距离盾构机30米～50米的盾构机前方土层侧阻力、端阻力及孔隙水压力等信息参数，输送回盾构施工控制中心分析，根据探头在盾构机中的位置和连接杆的长度，得到土层分布和性质三维模型，并根据新得到的信息不断修正；
(6)若无新的地质状况或是无需修订施工方案或制定新的安全措施，继续掘进；
(7)若出现不良地质情况，减缓盾构机的掘进速度甚至停止，伸长探杆，探测不良地质区范围，并判断是否需要修订施工方案或制定新的安全措施；
(8)若需要修订施工方案或制定新的安全措施，则修订施工方案或制定新的安全措施，按新的施工方案继续掘进，并配合新的安全措施，跳到(5)继续执行；
(9)形成地质条件数据库，以便指导采用合适的管片或支护形式。

一种土质盾构隧道施工病害超前预报方法
技术领域
本发明属于土木工程施工技术领域，特别涉及一种土质盾构隧道施工病害超前预报方法。
背景技术
盾构是一种全封闭的隧道掘进机(既能支承地层的压力、又能在地层中掘进的施工机具)，衬砌管片提供反力，能连续掘进。一边保持开挖面及周围土体稳定，一边进行隧道掘进、出土，并在盾尾内拼装管片形成衬砌，及时实施注浆，在尽可能不扰动土体条件下修建隧道。盾构施工方法有三大要点：开挖面的稳定、盾构沿设计路线高精度推进(盾构姿态、隧道方向)、衬砌作业。虽然盾构有众多的优点和许多成功的工程实例，但只能前进，不能后退。目前的隧道施工方法不能对隧道行进方向的地质条件进行预判，而一旦对工程条件判断不准，有可能出现刀具选择错误、刀盘在隧道内破裂解体、滚刀数量配置不足、隧道轴线超限、隧道上浮卡盾壳等事故。这些事故可能会产生灾难性的后果。因此，研发一种病害超前预报方法，对于盾构的安全施工至关重要。
在本发明之前，静力触探具有勘探和测试双重功能，广泛用于地基土体性质的现场测试，具有快速、精确、经济和节省人力等优点，对于地层性质变化较大的复杂场地以及高灵敏度的软粘土地层的勘察，更具有其独特的优越性。但是静力触探得到数据后，往往需要带回室内进行后处理，得到土层分布，不能在现场进行土层分 布的自动判断。并且目前工程中常用的静力触探设备并未在盾构施工中应用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种土质盾构隧道施工病害超前预报方法，在盾构过程中，可利用改进的静力触探装置，探测到土层的力学参数和孔隙水压力，然后将结果输送到盾构施工控制中心，形成土层分布和性质三维模型，并自动生成更大范围内不断修正的土层分布和性质预测三维模型，由专业人员和专业程序判断是否需要修订施工方案或制定新的安全措施。这样可以预判工程条件，有足够的时间，采取合理的施工方案和制定新的安全措施，保证施工安全正常进行。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
(1)制作改进的超前探头，探头上布置孔隙水压力传感器和土压力传感器。
(2)将探头与探杆连接，探杆可伸缩，探杆长度30～50米。
(3)在盾体前盾固定可伸缩的探杆，在探杆上固定超前探头，使盾构机具有测试地基土体性质的功能；
(4)前期准备，盾构机就位；就位过程中，经触探探头改进的超前探头，通过探杆水平插入到地层里面。
(5)开始掘进，在推进油缸作用下，盾构机前进，同时超前探头传感器得到距离盾构机30米～50米的盾构机前方土层信息参数(包括侧阻力、端阻力及孔隙水压力)，输送回盾构施工控制中心 分析，根据探头在盾构机中的位置和连接杆的长度，得到土层分布和性质三维模型，并根据新得到的信息不断修正。
(6)若无新的地质状况或是无需修订施工方案或制定新的安全措施，继续掘进；
(7)若出现不良地质情况，减缓盾构机的掘进速度甚至停止，伸长探杆，探测不良地质区范围，并判断是否需要修订施工方案或制定新的安全措施。
(8)若需要修订施工方案或制定新的安全措施，则修订施工方案或制定新的安全措施，按新的施工方案继续掘进，并配合新的安全措施，跳到(5)继续执行。
(9)形成地质条件数据库，以便指导采用合适的管片或支护形式。
本发明的优点和效果在于：
(1)可以直接在现场进行土层分布的自动判断，而不需要带回室内进行后处理，节省了施工耗能，节约了工期。
(2)盾构机掘进同时能预先得到前方土层性质，可优化施工方案和改进安全措施。
(3)只需在盾构机上根据精度需要安装数个超前探头即可使用，改装方便、迅速，性能可靠。
(4)软件智能化控制与专业人员判断相结合，可以减少人工工作、避免判断失误可能。
(5)探杆可伸缩，使探测范围弹性化，能更好的为土质盾构隧 道施工病害超前预报服务。
本发明准确方便、可适用于不同性质的土层，一种盾构施工经济准确高效的土质盾构隧道施工病害超前预报方法。
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。本发明的保护范围并不以具体实施方式为限，而是由权利要求加以限定。
附图说明
图1(a)为本发明超前探头分布正视示意图；
图1(b)为本发明超前探头分布侧视示意图；
图2为本发明工作示意图。
图3为静力触探探头局部放大图
图中，1为中心探杆，2为周围探杆，3为超前探头，4为探杆固定装置，5为刀盘，6为探头的顶柱，7为电阻应变片，8为传感器，9为密封垫圈套，10为传输电缆，11盾体前盾，12为不良地质条件区，13为静水压力传感器，14为导坑。
具体实施方式
如图1(a)所示，盾体前盾11的端面安装刀盘5，刀盘5的中心为转轴。在盾体前盾11的侧面上设置探杆固定装置4，即将周围探杆2的尾端固定到探杆固定装置4上。将中心探杆1的尾端穿过刀盘5的中心，固定到盾体前盾11中心；上述过程中，安装好中心探杆1和周围探杆2后，刀盘5仍然能够自由转动。
在探杆(中心探杆1和周围探杆2)顶端安装超前探头3。此时， 侧视图如图1(b)。
如图3所示，超前探头3的首端为尖端、尾端具有轴向的中心孔(盲孔)。中心探杆1或周围探杆2的结构类似，均具有贯穿其首尾端的、轴向的中心通孔。超前探头3尾端套在中心探杆1或周围探杆2的首端，其连接处安装有密封垫圈套9。电缆10从中心探杆1或周围探杆2的中心通孔中穿入超前探头3的中心孔中，与其内部安装的传感器件连接。所述中心探杆1或周围探杆2的中心通孔内安装有阻力传感器8和电阻应变片7；顶柱6的首端与超前探头3的中心孔的底部连接、尾端与传感器8连接。所述超前探头的侧面具有孔隙，孔隙内安装静水压力传感器13。
在盾构掘进过程中，超前探头3受到土层的阻力，使探头内的阻力传感器8产生应变，受到孔隙水压力，使探头3的压力传感器13产生应变，传感器的应变传输到电阻应变片7不同的分区转换为电阻的变化，然后电信号通过电缆10传输至盾构施工控制中心分析，根据五个探头3在盾构机中的位置和探杆的长度，得到土层分布和性质三维模型，并根据新得到的信息不断修正。若无新的地质状况继续掘进；若出现不良地质情况，减缓盾构机的掘进速度甚至停止，伸长探杆，探测不良地质区范围，并判断是否需要修订施工方案或制定新的安全措施，若需要修订施工方案或制定新的安全措施，则修订施工方案或制定新的安全措施，按新的施工方案继续掘进，并配合新的安全措施，继续掘进。
具体实施步骤如下：
1)在适当位置设置导坑14，盾构机就位。要求此时盾构机盾体前盾11上，已经安装探杆固定装置4，并保证探杆固定装置不影响刀盘5的正常转动；将周围探杆2固定到探杆固定装置4，中心探杆1穿过刀盘5上预留空洞，固定到盾体前盾11中心。保证探杆不随刀盘5转动。将超前探头3安装在探杆上。缓慢推进盾体前盾11，使超前探头3及部分探杆没入土体。如图2(a)所示。
2)盾构作业。按盾构机作业要求正常作业，超前探头3由于探杆存在，领先刀盘530m，此时探杆未伸长。超前探头3随盾体前盾11前进。如图2(b)所示。根据收集的资料，形成土层分布和性质三维模型，并自动生成更大范围内土层分布和性质预测三维模型并不断修正。如图2(b)所示。
3)遇险处理。若发现超软土、孔洞、流沙等不良地质情况，如图2c所示，减缓盾构机的掘进速度甚至停止，伸长探杆，最大可达50m，探测不良地质区12范围，如图2(d)所示，虚线处为原探杆长度，实现为伸长后探杆长度，形成不良地质条件区12分布和性质三维模型，形成更大范围内土层分布和性质预测三维模型并不断修正，并判断是否需要修订施工方案或制定新的安全措施，若需要修订施工方案或制定新的安全措施，则修订施工方案或制定新的安全措施，按新的施工方案继续掘进，并配合新的安全措施，跳到2)继续作业。