[发明专利]一种浅覆土地层矩形顶管掘进对周边环境影响控制方法

说明书

本发明涉及一种浅覆土地层矩形顶管掘进对周边环境影响控制方法，旨在解决浅覆土甚至超浅覆土地层顶管机顶进过程中存在的重大安全风险：地层隆起、顶管机姿态突变。本发明提供了从顶管机顶推力和扭矩的计算、顶推力和扭矩对地层的影响、基于宾汉姆流体的排土量计算公式计算得到的渣土适宜状态和力学性质，再到渣土改良试验确定合适的渣土改良剂，最后进行现场监控并反馈调整顶管顶进和改良方法。本发明采用的基于宾汉姆流体排土计算公式能够快速合理确定渣土改良的适宜状态，保证顶管机在正常的顶推力和扭矩作用下达到顶管机较好工作状态，避免排土不畅、压力或扭矩过大导致地面被顶破的安全风险。

技术领域

本发明是一种浅覆土地层矩形顶管掘进对周边环境影响控制方法，属于地下工程施工技术领域。

背景技术

在城市道路、隧道建设中，存在大量需要穿越既有道路、铁路或隧道的通道建设任务，还有地铁车站需要开挖大量的下穿繁华路段的出入口，顶管施工法成为了重要的施工方法，得到广泛推广应用。这些顶管工程实施往往埋深较浅，这既是顶管的优势，也是顶管顶进的难点。浅覆土或超浅覆土顶进时，极易发生顶进推力过大发生地面隆起、甚至顶管机姿态突变的安全事故。这也是很多类似工程没有大量采用顶管顶进的主要原因。在这种浅覆土施工中存在以下难题：(1)上覆土极易被顶破，导致顶管施工失败。不得不采取对上覆土进行大面积的地基加固以提高其强度；(2)由于浅覆土顶进，顶管机刀盘的扭矩对上覆土的扰动影响不可以忽略，采用常规的Peck沉降槽的计算方法难以考虑；(3) 为了节约成本，顶管机始发竖井往往较小，不利于安排后续台车运输渣土，通常以管道方式进行渣土外运，这就对渣土改良要求较高。

发明内容

本发明提出的是一种浅覆土地层矩形顶管掘进对周边环境影响控制方法，旨在解决浅覆土甚至超浅覆土地层顶管机顶进过程中存在的重大安全风险：地层隆起、顶管机姿态突变。本发明提供了从顶管机顶推力和扭矩的计算、顶推力和扭矩对地层的影响、基于宾汉姆流体的排土量计算公式计算得到的渣土适宜状态和力学性质，再到渣土改良试验确定合适的渣土改良剂，最后进行现场监控并反馈调整顶管顶进和改良方法。本发明采用的基于宾汉姆流体排土计算公式能够快速合理确定渣土改良的适宜状态，保证顶管机在正常的顶推力和扭矩作用下达到顶管机较好工作状态，避免排土不畅、压力或扭矩过大导致地面被顶破的安全风险。

本发明的技术解决方案：一种浅覆土地层顶管掘进对周边环境影响控制方法，包括如下步骤：

(1)查清地层的分布、地层基本物理力学性质、上覆土厚度、地下水位和顶管机尺寸和相关参数，采用相关规范或公开文献中的计算公式计算顶管的顶推力，确定管节与地层之间的摩擦力；

(2)建立顶管顶推有限元模型，在开挖面上施加梯形分布荷载的形式来模拟顶管推力、以及管节与地层之间的摩擦力，计算分析顶管顶进过程对周边环境的影响；

(3)计算顶管顶进时渣土的适宜状态，基于宾汉姆流体理论、顶管埋深、地下水压力计算获得渣土改良适宜状态，并通过渣土改良试验确定改良剂种类及掺入量、渣土状态参数合适的范围；

(4)顶管顶进时，通过向开挖面和压力舱内注入渣土改良剂如膨润土泥浆、泡沫、或分散剂，至步骤三得到的范围，减少刀盘结泥饼概率，便于渣土顺利排出，有利于开挖面压力的稳定；

(5)加强现场顶管顶进施工的监控，检测顶管机顶进参数变化、渣土状态变化、排渣量统计和地面沉降变化，并据此进行顶进参数反馈。

所述步骤(2)中，需要联合考虑顶管顶进推力和摩擦力作用下地面沉降特征，不同于通常只考虑顶推力的Peck沉降槽，也不同于只考虑顶推力的地表隆起。

所述步骤(3)中，所述的适宜状态基于渣土改良后达到理想的流塑状态及其在管道中的流量计算公式求得。

所述的适宜状态基于渣土改良后达到理想的流塑状态及其在管道中的流量计算公式求得。