一种顶管施工的地层动态适配施工方法与流程

本发明涉及市政施工，具体为一种顶管施工的地层动态适配施工方法。

背景技术：

1、顶管法施工作为一种非开挖地下管道施工技术，广泛应用于城市给排水、电力隧道、公路铁路涵洞及综合管廊等工程建设领域，当顶管机穿越硬岩、软硬不均地层或高磨蚀性岩层时，通常需在掌子面前方实施预裂注浆，通过高压注入浆液在孔周岩体内诱发可控的张拉裂缝网络，以弱化岩体完整性、降低顶进阻力并保障开挖面稳定。而预裂注浆能否达到预期效果，很大程度上取决于注浆量的合理确定，而注浆量直接关乎成缝质量、材料消耗与施工安全。

2、在现有技术中，公开号为cn117514187a的中国专利公开了一种大断面顶管施工分孔区别注浆的方法及系统，该技术包括：包括设计顶管机顶推施工路线，获取第一应力数值以及角度数值，根据应力数值得出顶管机顶推施工所在位置的土质情况，当应力数值小于预设的第一应力阈值时，地质情况判断为软土地质；根据角度数值得出顶管机的偏位情况，当角度数值大于预设的角度阈值时，偏位情况反映为顶管机发生偏位现象；当地质情况为软土地质时，向顶管机顶部外和两侧外喷出膨润土浆液，以对管节外壁进行润滑；向顶管机底部喷出速凝水泥浆，速凝水泥浆与顶管机下方的软土地质结合形成受力的持力层；当偏位情况反映出顶管机发生偏位现象时，对顶管机进行纠偏。上述技术方案具有提高顶管施工效率的效果。

3、但上述现有技术中，其通过应力传感器判断土质情况、并通过角度传感器判断顶管机偏位，并在偏位时加大注浆量进行纠偏，但其注浆量调整仅基于顶管机自身的偏位角度，并未将钻孔偏斜度、结构面产状及临空面形态等几何边界条件纳入注浆量的量化计算体系；存在以下不足：首先，缺少对临空面边界条件的量化评估手段，钻孔偏斜、结构面产状不利组合及临空面起伏形态等因素对浆液扩散路径的牵引效应无法被有效纳入注浆量计算，当钻孔斜交临空面或遇顺层结构面时，浆液优先沿低阻通道逸散，实际作用于孔周岩体的有效浆量严重不足，而传统经验法无法对此作出自适应补偿，极易造成注浆盲区；其次上述方案缺乏安全限幅机制，当遭遇极端不利工况时，仅凭经验加大注浆量往往事倍功半，反而加剧压力失控风险，而在抵抗线异常充裕的条件下，又无法给出注浆量下限保障，存在孔间裂缝无法有效贯通的隐患。

4、在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种顶管施工的地层动态适配施工方法，以解决上述背景技术中提出的问题。本发明构建了先确定基础注浆参数、再根据现场情况修正参数、最后设置安全压力上限三层动态适配体系，通过三项核心物理力学参量建立注浆需求定量映射，使基准注浆量随岩性自适应调整；通过最小抵抗线映射指数将结构面产状、钻孔偏斜度、临空面形态等几何边界量化为修正变量，补偿抵抗线不足时的浆液逸散，解决注浆盲区；通过阈值限幅规避压力失控与裂缝不贯通风险，该方法实现注浆量随地层条件动态调节，有效减少材料浪费，提升成缝质量与围岩稳定性，将传统经验估算升级为地层精准适配。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种顶管施工的地层动态适配施工方法，包括以下步骤：

4、s1：在预裂钻孔施工前，提取目标岩层的基础物理力学特征参量，所述基础物理力学特征参量包括：岩石断裂韧性、岩石单轴抗拉强度及岩层饱和吸水率，对采集的基础物理力学特征参量进行预处理，以消除量纲差异，获取处理后的岩石抗裂属性评价特征向量；

5、s2：构建临界起裂注浆量前馈映射函数，将预处理后的抗裂属性特征向量输入临界起裂注浆量前馈映射函数，计算得到基准注浆量；

6、s3：采集目标岩层预裂孔最小抵抗线特征参量，所述最小抵抗线特征参量包括岩体结构面产状、钻孔偏斜度及临空面形态，对采集的最小抵抗线特征参量进行预处理，获取预处理后的最小抵抗线评价特征向量；

7、s4：建立最小抵抗线映射函数，将预处理后的抵抗线评价特征向量代入该函数，运算获取最小抵抗线映射指数；

8、s5：构建注浆量动态适配修正函数，将所述最小抵抗线映射指数作为修正变量输入所述注浆量动态适配修正函数，输出最终优化注浆量。

9、所述s1中的物理力学特征参量采集流程为：

10、岩石断裂韧性的采集流程为：将现场钻取的岩芯或岩块加工成标准断裂试样，在材料试验机上以恒定位移速率加载，同步采集载荷与加载点位移数据，并记录临界失稳时的峰值载荷；依据试样几何类型和裂纹预制尺寸，将峰值载荷代入对应断裂韧性计算公式，得到该岩样的临界应力强度因子值，将其作为岩石断裂韧性值；

11、岩石单轴抗拉强度：将岩样制备成圆柱形或圆盘形标准试件，对圆柱试件采用直接拉伸法，对圆盘试件采用巴西劈裂法，在加载过程中连续记录载荷直至试件破坏，获取最大破坏载荷，结合试件承压面积或直径厚度尺寸，计算抗拉强度，并取同组试件的平均值作为岩石单轴抗拉强度；

12、岩层饱和吸水率：将规则岩样置于烘箱中烘干至恒重，冷却后称量干重，再将岩样放入水中采用煮沸法或真空抽气法强制饱和，直至无气泡逸出且质量不再增加，取出擦干表面水分后称量饱和湿重，由饱和湿重与干重之差除以干重，并乘以100%，获得饱和吸水率。

13、进一步地，对获取的岩石断裂韧性、岩石单轴抗拉强度、岩层饱和吸水率物理力学特征参量进行预处理，剔除异常数据、补齐缺失参量，统一数据量纲与格式，形成标准化岩层特征参数集。

14、进一步地，所述临界起裂注浆量前馈映射函数为：

15、；

16、其中：

17、为预处理后的基准注浆量；

18、为浆液黏度修正系数；

19、为预处理后的岩层饱和吸水率；

20、为预处理后的岩石断裂韧性；

21、为预处理后的岩石单轴抗拉强度；

22、为岩体完整性修正系数。

23、进一步地，所述s3对最小抵抗线特征参量进行预处理：剔除结构面异常极点并按组别规整；筛除测斜无效值并校正误差，换算偏斜率及重构钻孔轨迹；清理点云噪点，统一坐标并提取临空面形态特征；再经归一化映射消除量纲，得到最小抵抗线评价特征向量。

24、进一步地，最小抵抗线映射函数为：；

25、其中：

26、为修正后的最小抵抗线；

27、为基准抵抗线；

28、为岩体结构面产状修正系数；

29、为钻孔偏斜度修正系数；

30、为临空面形态修正系数。

31、进一步地，还包括基准抵抗线的获取流程：

32、；

33、其中：

34、为预裂孔有效钻孔深度；

35、为钻孔轴线与临空面法线方向的空间夹角；

36、为结构面体积密度；

37、为结构面密度影响权重系数。

38、进一步地，最小抵抗线映射指数为：

39、；

40、其中：

41、为最小抵抗线映射指数；

42、为设计注浆孔间距；

43、当≥1.0时，表明单孔注浆覆盖范围足以搭接相邻孔，注浆量需求稳定；

44、当<1.0时，表明孔间距偏大或抵抗线偏小，需增加注浆量以保证有效覆盖。

45、进一步地，最终优化注浆量公式为：

46、；

47、其中：

48、为最终优化注浆量；

49、为最小抵抗线映射指数的临界下限阈值；

50、为最小抵抗线映射指数的临界上限阈值。

51、进一步地，所述最小抵抗线映射指数的临界下限阈值和临界上限阈值按以下方式标定：

52、在施工前，于目标岩层现场选取试验段，布置多个注浆试验孔，在各试验孔分别施加不同梯度的注浆压力与注浆量进行预裂注浆试验，同步采集各试验孔的孔周裂缝扩展范围、注浆压力响应曲线及浆液扩散半径数据，并计算各试验孔对应的最小抵抗线映射指数ξ；

53、以各试验孔的浆液有效扩散半径达到设计注浆孔间距的0.5倍时的最小抵抗线映射指数作为有效覆盖临界值，标定为所述临界下限阈值；

54、以各试验孔的浆液有效扩散半径达到设计注浆孔间距的1.5倍时的最小抵抗线映射指数作为饱和覆盖临界值，标定为所述临界上限阈值。

55、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

56、本发明通过引入岩体本征抗裂属性与临空边界条件的双域耦合驱动机制，先确定基础注浆参数、再根据现场情况修正参数、最后设置安全压力上限三层动态适配体系，该方法通过采集岩石断裂韧性、单轴抗拉强度及饱和吸水率三项核心物理力学参量，建立与注浆需求的定量映射关系，使基准注浆量随岩性变化自动匹配调整，消除了传统经验法依赖人工估算的主观偏差，显著提升了注浆方案设计的科学性与针对性；同时，通过引入最小抵抗线映射指数，将结构面产状、钻孔偏斜度、临空面形态等几何边界条件量化为动态修正变量，当抵抗线不足时自动补偿注浆量以克服浆液沿临空面的优先逸散，有效解决了斜交钻孔及不利结构面组合工况下的注浆盲区难题；此外，通过安全阈值限幅机制将注浆量锁定在合理区间内，既防止了注浆压力失控引发的掌子面失稳风险，又避免了注浆量过低导致孔间裂缝无法贯通的成缝失效；该方法使注浆量随地层条件实时动态调整，有效降低材料浪费，提高预裂成缝均匀性与围岩稳定性，缩短施工周期，将传统预裂注浆从静态经验估算升级为地层动态精准适配。