一种泥水盾构法隧道掘进全过程稳定性智能控制系统的制作方法

1.本发明涉及泥水盾构隧道开挖领域。


背景技术：

2.传统盾构掘进控制方法依靠地面变形指标来适时调整掘进策略(包括掘进速度，刀盘转速，支护压力等)。但该方法存在一定的迟滞性，无法预测开挖面坍塌或形成渗流通道等情况，尤其对于深埋盾构隧道该方法不适用，因为变形并不会发展到地表面。此外，即使对于浅埋的盾构隧道，当地表可测得明显的位移时，通常在开挖面附近已出现不小的变形，存在明显的滞后性，因此传统的方式确切说是一种“亡羊补牢”式的控制技术。近年来，随着隧道工程逐渐向更深地层、更复杂地质环境中发展，通常存在“地表不会有有较大变形发生，但开挖面已接近失稳”的状态。这一点是传统盾构隧道掘金状态控制方法无法解决的。同时，未来的地下工程施工对地层扰动的控制需求更加严格，达到最大限度减小地层变形，甚至“零变形”的状态。因此，盾构隧道工程亟需一种实时的，防患于未然的掘进控制方法，以适应日渐提高的地下空间开发的安全要求。
3.针对上述问题，目前国内外尚未提出有效的解决方案。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，公开一种基于实时监测和计算反馈的泥水盾构隧道全过程稳定性智能控制系统，基于质量守恒的思想，建立泥水盾构“进、排浆量—掘进速度”间的联系，通过开挖出土量和密度的实时精确测量，有效提供下一时刻盾构掘进重要策略变化：实时调整掘进速度、泥水支护压力等。
5.为了实现发明目的，采用技术方案如下：
6.一种泥水盾构法隧道掘进全过程稳定性智能控制系统，包括采集系统、存储系统、信息处理系统、策略调整系统、界面模块，其中：
7.采集系统包括布置于进浆管5和排浆管6的泥浆流量传感器(共计两个：7
‑1‑
流量传感器一、7
‑2‑
流量传感器二)，分别用于获得送泥流量q
in
和排泥流量q
out
；布置于进浆管5和排浆管6的密度计(共计两个：8
‑1‑
密度计一、8
‑2‑
密度计二)，分别用以获得泥水盾构掘进过程中输入泥浆密度ρ
in
和开挖后掺土的泥浆密度ρ
out
；安装于刀盘1前端的水土压力传感器2，用以获得切削面水土压力p
s
；
8.存储系统，用于存储采集系统提供来的数据形成和积累数据档案，以及预存有用于表征地层特性的围岩变形与时间相关参数λ(t)；
9.信息处理系统，定义并确定出公式模型并计算泥水盾构掘进过程中各时刻的逸泥流速q
s1
(即因留存在隧道周围土体中而损失的泥浆流量速度)，通过前后相邻时刻的逸泥流速q
s1
、排浆密度(即掺土渣的泥浆密度ρ
out
)进行对比判断，把判断结果提供给策略调整系统；
10.所述公式模型为公式八：
[0011][0012]
根据公式八计算当下时刻逸泥流速q
s1
，q
s1
可由公式九求得：
[0013]
公式九：
[0014][0015]
策略调整系统，根据信息处理系统提供的判断结果，确定此时开挖面的安全状态，并可实时调整掘进参数，用于实时调整掘进速度、泥水支护压力，实现泥水盾构隧道开挖的实时支护策略，指导泥水盾构隧道掘进安全施工，同步运行包括以下算法过程：
[0016]
s5、当地层稳定，掘进正常时，将前一时刻的逸泥流速计算值作为下一时刻逸泥流速预测值。对比当前时刻逸泥流速的预测值与测算值，判断逸泥状态。当测算值大于预测值时，表明泥浆损失率高，泥膜破损可能性增加，应适当提高送浆密度、降低支护压力；当测算值小于预测值时，应适当降低送浆密度、维持或加快盾构掘进速度；
[0017]
s6、实时监测排浆密度，当地层稳定，掘进正常时，将前一时刻的排浆密度测量值作为下一时刻排浆密度预测值。通过前一时刻的排浆密度计算值预估下一时刻的排浆密度，并对比当前时刻排浆密度的预测值与测算值，判断是否存在潜在坍塌的风险。当测算值大于预测值时，开挖面可能发生局部坍塌，土体掉落进入泥水舱，导致泥水密度增加，可停止推进，泥水仓清淤，适当提高支护压力，直至重新建立平衡；当测算值小于预测值时，可继续推进。
[0018]
界面模块，动态反馈设计及施工，面对的用户是盾构隧道现场施工单位的技术和管理人员，可用于准确了解开挖面的稳定状态，必要时及时人工指导盾构调整掘进策略。
[0019]
有益效果：
[0020]
1、对开挖面可能发生的失稳有一定的预测效果，能够更及时根据测算值对开挖策略进行调整。
[0021]
2、不必依据地面变形监测数据反馈来调控，更易感知深埋隧道开挖面的变化情况。
附图说明
[0022]
图1为泥水盾构智能控制系统的逻辑关系
[0023]
图2为泥水盾构智能控制系统场景示意图
[0024]
图3为滞留时间示意图
[0025]
图4为本发明系统的掘进策略控制流程图
[0026]
图2中：1
‑
刀盘；2
‑
水土压力传感器；3
‑
泥膜；4
‑
泥水舱；5
‑
进浆管；6
‑
排浆管；7
‑1‑
流量传感器一(进浆)；7
‑2‑
流量传感器二(排浆)；8
‑1‑
密度计一(进浆)；8
‑2‑
密度计二(排浆)
具体实施方式
[0027]
盾构机在掘进过程中，将对重要施工信息进行收集，按照本技术所述技术方案进行处理后，可以得到相应的调整措施，及时反馈给盾构操作人员，其系统逻辑关系如图1所
示。
[0028]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0029]
一、方法理论
[0030]
s1、通过实时监测，获取泥水盾构掘进过程中清泥浆密度ρ
in
，掺土渣的泥浆密度ρ
out
，送泥流量q
in
，排泥流量q
out
，盾构推进速度v
fw
，如图1所示。
[0031]
s2、根据质量守恒关系，泥水盾构系统进出土含砂量关系可由公式一确定：
[0032]
公式一：s
f
‑
out
＝s
m
‑
out
‑
(s
m
‑
in
‑
s
m
‑
逸散
)
‑
s
松动
[0033]
其中，s
f
‑
out
为由于盾构推进占据的原地层空间所含干砂量，可由公式二计算：
[0034]
公式二：
[0035]
其中，γ
′
soil
为开挖面土体有效重度，w为开挖面土体含水率，d为盾构外直径，g为重力加速度，g
s
为土粒比重；
[0036]
s
m
‑
out
为根据监测数据得到的实际出砂量，可由公式三计算：
[0037]
公式三：
[0038]
其中，ρ
w
为水的密度；
[0039]
s
m
‑
in
为根据监测数据得到的实际进砂量，可由公式四计算：
[0040]
公式四：
[0041]
s
m
‑
逸散
为进浆逸散到周围地层中损失的干砂量，可由公式五计算：
[0042]
公式五：
[0043]
其中，q
s1
为逸泥流速；
[0044]
s
松动
为掘进扰动引起周围土体松动所导致的超挖干砂量，可由公式六计算：
[0045]
公式六：
[0046]
其中，λ'(t)为与滞留时间t和岩土体性质相关的参数，其值可由科研中惯用的软件工具采用数值模拟方法获得，也可采用传统的理论计算确定；滞留时间t表示自土体受到扰动至被挖除所占据的时间，如图2所示：v
fw
为盾构推进速度，t为滞留时间，t0为远处土体滞留时间，t1为开挖面土体滞留时间。
[0047]
s3、采用公式七预估刀盘到达指定截面所需的时间t
p
：
[0048]
公式七：其中，x
p
为指定截面与开挖面之间的距离，为一段时间内盾构掘进平均速度。
[0049]
s4、将公式二～公式七代入公式一，得到公式八：
[0050]
公式八：
[0051][0052]
根据公式八计算当下时刻逸泥流速q
s1
，q
s1
可由公式九求得：
[0053]
公式九：
[0054][0055]
s5、当地层稳定，掘进正常时，将前一时刻的逸泥流速计算值作为下一时刻逸泥流速预测值。对比当前时刻逸泥流速的预测值与测算值，判断逸泥状态。当测算值大于预测值时，表明泥浆损失率高，泥膜破损可能性增加，应适当提高送浆密度、降低支护压力；当测算值小于预测值时，应适当降低送浆密度、维持或加快盾构掘进速度。
[0056]
s6、实时监测排浆密度，当地层稳定，掘进正常时，将前一时刻的排浆密度测量值作为下一时刻排浆密度预测值。通过前一时刻的排浆密度计算值预估下一时刻的排浆密度，并对比当前时刻排浆密度的预测值与测算值，判断是否存在潜在坍塌的风险。当测算值大于预测值时，开挖面可能发生局部坍塌，土体掉落进入泥水舱，导致泥水密度增加，可停止推进，泥水仓清淤，适当提高支护压力，直至重新建立平衡；当测算值小于预测值时，可继续推进。
[0057]
其中，步骤s5与s6保持同步进行，属并列关系，共同为盾构掘进提供相应策略。
[0058]
二、应用系统
[0059]
如图2所示：
[0060]
一种泥水盾构法隧道掘进全过程稳定性智能控制系统，包括采集系统、存储系统、信息处理系统、策略调整系统、界面模块，其中：
[0061]
采集系统包括布置于进浆管5和排浆管6的泥浆流量传感器(共计两个：7
‑1‑
流量传感器一、7
‑2‑
流量传感器二)，分别用于获得送泥流量q
in
和排泥流量q
out
；布置于进浆管5和排浆管6的密度计(共计两个：8
‑1‑
密度计一、8
‑2‑
密度计二)，分别用以获得泥水盾构掘进过程中输入泥浆密度ρ
in
和开挖后掺土的泥浆密度ρ
out
；安装于刀盘1前端的水土压力传感器2，用以获得切削面水土压力p
s
(如图2所示)；
[0062]
存储系统，用于存储采集系统提供来的数据形成和积累数据档案，以及预存有用于表征地层特性的围岩变形与时间相关参数λ(t)；
[0063]
信息处理系统，定义并确定出公式模型并计算泥水盾构掘进过程中各时刻的逸泥流速q
s1
(即因留存在隧道周围土体中而损失的泥浆流量速度)，通过前后相邻时刻的逸泥流速q
s1
、排浆密度(即掺土渣的泥浆密度ρ
out
)进行对比判断，把判断结果提供给策略调整系统；
[0064]
所述公式模型为公式八：
[0065][0066]
根据公式八计算当下时刻逸泥流速q
s1
，q
s1
可由公式九求得：
[0067]
公式九：
[0068][0069]
策略调整系统，根据信息处理系统提供的判断结果，确定此时开挖面的安全状态，并可实时调整掘进参数，用于实时调整掘进速度、泥水支护压力，实现泥水盾构隧道开挖的实时支护策略，指导泥水盾构隧道掘进安全施工，同步运行包括以下算法过程：
[0070]
s5、当地层稳定，掘进正常时，将前一时刻的逸泥流速计算值作为下一时刻逸泥流速预测值。对比当前时刻逸泥流速的预测值与测算值，判断逸泥状态。当测算值大于预测值时，表明泥浆损失率高，泥膜破损可能性增加，应适当提高送浆密度、降低支护压力；当测算值小于预测值时，应适当降低送浆密度、维持或加快盾构掘进速度；
[0071]
s6、实时监测排浆密度，当地层稳定，掘进正常时，将前一时刻的排浆密度测量值作为下一时刻排浆密度预测值。通过前一时刻的排浆密度计算值预估下一时刻的排浆密度，并对比当前时刻排浆密度的预测值与测算值，判断是否存在潜在坍塌的风险。当测算值大于预测值时，开挖面可能发生局部坍塌，土体掉落进入泥水舱，导致泥水密度增加，可停止推进，泥水仓清淤，适当提高支护压力，直至重新建立平衡；当测算值小于预测值时，可继续推进。
[0072]
界面模块，动态反馈设计及施工，面对的用户是盾构隧道现场施工单位的技术和管理人员，可用于准确了解开挖面的稳定状态，必要时及时人工指导盾构调整掘进策略。