一种黏性土地层盾构刀盘结泥饼风险判断方法

技术领域

本发明属于盾构施工技术领域，具体涉及一种黏性土地层盾构刀盘结泥饼风险判断方法。

背景技术

随着我国城市轨道交通建设快速发展，盾构施工应用范围不断拓宽，在复杂地层中施工面临的困难与日俱增。当盾构在全、中风化泥岩、泥质砂岩等黏性地层中掘进时，通常会遇到刀盘结泥饼的工程问题。

刀盘结泥饼，通常会导致刀盘刀具被固结黏土糊住，使得刀具贯入度降低，施工效率下降，并导致滚刀偏磨、刀盘钢结构受损等，甚至会引发工程事故。如重庆轨道交通六号线的复合式TBM在泥岩地层掘进时，出现严重的刀盘结泥饼情况，导致推进异常、推力增大且扭矩减小；扬州瘦西湖隧道的泥水盾构在穿越膨胀性黏土层时，因黏土较强的黏性，导致刀盘和泥水舱发生堵塞，甚至管路出现爆裂，严重影响工程进度与施工安全；南京地铁4号线12标段为泥质砂岩地层，土压盾构在掘进时总推力与扭矩增大、掘进速度逐渐下降，难以保持土压平衡，渣土温度与循环水温上升，结泥饼部位高达50％～60％。

目前国内外对于刀盘结泥饼的判断研究主要是在工程实践经验的基础上，结合塑性指数IP、稠度指数I C以及天然含水率ω等指标提出盾构刀盘结泥饼的风险预测图表。或者，在此基础上提出一种试验预测方法，结合锥形金属拉拔试验测定的极限拉拔强度与金属表面的平均面积黏附量，将不同状态的渣土划分到4个风险区域，以此预测不同状态下渣土堵塞盾构刀盘的风险。但未考虑到盾构隧道工程中施工条件的设置、掘进参数的控制以及施工温度等外界因素也是造成盾构刀盘结泥饼的重要原因。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足之处，提供一种黏性土地层盾构刀盘结泥饼风险判断方法，该方法是通过黏性土试验得到不同作用时间内，对不同含水率的土体在不同温度、压力共同作用下的黏附强度规律与抗剪强度规律，结合土体性质参数、外部环境因素以掘进施工参数等，从力学角度出发综合准确地判断盾构刀盘是否存在结泥饼的风险，保证盾构施工能够安全顺利进行。

为了实现本发明的目的，我们将采用如下所述的技术方案加以实施。

一种黏性土地层盾构刀盘结泥饼风险判断方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：开展黏性土试验，对土体进行黏附强度f与抗剪强度τ的测定；

S2、根据S1的试验结果进行拟合，得到相应的黏附强度规律以及抗剪强度规律；

S3、根据土体性质参数和工程施工参数，通过公式计算得到盾构刀盘接触应力P

S4、通过黏附强度f和抗剪强度τ的大小关系对刀盘结泥饼风险进行判断：

当f＞τ时，刀盘存在结泥饼高风险；

当0.5τ＜f＜τ时，刀盘存在结泥饼的中风险；

当f＜0.5τ时，刀盘结泥饼的低风险。

作为本发明的优选方案，所述的黏性土试验包括黏附强度试验和抗剪强度试验，试验主要是在不同作用时间t内，对不同含水率ω的土体在不同温度T、不同压力P共同作用下的黏性土与金属界面之间的黏附强度与黏性土自身抗剪强度进行测定。

作为本发明的优选方案，所述的黏附强度规律以及抗剪强度规律是依据试验结果进行拟合得到的相关方程，分别为F(ω，T，P，t，f)＝0、F(ω，T，P，t，τ)＝0，其中f为黏附强度，τ为抗剪强度。

作为本发明的优选方案，所述的土体性质参数包括土体重度γ、泊松比μ、压缩模量Es0.1～0.2；所述的工程施工参数包括盾构埋深z、盾构推进速度v、刀盘开口率ξ、盾构直径D、刀盘闭口部分辐数k，刀盘转速w。

作为本发明的优选方案，所述的盾构刀盘接触引力P

式中，P

作为本发明的优选方案，所述确定盾构土仓压力P的公式为：

式中，Pa为主动土压力，K

作为本发明的优选方案，所述的计算相应的黏附强度f和抗剪强度τ是将ω、T、P

有益效果

本发明通过黏性土试验得到不同作用时间内，对不同含水率的土体在不同温度、压力共同作用下的黏附强度规律与抗剪强度规律，结合土体性质参数、施工参数以及外部环境因素，确定盾构施工时刀盘接触应力和土仓压力，得到相应条件下的黏附强度f与抗剪强度τ，根据两者的大小关系进行刀盘结泥饼的风险判断；其结果相较于以往的基于塑性指数IP、稠度指数I C等土体性质指标与工程实践经验而来的结泥饼风险预测图，更为全面、准确。

附图说明：

图1是本发明提供的一种黏性土地层盾构刀盘结泥饼风险判断方法的流程图。

具体实施方式：

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现依据附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

作为本发明的实施例，如图1所示，某盾构工程施工地层为粉质黏土层，该黏性土含水率ω为35％，重度γ为19kN/m

根据所述方法中的S1，对该黏性土展开黏附强度试验和抗剪强度试验，设置试验温度为40℃，试验时间保持在10min，竖向压力为100～400kPa(共四级)，对含水率为35％的黏性土的黏附强度与抗剪强度进行测定，结果如表1所示：

根据上述的试验结果，得到相应的黏附强度规律与抗剪强度规律，为简便计算，在确定含水率为35％、温度为40℃、作用时间为10min的情况下，规律方程可简化为黏附强度(抗剪强度)关于竖向压力的一次函数，其中黏附强度规律为f＝0.31P+5.93，抗剪强度规律为τ＝0.36P+27.17。

表1不同竖向压力所对的黏附强度与抗剪强度

根据给定的土体性质参数和工程施工参数，计算盾构刀盘接触应力P

其中K

为简便计算，确定土仓压力为静止土压力P

将计算得到的刀盘接触应力P

f＝0.31×496.13+5.93＝159.73kPa

τ＝0.36×114+27.17＝68.21kPa

根据f＝159.73kPa＞τ＝68.21kPa，可以判断该情况下盾构刀盘存在结泥饼的高风险。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。