一种减小盾构开挖涌水提高工效的施工方法发明专利

专利名称：一种减小盾构开挖涌水提高工效的施工方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202411312189.8

专利申请（专利权）人：汕头大学
权利人地址：广东省汕头市金平区大学路243号

专利发明（设计）人：王延宁,陈晗,时林坡,沈水龙

专利摘要：本发明涉及一种减小盾构开挖涌水提高工效的施工方法，包括：（1）通过引入非达西流动系数来修正模型；根据地下水涌入主公式基于水平井抽水试验理论，结合含水层属性、隧道尺寸和地下水动力学，预测涌水量；（2）沿盾尾间隔布置多个环箍，环箍间交错布置，通过管片上预留的螺孔固定，在盾构轴线方向上形成封闭区间；（3）在预测或观察到涌水量较多的区域，增加该区域内环箍的铰接数量；（4）根据涌水量的大小调整注浆材料配比和聚氨酯的使用。本发明通过量化涌水量动态调整环箍的位置和注浆材料比例，有效应对不同涌水量的变化，提高对复杂地质条件的适应性。简化安装与维护过程，降低成本。对提高施工效率、增强施工安全性有重要作用。

主权利要求：
1.一种减小盾构开挖涌水提高工效的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）通过引入非达西流动系数来修正模型；根据地下水涌入主公式基于水平井抽水试验理论，结合含水层属性、隧道尺寸和地下水动力学，预测涌水量，其中预测用水量的计算公式为：其中，Q(t)为时间t时的地下水涌入量，kx，ky，kz为水平和垂直渗透系数， 是在时间t和距离 处的降水位或降深，VP为比存储量，D为限制性含水层的厚度，C和A 是调整系数，n是非达西流动指数，是从隧道中心到含水层中某点的距离；
（2）在盾构的水平方向沿盾尾间隔布置多个环箍，且环箍之间交错布置，并通过盾构管片上预留的螺孔固定，在盾构空间轴线方向上形成封闭区间；
（3）在预测或观察到涌水量较多的区域，增加该区域内环箍的铰接数量，确保所有关键的缝隙和接缝都被环箍覆盖；
（4）根据涌水量的大小调整注浆材料的配比和聚氨酯的使用情况。
2.根据权利要求1所述减小盾构开挖涌水提高工效的施工方法，其特征在于，所述多个环箍拼接而成环形截水圈，水平方向上环箍的间距随涌水量增大而减小。
3.根据权利要求1所述减小盾构开挖涌水提高工效的施工方法，其特征在于，步骤（4）所述根据涌水量的大小调整注浆材料的配比和聚氨酯的使用情况的方法为：涌水量大于等
3 3
于300m/day、小于900m/day时，注浆材料为水泥与水玻璃，不添加聚氨酯；水泥与水玻璃的质量比为2:1到1:1。
4.根据权利要求1所述减小盾构开挖涌水提高工效的施工方法，其特征在于，涌水量大3
于900m/day时，注浆材料为水泥、水玻璃和聚氨酯，水泥、水玻璃和聚氨酯的质量比为1：
1：0.1‑0.3。
5.根据权利要求3或4所述减小盾构开挖涌水提高工效的施工方法，其特征在于，位于盾构顶部的注浆材料会增加水玻璃的比重，水泥与水玻璃的质量比为1.8:1到1:1.2。
6.根据权利要求2所述减小盾构开挖涌水提高工效的施工方法，其特征在于，所述环箍的个数为3个。 说明书 : 一种减小盾构开挖涌水提高工效的施工方法技术领域[0001] 本发明属于岩土工程技术领域，具体涉及一种减小盾构开挖涌水提高工效的施工方法。背景技术[0002] 在现代隧道施工中，盾构技术是一种先进的机械化施工方法，广泛应用于地铁、铁路、公路隧道的建设。尤其是在城市地下结构复杂、地质条件多变的环境中，盾构机的使用尤为重要。然而，在穿越地下水资源丰富、水压较高的砂卵石地层、软硬岩分界面及裂隙发育地层时，面临的最大挑战之一便是地下水的涌入。地下水往往会沿着管片与盾构机体之间的缝隙，在重力的作用下向盾构开挖面聚集，造成大量涌水。这种涌水不仅给盾构机的正常运行带来严重障碍，还会影响施工安全，增加施工成本，降低施工效率。[0003] 目前，针对盾构开挖过程中的涌水问题，业界已经采取了一些措施来尽量减少涌水带来的负面影响。最常见的一种方法是整体封堵法，即在涌水严重的区段，常采用大面积的封堵方法，如使用水泥基混合物直接封堵整个涌水区域。此外，施工队伍常采用的另一种方法是局部注浆法，对特定涌水点进行定点处理，通过在涌水点附近钻孔注入水泥浆或其他填充材料，以堵塞水流路径。这种方法侧重于处理特定的涌水点，而非整体水流。在一些案例中，还会使用物理障碍如金属板或塑料膜来物理阻断水流，通过将这些障碍安置在在预测的涌水路径上实现物理封堵。但是整体封堵法需要大量的人力和物力资源，局部注浆法封堵涌水的效果又十分有限，尤其是在紧急情况下，快速有效地封堵涌水点成为一大挑战；上述方法往往反应慢，需要大量时间准备和实施。大规模使用水泥浆或其他封堵材料，尤其是在大面积涌水区，会导致成本急剧上升；物理障碍的安装和维护也需要额外的投入。一旦封堵措施实施后，对于地质条件或涌水状况的变化难以迅速适应。尤其是在地质复杂或水文条件不稳定的区域，一旦封堵失败，重新处理非常困难。大量使用化学封堵材料可能对周边环境造成负面影响，特别是化学物质可能渗透到地下水中，影响水质安全。发明内容[0004] 本发明的目的在于提供一种减小盾构开挖涌水提高工效的施工方法，以解决传统整体封堵或者局部注浆、机械封堵的方法存在效率低下、成本高昂、灵活性差、对环境影响大等问题。[0005] 一种减小盾构开挖涌水提高工效的施工方法，包括以下步骤：[0006] （1）通过引入非达西流动系数来修正模型；根据地下水涌入主公式基于水平井抽水试验理论，结合含水层属性、隧道尺寸和地下水动力学，预测涌水量；[0007] （2）水平方向岩盾尾间隔布置环箍，环箍间距随涌水量增大而减小，同时通过盾构管片上预留的螺孔，三道环箍交错布置，在空间沿盾构轴线方向上最大程度形成密闭空间，加强封堵效果；[0008] （3）在预测或观察到渗水较多的区域，增加该段上铰接环箍的数量，涌水量越大，越接近一个完整圆环，增大封堵面积，以减少漏水点的发生，确保所有关键的缝隙和接缝都被环箍覆盖，特别是那些在地质勘探中被识别为潜在高渗水区的部分；[0009] （4）根据涌水量的大小调整注浆材料的配比和聚氨酯使用情况。[0010] 本发明提出了一种基于复合注浆环箍的盾构隧道涌水控制技术，通过量化涌水量动态调整环箍的位置和注浆材料的比例，有效应对不同涌水量的变化，显著提高了对复杂地质条件的适应性。同时简化了安装与维护过程，降低了运维成本。此外，通过优化材料配比，如在高水量时添加聚氨酯，增强了封堵效果，提升了长期稳定性。对提高施工效率、增强施工安全性方面有重要作用。[0011] 进一步的，步骤（1）预测用水量的计算公式为：[0012][0013] 其中，Q(t)为时间t时的地下水涌入量，kx，ky，kz为水平和垂直渗透系数，是在时间t和距离 处的降水位或降深，VP为比存储量，D为限制性含水层的厚度，C和A是调整系数，n是非达西流动指数， 是从隧道中心到含水层中某点的距离。[0014] 本发明引入非达西流动特性：引入调整系数（C和A）用以适应特定的地质和水文条件；非达西流动指数（n），通过考虑非达西流动特性（即水流行为在高渗透性介质中偏离传统达西定律的现象），公式能更精确地预测在复杂地质条件下的涌水量，尤其是在高渗透性或高水压的环境中，使得公式可以应用于更广泛的地质环境，特别是那些传统达西流动模型不能有效描述水流行为的场合。[0015] 本发明具有动态预测能力：公式考虑了涌水量随时间变化的特性，即引入时间（t），公式不仅仅是在项目开始阶段有用，而且可以在整个施工过程中提供关键的数据支持，帮助进行动态的风险管理和决策。[0016] 涌水量的确定：传统方法往往凭借经验或者现场情况来判断涌水量大小，本发明运用具体公式量化涌水量，适用范围更广也更精确。[0017] 环箍的动态调节：能够根据实时监控的涌水情况动态调整环箍的水平分布和注浆材料的比例，实现更为精确和高效的涌水控制。[0018] 环箍的交错布置：交错布置三道环箍允许施工队分段进行安装，每次只需安装一部分环箍，减少了施工现场的复杂性和协调难度，在需要维护时，只需对特定段的环箍进行处理，不需大规模拆卸和重新铺设，同时节约成本，将资源集中在关键涌水点进行处理，避免在低风险区域浪费材料和时间。提供了更多的重叠区域，可以覆盖更多的潜在漏水点；同时每道环箍间的交错布局可以使涌水压力分散到多个点和多个方向上，减少了单一环箍承受全部涌水压力的情况。这不仅提高了环箍的耐久性，也增加了整体结构的稳定性，有助于平衡和分散地质应力，从而降低因地质移动或变形导致的封堵失效风险。[0019] 复合材料的使用：通过合理配比水泥、水玻璃和聚氨酯，根据不同的涌水情况调整，提高了封堵材料的适应性和效果。水玻璃在遇水后可以快速凝固，形成凝胶状物质，有效地堵塞水流路径。相比之下，水泥虽然提供更高的结构强度，但固化速度较慢。[0020] 进一步的，所述多个环箍拼接而成环形截水圈，环箍间距随涌水量增大而减小，盾构环线上根据确定的水量大小由疏到密布置环箍。[0021] 进一步的，步骤（4）所述根据涌水量的大小调整注浆材料的配比和使用方法为：涌3 3水量为300‑600m/day以及600‑900m/day之间时，水泥与水玻璃的质量比为2:1到1:1。涌3水量大于900m/day时，注浆材料为水泥、水玻璃和聚氨酯，水泥、水玻璃和聚氨酯的质量比为1：1：0.1‑0.3。[0022] 进一步的，位于盾构顶部的注浆配方会增加水玻璃的比重，水泥与水玻璃的质量比为1.8:1到1:1.2。[0023] 一种复合注浆环箍系统，包括在盾构的水平方向沿盾尾间隔布置多个环箍，且环箍之间交错布置，通过盾构管片上预留的螺孔固定，在空间的盾构轴线方向上形成封闭区间。[0024] 本发明的装置中为多块环箍拼接而成，且每一道环箍交错布置，通过管片上预留的螺孔固定，在空间的盾构轴线方向上形成封闭区间。本发明的多块环箍拼接结构相对一体型环箍提高了安装效率，同时节约成本。且整体封堵情况下，一旦封堵措施实施后，对于地质条件或涌水状况的变化难以迅速适应。尤其是在地质复杂或水文条件不稳定的区域，一旦封堵失败，重新处理非常困难，分散交错安装使得施工灵活性有效提升。本发明的三道环箍提供了更多的重叠区域，可以覆盖更多的潜在漏水点；同时每道环箍间的交错布局可以使涌水压力分散到多个点和多个方向上，减少了单一环箍承受全部涌水压力的情况。这不仅提高了环箍的耐久性，也增加了整体结构的稳定性，有助于平衡和分散地质应力，从而降低因地质移动或变形导致的封堵失效风险。[0025] 一种涌水量计算方法，计算公式为：[0026][0027] Q(t)为时间t时的地下水涌入量，kx，ky，kz为水平和垂直渗透系数， 是在时间t和距离 处的降水位或降深，VP为比存储量，D为限制性含水层的厚度，C和A是调整系数，n是非达西流动指数， 是从隧道中心到含水层中某点的距离。[0028] 与现有技术相比，本发明具有以下优势:[0029] （1）本发明根据确定的涌水量动态调整注浆配比，同时考虑了重力影响，位于盾构顶部的注浆配方会增加水玻璃的比重，以更好地对抗由于重力造成的涌水聚集；通过优化注浆材料的配比和使用，增强了长期的稳定性和封堵效果。[0030] （2）本发明量化了涌水量大小，能够根据实际涌水情况动态调整封堵策略，提高了施工适应性和响应速度。[0031] （3）本发明环箍的设计更加符合实际施工需求，简化了安装和维护过程。本发明采用复合注浆环箍替代传统的止水环，通过改进环箍的设计和材料选择，从而提高盾构施工的安全性、效率和环境适应性。本发明还在涌水量较大时添加高分子材料聚氨酯加强封堵效果。附图说明[0032] 图1是本发明的减小盾构开挖涌水提高工效的施工流程图；[0033] 图2是本发明的环箍水平分布图；[0034] 图3是本发明的三道环箍在盾构剖面方向的分布图；[0035] 图4中（a）和（b）分别是本发明三道环箍在涌水量较小和较大情况下，在盾构轴线空间方向上的分布图；[0036] 其中1‑盾尾，2‑注浆孔，3‑后腔油脂孔，4‑前腔油脂孔，5‑管片，6‑注浆，7‑环箍（其中7‑1、7‑2、7‑3这三个环箍一起拼接构成环形截水圈），8‑盾尾间隙；[0037] 图5是某一段时间的涌水量分布图。具体实施方式[0038] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。[0039] 实施例1[0040] 一种复合注浆环箍系统，该系统包括多个按照预设距离配置在盾尾附近的实心环箍。这些环箍根据前期地质勘察结果和计算得出的涌水量数据，动态调整其在水平方向上的分布和注浆材料的比例。[0041] 具体技术方案如下图1所示，包括以下步骤：[0042] （1）涌水量分类与响应：在高渗透性地层或涌水量特别大的情况下，水流可能会偏离经典的达西流动。通过引入非达西流动系数来修正模型；根据地下水涌入主公式基于水平井抽水试验理论，结合了含水层属性、隧道尺寸和地下水动力学提出水量计算公式：[0043][0044] 其中，Q(t)为时间t时的地下水涌入量，表示的是时间间隔，即从涌水源（如盾构机开始作业）激活到进行计算的这段时间内的总秒数，kx，ky，kz为水平和垂直渗透系数，是在时间t和距离 处的降水位或降深， 是从隧道中心到含水层中某点的距离。VP为比存储量，D为限制性含水层的厚度，C和A是调整系数，用以适应特定的地质和水文条件，n是非达西流动指数，表示水力传导率对涌水量的非线性影响。[0045] 结合实例对上述基于水平定向钻探勘察孔的隧道开挖涌水量预测方法进行[0046] 验证说明：[0047] 本实例中所在一段富水岩溶地层所测数据为：特定的地质和水文条件，n是非达西流动指数，表示水力传导率对涌水量的非线性影响， 是适用特定的地质和水文条件。本实−5 −5施例中水力传导率kx=ky=kz=8.5×10 m/s；比存储量S=8×10 m/s，降深 =2.0m，含水层厚度D=50m，非达西流动指数n=1.5，由富水岩溶地层所确定的调整系数C=0.005和A=0.8，时间=86400s(1天)，距离 =1.5m[0048] 计算结果为[0049][0050] 同理，由本公式计算的一段时间的涌水量分布见图5。[0051] （2）环箍设置：水平方向岩盾尾间隔布置环箍，环箍间距随涌水量增大而减小，盾构环线上随确定的水量大小由疏到密布置环箍，同时通过盾构管片上预留的螺孔，三道环箍交错布置，在空间沿盾构轴线方向上最大程度形成密闭空间，加强封堵效果，如图2‑图4所示。[0052] （1）在预测或观察到渗水较多的区域，增加环箍的密度，即增加该段上铰接环箍的数量，增大封堵面积，同时减少漏水点的发生，确保所有关键的缝隙和接缝都被环箍覆盖，特别是那些在地质勘探中被识别为潜在高渗水区的部分，如图4中（a）和（b）所示三道环箍在涌水量由小变大情况下，在盾构轴线空间方向上的分布情况。[0053] （4）涌水量分类与响应：根据涌水量的大小调整注浆材料的配比和聚氨酯使用。[0054] 水量分为300‑600每天立方米（m3/day）以及600‑900m3/day时，使用水泥(K1)与水3玻璃(K2)的混合物；涌水量大于900m /day时，根据超出范围大小添加聚氨酯K3以增强封3 3堵效果。注浆材料的优化：水量为300‑600m /day以及600‑900m /day之间时，K1:K2由2:13逐渐变化至1:1；涌水量大于900m/day，则根据超过范围的水量大小，添加聚氨酯，以增强封堵和防水效果。涌水量与注浆材料的配比和使用情况如表1所示。[0055] （5）重力影响的考虑：在垂直分布上，考虑到重力作用，位于盾构顶部的注浆配方会增加水玻璃的配比，以更好地对抗由于重力造成的涌水聚集。[0056] 表1涌水量与注浆材料的配比和使用情况[0057][0058]

专利地区：广东

专利申请日期：2024-09-20

专利公开日期：2024-11-22

专利公告号：CN118815510B