本发明涉及非开挖施工技术领域，具体而言，涉及一种顶管机掘进施工方法。
背景技术：
目前，顶管施工工艺是一种非开挖的施工方法，通过该施工方法可以在少开挖或者不开挖的情况下进行管道埋设。顶管施工工艺在工作时，顶管机产生的顶力用于克服管道与周围土壤的摩擦力，以将管道按设计的坡度顶入至土层中，并将土方运走。随着顶管机的工作，管道将由工作井内穿过土层进入接收井内。
但是，现有技术中的顶管机掘进施工的施工效果不好，容易导致较大施工偏差。
技术实现要素：
本发明的主要目的在于提供一种顶管机掘进施工方法，以解决现有技术中的顶管机掘进施工效果不好问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种顶管机掘进施工方法，包括：根据顶管机的埋深、地质情况和环境条件对顶管机的掘进参数进行预测计算；在顶管机工作时对地面沉降变形情况进行检监测，并根据监测结果对预测的掘进参数进行验证；掘进参数包括土压力值，土压力值的理论计算公式如下：p0＝k×γ×h；其中，p0为顶管机正面土压力的理论计算值，k为土的侧向压力系数，γ为土的容重，h为顶管的影响深度；实际采用的土压力值为p，预备压力为p1，实际土压力值的计算公式如下：p＝p0+p1。
进一步地，掘进参数还包括出土量，出土量的理论计算公式如下：v0＝(π/4)×d2×l×n；其中，v0为出土量的理论计算值，n为虚方系数，d为顶管机掘进形成的洞穴的直径，l为顶管机掘进形成的洞穴的长度；实际采用的出土量为v，0.98v0≤v≤v0。
进一步地，掘进参数还包括推进速度，顶管机掘进施工方法还包括：在顶管机推进时，通过土压力传感器对盾构千斤顶的推进速度进行检测，并对盾构千斤顶的推进速度进行调整，以使盾构千斤顶的推进速度与出土速度相匹配，以保持适当的土压力值。
进一步地，顶管机掘进施工方法还包括：采用自动导向系统以及纠偏系统对顶管机的轴线和姿态进行控制。
进一步地，采用自动导向系统以及纠偏系统对顶管机的轴线和姿态进行控制具体包括：采用自动导向系统对盾构的姿态进行检测，以观测盾构的位置与设计轴线的水平偏差和竖直偏差，并通过水平偏差和竖直偏差调整推进油缸以控制掘进方向。
进一步地，调整掘进方向包括：纠偏角度α，其中，10′≤α≤20′。
进一步地，顶管机掘进施工方法还包括在顶管时采用同步注浆工艺进行同步注浆，同步注浆工艺包括：向机尾注浆，以填充机头与管节件的空隙，并建立泥浆套；其中，机尾注浆的注浆量为v1，机头与钢管间的空隙容积为v2，3v2≤v1≤6v2。
进一步地，同步注浆工艺还包括：在建立泥浆套后，沿掘进的线路进行补浆，以修补泥浆套损失，沿线补浆的补浆量为v3，3v2≤v3≤5v2。
进一步地，同步注浆工艺还包括：在隧道的洞口注浆，在洞口的止水圈内安装注浆管和球阀以进行注浆。
进一步地，顶管机掘进施工方法还包括：在顶管机的掘进过程中，通过顶管机向刀盘面或土仓内注入添加剂，刀盘转动以使添加剂与土碴混合，以增大土体的塑流性。。
应用本发明的技术方案，通过本发明的施工方法计算得到的实际土压力值，并根据土压力值进行挖掘，这样能够对施工参数进行综合协调和优化，以提高施工效果。因此，通过本发明提供的顶管机掘进施工方法，能够解决现有技术中的顶管机掘进施工效果不好问题。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。
本发明实施例提供了一种顶管机掘进施工方法，该顶管机掘进施工方法包括：根据顶管机的埋深、地质情况和环境条件对顶管机的掘进参数进行预测计算；在顶管机工作时对地面沉降变形情况进行检监测，并根据监测结果对预测的掘进参数进行验证；掘进参数包括土压力值，土压力值的理论计算公式如下：p0＝k×γ×h，该公式为朗金经典公式；其中，p0为顶管机正面土压力的理论计算值，k为土的侧向压力系数，γ为土的容重，h为顶管的影响深度；实际采用的土压力值为p，预备压力为p1，实际土压力值的计算公式如下：p＝p0+p1。
采用本发明提供的顶管机掘进施工方法，能够计算得到的实际土压力值，并根据土压力值进行挖掘，这样能够对施工参数进行综合协调和优化，以提高施工效果。因此，通过本发明提供的顶管机掘进施工方法，能够解决现有技术中的顶管机掘进施工效果不好问题。
采用土压平衡模式掘进时，土压力的设定是施工的关键，包含了推进力、推进速度和出土量三者的相互关系，对顶管施工轴线控制和地层沉降控制起主导作用。对于砂而言：k＝0.34-0.45，对于粘土而言：k＝0.5-0.7，以最下层钢管顶进时土压力控制为：p0＝0.5×20×13.1＝131kpa。因该工程对沉降要求严格，考虑10-20kpa作为预备压力，实际控制值按照131+20＝151kpa。
施工中通过设在刀盘和密封仓的压力计测定，结合地质、埋深和地面监控量测信息的反馈分析，适时优化调整土压力、推进速度、推进力及注浆量的设定值，以确保地面变形控制在规定的范围内。
密封仓内土压力以螺旋输送机转速和出土门的开度控制，即以出土量控制。掘进参数还包括出土量，出土量的理论计算公式如下：v0＝(π/4)×d2×l×n。其中，v0为出土量的理论计算值，n为虚方系数，d为顶管机掘进形成的洞穴的直径，l为顶管机掘进形成的洞穴的长度；实际采用的出土量为v，0.98v0≤v≤v0。理论每米出土量：v＝(π/4)×d2×l×n＝(π/4)×2×2×1.3＝4.04m3/m。
n为虚方系数，根据现场实际确定，软土地层的n值一般在1.3左右。采用土压平衡模式掘进时，实际出土量控制出土量在理论的98％～100％之间，以维持一定土压力，保证顶管正面土体的稳定。
出土量多少直接影响到刀盘正面土压力和开挖面的稳定，控制排土量是控制地表变形的重要措施。在保持一定正面土压力时，其排土量取决于输送机的转速，而螺旋输送机的转速与顶管机推进千斤顶推进速度协调，较好保持土压平衡。
在本实施例中，掘进参数还包括推进速度。顶管机掘进施工方法还包括：在顶管机推进时，通过土压力传感器对盾构千斤顶的推进速度进行检测，并对盾构千斤顶的推进速度进行调整，以使盾构千斤顶的推进速度与出土速度相匹配，以保持适当的土压力值。顶管机推进时通过对土压力传感器检测数据来控制盾构千斤顶的推进速度，使盾构推进速度与出土速度相匹配，以保持适当土压力值。
在本实施例中，顶管机掘进施工方法还包括：采用自动导向系统以及纠偏系统对顶管机的轴线和姿态进行控制。采用这样的设置，能够更好地提高施工的精度。
具体的，本实施例中采用自动导向系统以及纠偏系统对顶管机的轴线和姿态进行控制具体包括：采用自动导向系统对盾构的姿态进行检测，以观测盾构的位置与设计轴线的水平偏差和竖直偏差，并通过水平偏差和竖直偏差调整推进油缸以控制掘进方向。
在本实施例中，调整掘进方向包括：纠偏角度α，其中，10′≤α≤20′。
具体的，顶管机采用自动导向系统及纠偏系统。其中，盾构掘进方向控制及纠偏包括：
采用自动导向系统和人工测量辅助进行盾构姿态监测。该系统能够直观地全天候在盾构机主控室动态显示盾构当前垂直和水平位置与隧道设计轴线的偏差以及趋势。据此调整控制掘进方向；
通过分区操作顶管机的方向调整推进油缸来控制掘进方向。
具体的，在纠偏时的方向控制及纠偏注意事项如下：方向调整不宜过快、过大，防止加大地面沉降；根据掌子面地层情况应及时调整掘进参数，调整掘进方向时应设置警戒值与限制值，达到警戒值时就应该实行纠偏程序，计算纠偏曲线，纠偏时姿态调整参照纠偏曲线进行；顶管机始发到达时方向控制极其重要，应按照始发、到达掘进的有关技术要求，做好测量定位工作。
具体的，顶管顶进方向控制应满足下列要求：建立严格放样复核制度，并做好原始记录。顶进前必须遵守严格的放样复测制度，确保测量万无一失。必须避免后座墙在顶进时移位和变形，定时复测并及时调整；顶进纠偏须勤测量、多微调，纠偏角度应保持在10′～20′，不得大于0.5°，并设置偏差警戒线；初始推进阶段，纠偏要一方面减慢推进速度，一方面不断调整油缸编组和机头纠偏；顶进前必须对每一米、每节管的位置、标高事先计算，确保顶进时正确；同步注浆参数控制。
为减少顶管时管周与土的摩擦阻力，同时填充由于顶管机管径稍大引起的空隙，顶管时需同步注入泥浆，泥浆通过注浆机经管道输送至钢管顶部的注浆孔，注入土体形成触变泥浆套。注入浆液为膨润土、纯碱等配成浆液(具体配方与性能指标见下表所示)，注浆前，每节钢管需设置4个注浆用孔口管及阀门。
压浆时必须坚持“随顶随压、逐孔压浆、全线补浆、浆量均匀”的原则，注浆压力控制与土仓压力相同。注浆管路分总管及支管，总管采用直径50mm的镀锌钢管，支管采用直径50mm的橡胶管。在每个注浆孔及支管与总管连接处设置阀门，以便控制泥浆套质量。注浆分三条线，一是顶管机尾同步注浆，二是沿线管道补浆，三是洞口处注浆。
具体的，顶管机掘进施工方法还包括在顶管时采用同步注浆工艺进行同步注浆，同步注浆工艺包括：向机尾注浆，以填充机头与管节件的空隙，并建立泥浆套；其中，机尾注浆的注浆量为v1，机头与钢管间的空隙容积为v2，3v2≤v1≤6v2。
机尾同步注浆：触变泥浆通过φ50主管向机尾注浆，以填充机头与管节间空隙以及纠偏产生的空隙，并建立泥浆套。注浆前应在机头处安装隔膜式压力表，控制好注浆压力，在每节管子开顶前应确认机尾注浆压力是否已建立，以确保浆液通达；注浆量为机头与钢管间空隙的3～6倍左右，并根据监测结果进行调整。
在本实施例中，同步注浆工艺还包括：在建立泥浆套后，沿掘进的线路进行补浆，以修补泥浆套损失，沿线补浆的补浆量为v3，3v2≤v3≤5v2。
沿线补浆：为修补泥浆套损失，需进行沿线补浆，在管节顶进中逐一开启球阀，逐一关闭，切忌浆液单侧、大量分布，并与同步注浆区分开来，分别计量。注浆量为机头与钢管间空隙的3～5倍左右，并根据监测结果进行调整。
具体的，同步注浆工艺还包括：在隧道的洞口注浆，在洞口的止水圈内安装注浆管和球阀以进行注浆。
具体的，顶管机掘进施工方法还包括：在顶管机的掘进过程中，通过顶管机向刀盘面或土仓内注入添加剂，刀盘转动以使添加剂与土碴混合，以增大土体的塑流性。
碴土改良就是通过顶管机配置的专用装置向刀盘面或土仓内注入添加剂，利用刀盘的旋转搅拌或土仓搅拌装置搅拌使添加剂与土碴混合。土压平衡式顶管机施工成功的关键是要将开挖面开挖下来的土体在压力舱内调整成一种“塑性流动状态”。开挖时需要向土体内加入一定数量的添加剂，从而最大程度上增加开挖土体的塑流性，将掘进中喷涌、结泥饼、开挖面失稳、排土不畅等因为土体性质不良导致的施工故障发生可能性降到最低。
碴土改良选择泡沫、改性膨润土以及聚合物作为主要添加剂，根据不同地层选择添加合适数量的添加剂以及合理的注入工艺。
就本标段隧道所通过的地层条件，如不做碴土改良，会出现如下问题：在粉质粘土中掘进时，碴土不易顺利从土仓中输出。采取如下技术措施是在掘进粉质粘土或粉土的过程中，向土仓中加入泡沫等添加剂，可以改善碴土的和易性，不会在刀盘前方结泥饼。
在盾构内配置加泡沫的注入管路。在开挖舱舱壁、刀盘盘面、螺旋输送机筒体之上设置注入口，每个注入口可注入泡沫。
泡沫剂原液储存在泡沫箱内，加水稀释后由泡沫泵泵送至发泡枪内，在泡沫枪内与压缩空气混合，生发泡沫，通过盾构机上的注入孔加注到相应位置。通过刀盘的搅拌作用与碴土均匀混合，从而改善碴土的塑流性。
对于区间通过地层，暂定使用浓度3％的泡沫原液,发泡体积膨胀率为15倍，泡沫注入率为45％。则每米泡沫剂的用量为：
v1＝1×3.14×1×1×0.45/15×0.03＝0.0028m3。
同时加入1:8的膨润土浆液，浆液中添加适量的纯碱、cmc等添加剂。膨润土浆液掺量以满足底层内细颗粒含量不小于20％为宜。考虑到地层的渗漏损失，对于始发地层，暂定掺入量为10％。每米膨润土浆液用量：v2＝3.14×1×1×0.10＝0.3m3。
根据小管棚施工中所遇到障碍物情况，判断障碍物位置，若在站台范围内，可从站内地表开挖将障碍物挖除，挖除时在站台上设置围挡，开挖坑为圆形，直径以在垂直范围内覆盖障碍物为原则，边开挖边设置钢筋混凝土护壁，厚度15cm，确保开挖坑的稳定。若无法挖除，可先施工障碍物两侧顶管，待施工完成后，于管内向障碍物位置注浆并在管壁开口将障碍物破除。顶进过程中，为保证遇到未探明的旧雨棚桩基、旧轨枕等时顺利顶进，顶管机刀盘设计为辐条式结构，以便于人员开仓进入舱内采用风镐或混凝土切割机切割处理桩基、暗涵及钢筋混凝土轨枕等障碍物。开仓前根据地质情况采用超前注浆对顶管掌子面进行注浆加固。
每根顶管顶完后立即采用水泥浆将触变泥浆置换。置换时利用压注触变泥浆系统及管路进行。压注顺序为：从第一节管依次向后压注，压注前一节管时应将后续管节压浆孔开启，使原有管路中的触变泥浆在水泥浆的压力下从后续管节压浆孔中溢出，直至后续注浆孔中冒出水泥浆后方可停止前段管水泥浆的压注，确保触变泥浆全部置换。
顶管机到达接收井后，采用100吨吊车直接将顶管机整体吊出，采用大型平板货车利用夜间转场到始发井，在始发井通过龙门吊重新安装调试，进行第二根顶管施工。
碴土改良选择泡沫、改性膨润土以及聚合物作为主要添加剂，根据不同地层选择添加合适数量的添加剂以及合理的注入工艺。
顶管机掘进参数控制主要包含土压力控制、排土量和推进速度控制、同步注浆控制、顶管机姿态控制等。施工中熟悉顶管机性能和操作方法，并根据顶管埋深、地质情况和环境条件等，对掘进参数进行预测计算，同时紧随顶管推进对地面沉降变形进行监测反馈，以验证施工参数的合理性或根据监测结果，对施工参数进行综合协调、优化。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：提高了施工效果，便于操作。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。