[发明专利]一种基于最适理论布孔方案的超前钻孔系统和工作方法

摘要

本发明涉及一种基于最适理论布孔方案的超前钻孔系统和工作方法，属于盾构超前地质钻探技术领域。它由从试验数据统计计算并根据现场实际情况进行确定隧道区间内最适理论布孔方案、对盾构机的既有部件改造和超前钻机工作系统的设计安装方法、超前钻孔系统的工作流程三大部分组成，能够在盾构掘进过程中地层条件复杂多变的情况下通过超前钻孔制造掌子面内临空面来破坏刀盘前方岩体完整性，并保证超前钻孔和盾构掘进总体效率最高。本发明基于工程勘察资料，方法合理，步骤明确，可行性强，有利于提高盾构掘进坚硬的复合地层时的工作效率，具有重要的理论创新性和工程实用性。

主权项

1.一种基于最适理论布孔方案的超前钻孔系统和工作方法，其特征在于，确定隧道区间内最适理论布孔方案的过程，包括如下步骤：步骤一确定盾构机掘进范围内掌子面地层信息：根据现场取样结果，确定盾构机掌子面类型，即隧道开挖横截面的地层信息，将掌子面土层种类、土层分层排列方式及每种土层所占掌子面面积比均相同的掌子面归为一种掌子面；步骤二根据本发明所述的岩石共线三孔试验记录确定超前钻孔有效影响半径：在均质地层内的掌子面进行岩石共线三孔试验，以掌子面圆心为坐标原点建立直角坐标系；以坐标原点为起点，沿X轴以每隔2S的距离作竖直线，沿Y轴以每隔2S距离作水平线，形成格栅；将掌子面范围内的所有格栅交点作为钻孔点，以同种施工工艺和施工参数在每个钻孔点布设钻孔，完成掌子面超前钻孔；将坐标原点处的钻孔作为钻孔3，将钻孔3水平左侧的紧邻钻孔作为钻孔1，将钻孔3水平右侧的紧邻钻孔作为钻孔2；定义以钻孔1孔口圆心和钻孔2孔口圆心为端点的线段为三孔试验线段，三孔试验线段长度为4S；存在若干分布于钻孔1孔口且与钻孔1孔口相连的裂缝，L₁为这些裂缝的远端到钻孔1孔口圆心的连线中，在以钻孔1孔口圆心和钻孔3孔口圆心为端点的线段上的最大投影长度；存在若干分布于钻孔2孔口且与钻孔2孔口相连的裂缝，L₂为这些裂缝的远端到钻孔2孔口圆心的连线中，在以钻孔2孔口圆心和钻孔3孔口圆心为端点的线段上的最大投影长度；存在若干分布于钻孔3孔口且与钻孔3孔口相连的裂缝，L₃₁为这些裂缝的远端到钻孔3孔口圆心的连线中，在以钻孔1孔口圆心和钻孔3孔口圆心为端点的线段上的最大投影长度；存在若干分布于钻孔3孔口且与钻孔3孔口相连的裂缝，L₃₂为这些裂缝的远端到钻孔3孔口圆心的连线中，在以钻孔2孔口圆心和钻孔3孔口圆心为端点的线段上的最大投影长度；计算三孔间有效裂纹长度L_e，如式(1)所示；L_e＝L₁+L₂+L₃₁+L₃₂ (1)将L_e/4S＝0.5时相邻两个钻孔中心的距离2S称为超前钻孔有效影响半径R_w；超前钻孔有效影响半径预测方程，如式(2)，地层的单轴抗压强度σ_c，完整性系数K_v，钻机的扭矩T，钻机的推力F，钻机的钻头半径R，钻孔深度L，为超前钻孔有效影响半径的预测值，k、a、b、c、h、d、g分别为超前钻孔有效影响半径预测方程的系数；步骤三通过统计学方法确定掌子面内各地层超前钻孔有效影响半径预测方程系数；统计掌子面内各种地层在现场试验不同钻进条件下的多组实测参数R_w、F、T、R、σ_c、K_v、L，将超前钻孔有效影响半径预测方程即公式(2)两边取对数后化为线性组合的多项式形式后，如式(3)，再对已有数据进行多元线性拟合，通过回归计算方程系数，从而得出具体的的方程；步骤四根据步骤三得出的超前钻孔有效影响半径预测方程并代入现场实测的钻机工作参数，得出超前钻孔有效影响半径预测值步骤五对隧道区间内掌子面内的各地层进行理论布孔：首先对盾构机土仓背面进行区域划分，将盾构机最外侧设备遮挡区称为Ⅰ区，将螺旋输送机遮挡区域称为Ⅱ区、将主轴区域称为Ⅲ区，由于这些区域有设备阻挡，无法让超前钻机通过，定义盾构机土仓背面可布孔区域为土仓背面除去Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区域的所有区域；将盾构机土仓背面可布孔区域等比例正投影到掌子面上，进行掌子面内的各地层理论布孔；定义地层交界线：从上下相邻的两个不同种类地层的分界处人工作出一条水平线，称为地层交界线；i地层与i+1地层为上下相邻的两个不同种类地层；对于i地层与i+1地层交界线处上方地层i地层内的布孔，首先，进行地层布孔竖向分层；沿着盾构机竖直中轴线，从地层交界线处沿远离地层交界线方向布置同地层内布孔水平线；首条同地层内布孔水平线距离地层交界线处然后按照每隔距离依次布设同地层内布孔水平线，直到最后布设的同地层内布孔水平线距离盾构机土仓背面可布孔区域内的该地层上边界距离小于或等于为止；在每一条同地层内布孔水平线上布孔；首先在同地层内布孔水平线和盾构机横截面竖直中轴线交点处布设该同地层内布孔水平线的第一个孔，然后以每隔距离向左方向依次布设孔位，直到出现最后一个不超出盾构机土仓背面可布孔区域的孔位为止，删除所有不位于盾构机土仓背面可布孔区域内的孔位；盾构机横截面竖直中轴线右方向的布孔与左方向的布孔相对盾构机横截面竖直中轴线镜面对称；依上述布孔方法依次布完所有同地层内布孔水平线上的孔；对于i地层与i+1地层交界线处下方地层i+1地层内的布孔，首先，进行地层布孔竖向分层；沿着盾构机竖直中轴线，从地层交界线处沿远离地层交界线方向布置同地层内布孔水平线；首条同地层内布孔水平线距离地层交界线处然后按照每隔距离依次布设同地层内布孔水平线，直到最后布设的同地层内布孔水平线距离盾构机土仓背面可布孔区域内的该地层下边界距离小于或等于为止；在每一条同地层内布孔水平线上布孔；首先在同地层内布孔水平线和盾构机横截面竖直中轴线交点处布设该同地层内布孔水平线的第一个孔，然后以每隔距离向左方向依次布设孔位，直到出现最后一个不超出盾构机土仓背面可布孔区域的孔位为止，删除所有不位于盾构机土仓背面可布孔区域内的孔位；盾构机横截面竖直中轴线右方向的布孔与左方向的布孔相对盾构机横截面竖直中轴线镜面对称；依上述布孔方法依次布完所有同地层内布孔水平线上的孔；步骤六确定隧道区间内最适理论布孔方案；首先统计隧道区间内的掌子面种类，按照步骤五对每一种掌子面的理论布孔方案进行计算，并统计所有掌子面所对应的理论布孔方案的布孔数量；因为布孔数量越大，掌子面内的临空面越多、应力释放程度越大、岩体的完整性越差，导致盾构刀盘上的刀具对掌子面岩石的压碎和切削越高效，所以选取所有掌子面所对应的理论布孔方案中布孔数量最多的理论布孔方案，作为隧道区间内最适理论布孔方案。