基于掘进参量反演的TBM围岩等级预测识别方法研究

为探究TBM掘进参量和围岩等级关系，达到岩机信息互馈感知动态调整，辅助TBM主司机优化调整掘进参数的目的。采用数据清洗、分布统计和智能预测等手段,建立了一种基于自组织神经网络聚类和最小二乘支持向量机相结合的围岩等级预测识别方法（SOM-SVM）。主要结论如下： 1）单个完整TBM掘进循环可分为空推段、上升段与稳定段，各掘进参量近似服从正态分布关系。2）推力切深指数（FPI）和刀盘转矩旋转切深指数（TPI）可反映隧道岩石掘进难易程度，FPT、TPI和围岩等级近似呈线性关系，可用该参量作为岩机敏感因子反演预测识别围岩等级。3）干扰异常数据样本点的预处理对SOM-SVM围岩预测模型收敛中心和波动半径有一定影响，数据预处理是保证围岩等级预测识别准确的关键。4）经标准试验数据样本和工程数据验证，不同的支持向量机核函数对围岩等级预测识别影响很大，线性核、多项式核、高斯径向基核函数围岩综合识别率分别为70.8%、81.2%、87.6%，围岩等级预测识别模型预测精度高、鲁棒性好。     

基于可拓学理论的TBM掘进效率地质影响因素研究

为研究地质因素对TBM掘进效率的影响,基于可拓学理论,选择了岩石单轴抗压强度、岩石耐磨性、岩体完整性系数、结构面走向与掘进方向夹角及地下水渗流量5个指标作为TBM掘进效率地质影响因素的评价指标,将TBM掘进效率分为5个等级,进而建立TBM掘进效率地质影响因素物元模型。采用层次分析法对评价指标进行重要性排序,确定各指标的权重系数。通过对在建的厄瓜多尔CCS水电站引水隧洞待评物元关于TBM掘进效率等级的关联度计算,并与实际掘进参数和掘进情况进行对比,得出与工程实际相吻合的结论。研究结果表明： 可拓学理论能较好地评价TBM掘进效率等级,并且采用层次分析法确定评价指标的权重系数是合理的。相关研究内容和方法可为TBM设备选型、工期进度安排及工程成本预算提供借鉴。     

TBM施工隧洞围岩分类方法的探讨

针对TBM施工隧洞中的围岩分类问题,指出TBM施工条件下的隧洞围岩分类应针对围岩的可钻掘性,充分考虑影响TBM掘进效率的主要工程地质因素,提出了在《工程岩体分级标准》围岩稳定性基本分级的基础上,依据岩石的单轴抗压强度、岩石的耐磨性和岩体的完整性,将TBM施工条件下的隧洞围岩分为A(好)、B(一般)、C(差)3个级别,对于当今隧洞围岩分级方法的进一步发展,以及提高我国TBM施工隧洞的设计和施工水平具有一定的实用价值。     

主驱动双速减速机在高黎贡山隧道再制造TBM中的施工应用

高黎贡山隧道出口段采用2台敞开式TBM分别在主洞和平导洞施工,由于地质条件复杂,TBM经常遇到刀盘脱困转矩不足导致设备卡机的情况。为提高刀盘驱动系统脱困转矩,满足TBM在破碎围岩条件下掘进的需要,对彩云1号TBM主驱动系统安装双速减速机的技术改造进行研究。双速减速机安装在TBM主电机和减速机之间,高、低速模式下减速比分别为1.00和1.47,可通过手柄直接进行模式切换,具有切换方便的特点;在低速模式下,可将设备脱困转矩由6150k N·m提升至9225k N·m。经现场验证:在TBM脱困使用低速挡掘进时,设备可在7000k N·m转矩下持续掘进,说明在TBM上安装双速减速机可大大提高敞开式TBM在软弱破碎围岩地质条件下的脱困能力。     

基于RMR岩体分级系统的TBM掘进性能参数预测

为解决由于地质条件原因造成TBM掘进效率低下的问题,基于吉林引松供水工程建立的TBM数据库,提出应用RMR岩体分级系统对TBM的掘进性能参数进行预测。通过回归分析的方法分别建立了RMR与TBM性能预测参数掘进速率(PR)、施工进度(AR)、利用率(U)以及贯入度指数(FPI)的经验公式。研究结果表明:RMR与PR、AR、U均呈现二次相关关系,RMR与FPI为线性关系,且相关系数均大于0.7;当RMR=50~70时,岩体具有较好的可掘性;当岩体条件较差(RMR30~40)或者岩体条件极好(RMR70~80)时,岩体的可掘性均较差;吉林引松工程TBM掘进的平均利用率为22.36%,与地质条件相关的停工时间约占总工期的25.97%。     

TBM在不同特性硬岩中的掘进速度

最近，韩国用TBM修建了一座引水隧洞，该隧洞位于抗压强度大于260MPa的围岩中。本文探讨了此类硬岩中TBM的净掘进速度和围岩特性之间的关系。分析得知测得的掘进速度与Schmidt硬度和RMR（RMR）为岩体等级－－校者注）互成比例。可以把围岩的这两种特性和现场应力情况看作很好的预测TBM在硬岩中的掘进速度的定量指数。     

基于围岩力学参数的TBM净掘进速率多元回归预测模型

TBM净掘进速率与围岩地质条件密切相关,特别是岩体力学参数。为研究TBM净掘进速率与围岩力学参数之间的内在联系,以兰州水源地建设工程输水隧洞双护盾TBM施工为背景,选取岩石单轴抗压强度、单轴抗拉强度、泊松比、变形模量等围岩力学参数,进行TBM净掘进速率与围岩力学参数相关性分析,得到相应的拟合关系式。在单因素分析的基础上,经过线性处理,建立TBM净掘进速率的多元线性回归预测模型。研究结果表明： TBM净掘进速率与围岩力学参数之间具有明显的线性相关性,TBM净掘进速率随单轴抗压强度、单轴抗拉强度和变形模量的增大而减小,随泊松比的增大而增大; TBM净掘进速率多元线性回归预测模型总体上精度较高,其预测误差在15%以内,且对不同围岩类型具有较强的适用性。研究成果能够为TBM施工性能评估提供新的参考。     

TBM施工条件下隧洞围岩分级方法研究与应用

隧洞围岩如何分级(或称分类),才能满足TBM施工条件下的隧洞施工需要,是一值得研究的问题。结合大伙房输水工程对TBM施工条件下的隧洞围岩分级,主要针对工程岩体的可掘进性进行研究,并在此基础上进行支护结构设计,这对TBM隧洞围岩的分级方法进一步研究和TBM隧洞施工都有利。     

考虑地质适宜性和滚刀直径的TBM刀具消耗预测

刀具消耗是TBM施工成本管理的重要研究内容。将影响刀具消耗的主要因素归纳为地质条件、机械因素和掘进参数3个方面,在此基础上讨论了刀具消耗与围岩等级、TBM工作条件等级之间的关系。在总结和分析利用TBM工作条件等级进行刀具消耗预测研究的基础上,对拟合函数进行优化,并引入滚刀直径影响因子,构建同时考虑地质适宜性和滚刀直径的TBM刀具消耗预测方法。通过对兰州水源地建设工程输水隧洞TBM1掘进段的刀具消耗分析,验证提出的TBM刀具消耗预测方法的合理性。研究结果表明： 1）TBM工作条件等级可以反映TBM掘进性能和地质适宜性特点; 2）拟合函数ln(x-1)和ln x更适合描述和预测刀具消耗规律; 3）滚刀直径对刀具消耗具有一定影响,滚刀直径越大,刀具消耗越小; 4）同时考虑地质适宜性和滚刀直径的TBM刀具消耗预测模型的计算结果更接近实际耗刀率; 5）刀具消耗与岩体完整性密切相关,与实际耗刀率相比,Ⅱ类围岩的预测计算结果略高,而Ⅲ类围岩的预测计算结果略低。     

双护盾TBM在青岛地铁的适应性研究

为了解决复杂硬岩地质条件下城市地铁隧道能够安全、快速地开挖建设,以青岛地铁2号线双护盾TBM施工为研究对象,通过对TBM掘进过程中施工数据的控制和分析,得出双护盾TBM可良好适应于青岛地铁隧道施工掘进。通过施工实践,针对小半径曲线隧道和破碎围岩条件下的双护盾TBM掘进作业提出了施工对策和建议。     

关于高原铁路某隧道敞开式TBM开挖直径的探讨

为探讨高原铁路某隧道不良地质条件下敞开式TBM开挖直径是否适应的问题,结合已建、在建工程存在的问题及施工数据,分析TBM法隧道初期支护变形侵限的原因,且通过对比分析工程地质数据、衬砌参数,认为不良地质条件下TBM护盾收缩及初期支护体系形成支护能力周期长是造成初期支护侵限的主要原因。预测当TBM开挖直径为10.2 m时,该高原铁路隧道TBM段Ⅲ级围岩中等及以上岩爆段、Ⅳ级围岩（节理密集带）、Ⅴ级围岩（蚀变岩）存在初期支护侵限的风险。提出如下建议： 1）设计TBM开挖直径时考虑护盾收缩量; 2）在强烈岩爆段、节理密集带、蚀变岩等情况下,采用钢管片施作初期支护以提供临时支撑,缩短支护能力形成周期,并将TBM开挖直径适当增大为钢管片安装预留空间。     

基于CSM改进模型的TBM刀盘关键参数相关性研究

为掌握TBM掘进参数与地质参数、操作参数、刀盘刀具设计参数的相关性，基于滚刀受力CSM模型，通过近似计算与推导，建立了滚刀破岩力与结构参数、TBM操作参数、地层强度参数σc的定量关系模型。同时，通过室内缩尺滚刀试验，对推导的模型参数关系进行验证。针对TBM掘进参数与围岩条件的匹配性关系，以大瑞铁路高黎贡山隧道TBM施工为依托，通过数据统计分析与对比，提出使用转矩与推力的比值作为判断地层完整性发生变化的依据。     

TBM掘进参数智能控制系统的研究与应用

目前TBM智能化作业水平较低,无法实现岩体信息实时感知以及掘进参数的智能决策,影响TBM掘进效率,卡机、涌水突泥等安全事故也时有发生。为解决上述问题,研发一套TBM掘进参数智能控制系统,通过分析岩体状态参数与TBM掘进参数的相关关系,采用数据挖掘的方法建立岩机信息感知互馈模型; 在此基础上构建智能决策控制体系,实现掘进参数的预测以及掘进状态评价; 通过手动或自动控制模式对TBM掘进参数进行优化调整,使TBM保持安全高效的掘进状态。该系统软件在引松供水工程TBM施工中应用效果良好,对提高TBM掘进效率和保障施工安全具有重大意义,可为TBM隧道的科学化、智能化施工提供指导。     

TBM导洞扩挖法在高地应力软岩隧道施工中的应用效果分析

运用MIDASGTS有限元软件,分析了TBM导洞扩挖法在高地应力软岩环境中隧道开挖的应用价值。通过对某公路隧道分别采用TBM导洞扩挖法、预留核心土环形开挖法和两台阶法三种施工方法进行数值模拟,主要以拱顶沉降、拱腰水平收敛和拱底隆起等围岩变形指标进行对比分析,得出TBM导洞扩挖法高地应力软岩隧道施工时的围岩变形控制效果最好的结论。同时分析了在富水等复杂地质情况下,TBM导洞扩挖法在排水、探明前方地质情况等方面更具有优势。     

CCS水电站引水隧洞双护盾TBM施工围岩分类研究

为了对双护盾TBM隧洞施工中的围岩进行分类,以厄瓜多尔CCS水电站引水隧洞为例,参考RMR围岩分类方法,通过伸缩护盾的间隙和刀盘的空隙对洞壁和掌子面围岩进行观测,结合岩渣及掘进参数,获取岩石的质量指标RQD、节理间距和节理性状等信息。通过综合分析,选取岩石的回弹值、围岩的完整性、岩石的质量指标RQD、刀盘推力、刀盘扭矩、片状岩渣含量和地下水渗流量作为围岩分类的指标,然后对7个指标分别赋值,建立围岩的分类标准,并通过求和的方法进行综合围岩分类。分类结果表明:选取的7个指标可以克服双护盾TBM施工时无法对围岩进行全面地质素描的困难,可以满足TBM快速施工的需要,并且能较真实地反映围岩的情况,分类结果可靠。     

穿越起伏基岩地层的盾构机掘进姿态控制方法研究

为了研究盾构机掘进姿态的控制方法,以长沙地铁2号线望梅区间隧道为工程依托,通过对现场盾构机穿越起伏基岩地层时软硬岩高度比和围岩强度比与油缸推力比的统计分析,得出了盾构区间直线段和曲线段地层由软到硬和由硬到软的合理的油缸推力比。将盾构油缸推力比应用到工程实际中,得出相应的直线段和曲线段的水平、竖向偏差,且均满足轴线偏差不得超过50 mm的标准要求,从而得出盾构机穿越起伏基岩地层合理掘进姿态的控制方法。