CN107248026A - 应用等效岩体基本质量指标预测盾构掘进参数的定量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及应用等效岩体基本质量指标预测盾构掘进参数的定量方法，属于岩土工程、隧道工程的勘察、设计及施工技术领域。以等效岩体基本质量指标为基础，对复杂地层进行地质分段，分段统计掘进参数。通过逐步回归计算掘进速率、刀盘扭矩与其他掘进参数间的经验关系，得到同时适用于均质地层、复合地层的掘进速率通用预测模型、刀盘扭矩通用预测模型。通过定量分析掘进速率通用预测模型系数、刀盘扭矩通用预测模型系数与等效岩体基本质量指标值之间的对应关系，得到应用等效岩体基本质量指标预测掘进参数的定量方法。对于施工方案设计、施工成本—工期控制以及分析盾构—围岩相互作用规律具有重要的理论意义及工程应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及应用等效岩体基本质量指标预测掘进参数的定量方法，属于隧道工程的勘察、设计及施工技术领域。
背景技术
(1)盾构掘进复合地层，复杂地层掘进参数定量预测是一大工程难题。复杂地层中，均质地层与复合地层逐段分布，盾构掘进沿线地层物理、力学参数逐段相异，寻找适用于复杂地层的盾构掘进速率、刀盘扭矩的预测方法，对盾构掘进施工具有理论指导意义和参考价值。
(2)国内外目前盾构掘进速率、刀盘扭矩的预测方法主要有理论计算法与经验预测法。理论计算模型中关键参数需由特定试验获取，在复杂地层的工程应用中存在局限。经验预测法针对均质地层或某种复合地层，缺少预测模型在复杂地层中的适应性分析。
(3)中国发明专利(授权公告号CN 103870677 B，专利名称：一种掘进机的掘进参数设定方法)涉及一种大型掘进机械装备施工技术领域的方法，具体涉及一种硬岩掘进机施工过程中的驱动系统的掘进参数的设定。该发明根据围岩数据，利用效率预测模型，预测出后一段掘进的掘进效率；根据掘进效率与掘进参数之间的数学关系，计算出掘进系统的掘进参数，主要问题有：①掘进参数公式中均含有围岩参数，而围岩参数与围岩种类是相对应的，掘进参数是盾构机全断面掘进的参数，体现掌子面整体而非掌子面内各种地层与盾构机械设备的相互作用，导致该专利中相关结论难以在复合地层中进行应用；②掘进参数中的围岩参数过多，现行工程勘察水平难以满足相关公式应用要求。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了应用等效岩体基本质量指标预测掘进参数的定量方法，可用于定量预测不同地层盾构掘进参数，以提高盾构施工效率。
本发明是应用等效岩体基本质量指标预测掘进参数的定量方法，它包括以下步骤：
步骤1将隧道穿越地层组成相同且地质纵断面中地层分界线与隧道轴线近似平行的部分归为同一地质分段，并定义该地质分段的等效岩体基本质量指标BQE；
步骤2根据盾构掘进某一种地质分段时的掘进参数实测值，分别将各地质分段基本自变量即掘进参数n、P、F的一次幂，及n、P、F的若干次幂作为元素集，进行元素集间笛卡尔乘积运算，得到属于某地质分段的单项变量及二元复合变量集合{n,P,F,…,nhPjFr}，作为多元回归分析的自变量集合；进行多元逐步线性回归运算，并剔除显著性水平大于0.05的自变量，得到分别独立属于各种地质分段的既有预测精度、又满足自变量的显著性要求的掘进速率预测模型和刀盘扭矩预测模型；
对各种地质分段重复步骤二中的计算过程，得到属于各种地质分段的掘进速率及刀盘扭矩预测模型；
步骤3按照共性提升原则，将分别属于各地质分段的掘进速率预测模型中相同的自变量抽出来，将它们线性组合形成预测不同地层掘进速率的通式，作为复杂地层掘进速率通用预测模型，
同样的，按照共性提升原则，将分别属于各地质分段的刀盘扭矩预测模型中相同的自变量抽出来，将它们线性组合形成预测不同地层掘进速率的通式，作为复杂地层刀盘扭矩通用预测模型；
步骤4分别计算不同地质分段掘进速率通用预测模型系数的离均差率MDRl、不同地质分段刀盘扭矩通用预测模型系数的离均差率MDRk；
步骤5确定不同地质分段掘进速率通用预测模型诸系数的离均差率与地层BQE值的关系、不同地质分段刀盘扭矩通用预测模型诸系数的离均差率与地层BQE值的关系后，根据勘察报告等地质资料，可以定量确定某地质分段的等效岩体基本质量指标BQE值，在该地质分段等效岩体基本质量指标BQE值在横坐标上对应的点处作一条垂线，垂线分别和MDR(l1)与BQE值的关系曲线、MDR(l2)与BQE值的关系曲线、MDR(l3)与BQE值的关系曲线、MDR(l4)与BQE值的关系曲线、MDR(l5)与BQE值的关系曲线、MDR(l6)与BQE值的关系曲线、MDR(l7)与BQE值的关系曲线和MDR(l8)与BQE值的关系曲线的8个交点的纵坐标，就是属于该地质分段的掘进速率通用预测模型诸系数的离均差率：MDR(l1)、MDR(l2)、MDR(l3)、MDR(l4)、MDR(l5)、MDR(l6)、MDR(l7)、MDR(l8)。确定属于该地质分段的掘进速率通用预测模型诸系数的具体值，从而确定属于该地质分段的掘进速率通用预测模型。
用同样的方法，确定属于该地质分段的刀盘扭矩通用预测模型。
步骤6对n、P、F的值，进行试算测试，直到找到满足要求的n、P、F的值为止。
原理和优势
针对复合地层在刀盘旋转和掘进方向上的地层分布变化，以等效岩体基本质量指标为基础，对复杂地层进行地质分段，分段统计掘进参数。通过逐步回归计算掘进速率、刀盘扭矩与其他掘进参数间的经验关系，得到既适用于均质地层、又适用于复合地层的掘进速率通用预测模型、刀盘扭矩通用预测模型。通过定量分析掘进速率通用预测模型系数、刀盘扭矩通用预测模型系数与等效岩体基本质量指标值之间的对应关系，得到应用等效岩体基本质量指标预测掘进参数的定量方法。对于施工方案设计、施工成本—工期控制以及分析盾构—围岩相互作用规律具有重要理论意义及工程应用价值。
附图说明
图1隧道掌子面内各地层划分方法；
图2掘进速率通用预测模型诸系数的离均差率与地层BQE值的关系示意图；
图3刀盘扭矩通用预测模型诸系数的离均差率与地层BQE值的关系示意图；
图4确定任意地质分段掘进速率通用预测模型诸系数的具体值的方法示意图；
图5确定任意地质分段刀盘扭矩通用预测模型诸系数的具体值的方法示意图；
图6应用等效岩体基本质量指标预测掘进参数的定量方法的流程图；
具体实施方法
应用等效岩体基本质量指标预测掘进参数的定量方法，包括以下六个步骤：
步骤一
根据地勘报告，将隧道穿越地层组成相同且地质纵断面中地层分界线与隧道轴线近似平行的部分归为同一地质分段，如图1。定义该地质分段的等效岩体基本质量指标BQE，如式(1)。
式(1)中：
S0为掌子面全断面面积；
掌子面由若干均质地层组成，BQm、Sm分别为掌子面内某一均质地层的岩体基本质量指标、断面面积。M为组成掌子面的均质地层的种类数量。掌子面内某一均质地层的岩体基本质量指标根据《工程岩体分级标准GB/T 50218》中的规定计算。
步骤二
根据盾构掘进某一种地质分段时的掘进参数实测值(F、P、n、T、v)，其中n为刀盘转速、F为有效推力、P为土仓压力、T刀盘扭矩、v为掘进速率，分别将各地质分段基本自变量(掘进参数n、P、F的一次幂)及n、P、F的若干次幂作为元素集，进行元素集间笛卡尔乘积运算，得到属于某地质分段的单项变量及二元复合变量集合{n,P,F,…,nhPjFr}，作为多元回归分析的自变量集合(h、j、r为实数)。
工程实践表明，掘进过程中掘进速率、刀盘扭矩与其他掘进参数间存在非线性数学关系。而基于级数展开原理的多项式线性组合，能够有效地逼近复杂的非线性数学关系。多元逐步线性回归运算，通过排除自变量集合中显著性水平较差的自变量、保留显著性水平较好的自变量，并进一步通过比较多个自变量线性组合而成的多项式的预测精度，以预测精度较高的多项式作为预测模型。
根据既有实测数据，进行多元逐步线性回归运算，并剔除显著性水平较差的自变量，本实施例优选为剔除显著性水平大于0.05的自变量，得到分别独立属于各种地质分段的既有预测精度、又满足自变量的显著性要求的掘进速率预测模型和刀盘扭矩预测模型。
对各种地质分段重复步骤二中的计算过程，得到属于各种地质分段的掘进速率及刀盘扭矩预测模型。
步骤三
按照共性提升原则，将分别属于各地质分段的掘进速率预测模型中相同的自变量抽出来，将它们线性组合形成预测不同地层掘进速率的通式，作为复杂地层掘进速率通用预测模型，如式(2)。
vf＝l1n+l2F+l3P+l4P3+l5F1/3+l6FP+l7n1/2F+l8 (2)
式中，vf为掘进速率拟合值；n为刀盘转速；F为有效推力，即刀盘与掌子面间掘进方向作用力；P为土仓压力；li(i＝1,2,3，…,8)为掘进速率通用预测模型系数。
同样的，按照共性提升原则，将分别属于各地质分段的刀盘扭矩预测模型中相同的自变量抽出来，将它们线性组合形成预测不同地层掘进速率的通式，作为复杂地层刀盘扭矩通用预测模型，如式(3)。
Tf＝k1n+k2F+k3P+k4P3+k5n2P1/3+k6F1/2+k7 (3)
式中，Tf为刀盘扭矩拟合值；n为刀盘转速；P为土仓压力；F为有效推力，即刀盘与掌子面间掘进方向作用力；kj(j＝1,2,3,…,7)为刀盘扭矩通用预测模型系数。
根据南京市宁高城际轨道交通二期工程盾构隧道区间工程实例，采用上述方法进行计算，算例结果见表1～表3。
表1 盾构穿越地层掌子面地层分布的分段统计
注：(1)混合土(③-4)，灰黄色，软-可塑，主要成分为细中砂、粗砂、混砂砾土，砂为中密-密实，局部为粉质粘土。
(2)残积土(④)，棕红色，可塑-硬塑，以粘性土为主，夹风化岩屑。
(3)强风化安山岩(J3l-2)，砂土状，夹少量中风化岩块，岩体基本质量等级为V级。
(4)中等风化安山岩(J3l-3r)，饱和单轴抗压强度平均值为19.38MPa，岩体完整性指数为0.50。
(5)中等风化安山岩(J3l-3p)，饱和单轴抗压强度平均值为45.95MPa，岩体完整性指数为0.32。
(6)中等风化安山岩(J3l-3)，饱和单轴抗压强度平均值为63.35MPa，岩体完整性指数为0.59。
表2 各分段盾构掘进速率通用预测模型系数
表3 各分段盾构刀盘扭矩通用预测模型系数
从以上所列数据中，我们不难看出，本发明所采用的刀盘扭矩通用预测模型和掘进速率通用预测模型，在不同地质分段中均具有较高的预测精度，同时适用于均质地层及复合地层，地层适应性优于传统的或现有的方法。
步骤四
利用式(4)及式(5)分别计算不同地质分段刀盘扭矩通用预测模型和掘进速率通用预测模型系数的离均差率(Mean deviation rate,MDR)MDRl、MDRk。式中，li(i＝1,2,3，…,8)为掘进速率通用预测模型系数；kj(j＝1,2,3,…,7)为刀盘扭矩通用预测模型系数；为所有地质分段中li的平均值；为所有地质分段中kj的平均值。
将掘进速率通用预测模型系数的离均差率作为纵坐标，将BQE作为横坐标，构成坐标系，再将计算得到的不同地质分段的掘进速率通用预测模型系数及其相应的掌子面BQE标绘与这一坐标系中，得到掘进速率通用预测模型诸系数的离均差率与地层BQE值的关系示意图，如图2所示。
将刀盘扭矩通用预测模型系数的离均差率作为纵坐标，将BQE作为横坐标，构成坐标系，再将计算得到的不同地质分段的刀盘扭矩通用预测模型系数及其相应的掌子面BQE标绘与这一坐标系中，得到刀盘扭矩通用预测模型诸系数的离均差率与地层BQE值的关系示意图，如图3所示。
步骤五
在分别确定不同地质分段掘进速率通用预测模型诸系数的离均差率与地层BQE值的关系、不同地质分段刀盘扭矩通用预测模型诸系数的离均差率与地层BQE值的关系之后，如图4，根据勘察报告等地质资料，可以定量确定某地质分段的等效岩体基本质量指标BQE值(根据式(1)计算)，在该地质分段等效岩体基本质量指标BQE值在横坐标上对应的点处作一条垂线，垂线分别和MDR(l1)与BQE值的关系曲线、MDR(l2)与BQE值的关系曲线、MDR(l3)与BQE值的关系曲线、MDR(l4)与BQE值的关系曲线、MDR(l5)与BQE值的关系曲线、MDR(l6)与BQE值的关系曲线、MDR(l7)与BQE值的关系曲线和MDR(l8)与BQE值的关系曲线的8个交点的纵坐标，就是属于该地质分段的掘进速率通用预测模型诸系数的离均差率：MDR(l1)、MDR(l2)、MDR(l3)、MDR(l4)、MDR(l5)、MDR(l6)、MDR(l7)、MDR(l8)。
根据式(4)、式(5)，确定属于该地质分段的掘进速率通用预测模型诸系数的具体值，从而确定属于该地质分段的掘进速率通用预测模型。
用同样的方法，确定属于该地质分段的刀盘扭矩通用预测模型。具体如下：如图5，在该地质分段等效岩体基本质量指标BQE值在横坐标上对应的点处作一条垂线，垂线分别和MDR(k1)与BQE值的关系曲线、MDR(k2)与BQE值的关系曲线、MDR(k3)与BQE值的关系曲线、MDR(k4)与BQE值的关系曲线、MDR(k5)与BQE值的关系曲线、MDR(k6)与BQE值的关系曲线和MDR(k7)与BQE值的关系曲线的7个交点的纵坐标，就是属于该地质分段的刀盘扭矩通用预测模型诸系数的离均差率：MDR(k1)、MDR(k2)、MDR(k3)、MDR(k4)、MDR(k5)、MDR(k6)、MDR(k7)。根据式(4)、式(5)，确定属于该地质分段的刀盘扭矩通用预测模型诸系数的具体值从而确定属于该地质分段的刀盘扭矩通用预测模型。
步骤六
如图6，提出一组n、P、F试算值，代入到属于某一地质分段的掘进速率通用预测模型和刀盘扭矩通用预测模型里，就得到了属于这一地质分段的、这一组n、P、F对应的掘进速率预测值vf和刀盘扭矩预测值Tf。如果属于这一地质分段的、这一组n、P、F对应的掘进速率预测值vf和刀盘扭矩预测值Tf不满足施工要求，那就重新选取n、P、F，直到满足为止，得到满足要求的n、P、F参考值，并将符合要求的n、P、F(也即本发明掘进参数的预测值)提供给盾构机操作人员作为施工参数参考值，指导盾构施工。
Claims (1)
1.应用等效岩体基本质量指标预测掘进参数的定量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：
根据地勘报告，将隧道穿越地层组成相同且地质纵断面中地层分界线与隧道轴线近似平行的部分归为同一地质分段，定义该地质分段的等效岩体基本质量指标BQE，如式(1):
<mrow>
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</mrow>
式中S0为掌子面全断面面积，BQm、Sm分别为掌子面内某地层的岩体基本质量指标、断面面积；m为组成掌子面的均质地层的种类数量。
步骤二：
根据盾构掘进某一种地质分段时的掘进参数F、P、n、T、v实测值，其中n为刀盘转速、F为有效推力、P为土仓压力、T刀盘扭矩、v为掘进速率，分别将各地质分段基本自变量即掘进参数n、P、F的一次幂，及n、P、F的若干次幂作为元素集，进行元素集间笛卡尔乘积运算，得到属于某地质分段的单项变量及二元复合变量集合{n,P,F,…,nhPjFr}，作为多元回归分析的自变量集合；进行多元逐步线性回归运算，并剔除显著性水平大于0.05的自变量，得到分别独立属于各种地质分段的既有预测精度、又满足自变量的显著性要求的掘进速率预测模型和刀盘扭矩预测模型；
对各种地质分段重复步骤二中的计算过程，得到属于各种地质分段的掘进速率及刀盘扭矩预测模型；
步骤三：
按照共性提升原则，将分别属于各地质分段的掘进速率预测模型中相同的自变量抽出来，将它们线性组合形成预测不同地层掘进速率的通式，作为复杂地层掘进速率通用预测模型，如式(2):
vf＝l1n+l2F+l3P+l4P3+l5F1/3+l6FP+l7n1/2F+l8 (2)
式中，vf为掘进速率拟合值；n为刀盘转速；F为有效推力，即刀盘与掌子面间掘进方向作用力；P为土仓压力；li(i＝1,2,3，…,8)为掘进速率通用预测模型系数，
同样的，按照共性提升原则，将分别属于各地质分段的刀盘扭矩预测模型中相同的自变量抽出来，将它们线性组合形成预测不同地层掘进速率的通式，作为复杂地层刀盘扭矩通用预测模型，如式(3)：
Tf＝k1n+k2F+k3P+k4P3+k5n2P1/3+k6F1/2+k7 (3)
式中，Tf为刀盘扭矩拟合值；n为刀盘转速；P为土仓压力；F为有效推力，即刀盘与掌子面间掘进方向作用力；kj(j＝1,2,3,…,7)为刀盘扭矩通用预测模型系数；
步骤四：
利用式(4)及式(5)分别计算不同地质分段掘进速率通用预测模型系数的离均差率MDRl、不同地质分段刀盘扭矩通用预测模型系数的离均差率MDRk；
<mrow>
<msub>
<mi>MDR</mi>
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<mi>j</mi>
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<mi>j</mi>
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<mo>&OverBar;</mo>
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<mover>
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<mi>j</mi>
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<mo>)</mo>
</mrow>
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1
式中，li(i＝1,2,3，…,8)为掘进速率通用预测模型系数；
kj(j＝1,2,3,…,7)为刀盘扭矩通用预测模型系数；
为所有地质分段中li的平均值；
为所有地质分段中kj的平均值；
步骤五：
确定不同地质分段掘进速率通用预测模型诸系数的离均差率与地层BQE值的关系、不同地质分段刀盘扭矩通用预测模型诸系数的离均差率与地层BQE值的关系后，根据勘察报告等地质资料，可以定量确定某地质分段的等效岩体基本质量指标BQE值。根据掘进速率通用预测模型诸系数的离均差率与地层BQE值的关系图，在该地质分段等效岩体基本质量指标BQE值在横坐标上对应的点处作一条垂线，垂线分别和MDR(l1)与BQE值的关系曲线、MDR(l2)与BQE值的关系曲线、MDR(l3)与BQE值的关系曲线、MDR(l4)与BQE值的关系曲线、MDR(l5)与BQE值的关系曲线、MDR(l6)与BQE值的关系曲线、MDR(l7)与BQE值的关系曲线和MDR(l8)与BQE值的关系曲线的8个交点的纵坐标，就是属于该地质分段的掘进速率通用预测模型诸系数的离均差率：MDR(l1)、MDR(l2)、MDR(l3)、MDR(l4)、MDR(l5)、MDR(l6)、MDR(l7)、MDR(l8)；
根据式(4)、式(5)，确定属于该地质分段的掘进速率通用预测模型诸系数的具体值，从而确定属于该地质分段的掘进速率通用预测模型；
用同样的方法，根据刀盘扭矩通用预测模型诸系数的离均差率与地层BQE值的关系图，来确定属于该地质分段的刀盘扭矩通用预测模型。具体如下：在该地质分段等效岩体基本质量指标BQE值在横坐标上对应的点处作一条垂线，垂线分别和MDR(k1)与BQE值的关系曲线、MDR(k2)与BQE值的关系曲线、MDR(k3)与BQE值的关系曲线、MDR(k4)与BQE值的关系曲线、MDR(k5)与BQE值的关系曲线、MDR(k6)与BQE值的关系曲线和MDR(k7)与BQE值的关系曲线的7个交点的纵坐标，就是属于该地质分段的刀盘扭矩通用预测模型诸系数的离均差率：MDR(k1)、MDR(k2)、MDR(k3)、MDR(k4)、MDR(k5)、MDR(k6)、MDR(k7)。根据式(4)、式(5)，确定属于该地质分段的刀盘扭矩通用预测模型诸系数的具体值从而确定属于该地质分段的刀盘扭矩通用预测模型；
步骤六：
提出一组n、P、F试算值，代入到属于某一地质分段的掘进速率通用预测模型和刀盘扭矩通用预测模型里，就得到了属于这一地质分段的、这一组n、P、F对应的掘进速率预测值vf和刀盘扭矩预测值Tf。如果属于这一地质分段的、这一组n、P、F对应的掘进速率预测值vf和刀盘扭矩预测值Tf不满足施工要求，那就重新选取n、P、F，直到满足为止，得到满足要求的n、P、F参考值即本发明掘进参数的预测值。
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