CN107478803B - 一种隧道悬臂掘进机施工适应性分级方法 - Google Patents

一种隧道悬臂掘进机施工适应性分级方法 Download PDF

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Abstract

一种隧道悬臂掘进机施工适应性分级方法，其特征在于方法步骤如下：第一步；建立BQ与Q的相关关系；第二步；建立起关于悬臂掘进机的围岩分级模型“BQ机”，具体为；第三步；建立钻掘率(PR)、前进速率(AR)与BQ机的相关性；第四步；按修正的岩体基本质量系数(BQ机)分级；第五步；对BQ机及对衰减率进行微调；第六步；围岩分级。本发明的优点：能够有效的限制掌子面前方未开挖岩体对掌子面的挤压变形和掌子面的收敛变形，在围岩级别不是很差的情况不用进行超前支护，节约隧道开挖成本，以及提高悬臂掘进机的掘进效率。并根据此围岩分级预测悬臂掘进机的掘进速度、前进速度和开挖进尺。

Description

一种隧道悬臂掘进机施工适应性分级方法
技术领域
本发明涉及地下工程岩体分级方法，特别涉及城市地铁区间隧道悬臂掘进机施工适应性分级方法。
背景技术
地下岩体是复杂的地质体，地质环境充满差异性和随机性，导致地下工程的设计施工环境远比地面工程复杂。围岩分级和围岩力学参数的确定是地下工程设计施工的基本前提。当前我国规范中，围岩分级方法主要有两类:一类是定性分级方法，主要有《铁路隧道设计规范》和《锚杆喷射混凝土支护技术规范》等，其应用范围较广；另一类是定性与定量相结合的分级方法，主要有《工程岩体分级标准》和《公路隧道设计规范》等，其便于操作且适用于经验不多的工程人员。目前，不同工程单位都依据自身工程特点，提出了一些不同地质条件下的围岩分级方法，如适应于岩溶隧道、高地应力隧道、黄土隧道、碳酸盐隧道、板岩隧道、公路隧道等方面的分级标准。以上这些围岩分级方法都是基于传统的爆破开挖隧道进行分级的，但是悬臂掘进机开挖隧道与爆破开挖有本质的区别，这使得采用传统的围岩分级方法将不在适用于悬臂掘进机开挖隧道，这就需要建立一个以悬臂掘进机为核心、考虑机械-岩体相互作用的围岩分级。
当今流行的隧道围岩分级方法，大多数都是以爆破破岩为核心，针对隧道围岩稳定性等级划分而提出的。但是悬臂掘进机开挖隧道与爆破开挖隧道有本质的区别，更多强调的是围岩与机械的相互作用。因此围岩分级不仅要考虑围岩的稳定性，而且要重点考虑围岩的可掘性。所以隧道围岩悬臂掘进机适用性的分级主要是针对隧道工程的可掘性，即主要根据影响围岩可掘性的主要地质因素与悬臂掘进机施工效率的关系来划分。所以纯粹的套用以评价围岩稳定性为主的隧道围岩分级方法来进行隧道围岩悬臂掘进机工作条件分级显然是不恰当的。本发明的目的为建立一个既考虑围岩稳定性又考虑机械-岩体相互作用的围岩分级方法。
发明内容
本发明旨在于解决城市地铁隧道悬臂掘进机施工围岩分级问题。近年来悬臂掘进机在地铁隧道中的得到大量的使用，但是隧道围岩悬臂掘进机施工围岩尚没有成熟和统一的分级方法。基于目前围岩分级方法的不足，本发明提出一个公认的隧道围岩悬臂掘进机工作条件分级方法，并根据此围岩分级预测悬臂掘进机的掘进速度、前进速度和开挖进尺。
本发明采用的技术方案如下：一种隧道悬臂掘进机施工适应性分级方法，方法步骤如下：
第一步；建立BQ与Q的相关关系；具体为：
BQ＝61.934ln(Q)+177.96 (1)
或者Q＝0.057e0.016BQ(2)
第二步；建立起关于悬臂掘进机的围岩分级模型“BQ机”，具体为：
Figure GDA0004255796330000021
即
Figure GDA0004255796330000022
P为悬臂掘进机的功率；SIGMA由下式计算：
SIGMA＝5γQC 1/3 (5)
Figure GDA0004255796330000023
式中：γ岩体的重度；
第三步；建立钻掘率(PR)、前进速率(AR)与BQ机的相关性，具体为：
PR与BQ机幂指数关系；二者的关系式为：
Figure GDA0004255796330000024
AR与BQ机二者的关系式为：
Figure GDA0004255796330000025
式中：T为总小时数(24小时/日，168小时/周)；
第四步；按修正的岩体基本质量系数(BQ机)分级；
第五步；对BQ机及对衰减率进行微调；
经“微调”后的BQ机计算PR时，可以按下式进行：
Figure GDA0004255796330000026
由(11)计算PR：
Figure GDA0004255796330000027
根据分析可以得到，衰减率的“微调”：
Figure GDA0004255796330000028
第六步；围岩分级；
步骤四中；岩石基本质量系数(BQ机)小于1时，掘进机适用性分级差，钻掘难易程度极好，岩石基本质量系数(BQ机)在1-5时，掘进机适用性分级一般，钻掘难易程度好，岩石基本质量系数(BQ机)在5-10时，掘进机适用性分级好，钻掘难易程度极好，岩石基本质量系数(BQ机)在10-17时，掘进机适用性分级极好，钻掘难易程度极好，岩石基本质量系数(BQ机)在17-25时，掘进机适用性分级好，钻掘难易程度一般，岩石基本质量系数(BQ机)在25-40时，掘进机适用性分级一般，钻掘难易程度一般，岩石基本质量系数(BQ机)在大于40时，掘进机适用性分级韧，钻掘难易程度困难；
所述的步骤六中围岩分级的具体步骤为：
(1)现场围岩参数的确定；
(2)在以上基础上按BQ和Q的换算公式确定岩体的Q值，进行岩体强度(SIGMA)的确定，岩体强度(SIGMA)的确定公式如下：
SIGMAcm＝5γQC 1/3
Figure GDA0004255796330000031
SIGMAtm＝5γQt 1/3
Figure GDA0004255796330000032
BQ＝61.934ln(Q)+177.96或者Q＝0.057e0.016BQ
(3)在以上基础上进行悬臂掘进机岩体适应性BQ机的确定，BQ机的确定公式如下：
Figure GDA0004255796330000033
(4)在以上基础上进行衰减率m1的确定，衰减率m1的确定公式如下：
Figure GDA0004255796330000034
(5)在以上基础上进行钻掘速率的确定，钻掘速率的确定公式如下：
Figure GDA0004255796330000035
(6)在以上基础上进行掘进时间的确定，掘进时间的确定公式如下：
Figure GDA0004255796330000036
(7)在以上基础上进行总时间的确定，掘进总时间的确定公式如下：
PR加权平均
Figure GDA0004255796330000037
∑T，∑L；
(8)在以上基础上进行工作终结时间的AR的确定，工作终结时间的AR的确定公式如下：
Figure GDA0004255796330000038
(9)在以上(1)-(8)基础上进行悬臂掘进机工作条件分析。
本发明的优点：能够有效的限制掌子面前方未开挖岩体对掌子面的挤压变形和掌子面的收敛变形，在围岩级别不是很差的情况不用进行超前支护，节约隧道开挖成本，提高悬臂掘进机的掘进效率以及能够根据此围岩分级预测悬臂掘进机的掘进速度、前进速度和开挖进尺。
附图说明
图1为本发明的BQ与Q的关系曲线图。
图2为本发明的PR与BQ机的关系曲线图。
图3为本发明悬臂掘进机预估截齿的使用寿命图。
具体实施方式
1、建立BQ与Q具体实施方式
1、建立BQ与Q的相关关系。石的单轴抗压强度测量以及岩体弹性波波速测试。Q系统法除岩体质量指标RQD外，其余几个参数均是根据现场调查得到的结果查表得出，主观随意性较强，但该方法仅需测量岩块的单轴抗压强度，因此比较简单。根据大量的研究结果显示BQ与Q有较好的相关关系，如下图1所示。
从图中可以看出，数据拟合的精度较高，相关系数为0.95，BQ与Q成对数关系。二者的关系式为：
BQ＝61.934ln(Q)+177.96 (1)
或者Q＝0.057e0.016BQ(2)
2.“BQ机”的建立。
因为国标BQ分级是基于围岩稳定性建立的，并没有体现岩体—机械相互作用因素的影响。所以要想建立关于悬臂掘进机的围岩分级，就必须建立一个能体现岩体—机械相互作用的模型。挪威著名的工程师巴顿曾经建立关于全断面掘进机的围岩分级模型，基于其启发，在这里也建立起关于悬臂掘进机的围岩分级模型“BQ机”。
Figure GDA0004255796330000041
即：
Figure GDA0004255796330000042
式中：BQ0为岩隧道轴线方向岩体的基本质量BQ0＝90+3RC0+250KV；P为悬臂掘进机的功率。
根据Singh的研究表明SIGMA由下式计算：
SIGMA＝5γQC 1/3 (5)
Figure GDA0004255796330000043
式中：γ岩体的重度；
本来是RC/P的比值对悬臂掘进机的钻掘率的影响重要，但是对岩体的强度进行重度和孔隙率修正后的的比值会具有更好的相关性，如图1也就是SIGMA/P的比值。SIGMA/P的比值倒数P/SIGMA代表了岩石的钻掘的难易程度，因此把命名为钻掘指数(P/SIGMA)。
3.钻掘率(PR)、前进速率(AR)与BQ机的相关性。
建立一个可行的悬臂掘进机开挖预测模型是基于以下等式：
AR＝PR×Tm
Figure GDA0004255796330000051
SIGMA＝5γQC 1/3
根据贵阳轨道交通1号线四、五、六、七、八标段得出经过修正的岩体基本质量系数(BQ机)与悬臂掘进机掘进速度之间的关系，如图2所示。
从图2中可以看出，数据拟合的精度较高，相关系数为0.82，PR与BQ机幂指数关系。二者的关系式为：
Figure GDA0004255796330000052
根据前面贵阳轨道交通1号线四、五、六、七、八标段得出的前进速率的“衰减规律”(AR＝PR×Tm)，则可以得出：
Figure GDA0004255796330000053
式中：T为总小时数(24小时/日，168小时/周等)。
4.按修正的岩体基本质量系数(BQ机)分级。
一般情况下，当岩石基本质量系数(BQ机)越小，钻掘指数越大，掘进机掘进则越为容易，截齿损耗也越小。但是岩石基本质量系数(BQ机)过小，岩石的自立时间变差，虽然理论上的PR很大，但是由于自立时间差，需要及时支护以及采用相应的应对措施，这会严重影响掘进机的使用率，从而导致前进速率的急剧减小。考虑到岩体的钻掘难易程度以及岩体的自立时间，现对隧道围岩悬臂掘进机施工分级如下表1所示。
表1岩体基本质量分级
Figure GDA0004255796330000054
5.对BQ机及对衰减率进行微调。
(1)截齿磨损引起的微调；
根据特隆海姆技术大学所开发的脆性和磨损实验方法，可以得到截齿的寿命指数(CLI)，根据实验结果可以得出，截齿的使用寿命在CLI值低于20是急剧下降，见下图3。因此该值可以用于归一化CLI，当20/CLI的比值大于1，则BQ机增大，钻掘困难，当20/CLI的比值小于1，则BQ机减小，钻掘率更高。经过分析可知，若经“微调”后的BQ机计算PR时，可以按下式进行：
Figure GDA0004255796330000061
由(11)计算PR：
Figure GDA0004255796330000062
根据分析可以得到，衰减率的“微调”：
Figure GDA0004255796330000063
(2)岩体的不等向性引起的微调；
各向异性构造，如劈裂、片理、层面等的夹角β介于0°与90°之间，则形成一相对平缓的过度曲线。根据普朗德尔的楔形破坏模式，艾伯立与万纳建议最佳的β角度是β＝45°+ψ/2，ψ是岩体的内摩擦角。来自截齿周围的荷载是岩石形成被动楔形的剪切破坏。这对连续塑性破坏介质，如软土、黏土层是合理的。但对于脆性或非连续性岩体中钻掘时，破坏多半因为张性裂缝的形成或节理面的滑动而产生，还涉及剪胀角，因此β＝45°+ψ/2则不一定适用。
根据尼尔逊指出，在水平沉积岩中，从垂直钻孔取芯得到的数据与掘进机的钻掘速率相关性比较低。因此必须对BQ机进行相应的修正，修正方式如下：
1)不利节理方向β>60°时，主要为受压破坏
SIGMAcm＝5γQC 1/3 (12)
Figure GDA0004255796330000064
2)有利节理方向β<30°，主要为受拉破坏
SIGMAtm＝5γQt 1/3 (14)
Figure GDA0004255796330000065
3)当30°<β<60°时，根据实际破坏情况选择(13)或者(15)式。
(3)隧道尺寸效应引起的微调；
从直觉来是说，开挖大直径隧道要比开挖小直径隧道快，因为大直径隧道需要的支护多，开挖量大，就容易认为开挖大直径隧道速度和小直径隧道相比要慢。但是根据相关的文献资料表明，虽然大直径隧道开挖量大，但是它的架设支护效率更高，各工序之间影响较小，这就是的在良好岩体中开挖大隧道比开挖小隧道快，对于较好的围岩，大直径隧道几乎不用做初支，掌子面的掘进、出渣以及二衬的施作几乎可以同时进行，相互之间互不影响。
虽然在良好的岩体中开挖大直径隧道要比小隧道快，但若岩体质量不良，则在大隧道的延误要比在小隧道中更多。根据统计表明，采用直径(D)5m进行归一化来针对衰减率(m)稍作修改。
Figure GDA0004255796330000071
6.围岩分级的具体步骤。
(1)现场围岩参数的确定
(2)在以上基础上按BQ和Q的换算公式确定岩体的Q值，进行岩体强度(SIGMA)的确定。岩体强度(SIGMA)的确定公式如下：
SIGMAcm＝5γQC 1/3
Figure GDA0004255796330000072
SIGMAtm＝5γQt 1/3
Figure GDA0004255796330000073
BQ＝61.934ln(Q)+177.96或者Q＝0.057e0.016BQ
(3)在以上基础上进行悬臂掘进机岩体适应性BQ机的确定。BQ机的确定公式如下：
Figure GDA0004255796330000074
(4)在以上基础上进行衰减率m1的确定。衰减率m1的确定公式如下：
Figure GDA0004255796330000075
(5)在以上基础上进行钻掘速率的确定。钻掘速率的确定公式如下：
Figure GDA0004255796330000076
(6)在以上基础上进行掘进时间的确定。掘进时间的确定公式如下：
Figure GDA0004255796330000077
(7)在以上基础上进行总时间的确定。掘进总时间的确定公式如下：
PR加权平均
Figure GDA0004255796330000078
∑L；
(8)在以上基础上进行工作终结时间的AR的确定。工作终结时间的AR的确定公式如下：
Figure GDA0004255796330000079
(9)在以上(1)-(8)基础上进行悬臂掘进机工作条件分析，见表2。
表2隧道悬臂掘进机工作条件分级确定表
Figure GDA00042557963300000710
Figure GDA0004255796330000081

Claims (1)

1.一种隧道悬臂掘进机施工适应性分级方法，其特征在于，方法步骤如下：
第一步；建立BQ与Q的相关关系；具体为：
BQ＝61.934ln(Q)+177.96 (1)
或者Q＝0.057e0.016BQ(2)
第二步；建立起关于悬臂掘进机的围岩分级模型“BQ机”，具体为：
Figure FDA0004255796320000011
即
Figure FDA0004255796320000012
P为悬臂掘进机的功率；SIGMA由下式计算：
SIGMA＝5γQC 1/3 (5)
Figure FDA0004255796320000013
式中：γ岩体的重度；
第三步；建立钻掘率(PR)、前进速率(AR)与BQ机的相关性，具体为：
PR与BQ机幂指数关系；二者的关系式为：
Figure FDA0004255796320000014
AR与BQ机二者的关系式为：
Figure FDA0004255796320000015
式中：T为总小时数；
第四步；按修正的岩体基本质量系数(BQ机)分级；
第五步；对BQ机及对衰减率进行微调；
经“微调”后的BQ机计算PR时，可以按下式进行：
Figure FDA0004255796320000016
由(11)计算PR：
Figure FDA0004255796320000017
根据分析可以得到，衰减率的“微调”：
Figure FDA0004255796320000018
第六步；围岩分级；
步骤四中；岩石基本质量系数(BQ机)小于1时，掘进机适用性分级差，钻掘难易程度极好，岩石基本质量系数(BQ机)在1-5时，掘进机适用性分级一般，钻掘难易程度好，岩石基本质量系数(BQ机)在5-10时，掘进机适用性分级好，钻掘难易程度极好，岩石基本质量系数(BQ机)在10-17时，掘进机适用性分级极好，钻掘难易程度极好，岩石基本质量系数(BQ机)在17-25时，掘进机适用性分级好，钻掘难易程度一般，岩石基本质量系数(BQ机)在25-40时，掘进机适用性分级一般，钻掘难易程度一般，岩石基本质量系数(BQ机)在大于40时，掘进机适用性分级韧，钻掘难易程度困难；
所述的步骤六中围岩分级的具体步骤为：
(1)现场围岩参数的确定；
(2)在以上基础上按BQ和Q的换算公式确定岩体的Q值，进行岩体强度(SIGMA)的确定，岩体强度(SIGMA)的确定公式如下：
Figure FDA0004255796320000021
Figure FDA0004255796320000022
BQ＝61.934ln(Q)+177.96或者Q＝0.057e0.016BQ
(3)在以上基础上进行悬臂掘进机岩体适应性BQ机的确定，BQ机的确定公式如下：
Figure FDA0004255796320000023
(4)在以上基础上进行衰减率m1的确定，衰减率m1的确定公式如下：
Figure FDA0004255796320000024
其中，D表示直径；
(5)在以上基础上进行钻掘速率的确定，钻掘速率的确定公式如下：
Figure FDA0004255796320000025
(6)在以上基础上进行掘进时间的确定，掘进时间的确定公式如下：
Figure FDA0004255796320000026
(7)在以上基础上进行总时间的确定，掘进总时间的确定公式如下：
PR加权平均
Figure FDA0004255796320000027
(8)在以上基础上进行工作终结时间的AR的确定，工作终结时间的AR的确定公式如下：
Figure FDA0004255796320000028
(9)在以上(1)-(8)基础上进行悬臂掘进机工作条件分析。
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