CN109740119A - 一种tbm掘进隧洞围岩单轴抗压强度快速估算方法 - Google Patents

Abstract

本公开提出了一种TBM掘进隧洞围岩单轴抗压强度快速估算方法，包括：针对现有的隧洞围岩内的不同岩性地层，分别获得相应的岩石单轴抗压强度数据及与岩石单轴抗压强度相关的岩石力学参数数据；根据不同岩性地层的所述岩石单轴抗压强度数据及所述岩石力学参数数据，通过线型回归分析方法或非线性分析方法，建立经验估算公式或经验估算模型；获得待测试样的岩性地层相应的岩石力学参数数据，利用所建立的经验估算公式或经验估算模型估算该待测试样的岩性地层的单轴抗压强度。本公开结合TBM施工特点，通过线型回归或非线性分析方法建立基于上述参数的经验估算公式和估算模型，能够实现快速获得单轴抗压强度。

Description

一种TBM掘进隧洞围岩单轴抗压强度快速估算方法

技术领域

本公开涉及围岩参数测试技术领域，特别是涉及一种TBM掘进隧洞围岩单轴抗压强度快速估算方法。

背景技术

目前，关于大量的地下工程，TBM工法由于自动化程度高、施工速度快、节约人力以及安全经济等优点，已在城市地铁隧道，引供水隧洞，穿江越海隧道，电力电讯地下管廊中广泛使用。

TBM又称隧道硬岩掘进机，在施工中主要应用于硬岩地层。在硬岩地层中掘进，岩石的单轴抗压强度是影响施工重要参数，岩石强度的高低影响刀盘磨损的程度，进一步影响着施工进度。但是，岩石单轴抗压强度测试过程复杂，测试试样标准要求高，费时费力，不易完成。因此，在TBM掘进隧洞施工过程中，如何快速测得围岩的单轴抗压强度是急需解决的问题。目前，简单测试方法，包括点荷载强度测试、施密特回弹仪硬度测试、声波波速测试以及巴西劈裂测试等，已广泛应用于估算岩石的单轴抗压强度，国家标准GB/T 50218-2014也推荐了单轴抗压强度(R_c)和点荷载强度(I_s(50))的相关经验公式,R_c＝22.82I_s(50)^0.75。

但公开人在研究中发现，经验公式受岩石岩性及非均质性(粒度变化、层理和格里菲斯裂隙等)影响较大，即不同岩性地层的单轴抗压强度和简单测试方法之间存在不同的关系。在不同的隧洞围岩中采用统一推荐的经验公式估算单轴抗压强度会产生较大误差。因此，在 TBM掘进隧洞工程中，应针对不同隧洞围岩建立适合的单轴抗压强度快速测试方案。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本公开的实施例子提供了一种TBM掘进隧洞围岩单轴抗压强度快速估算方法，能够实现对不同的岩性地层的单轴抗压强度快速估算。

为了实现上述目的，本公开采用以下技术方案：

一种TBM掘进隧洞围岩单轴抗压强度快速估算方法，包括：

针对现有的隧洞围岩内的不同岩性地层，分别获得相应的岩石单轴抗压强度数据及与岩石单轴抗压强度相关的岩石力学参数数据；

根据不同岩性地层的所述岩石单轴抗压强度数据及所述岩石力学参数数据，通过线型回归分析方法或非线性分析方法，建立经验估算公式或经验估算模型；

获得待测试样的岩性地层相应的岩石力学参数数据，利用所建立的经验估算公式或经验估算模型估算该待测试样的岩性地层的单轴抗压强度。

作为本公开进一步的技术方案，在获得与岩石单轴抗压强度相关的岩石力学参数数据时，选取与单轴抗压强度相关性强且能通过简单快速测试方法获取的岩石力学参数数据，包括但不限于点荷载强度、硬度、密度及声波纵波波速。

作为本公开进一步的技术方案，建立经验估算公式或经验估算模型之前，将现有隧洞根据地质勘查成果，划分为不同岩性地层，将属于同一岩性地层的划为一组，在每一组岩性地层内采取多个岩石试样。

作为本公开进一步的技术方案，在获得属于不同岩性地层的岩石试样后，对岩石试样进行标准单轴抗压强度试验，获取隧洞不同岩性地层的标准单轴抗压强度数据；同时对岩石试样测试所选岩石力学参数，获取岩石力学参数值数据。

作为本公开进一步的技术方案，针对所获得标准单轴抗压强度数据及岩石力学参数值数据进行简单回归分析获得经验估算公式，若简单回归分析获得经验估算公式不能满足要求，则进行多元回归分析获得经验估算公式，若多元回归分析获得经验估算公式不能满足要求，则采用非线性方法建立经验估算模型。

作为本公开更进一步的技术方案，在针对所获得标准单轴抗压强度数据及岩石力学参数值数据进行简单回归分析获得经验估算公式时，针对每一组岩性地层的数据建立单轴抗压强度和单个力学参数的经验估算公式，即针对每组岩性地层建立单轴抗压强度的经验估算公式；

其中，基于不同岩石力学参数，对于同一组岩性地层获得多个经验估算公式，通过公式的相关性系数进行判别，相关性系数最大即为该组地层的最佳公式。

作为本公开更进一步的技术方案，在进行多元回归分析获得经验估算公式时，针对岩石力学参数任意两个为一组，建立多个单轴抗压强度与两个力学参数的多元经验估算公式；

基于不同岩石力学参数组合，对于同一组岩性地层的多个经验估算公式，可通过公式的评估指数(PI)进行判别，评估指数(PI)最大即为该组岩性地层的最佳公式。

作为本公开更进一步的技术方案，在采用非线性方法建立经验估算模型时，采用人工神经网络建立单轴抗压强度的经验估算模型，具体的：将某一组岩性地层的单轴抗压强度和岩石力学参数数据分为训练样本和非训练样本两部分；

随后选取两个岩石力学参数作为输入层，而对应的单轴抗压强度为输出层，并通过训练样本建立经验估算模型，采用非训练样本进行检验，对于同一组岩性地层基于不同岩石力学参数输入层的多个合理的经验估算模型，同样通过检验样本的评估指数(PI)进行判别，评估指数(PI)最大即为该组地层的最佳经验估算模型。

作为本公开更进一步的技术方案，若采用非线性方法建立的经验估算模型不满足要求，则增加输入层个数，即增加输入的岩石力学参数个数，直至建立满足要求的经验估算模型。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

1、本公开以TBM施工过程中挖掘出的岩块作为测试试样，通过简单快速测试方法获得岩石力学参数，包括点荷载强度、硬度、密度及声波纵波波速。并通过线型回归或非线性分析方法建立基于上述参数的经验估算公式和估算模型，能够实现快速获得单轴抗压强度。

2、本公开针对所获得的现有的隧洞不同岩性地层的标准单轴抗压强度数据及力学参数值数据，进行模型搭建时，首先采用简单回归分析，不满足要求时，采用多元回归分析，再不满足要求时，才进行非线性方法建立经验估算模型，上述方法采用递进的方式实现对待测试样的单轴抗压强度数据的估算，能够满足不同的不同岩性地层的单轴抗压强度的准确估算，精度高。

3、本公开整体技术方案原理简单且实用性强，对TBM施工方案选择具有指导意义，解决了TBM掘进隧洞围岩单轴抗压强度参数获取复杂且不准确的难题。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开具体实施例子1隧洞围岩单轴抗压强度快速估算方法的流程图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本公开的一种典型的实施例子1中，提供了一种TBM掘进隧洞围岩单轴抗压强度快速估算方法，解决了获取TBM掘进隧洞围岩单轴抗压强度参数复杂且不准确的难题，根据现有隧洞内岩石单轴抗压强度数据及与其相关且简单易测的岩石力学参数数据，例如为：点荷载强度、硬度、密度及声波纵波波速，通过线型回归分析或非线性分析的方法，此处线型回归分析包括简单回归分析、多元回归分析，非线性分析可选用人工神经网络，建立经验估算公式或经验估算模型。本公开的实施例中基于待测试样的简单力学参数和所建立的经验估算公式或经验估算模型，可快速估算岩石的单轴抗压强度。

为了更好的说明本公开中上述整体构思，下面结合附图1进行详细说明，一种适用于TBM 掘进隧洞围岩单轴抗压强度快速测试方法，包括以下步骤：

(1)首先对岩石单轴抗压强度的影响因素进行分析，选取与单轴抗压强度相关性强的岩石力学参数，所选力学参数能通过简单快速测试方法获取，包括点荷载强度、硬度、密度及声波纵波波速。

(2)根据隧洞地质勘查成果，划分不同岩性地层，同一岩性地层划为一组并编号(如 A,B,C,D,E…)，在同一组岩性地层内应采取多个试样并编号(如A₁,A₂,A₃,A₄,A₅…)。

(3)对采集的岩石试样进行标准单轴抗压强度试验，获取隧洞不同岩性地层的标准单轴抗压强度数据；同时测试所选岩石力学参数，获取力学参数值数据。

(4)进行线性回归分析。首先采用简单回归分析，针对每一组数据建立单轴抗压强度和单个力学参数的经验估算公式，即针对每组岩性地层建立单轴抗压强度的经验估算公式。对于同一组岩性地层的多个经验估算公式(基于不同岩石力学参数)，可通过公式的相关性系数(R²)进行判别，相关性系数(R²)最大即为该组地层的最佳公式。

(5)如果最佳经验估算公式所获得结果准确率达到90％以上，则认为公式可用。通过公式对应的岩石力学参数测试，即可快速获得岩石的单轴抗压强度。如果该公式不满足要求，则需要进一步的多元回归分析。

(6)在简单回归分析不能满足设计要求情况下，进行多元回归分析。针对某一组岩性地层，首先选取两个岩石力学参数为一组合，建立单轴抗压强度与两个力学参数的多元经验估算公式。随后选取不同的力学参数组合，建立多个多元经验估算公式。对于同一组岩性地层的多个经验估算公式(基于不同岩石力学参数组合)，可通过公式的评估指数(PI)进行判别，PI可由相关性系数(R²)、可解释变异量(VAF)和均方根误差(RMSE)计算获得，评估指数(PI)最大即为该组地层的最佳公式。

由于根据数理统计理论，不同分析方法具有不同的评估方式确定方法。因此上述分析时在采用的分析方法不同的情况下，采用不同的方式进行评估。

(7)如果多元回归分析所得最佳经验估算公式的准确性和可靠性如果满足工程设计要求，通过公式对应的岩石力学参数测试，即可快速获得岩石的单轴抗压强度。如果该公式不满足要求，则证明单轴抗压强度和力学参数之间不存在线性相关关系，需采用非线性方法建立经验估算模型。

(8)非线性分析采用人工神经网络建立单轴抗压强度的经验估算模型。首先，将某一组岩性地层的单轴抗压强度和岩石力学参数数据分为训练样本和非训练样本两部分，并将所有数据进行归一化处理。随后选取两个岩石力学参数作为输入层，而对应的单轴抗压强度为输出层，并通过训练样本建立经验估算模型。为检验模型的泛化能力，采用非训练样本进行检验。对于同一组岩性地层的多个合理的经验估算模型(基于不同岩石力学参数输入层)，同样通过检验样本的评估指数(PI)进行判别，评估指数(PI)最大即为该组地层的最佳经验估算模型。本公开的上述非线性分析是针对完整岩体的，而且本公开技术方案选取参数为针对完整岩体所做出的。

(9)如果神经网络所得最佳经验估算模型的准确性和可靠性如果满足工程设计要求，通过公式对应的岩石力学参数测试，即可快速获得岩石的单轴抗压强度。如果该模型不满足要求，则增加输入层个数，即增加输入的岩石力学参数个数，以建立满足设计要求的经验估算模型。

(10)在建立合理的经验估算公式或估算模型后，在TBM施工过程中，采取挖掘出来的岩块作为试样，针对不同地层建立不同公式或模型，应用时需先进行岩性地层判断，通过简单测试方法，可快速获得某一岩性地层相应的岩石力学参数，包括点荷载强度、硬度、密度及声波纵波波速，并通过经验估算公式或估算模型快速获得该岩性地层的单轴抗压强度。

在具体实施时，步骤(1)中，选取的岩石力学参数包括点荷载强度、硬度、密度及声波纵波波速，力学参数通过对TBM挖掘出的任意形状岩块试验测试获得，其中点荷载强度通过对任意形状岩块快速测得；硬度为岩石表面硬度，采用施密特回弹仪快速测得；密度根据岩块质量和体积快速计算获得；纵波波速采用超声波测试仪快速测得。

在具体实施时，步骤(3)中，单轴抗压强度试验和各岩石力学参数试验根据国家标准 GB/T 50266-2013进行。

在具体实施时，步骤(4)中，简单线型回归分析采用4种关系式，即直线函数型(Y＝aX+b)、幂函数型(Y＝aX^b)、指数函数型(Y＝ae^X)和对数函数型(Y＝a+lnX)。其中，Y为单轴抗压强度，X为选取的岩石力学参数。

在具体实施时，步骤(4)中，相关性系数(R²)可通过公式计算获得，其中 Cov(X,Y)为X和Y的协方差，Var(X)为X的方差，Var(Y)为Y的方差。

在具体实施时，步骤(6)中，PI计算公式为：PI＝R²+(VAF/100)-RMSE；其中，VAF＝[1-Var(Y-Y′)/Var(Y)]×100，Y为实际值，Y′为估算值。

在具体实施时，步骤(8)中，非训练样本的比列至少大于20％，样本数据归一化公式为：其中X_Norm为归一化数据，X_actual为原始数据，X_max为样本数据最大值，X_min为样本数据最小值。

本公开的上述具体实施例子中的技术方案中，首先线型分析，先用简单线型分析，如果结果精度满足，则成功建立强度估算系统和方法，如果不满足，则多元线性分析，如果结果精度满足，则成功建立强度估算系统和方法，如果在不满足，采用非线性分析，即神经网络建立系统和方法，建立强度估算系统和方法。本公开针对所获得的现有的隧洞不同岩性地层的标准单轴抗压强度数据及力学参数值数据，进行模型搭建时，首先采用简单回归分析，不满足要求时，采用多元回归分析，再不满足要求时，才进行非线性方法建立经验估算模型，上述方法采用递进的方式实现对待测试样的单轴抗压强度数据的估算，能够满足不同的不同岩性地层的单轴抗压强度的准确估算，精度高。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种TBM掘进隧洞围岩单轴抗压强度快速估算方法，其特征是，包括：

针对现有的隧洞围岩内的不同岩性地层，分别获得相应的岩石单轴抗压强度数据及与岩石单轴抗压强度相关的岩石力学参数数据；

根据不同岩性地层的所述岩石单轴抗压强度数据及所述岩石力学参数数据，通过线型回归分析方法或非线性分析方法，建立经验估算公式或经验估算模型；

获得待测试样的岩性地层相应的岩石力学参数数据，利用所建立的经验估算公式或经验估算模型估算该待测试样的岩性地层的单轴抗压强度。

2.如权利要求1所述的一种TBM掘进隧洞围岩单轴抗压强度快速估算方法，其特征是，在获得与岩石单轴抗压强度相关的岩石力学参数数据时，选取与单轴抗压强度相关性强且能通过简单快速测试方法获取的岩石力学参数数据，包括但不限于点荷载强度、硬度、密度及声波纵波波速。

3.如权利要求1所述的一种TBM掘进隧洞围岩单轴抗压强度快速估算方法，其特征是，建立经验估算公式或经验估算模型之前，将现有隧洞根据地质勘查成果，划分为不同岩性地层，将属于同一岩性地层的划为一组，在每一组岩性地层内采取多个岩石试样。

4.如权利要求1或3所述的一种TBM掘进隧洞围岩单轴抗压强度快速估算方法，其特征是，在获得属于不同岩性地层的岩石试样后，对岩石试样进行标准单轴抗压强度试验，获取隧洞不同岩性地层的标准单轴抗压强度数据；同时对岩石试样测试所选岩石力学参数，获取岩石力学参数值数据。

5.如权利要求1所述的一种TBM掘进隧洞围岩单轴抗压强度快速估算方法，其特征是，针对所获得标准单轴抗压强度数据及岩石力学参数值数据进行简单回归分析获得经验估算公式，若简单回归分析获得经验估算公式不能满足要求，则进行多元回归分析获得经验估算公式，若多元回归分析获得经验估算公式不能满足要求，则采用非线性方法建立经验估算模型。

6.如权利要求5所述的一种TBM掘进隧洞围岩单轴抗压强度快速估算方法，其特征是，在针对所获得标准单轴抗压强度数据及岩石力学参数值数据进行简单回归分析获得经验估算公式时，针对每一组岩性地层的数据建立单轴抗压强度和单个力学参数的经验估算公式，即针对每组岩性地层建立单轴抗压强度的经验估算公式；

其中，基于不同岩石力学参数，对于同一组岩性地层获得多个经验估算公式，通过公式的相关性系数进行判别，相关性系数最大即为该组地层的最佳公式。

7.如权利要求5所述的一种TBM掘进隧洞围岩单轴抗压强度快速估算方法，其特征是，在进行多元回归分析获得经验估算公式时，针对岩石力学参数任意两个为一组，建立多个单轴抗压强度与两个力学参数的多元经验估算公式；

基于不同岩石力学参数组合，对于同一组岩性地层的多个经验估算公式，可通过公式的评估指数(PI)进行判别，评估指数(PI)最大即为该组岩性地层的最佳公式。

8.如权利要求5所述的一种TBM掘进隧洞围岩单轴抗压强度快速估算方法，其特征是，在采用非线性方法建立经验估算模型时，采用人工神经网络建立单轴抗压强度的经验估算模型，具体的：将某一组岩性地层的单轴抗压强度和岩石力学参数数据分为训练样本和非训练样本两部分；

随后选取两个岩石力学参数作为输入层，而对应的单轴抗压强度为输出层，并通过训练样本建立经验估算模型，采用非训练样本进行检验，对于同一组岩性地层基于不同岩石力学参数输入层的多个合理的经验估算模型，同样通过检验样本的评估指数(PI)进行判别，评估指数(PI)最大即为该组地层的最佳经验估算模型。

9.如权利要求8所述的一种TBM掘进隧洞围岩单轴抗压强度快速估算方法，其特征是，若采用非线性方法建立的经验估算模型不满足要求，则增加输入层个数，即增加输入的岩石力学参数个数，直至建立满足要求的经验估算模型。