CN111852486B - 一种预测tbm掘进适宜性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种比较TBM掘进适宜性的方法，包括以下步骤：S1：统计Ⅰ～Ⅲ级围岩段卡机总长度l_III；S2：统计Ⅳ级围岩段卡机总长度l_IV；S3：统计Ⅴ、Ⅵ级围岩段卡机总长度l_V；S4：根据l_III、l_IV、l_V及其相对应的围岩条件和占比进行相应的折减计算出隧道统计段TBM设备的适宜性参数Pg。本发明结论简单，成果间易于比较：可进行同一TBM机型在不同隧道间、同一隧道不同TBM机型间的整体掘进适宜性比较。其中数值相对较小说明TBM设备在该隧道下的掘进适应性较强，反之说明设备适宜性较弱。

Description

一种预测TBM掘进适宜性的方法

技术领域

本发明涉及隧道掘进领域，具体涉及一种预测TBM掘进适宜性的方法。

背景技术

在隧道施工中，除了单纯的设备设计制造，对TBM设备性能的研究思路目前主要有两大类。一种是以隧道外部环境(即隧道地质条件)的研究为主，其思路是对围岩进行分级，以便根据不同围岩条件确定TBM的工作环境，并进一步研究岩机的相互作用。即根据围岩条件及设备掘进过程中的难易程度和适宜程度进行综合考虑。最典型的是《铁路隧道全断面岩石掘进机法技术指南》(铁建设[2007]106号)中P18的相关内容。此外k.Bartok于1999年在岩体质量指标Q系统分类的基础上，提出了在TBM掘进条件下的QTBM模型，综合考虑了岩体质量参数和TBM设备性能，适用于TBM掘进过程中对围岩条件进行评价。

另一种是研究TBM施工效率，从理论、经验等方面入手，根据不同的模型进行TBM实际施工效率的PR的预测，其核心理论是：AR＝PR*U。

式中：AR(advakce rate)为某段施工时间内TBM开挖隧道的平均速率，其中施工时间包括因各种原因造成的停机和掘进时间；PR(peketratiok rate)为TBM在某段有效时间内TBM开挖隧道的平均速率，有效时间仅指TBM刀盘破岩的时间；U(utilizatiok)是TBM的利用率，它是TBM有效掘进时间占某段总施工时间的百分比。

此外实际施工中，多以日进尺、月进尺等进度指标作为判断TBM掘进效果的参考。

现有研究存在以下不足：

1、对围岩的岩机相互作用研究，仍采用的是传统分级的手段，造成某一隧道分段数量大，信息碎片化，难以建立特定TBM机型与开挖隧道整体适宜性的认识。

2、采用掘进效率模型进行研究，多出于预测目的，部分参数理想化，与实际情况存在偏差。

3、采用不同的TBM性能预测模型，一般参数众多，计算过程复杂，多用于预测TBM实际掘进效率(如Sakio模型偏重于滚刀破岩机制的研究，CSM模型根据岩体结构面间距、夹角、峰值斜率及岩石破碎指数等岩机综合指数对掘进效率进行预测等)。

4、直接按进尺等进度指标统计TBM的实际掘进效率，包含众多人为因素(如施工组织、TBM操作水平、TBM故障处理等)的影响，难以单独反映TBM客观适宜隧道环境的能力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，用一种较为简单方式，将某TBM机型在某一隧道中的掘进适宜性按相对掘进效率进行概括表达，以反映在某隧道环境下TBM特定机型的实际掘进整体适宜性。该参数以反映TBM客观掘进适宜性为主，在避免人为因素干扰的前提下，可进行同机型不同隧道环境下、同隧道环境下不同机型间掘进适宜性的比较，并可据此对设备及施工方式进行调整和改进。

本发明通过下述技术方案实现：

一种预测TBM掘进适宜性的方法，包括以下步骤：

S1：统计Ⅰ～Ⅲ级围岩段卡机总长度l_III；

S2：统计Ⅳ级围岩段卡机总长度l_IV；

S3：统计Ⅴ、Ⅵ级围岩段卡机总长度l_V；

S4：根据l_III、l_IV、l_V进行折减计算得出隧道统计段TBM设备的适宜性参数Pg。

进一步地，一种预测TBM掘进适宜性的方法，所述S1中Ⅰ～Ⅲ级围岩段卡机总长度l_III计算公式如下：

其中l_Ⅲi为Ⅰ～Ⅲ级围岩中单次卡机段长度：如连续卡机段间距离小于TBM主机长度则按TBM主机长度度计，如进行扩挖处理其卡机段长度则按扩挖段长度计算且需大于TBM主机长度，l_Ⅲ为Ⅰ～Ⅲ级围岩卡机段累计总长度。

进一步地，一种预测TBM掘进适宜性的方法，所述S2中Ⅳ级围岩段卡机总长度l_IV计算公式如下：

其中l_Ⅳi为Ⅳ级围岩中单次卡机段长度：如连续卡机段间距离小于TBM主机长度则按TBM主机长度度计，如进行扩挖处理其卡机段长度则按扩挖段长度计算且需大于TBM主机长度，l_IV为Ⅳ级围岩卡机段累计总长度。

进一步地，一种预测TBM掘进适宜性的方法，所述S3中Ⅴ、Ⅵ级围岩段卡机总长度l_V计算公式如下：

其中l_Ⅴi为Ⅴ、Ⅵ级围岩中单次卡机段长度：如连续卡机段间距离小于TBM主机长度则按TBM主机长度度计，如进行扩挖处理其卡机段长度则按扩挖段长度计算且需大于TBM主机长度，l_V为Ⅴ、Ⅵ级围岩卡机段累计总长度。

进一步地，一种预测TBM掘进适宜性的方法，所述S4中适宜性参数Pg应满足如下公式：

其中Pg表示该TBM设备在该条隧道条件下的适宜性；a₁、a₂为围岩折减系数；b₁、b₂为比例折减系数，L为隧道总长。

由于围岩级别与卡机的可能性呈正相关，不同隧道间各级围岩所占的比例不同，且单隧道中各级围岩条件下卡机所占相应开挖段的比例也不相同，因此l_Ⅲ、l_Ⅳ、l_Ⅴ不能直接相加进行比较，需进行相应的折减。

进一步地，一种预测TBM掘进适宜性的方法，

所述a₁为Ⅳ级围岩折减系数，a₁的取值计算方式如下：

当k>0.7时，a₁＝0.9；

当0.6<k≤0.7时，a₁＝0.85；

当0.5<k≤0.6时，a₁＝0.8；

当0.4<k≤0.5时，a₁＝0.6；

当0.3<k≤0.4时，a₁＝0.5；

当0.2<k≤0.3时，a₁＝0.45；

当k≤0.2时，a₁＝0.4；

所述a₂为Ⅴ级、Ⅵ级围岩折减系数，a₂的取值计算方式如下：

当k>0.7时，a₂＝0.9；

当0.6<k≤0.7时，a₂＝0.85；

当0.5<k≤0.6时，a₂＝0.8；

当0.4<k≤0.5时，a₂＝0.6；

当0.3<k≤0.4时，a₂＝0.5；

当0.2<k≤0.3时，a₂＝0.45；

当k≤0.2时，a₂＝0.4；

所述k＝BQ1/BQ2，其中BQ1为隧道已开挖卡机段中Ⅳ级围岩或Ⅴ～Ⅵ级围岩的平均BQ值，BQ2为隧道已开挖段中Ⅲ级围岩平均BQ值；

所述b₁为Ⅳ级围岩比例折减系数，b₁的取值计算方式如下：

当m₁＞10％时，b₁＝1；

当0.1％<m₁≤10％时，b₁＝9m+0.1；

当m₁<0.1％时，b₁＝0.1；其中m₁为统计段中Ⅳ级围岩级别下卡机段累积长度和Ⅳ级围岩级别的总长度之比；

所述b₂为Ⅴ级、Ⅵ级围岩比例折减系数，b₂的取值计算方式如下：

当m₂＞10％时，b₂＝1；

当0.1％<m₂≤10％时，b₂＝9m+0.1；

当m₂<0.1％时，b₂＝0.1；其中m₂为统计段中Ⅴ级、Ⅵ级围岩级别下卡机段累积长度和Ⅴ级、Ⅵ级围岩级别的总长度之比。

进一步地，一种预测TBM掘进适宜性的方法，所述Pg数值与TBM设备在该隧道下的掘进适宜性呈负相关，即：Pg数值较小说明TBM设备在该隧道下的掘进适宜性较强，Pg数值较大说明TBM设备在该隧道下的掘进适宜性较弱。

本发明方法中的a值按表1进行选取：

表1

k	k>0.7	0.6<k≤0.7	0.5<k≤0.6	0.4<k≤0.5	0.3<k≤0.4	0.2<k≤0.3	k≤0.2
								a	0.9	0.85	0.8	0.6	0.5	0.45	0.4

k＝BQ₁/BQ₂

其中BQ₁为隧道已开挖卡机段中相应围岩级别(Ⅳ级或Ⅴ～Ⅵ级)的平均BQ值，BQ₂为隧道已开挖Ⅲ级围岩平均BQ值。

本发明方法中的b值按表2进行选取：

表2

m	m＞10％	0.1％<m≤10％	m<0.1％
				b	1	b＝9m+0.1	0.1

m为统计段中该围岩级别下卡机段累计总长度和该围岩级别的总长度之比。

卡机定义：当TBM设备因隧道地质条件变化(而非自身设备故障及人为操作因素)造成掘进受阻，额定工况内主机前进速度为零或近似为零，且无法靠设备常规掘进方式脱困的一种状态。

本发明方法的总体思路是当设备机型固定时，利用已开挖的隧道(部分开挖或已完工的隧道)进行设备适宜性计算，实现设备和隧道间适宜性关系的评价。

以下为补充说明：

根据目前国内外众多TBM隧道施工经验，在条件复杂的地区进行作业时，典型的各工序单项耗时占比如图1所示。

实际施工中，除卡机处理为最大的不可控因素外，其它各项间的耗时占比基本稳定。由于其它成熟工序很难大幅提升其施工效率，因此，施工中控制卡机及其处理时长，是提升施工效率的关键。同时，在TBM施工中卡机处理难度最大且基本为受客观围岩条件影响造成，可最大限度避免人为因素对设备效率的影响，并且卡机现象本身即是结合了众多地质参数和TBM设备性能的综合表现，因此为了不使参数重复化，仅考虑卡机状态下相关参数作为研究设备适宜性的指标。

对于卡机，一般常规的研究思路是研究不同地质条件下的不同卡机机理，如由软岩变形、断层破碎带、高地应力形变等造成的卡机，而本发明方法仅关注卡机段长度(岩机相互作用中最不利情况)及其相应的围岩等级(客观地质条件的高度综合概括)，不关注不良地质体的类型及具体性状，同时通过已开挖段统计不同围岩条件下的卡机的比例，并进行一系列的折减换算，最后进行累加统计，得到用于评价TBM设备在该隧道的适宜性的参数Pg。

本发明一种预测TBM掘进适宜性的方法，用于比较TBM在单条隧道环境下的整体适宜性，避免根据围岩等级将隧道进行分段评价，造成整体认识不足。本发明采用了实际施工中极端的卡机情况进行统计，并以此代表TBM的掘进适宜性，同时舍弃处理时间等因素，可最大限度减少人为因素干扰。施工效率是考量设备适宜性的核心，本发明中对卡机段的统计可反映TBM的相对掘进效率，避免了因计算TBM实际效率而进行的一系列参数众多的复杂运算。

本发明一种预测TBM掘进适宜性的方法，利用计算所得的单一数值Pg可判断某一TBM设备在某隧道中掘进的整体适宜性。从而横向比较同一TBM机型在不同隧道间的适宜性。当隧道为双洞且采用不同TBM机型时，也可比较不同机型在同一隧道条件下适宜性。

本发明一种预测TBM掘进适宜性的方法，模型中考虑的核心参数为卡机段长度和隧道的围岩级别及其占比关系。其中卡机代表了实际施工条件下岩机相互作用中最不利的情况，围岩级别为客观围岩条件的高度综合概括。通过统计卡机段及其相应的围岩级别间的关系及比例，并进行折减累加，形成可直接比较的数值。为达成以上目的的公式均视为同一种方法。

本发明一种预测TBM掘进适宜性的方法，模型可调节卡机阈值以此得到不同长度的统计段，例如根据需要将主机前进速度为零的保持时间，或卡机速度小于某一值作不同的限定，均可得到相应不同的卡机段长度。且视为同一方法。

本发明对条件较差、易卡机的Ⅳ、Ⅴ、Ⅳ级围岩条件下卡机段进行统计，对其折减系数a、b的取值仅提供一种思路或模型，不限其具体取值。凡以岩体条件、卡机段比例为指标进行相应折减的思路，均视为同一种方法。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明结论简单，易于比较：最终计算结果为一数值，可进行同一TBM机型在不同隧道间、同一隧道不同TBM机型间的掘进整体适宜性比较。其中数值相对较小说明TBM设备在该隧道下的掘进适宜性较强，反之说明设备适宜性较弱。

2、本发明可宏观反映TBM掘进适宜性：与分段统计相比，该数值代表特定TBM机型在某一隧道中的整体适宜性情况。

3、本发明结论真实客观：与一些理论模型相比，该模型是以实际开挖结果为统计基础。

4、本发明模型简化，不易受人为因素干扰：该模型仅对影响掘进的极端不利条件进行统计，涉及参数少，最大限度避免了因人为因素造成的掘进效率统计偏差(如根据日进尺、月进尺的方式直接进行掘进效率比较等)。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为某隧道工程双护盾TBM各工序耗时占比图。

图2为本发明方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

一种预测TBM掘进适宜性的方法，包括以下步骤：

S1：统计Ⅰ～Ⅲ级围岩段卡机总长度l_III；

S2：统计Ⅳ级围岩段卡机总长度l_IV；

S3：统计Ⅴ、Ⅵ级围岩段卡机总长度l_V；

S4：根据l_III、l_IV、l_V进行折减计算得出隧道统计段TBM设备的适宜性参数Pg。

进一步地，一种预测TBM掘进适宜性的方法，所述S1中Ⅰ～Ⅲ级围岩段卡机总长度l_III计算公式如下：

其中l_Ⅲi为Ⅰ～Ⅲ级围岩中单次卡机段长度：如连续卡机段间距离小于TBM主机长度则按TBM主机长度度计，如进行扩挖处理其卡机段长度则按扩挖段长度计算且需大于TBM主机长度，l_Ⅲ为Ⅰ～Ⅲ级围岩卡机段累计总长度。

进一步地，一种预测TBM掘进适宜性的方法，所述S2中Ⅳ级围岩段卡机总长度l_IV计算公式如下：

其中l_Ⅳi为Ⅳ级围岩中单次卡机段长度：如连续卡机段间距离小于TBM主机长度则按TBM主机长度度计，如进行扩挖处理其卡机段长度则按扩挖段长度计算且需大于TBM主机长度，l_IV为Ⅳ级围岩卡机段累计总长度。

进一步地，一种预测TBM掘进适宜性的方法，所述S3中Ⅴ、Ⅵ级围岩段卡机总长度l_V计算公式如下：

其中l_Ⅴi为Ⅴ、Ⅵ级围岩中单次卡机段长度：如连续卡机段间距离小于TBM主机长度则按TBM主机长度度计，如进行扩挖处理其卡机段长度则按扩挖段长度计算且需大于TBM主机长度，l_V为Ⅴ、Ⅵ级围岩卡机段累计总长度。

进一步地，一种预测TBM掘进适宜性的方法，所述S4中适宜性参数Pg应满足如下公式：

其中Pg表示该TBM设备在该条隧道条件下的适宜性；a₁、a₂为围岩折减系数；b₁、b₂为比例折减系数，L为隧道总长。

由于围岩级别与卡机的可能性呈正相关，不同隧道间各级围岩所占的比例不同，且单隧道中各级围岩条件下卡机所占相应开挖段的比例也不相同，因此l_Ⅲ、l_Ⅳ、l_Ⅴ不能直接相加进行比较，需进行相应的折减。

进一步地，一种预测TBM掘进适宜性的方法，

所述a₁为Ⅳ级围岩折减系数，a₁的取值计算方式如下：

当k>0.7时，a₁＝0.9；

当0.6<k≤0.7时，a₁＝0.85；

当0.5<k≤0.6时，a₁＝0.8；

当0.4<k≤0.5时，a₁＝0.6；

当0.3<k≤0.4时，a₁＝0.5；

当0.2<k≤0.3时，a₁＝0.45；

当k≤0.2时，a₁＝0.4；

所述a₂为Ⅴ级、Ⅵ级围岩折减系数，a₂的取值计算方式如下：

当k>0.7时，a₂＝0.9；

当0.6<k≤0.7时，a₂＝0.85；

当0.5<k≤0.6时，a₂＝0.8；

当0.4<k≤0.5时，a₂＝0.6；

当0.3<k≤0.4时，a₂＝0.5；

当0.2<k≤0.3时，a₂＝0.45；

当k≤0.2时，a₂＝0.4；

所述k＝BQ1/BQ2，其中BQ1为隧道已开挖卡机段中Ⅳ级围岩或Ⅴ～Ⅵ级围岩的平均BQ值，BQ2为隧道已开挖段中Ⅲ级围岩平均BQ值；

所述b₁为Ⅳ级围岩比例折减系数，b₁的取值计算方式如下：

当m₁＞10％时，b₁＝1；

当0.1％<m₁≤10％时，b₁＝9m+0.1；

当m₁<0.1％时，b₁＝0.1；其中m₁为统计段中Ⅳ级围岩级别下卡机段累积长度和Ⅳ级围岩级别的总长度之比；

所述b₂为Ⅴ级、Ⅵ级围岩比例折减系数，b₂的取值计算方式如下：

当m₂＞10％时，b₂＝1；

当0.1％<m₂≤10％时，b₂＝9m+0.1；

当m₂<0.1％时，b₂＝0.1；其中m₂为统计段中Ⅴ级、Ⅵ级围岩级别下卡机段累积长度和Ⅴ级、Ⅵ级围岩级别的总长度之比。

进一步地，一种预测TBM掘进适宜性的方法，所述Pg数值与TBM设备在该隧道下的掘进适宜性呈负相关，即：Pg数值较小说明TBM设备在该隧道下的掘进适宜性较强，Pg数值较大说明TBM设备在该隧道下的掘进适宜性较弱。

本发明方法中的a值按表1进行选取：

表1

k	k>0.7	0.6<k≤0.7	0.5<k≤0.6	0.4<k≤0.5	0.3<k≤0.4	0.2<k≤0.3	k≤0.2
								a	0.9	0.85	0.8	0.6	0.5	0.45	0.4

k＝BQ₁/BQ₂

其中BQ₁为隧道已开挖卡机段中相应围岩级别(Ⅳ级或Ⅴ～Ⅵ级)的平均BQ值，BQ₂为隧道已开挖Ⅲ级围岩平均BQ值。

本发明方法中的b值按表2进行选取：

表2

m	m＞10％	0.1％<m≤10％	m<0.1％
				b	1	b＝9m+0.1	0.1

m为统计段中该围岩级别下卡机段累计总长度和该围岩级别的总长度之比。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种预测TBM掘进适宜性的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：统计Ⅰ～Ⅲ级围岩段卡机总长度l_III；

S2：统计Ⅳ级围岩段卡机总长度l_IV；

S3：统计Ⅴ、Ⅵ级围岩段卡机总长度l_V；

S4：根据l_III、l_IV、l_V进行折减计算得出隧道统计段TBM设备的适宜性参数Pg，公式如下：

其中Pg表示该TBM设备在该条隧道条件下的适宜性；a₁、a₂为围岩折减系数；b₁、b₂为比例折减系数，L为隧道总长；

S5：根据Pg数值对TBM掘进适宜性进行预测，所述Pg数值与TBM设备在该隧道下的掘进适宜性呈负相关，即：Pg数值较小说明TBM设备在该隧道下的掘进适宜性较强，Pg数值较大说明TBM设备在该隧道下的掘进适宜性较弱。

2.根据权利要求1所述的一种预测TBM掘进适宜性的方法，其特征在于，所述S1中Ⅰ～Ⅲ级围岩段卡机总长度l_III计算公式如下：

其中l_Ⅲi为Ⅰ～Ⅲ级围岩中单次卡机段长度：如连续卡机段间距离小于TBM主机长度则按TBM主机长度度计，如进行扩挖处理其卡机段长度则按扩挖段长度计算且需大于TBM主机长度，l_Ⅲ为Ⅰ～Ⅲ级围岩卡机段累计总长度；n表示Ⅰ～Ⅲ级围岩中卡机次数。

3.根据权利要求1所述的一种预测TBM掘进适宜性的方法，其特征在于，所述S2中Ⅳ级围岩段卡机总长度l_IV计算公式如下：

其中l_Ⅳi为Ⅳ级围岩中单次卡机段长度：如连续卡机段间距离小于TBM主机长度则按TBM主机长度度计，如进行扩挖处理其卡机段长度则按扩挖段长度计算且需大于TBM主机长度，l_IV为Ⅳ级围岩卡机段累计总长度；n表示Ⅳ级围岩中卡机次数。

4.根据权利要求1所述的一种预测TBM掘进适宜性的方法，其特征在于，所述S3中Ⅴ、Ⅵ级围岩段卡机总长度l_V计算公式如下：

其中l_Ⅴi为Ⅴ、Ⅵ级围岩中单次卡机段长度：如连续卡机段间距离小于TBM主机长度则按TBM主机长度度计，如进行扩挖处理其卡机段长度则按扩挖段长度计算且需大于TBM主机长度，l_V为Ⅴ、Ⅵ级围岩卡机段累计总长度；n表示Ⅴ、Ⅵ级围岩中卡机次数。

5.根据权利要求1所述的一种预测TBM掘进适宜性的方法，其特征在于，

所述a₁为Ⅳ级围岩折减系数，a₁的取值计算方式如下：

当k>0.7时，a₁＝0.9；

当0.6<k≤0.7时，a₁＝0.85；

当0.5<k≤0.6时，a₁＝0.8；

当0.4<k≤0.5时，a₁＝0.6；

当0.3<k≤0.4时，a₁＝0.5；

当0.2<k≤0.3时，a₁＝0.45；

当k≤0.2时，a₁＝0.4；

所述a₂为Ⅴ级、Ⅵ级围岩折减系数，a₂的取值计算方式如下：

当k>0.7时，a₂＝0.9；

当0.6<k≤0.7时，a₂＝0.85；

当0.5<k≤0.6时，a₂＝0.8；

当0.4<k≤0.5时，a₂＝0.6；

当0.3<k≤0.4时，a₂＝0.5；

当0.2<k≤0.3时，a₂＝0.45；

当k≤0.2时，a₂＝0.4；

所述k＝BQ1/BQ2，其中BQ1为隧道已开挖卡机段中Ⅳ级围岩或Ⅴ～Ⅵ级围岩的平均BQ值，BQ2为隧道已开挖段中Ⅲ级围岩平均BQ值；

所述b₁为Ⅳ级围岩比例折减系数，b₁的取值计算方式如下：

当m₁＞10％时，b₁＝1；

当0.1％<m₁≤10％时，b₁＝9m+0.1；

当m₁<0.1％时，b₁＝0.1；其中m₁为统计段中Ⅳ级围岩级别下卡机段累积长度和Ⅳ级围岩级别的总长度之比；

所述b₂为Ⅴ级、Ⅵ级围岩比例折减系数，b₂的取值计算方式如下：

当m₂＞10％时，b₂＝1；

当0.1％<m₂≤10％时，b₂＝9m+0.1；

当m₂<0.1％时，b₂＝0.1；其中m₂为统计段中Ⅴ级、Ⅵ级围岩级别下卡机段累积长度和Ⅴ级、Ⅵ级围岩级别的总长度之比。

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