CN111911177B - 一种双模隧道掘进机在频变地层的掘进模式选择判别方法 - Google Patents

一种双模隧道掘进机在频变地层的掘进模式选择判别方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双模隧道掘进机在频变地层的掘进模式选择判别方法，其步骤包括双模隧道掘进机始发段地质环境识别判断、始发阶段模式判别、掘进过程模式选择判别，在掘进过程中进行模式选择时，以装备关键岩机地质感知参数为切入点，通过隧道掘进机关键参数智能分析判别，辅以地勘资料及渣样分析来实现TBM和EPB模式转换的精确判断。本发明解决了双模隧道掘进机最佳模式转换位置判别难题，通过精确的模式转换时机判别，使双模隧道掘进机不同模式的应用更具规范性，提高了双模隧道掘进机在频变地层中的掘进效率，避免了因模式选择不当、判断不准确影响施工效率和引发工程风险。

Description

一种双模隧道掘进机在频变地层的掘进模式选择判别方法
技术领域
本发明涉及隧道施工技术领域，具体涉及一种双模隧道掘进机在频变地层的掘进模式选择判别方法。
背景技术
由于地质环境的多样性及地下工程开发的不可预见性，隧道建设的复杂程度越来越高，当隧道区间地层频繁变化，软土硬岩交互出现时，一种解决方案是针对软土、硬岩地质分别选择相应的盾构、TBM进行施工。但当软土隧道区间或硬岩隧道区间相对较短时该方案造价成本十分高昂。另外一种解决方案是开发集合盾构、TBM功能于一体的新型装备，通过盾构、TBM功能的模式切换来应对这种频变地层隧道区间施工。在此背景下，集合土压盾构和TBM功能于一体的双模式隧道掘进机应运而生，双模式隧道掘进机有两种掘进模式可以切换使用，一种是适用于硬岩地层的TBM掘进模式(硬岩掘进模式)，一种是适用于软岩地层的EPB掘进模式(土压平衡掘进模式)。
针对双模式隧道掘进机相关专利进行比对分析，中铁二局股份有限公司的“TBM-EPB双模式盾构在复合地层中的施工方法，申请号：201410823688.3”、“TBM-EPB双模式盾构机模式转换方法，申请号：201510247576.2”、“TBM-EPB双模式盾构机，申请号：CN201510247612.5”。中铁工程装备集团有限公司的“一种螺旋出渣的双模盾构机及其应用方法，申请号：01811643784.4”、“一种双模盾构螺旋机模式切换装置及使用方法，申请号：201910913491.1”、“一种土压/敞开双模盾构模式转换工法，申请号：201910573483.7”通过这些专利的比对发现，现阶段针对TBM和EPB模式的转换仅仅凭借施工经验进行判断，通常界定软岩地层和硬岩地层交界面10～15米位置作为参考判断标准。
但在实际工程中一方面由于隧道线路区间长，埋深大、地质复杂多变等客观因素，部分隧道区间地质不能够做到详细勘查；一方面也不可能做到对整体线路的地质情况做到精准掌握，这就导致以下问题：
(1)因地质勘查资料的问题，软硬地质交界面难以判断，把软岩地层和硬岩地层交界面10～15米位置作为模式转换位置的参考标准很难把握，模式转换时机判别不准。
(2)模式转换位置判断不准不仅影响施工效率，而且会因模式选择不当引发工程风险。如本应采用TBM模式掘进而采用EPB模式掘进，会引发掘进效率低，刀盘、刀具、螺旋输送机磨损、常压掘进出碴不畅等难题；本应采用EPB模式掘进而采用TBM模式，在突遇富水软土等工况时极容易引发喷涌、喷砂等问题，从而引发工程风险。
为了解决上述难题，本发明旨在通过双模隧道掘进机关键参数分析智能判别，辅以地勘资料及渣样分析的手段，提供一种双模隧道掘进机在频变地层掘进模式选择判别方法。
发明内容
本发明提供一种双模隧道掘进机在频变地层的掘进模式选择判别方法，双模隧道掘进机在频变地层掘进模式选择及判别难题，解决了双模隧道掘进机最佳模式转换位置判别难题，通过精确的模式转换时机判别，使双模隧道掘进机不同模式的应用更具规范性，提高了双模隧道掘进机在频变地层中的掘进效率，避免了因模式选择不当、判断不准确影响施工效率和引发工程风险。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
设计一种双模隧道掘进机在频变地层的掘进模式选择判别方法，包括下列步骤：
步骤一，双模隧道掘进机始发段地质环境识别判断：通过地质勘查手段确定隧道掘进机初始掘进的地质类型及该地质的长度。
步骤二，始发阶段模式判别：
如果始发段隧道硬岩强度在30MPA以上且区段长度在120m以上适用TBM模式始发掘进；
如果始发段隧道处于软土地层内，则适用EPB模式始发掘进。
在步骤二中，由于在隧道掘进机始发阶段地质勘察等资料相对较为详细，可以重点依据始发阶段地质勘查资料进行判别，必要时候进行地质补充勘查。
步骤三，掘进过程模式选择判别：为了实现掘进过程模式选择判别，本发明采取的技术方案是以装备关键岩机地质感知参数为切入点，通过隧道掘进机关键参数智能分析判别，辅以地勘资料及渣样分析来实现TBM和EPB模式转换的精确判断。装备关键参数智能分析判别流程如下：
(1)参数选择：在隧道掘进机掘进过程中实时采集记录推进力F、推进速度v、刀盘扭矩T、刀盘转速n关键参数；
(2)数据处理：建立二值状态判别函数S对异常及非工作状态排除，剔除非工作状态数据；当推进力F、推进速度v、刀盘扭矩T、刀盘转速n等其中一个参量为0时定义装备处于非工作状态，即隧道掘进机刀盘接触掌子面而未产生有效的掘进：
Figure BDA0002616804540000041
S＝f(F)f(v)f(T)f(n)
Figure BDA0002616804540000042
通过推进力F、推进速度v、刀盘扭矩T、刀盘转速n这些动态参数得综合判断剔除异常数据，保障岩机感知数据得准确性。
(3)剔除非工作状态数据后，以切深(贯入度)P为参考变量，刀盘扭矩T为负载变量，将单位贯入度下的扭矩定义为刀盘扭矩旋转切深指数TPI，通过刀盘扭矩旋转切深指数来实时反馈感知岩机信息：
Figure BDA0002616804540000043
(4)以每环掘进为计量尺度，对每环TPI进行正态分布检验，取85％的置信区间，计算第k环TPI的上限和下限分别为ak，bk；
(5)如果
Figure BDA0002616804540000044
且
Figure BDA0002616804540000045
时，则说明EPB模式下感知岩机信息明显，需要进行模式转换；
(5a)所述的μ在1.8～2.5区间时，作为EPB模式转换为TBM模式优选判别值；
(5b)观察隧道掘进机EPB模式下螺旋输送机出渣状态，如果发现岩块片状，块状渣样增多，渣样粒径明显增大，此时结合地勘资料可以开始EPB模式转换为TBM模式。
(6)如果
Figure BDA0002616804540000046
且，
Figure BDA0002616804540000047
时，则说明TBM模式下感知岩机信息明显，需要进行模式转换；
(6a)所述的μ在0.5～0.7区间时，作为TBM模式转换为EPB模式优选判别值；
(6b)观察隧道掘进机TBM模式下螺旋输送机出渣的状态，如果片状，块状渣样减少，渣样粒径明显减少，此时结合地勘资料可以开始TBM模式转换为EPB模式。
在掘进过程中，重复以上步骤(1)-步骤(6)，根据判断结果切换不同的掘进模式，直至整个隧道贯通。
优选的，在所述步骤(5b)中，EPB模式转换为TBM模式时，拆除底部螺旋输送机，安装中心螺旋输送机，由带压模式掘进转换为零压出渣掘进，此时由于容易由于压力缺失而引发掌子面失去稳定风险，需要参考隧道掘进机掌子面整体围岩稳定情况，必要时候可以进行超强注浆加固，确保模式转换区域整个隧道围岩的稳定性。
优选的，在所述步骤(6b)中，TBM模式转换为EPB模式时，拆除中心螺旋输送机，安装底部螺旋输送机，由零压模式掘进转换为带压出渣掘进。
优选的，结合地勘资料，隧道掘进机模式转换位置的覆土深度不宜小于2m；土压平衡模式转换为TBM模式掘进的隧道硬岩区间长度不宜小于120m。
本发明的有益效果在于：
本发明解决了中心螺机式双模隧道掘进机最佳模式转换位置的判别难题，通过精确的模式转换时机判别，使双模隧道掘进机不同模式的应用更具规范性，提高了双模隧道掘进机在频变地层中的掘进效率，避免了模式选择不当引发的工程风险。
本发明通过岩机感知参数的智能判别，结合隧道掘进机出渣渣样的判别，同时参考地质勘查资料，能够更加系统化、更加精确地判断始发阶段和掘进过程中的模式选择和模式转换时机，使得双模隧道掘进机的模式选择和模式转换位置、转换时机具有更加规范、更加标准化的操作依据，不再单纯依靠工作人员的操作经验或不准确的参考标准，使得双模隧道掘进机的施工效率大幅提高；在掘进过程中及时转换掘进模式，在提供掘进效率的同时，还能够避免一些工程风险，同时对刀盘、刀具等设备元件起到保护作用，避免不适合的掘进模式对设备产生过度磨损，延长设备的使用寿命。
附图说明
图1为本发明的双模隧道掘进机掘进模式选择判别流程图；
图2为依据正态分布检验创建得到的TPI分布图；
图3为依据正态分布85％置信区间检验创建的置信区间图；
图4为双模隧道掘进机EPB模式掘进示意图；
图5为双模隧道掘进机TBM模式掘进示意图；
图中标号：1底部螺旋输送机，2刀盘，3隔板，4土仓，5中心螺旋输送机，6接渣斗，7渣仓。
具体实施方式
下面结合实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。在以下实施例中所涉及的设备元件如无特别说明，均为常规设备元件。
实施例1：一种双模隧道掘进机在频变地层的掘进模式选择判别方法，判别流程参见图1，包括始发阶段中的模式选择和掘进过程中的模式转换判别，具体包括以下步骤。
步骤一、双模隧道掘进机始发段地质环境识别判断；通过地质勘查手段确定隧道掘进机初始掘进的地质类型及该地质的长度。
步骤二、判别始发阶段模式；由于在隧道掘进机始发阶段地质勘察等资料相对较为详细，重点依据始发阶段地质勘查资料进行判别，必要时候进行地质补充勘查。
如果始发段隧道硬岩强度在30MPA以上且区段长度在120m以上适用TBM模式始发掘进。
如果始发段隧道处于软土地层内，则适用EPB模式始发掘进。
步骤三、为了实现掘进阶段模式选择判别，以装备关键岩机地质感知参数为切入点，通过隧道掘进机关键参数智能分析判别，辅以地勘资料及渣样分析来实现TBM和EPB的精确判断，装备关键参数智能分析判别步骤如下：
(1)参数选择：在隧道掘进机掘进过程中实时采集记录推进力F、推进速度v、刀盘扭矩T、刀盘转速n关键参数。
(2)数据处理：建立二值状态判别函数S对异常及非工作状态排除，剔除非工作状态数据；当推进力F、推进速度v、刀盘扭矩T、刀盘转速n等其中一个参量为0时定义装备处于非工作状态，即隧道掘进机刀盘接触掌子面而未产生有效的掘进：
Figure BDA0002616804540000071
S＝f(F)f(v)f(T)f(n)
Figure BDA0002616804540000072
通过推进力F、推进速度v、刀盘扭矩T、刀盘转速n这些动态参数得综合判断剔除异常数据，保障岩机感知数据得准确性。
(3)剔除非工作状态数据后，以切深/贯入度P为参考变量，刀盘扭矩T为负载变量，将单位贯入度下的扭矩定义为刀盘扭矩旋转切深指数TPI，通过刀盘扭矩旋转切深指数来实时反馈感知岩机信息：
Figure BDA0002616804540000081
图2为依据正态分布检验创建得到的TPI分布图，通过TPI对所有样本点进行数据检验，重点看其分布统计及分布轴。
(4)以每环掘进为计量尺度，对每环TPI进行正态分布检验，取85％的置信区间，计算第k环TPI的上限和下限分别为ak，bk；图3为依据正态分布85％置信区间检验创建的置信区间图，图3中针对各单位环(K环、K+1环，依次类推)的TPI正态中心分布轴取85％的置信区间(即可靠度区间)得出上下限值，重点判别设定区间数值。
(5)如果
Figure BDA0002616804540000082
且
Figure BDA0002616804540000083
时，则说明EPB模式下感知岩机信息明显，需要关注模式转换；当μ在1.8～2.5区间时，作为EPB模式转换为TBM模式优选的判别值；进一步的，观察隧道掘进机EPB模式下螺旋输送机出渣的状态，如果发现岩块片状，块状渣样增多，渣样粒径明显增大，此时结合地勘资料可以开始EPB模式转换为TBM模式。
(6)如果
Figure BDA0002616804540000084
且，
Figure BDA0002616804540000085
时，则说明TBM模式下感知岩机信息明显，需要关注模式转换；当μ在0.5～0.7区间时，作为TBM模式转换为EPB模式优选判别值；进一步的，观察隧道掘进机TBM模式下螺旋输送机出渣的状态，如果片状，块状渣样减少，渣样粒径明显减少，此时结合地勘资料可以开始TBM模式转换为EPB模式。
图4为双模隧道掘进机转换为EPB模式的进示意图，EPB模式掘进把刀盘2从掌子面开挖的土体到土仓4通过底部螺旋输送机1出渣，此时隔板3、土仓4是有压力的。
图5为双模隧道掘进机转换为TBM模式掘进示意图，TBM模式掘进把刀盘2从掌子面开挖的土体溜到接渣斗6中，然后通过中心螺旋输送机5从中心出渣，此时渣仓内是无压力的，带压模式掘进转换为零压出渣掘进，此时由于容易由于压力缺失而引发掌子面失去稳定风险，因此还需要参考隧道掘进机掌子面整体围岩稳定情况，必要时候可以进行超强注浆加固，确保模式转换区域整个隧道围岩的稳定性。
在掘进过程中，重复以上步骤(1)-步骤(6)，根据判断结果切换不同的掘进模式，直至整个隧道贯通。
在实际操作过程中，对于岩机感知参数的智能判别，隧道掘进机出渣渣样的判别及地勘资料的参考缺一不可，确保模式转换的风险可控。
上面结合实施例对本发明作了详细的说明，但是所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。

Claims (5)

1.一种双模隧道掘进机在频变地层的掘进模式选择判别方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤一，双模隧道掘进机始发段地质环境识别判断：通过地质勘查手段确定隧道掘进机初始掘进的地质类型及该地质的长度；
步骤二，始发阶段模式判别：
如果始发段隧道硬岩强度在30MPA以上且区段长度在120m以上适用TBM模式始发掘进；
如果始发段隧道处于软土地层内，则适用EPB模式始发掘进；
步骤三，掘进过程模式选择判别：以装备关键岩机地质感知参数为切入点，通过隧道掘进机关键参数智能分析判别，辅以地勘资料及渣样分析来实现TBM和EPB模式转换的精确判断；
(1)参数选择：在隧道掘进机掘进过程中实时采集记录推进力F、推进速度v、刀盘扭矩T、刀盘转速n关键参数；
(2)数据处理：建立二值状态判别函数S对异常及非工作状态排除，剔除非工作状态数据；当推进力F、推进速度v、刀盘扭矩T、刀盘转速n其中一个参量为0时定义装备处于非工作状态，即隧道掘进机刀盘接触掌子面而未产生有效的掘进：
Figure FDA0003328336570000011
S＝f(F)f(v)f(T)f(n)
Figure FDA0003328336570000012
(3)剔除非工作状态数据后，以切深/贯入度P为参考变量，刀盘扭矩T为负载变量，将单位贯入度下的扭矩定义为刀盘扭矩旋转切深指数TPI，通过刀盘扭矩旋转切深指数来实时反馈感知岩机信息：
Figure FDA0003328336570000021
(4)以每环掘进为计量尺度，对每环TPI进行正态分布检验，取85％的置信区间，计算第k环TPI的上限和下限分别为ak，bk；
(5)如果
Figure FDA0003328336570000022
且
Figure FDA0003328336570000023
时，则说明EPB模式下感知岩机信息明显，需要进行模式转换；
(5a)所述的μ在1.8～2.5区间时，EPB模式转换为TBM模式；
(5b)观察隧道掘进机EPB模式下螺旋输送机出渣状态，如果发现岩块片状，块状渣样增多，渣样粒径明显增大，此时结合地勘资料开始EPB模式转换为TBM模式；
(6)如果
Figure FDA0003328336570000024
且，
Figure FDA0003328336570000025
时，则说明TBM模式下感知岩机信息明显，需要进行模式转换；
(6a)所述的μ在0.5～0.7区间时，TBM模式转换为EPB模式；
(6b)观察隧道掘进机TBM模式下螺旋输送机出渣的状态，如果片状，块状渣样减少，渣样粒径明显减少，此时结合地勘资料开始TBM模式转换为EPB模式；
在掘进过程中，重复以上步骤(1)-步骤(6)，根据判断结果切换不同的掘进模式，直至整个隧道贯通。
2.根据权利要求1所述的双模隧道掘进机在频变地层的掘进模式选择判别方法，其特征在于，在所述步骤(5b)中，EPB模式转换为TBM模式时，拆除底部螺旋输送机，安装中心螺旋输送机，由带压模式掘进转换为零压出渣掘进，此时由于容易由于压力缺失而引发掌子面失去稳定风险，需要参考隧道掘进机掌子面整体围岩稳定情况，根据围岩稳定情况进行超强注浆加固，确保模式转换区域整个隧道围岩的稳定性。
3.根据权利要求1所述的双模隧道掘进机在频变地层的掘进模式选择判别方法，其特征在于，在所述步骤(6b)中，TBM模式转换为EPB模式时，拆除中心螺旋输送机，安装底部螺旋输送机，由零压模式掘进转换为带压出渣掘进。
4.根据权利要求1所述的双模隧道掘进机在频变地层的掘进模式选择判别方法，其特征在于，隧道掘进机模式转换位置的覆土深度不小于2m。
5.根据权利要求1所述的双模隧道掘进机在频变地层的掘进模式选择判别方法，其特征在于，EPB模式转换为TBM模式掘进的隧道硬岩区间长度不小于120m。
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