本發(fā)明涉及應(yīng)用等效巖體基本質(zhì)量指標(biāo)預(yù)測(cè)掘進(jìn)參數(shù)的定量方法，屬于隧道工程的勘察、設(shè)計(jì)及施工技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

(1)盾構(gòu)掘進(jìn)復(fù)合地層，復(fù)雜地層掘進(jìn)參數(shù)定量預(yù)測(cè)是一大工程難題。復(fù)雜地層中，均質(zhì)地層與復(fù)合地層逐段分布，盾構(gòu)掘進(jìn)沿線地層物理、力學(xué)參數(shù)逐段相異，尋找適用于復(fù)雜地層的盾構(gòu)掘進(jìn)速率、刀盤扭矩的預(yù)測(cè)方法，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)施工具有理論指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。

(2)國內(nèi)外目前盾構(gòu)掘進(jìn)速率、刀盤扭矩的預(yù)測(cè)方法主要有理論計(jì)算法與經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)法。理論計(jì)算模型中關(guān)鍵參數(shù)需由特定試驗(yàn)獲取，在復(fù)雜地層的工程應(yīng)用中存在局限。經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)法針對(duì)均質(zhì)地層或某種復(fù)合地層，缺少預(yù)測(cè)模型在復(fù)雜地層中的適應(yīng)性分析。

(3)中國發(fā)明專利(授權(quán)公告號(hào)cn103870677b，專利名稱：一種掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定方法)涉及一種大型掘進(jìn)機(jī)械裝備施工技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體涉及一種硬巖掘進(jìn)機(jī)施工過程中的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的掘進(jìn)參數(shù)的設(shè)定。該發(fā)明根據(jù)圍巖數(shù)據(jù)，利用效率預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)出后一段掘進(jìn)的掘進(jìn)效率；根據(jù)掘進(jìn)效率與掘進(jìn)參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，計(jì)算出掘進(jìn)系統(tǒng)的掘進(jìn)參數(shù)，主要問題有：①掘進(jìn)參數(shù)公式中均含有圍巖參數(shù)，而圍巖參數(shù)與圍巖種類是相對(duì)應(yīng)的，掘進(jìn)參數(shù)是盾構(gòu)機(jī)全斷面掘進(jìn)的參數(shù)，體現(xiàn)掌子面整體而非掌子面內(nèi)各種地層與盾構(gòu)機(jī)械設(shè)備的相互作用，導(dǎo)致該專利中相關(guān)結(jié)論難以在復(fù)合地層中進(jìn)行應(yīng)用；②掘進(jìn)參數(shù)中的圍巖參數(shù)過多，現(xiàn)行工程勘察水平難以滿足相關(guān)公式應(yīng)用要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了應(yīng)用等效巖體基本質(zhì)量指標(biāo)預(yù)測(cè)掘進(jìn)參數(shù)的定量方法，可用于定量預(yù)測(cè)不同地層盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，以提高盾構(gòu)施工效率。

本發(fā)明是應(yīng)用等效巖體基本質(zhì)量指標(biāo)預(yù)測(cè)掘進(jìn)參數(shù)的定量方法，它包括以下步驟：

步驟1將隧道穿越地層組成相同且地質(zhì)縱斷面中地層分界線與隧道軸線近似平行的部分歸為同一地質(zhì)分段，并定義該地質(zhì)分段的等效巖體基本質(zhì)量指標(biāo)bqe；

步驟2根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)某一種地質(zhì)分段時(shí)的掘進(jìn)參數(shù)實(shí)測(cè)值，分別將各地質(zhì)分段基本自變量即掘進(jìn)參數(shù)n、p、f的一次冪，及n、p、f的若干次冪作為元素集，進(jìn)行元素集間笛卡爾乘積運(yùn)算，得到屬于某地質(zhì)分段的單項(xiàng)變量及二元復(fù)合變量集合{n,p,f,…,n^hp^jf^r}，作為多元回歸分析的自變量集合；進(jìn)行多元逐步線性回歸運(yùn)算，并剔除顯著性水平大于0.05的自變量，得到分別獨(dú)立屬于各種地質(zhì)分段的既有預(yù)測(cè)精度、又滿足自變量的顯著性要求的掘進(jìn)速率預(yù)測(cè)模型和刀盤扭矩預(yù)測(cè)模型；

對(duì)各種地質(zhì)分段重復(fù)步驟二中的計(jì)算過程，得到屬于各種地質(zhì)分段的掘進(jìn)速率及刀盤扭矩預(yù)測(cè)模型；

步驟3按照共性提升原則，將分別屬于各地質(zhì)分段的掘進(jìn)速率預(yù)測(cè)模型中相同的自變量抽出來，將它們線性組合形成預(yù)測(cè)不同地層掘進(jìn)速率的通式，作為復(fù)雜地層掘進(jìn)速率通用預(yù)測(cè)模型，

同樣的，按照共性提升原則，將分別屬于各地質(zhì)分段的刀盤扭矩預(yù)測(cè)模型中相同的自變量抽出來，將它們線性組合形成預(yù)測(cè)不同地層掘進(jìn)速率的通式，作為復(fù)雜地層刀盤扭矩通用預(yù)測(cè)模型；

步驟4分別計(jì)算不同地質(zhì)分段掘進(jìn)速率通用預(yù)測(cè)模型系數(shù)的離均差率mdrl、不同地質(zhì)分段刀盤扭矩通用預(yù)測(cè)模型系數(shù)的離均差率mdrk；

步驟5確定不同地質(zhì)分段掘進(jìn)速率通用預(yù)測(cè)模型諸系數(shù)的離均差率與地層bqe值的關(guān)系、不同地質(zhì)分段刀盤扭矩通用預(yù)測(cè)模型諸系數(shù)的離均差率與地層bqe值的關(guān)系后，根據(jù)勘察報(bào)告等地質(zhì)資料，可以定量確定某地質(zhì)分段的等效巖體基本質(zhì)量指標(biāo)bqe值，在該地質(zhì)分段等效巖體基本質(zhì)量指標(biāo)bqe值在橫坐標(biāo)上對(duì)應(yīng)的點(diǎn)處作一條垂線，垂線分別和mdr(l1)與bqe值的關(guān)系曲線、mdr(l2)與bqe值的關(guān)系曲線、mdr(l3)與bqe值的關(guān)系曲線、mdr(l4)與bqe值的關(guān)系曲線、mdr(l5)與bqe值的關(guān)系曲線、mdr(l6)與bqe值的關(guān)系曲線、mdr(l7)與bqe值的關(guān)系曲線和mdr(l8)與bqe值的關(guān)系曲線的8個(gè)交點(diǎn)的縱坐標(biāo)，就是屬于該地質(zhì)分段的掘進(jìn)速率通用預(yù)測(cè)模型諸系數(shù)的離均差率：mdr(l1)、mdr(l2)、mdr(l3)、mdr(l4)、mdr(l5)、mdr(l6)、mdr(l7)、mdr(l8)。確定屬于該地質(zhì)分段的掘進(jìn)速率通用預(yù)測(cè)模型諸系數(shù)的具體值，從而確定屬于該地質(zhì)分段的掘進(jìn)速率通用預(yù)測(cè)模型。

用同樣的方法，確定屬于該地質(zhì)分段的刀盤扭矩通用預(yù)測(cè)模型。

步驟6對(duì)n、p、f的值，進(jìn)行試算測(cè)試，直到找到滿足要求的n、p、f的值為止。

原理和優(yōu)勢(shì)

針對(duì)復(fù)合地層在刀盤旋轉(zhuǎn)和掘進(jìn)方向上的地層分布變化，以等效巖體基本質(zhì)量指標(biāo)為基礎(chǔ)，對(duì)復(fù)雜地層進(jìn)行地質(zhì)分段，分段統(tǒng)計(jì)掘進(jìn)參數(shù)。通過逐步回歸計(jì)算掘進(jìn)速率、刀盤扭矩與其他掘進(jìn)參數(shù)間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，得到既適用于均質(zhì)地層、又適用于復(fù)合地層的掘進(jìn)速率通用預(yù)測(cè)模型、刀盤扭矩通用預(yù)測(cè)模型。通過定量分析掘進(jìn)速率通用預(yù)測(cè)模型系數(shù)、刀盤扭矩通用預(yù)測(cè)模型系數(shù)與等效巖體基本質(zhì)量指標(biāo)值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到應(yīng)用等效巖體基本質(zhì)量指標(biāo)預(yù)測(cè)掘進(jìn)參數(shù)的定量方法。對(duì)于施工方案設(shè)計(jì)、施工成本—工期控制以及分析盾構(gòu)—圍巖相互作用規(guī)律具有重要理論意義及工程應(yīng)用價(jià)值。

附圖說明

圖1隧道掌子面內(nèi)各地層劃分方法；

圖2掘進(jìn)速率通用預(yù)測(cè)模型諸系數(shù)的離均差率與地層bqe值的關(guān)系示意圖；

圖3刀盤扭矩通用預(yù)測(cè)模型諸系數(shù)的離均差率與地層bqe值的關(guān)系示意圖；

圖4確定任意地質(zhì)分段掘進(jìn)速率通用預(yù)測(cè)模型諸系數(shù)的具體值的方法示意圖；

圖5確定任意地質(zhì)分段刀盤扭矩通用預(yù)測(cè)模型諸系數(shù)的具體值的方法示意圖；

圖6應(yīng)用等效巖體基本質(zhì)量指標(biāo)預(yù)測(cè)掘進(jìn)參數(shù)的定量方法的流程圖；

具體實(shí)施方法

應(yīng)用等效巖體基本質(zhì)量指標(biāo)預(yù)測(cè)掘進(jìn)參數(shù)的定量方法，包括以下六個(gè)步驟：

步驟一

根據(jù)地勘報(bào)告，將隧道穿越地層組成相同且地質(zhì)縱斷面中地層分界線與隧道軸線近似平行的部分歸為同一地質(zhì)分段，如圖1。定義該地質(zhì)分段的等效巖體基本質(zhì)量指標(biāo)bqe，如式(1)。

式(1)中：

s0為掌子面全斷面面積；

掌子面由若干均質(zhì)地層組成，bqm、sm分別為掌子面內(nèi)某一均質(zhì)地層的巖體基本質(zhì)量指標(biāo)、斷面面積。m為組成掌子面的均質(zhì)地層的種類數(shù)量。掌子面內(nèi)某一均質(zhì)地層的巖體基本質(zhì)量指標(biāo)根據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)gb/t50218》中的規(guī)定計(jì)算。

步驟二

根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)某一種地質(zhì)分段時(shí)的掘進(jìn)參數(shù)實(shí)測(cè)值(f、p、n、t、v)，其中n為刀盤轉(zhuǎn)速、f為有效推力、p為土倉壓力、t刀盤扭矩、v為掘進(jìn)速率，分別將各地質(zhì)分段基本自變量(掘進(jìn)參數(shù)n、p、f的一次冪)及n、p、f的若干次冪作為元素集，進(jìn)行元素集間笛卡爾乘積運(yùn)算，得到屬于某地質(zhì)分段的單項(xiàng)變量及二元復(fù)合變量集合{n,p,f,…,n^hp^jf^r}，作為多元回歸分析的自變量集合(h、j、r為實(shí)數(shù))。

工程實(shí)踐表明，掘進(jìn)過程中掘進(jìn)速率、刀盤扭矩與其他掘進(jìn)參數(shù)間存在非線性數(shù)學(xué)關(guān)系。而基于級(jí)數(shù)展開原理的多項(xiàng)式線性組合，能夠有效地逼近復(fù)雜的非線性數(shù)學(xué)關(guān)系。多元逐步線性回歸運(yùn)算，通過排除自變量集合中顯著性水平較差的自變量、保留顯著性水平較好的自變量，并進(jìn)一步通過比較多個(gè)自變量線性組合而成的多項(xiàng)式的預(yù)測(cè)精度，以預(yù)測(cè)精度較高的多項(xiàng)式作為預(yù)測(cè)模型。

根據(jù)既有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行多元逐步線性回歸運(yùn)算，并剔除顯著性水平較差的自變量，本實(shí)施例優(yōu)選為剔除顯著性水平大于0.05的自變量，得到分別獨(dú)立屬于各種地質(zhì)分段的既有預(yù)測(cè)精度、又滿足自變量的顯著性要求的掘進(jìn)速率預(yù)測(cè)模型和刀盤扭矩預(yù)測(cè)模型。

對(duì)各種地質(zhì)分段重復(fù)步驟二中的計(jì)算過程，得到屬于各種地質(zhì)分段的掘進(jìn)速率及刀盤扭矩預(yù)測(cè)模型。

步驟三

按照共性提升原則，將分別屬于各地質(zhì)分段的掘進(jìn)速率預(yù)測(cè)模型中相同的自變量抽出來，將它們線性組合形成預(yù)測(cè)不同地層掘進(jìn)速率的通式，作為復(fù)雜地層掘進(jìn)速率通用預(yù)測(cè)模型，如式(2)。

vf＝l1n+l2f+l3p+l4p³+l5f^1/3+l6fp+l7n^1/2f+l8(2)

式中，vf為掘進(jìn)速率擬合值；n為刀盤轉(zhuǎn)速；f為有效推力，即刀盤與掌子面間掘進(jìn)方向作用力；p為土倉壓力；li(i＝1,2,3，…,8)為掘進(jìn)速率通用預(yù)測(cè)模型系數(shù)。

同樣的，按照共性提升原則，將分別屬于各地質(zhì)分段的刀盤扭矩預(yù)測(cè)模型中相同的自變量抽出來，將它們線性組合形成預(yù)測(cè)不同地層掘進(jìn)速率的通式，作為復(fù)雜地層刀盤扭矩通用預(yù)測(cè)模型，如式(3)。

tf＝k1n+k2f+k3p+k4p³+k5n²p^1/3+k6f^1/2+k7(3)

式中，tf為刀盤扭矩?cái)M合值；n為刀盤轉(zhuǎn)速；p為土倉壓力；f為有效推力，即刀盤與掌子面間掘進(jìn)方向作用力；kj(j＝1,2,3,…,7)為刀盤扭矩通用預(yù)測(cè)模型系數(shù)。

根據(jù)南京市寧高城際軌道交通二期工程盾構(gòu)隧道區(qū)間工程實(shí)例，采用上述方法進(jìn)行計(jì)算，算例結(jié)果見表1～表3。

表1盾構(gòu)穿越地層掌子面地層分布的分段統(tǒng)計(jì)

注：(1)混合土(③-4)，灰黃色，軟-可塑，主要成分為細(xì)中砂、粗砂、混砂礫土，砂為中密-密實(shí)，局部為粉質(zhì)粘土。

(2)殘積土(④)，棕紅色，可塑-硬塑，以粘性土為主，夾風(fēng)化巖屑。

(3)強(qiáng)風(fēng)化安山巖(j3l-2)，砂土狀，夾少量中風(fēng)化巖塊，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為v級(jí)。

(4)中等風(fēng)化安山巖(j3l-3r)，飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值為19.38mpa，巖體完整性指數(shù)為0.50。

(5)中等風(fēng)化安山巖(j3l-3p)，飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值為45.95mpa，巖體完整性指數(shù)為0.32。

(6)中等風(fēng)化安山巖(j3l-3)，飽和單軸抗壓強(qiáng)度平均值為63.35mpa，巖體完整性指數(shù)為0.59。

表2各分段盾構(gòu)掘進(jìn)速率通用預(yù)測(cè)模型系數(shù)

表3各分段盾構(gòu)刀盤扭矩通用預(yù)測(cè)模型系數(shù)

從以上所列數(shù)據(jù)中，我們不難看出，本發(fā)明所采用的刀盤扭矩通用預(yù)測(cè)模型和掘進(jìn)速率通用預(yù)測(cè)模型，在不同地質(zhì)分段中均具有較高的預(yù)測(cè)精度，同時(shí)適用于均質(zhì)地層及復(fù)合地層，地層適應(yīng)性優(yōu)于傳統(tǒng)的或現(xiàn)有的方法。

步驟四

利用式(4)及式(5)分別計(jì)算不同地質(zhì)分段刀盤扭矩通用預(yù)測(cè)模型和掘進(jìn)速率通用預(yù)測(cè)模型系數(shù)的離均差率(meandeviationrate,mdr)mdrl、mdrk。式中，li(i＝1,2,3，…,8)為掘進(jìn)速率通用預(yù)測(cè)模型系數(shù)；kj(j＝1,2,3,…,7)為刀盤扭矩通用預(yù)測(cè)模型系數(shù)；為所有地質(zhì)分段中l(wèi)i的平均值；為所有地質(zhì)分段中kj的平均值。

將掘進(jìn)速率通用預(yù)測(cè)模型系數(shù)的離均差率作為縱坐標(biāo)，將bqe作為橫坐標(biāo)，構(gòu)成坐標(biāo)系，再將計(jì)算得到的不同地質(zhì)分段的掘進(jìn)速率通用預(yù)測(cè)模型系數(shù)及其相應(yīng)的掌子面bqe標(biāo)繪與這一坐標(biāo)系中，得到掘進(jìn)速率通用預(yù)測(cè)模型諸系數(shù)的離均差率與地層bqe值的關(guān)系示意圖，如圖2所示。

將刀盤扭矩通用預(yù)測(cè)模型系數(shù)的離均差率作為縱坐標(biāo)，將bqe作為橫坐標(biāo)，構(gòu)成坐標(biāo)系，再將計(jì)算得到的不同地質(zhì)分段的刀盤扭矩通用預(yù)測(cè)模型系數(shù)及其相應(yīng)的掌子面bqe標(biāo)繪與這一坐標(biāo)系中，得到刀盤扭矩通用預(yù)測(cè)模型諸系數(shù)的離均差率與地層bqe值的關(guān)系示意圖，如圖3所示。

步驟五

在分別確定不同地質(zhì)分段掘進(jìn)速率通用預(yù)測(cè)模型諸系數(shù)的離均差率與地層bqe值的關(guān)系、不同地質(zhì)分段刀盤扭矩通用預(yù)測(cè)模型諸系數(shù)的離均差率與地層bqe值的關(guān)系之后，如圖4，根據(jù)勘察報(bào)告等地質(zhì)資料，可以定量確定某地質(zhì)分段的等效巖體基本質(zhì)量指標(biāo)bqe值(根據(jù)式(1)計(jì)算)，在該地質(zhì)分段等效巖體基本質(zhì)量指標(biāo)bqe值在橫坐標(biāo)上對(duì)應(yīng)的點(diǎn)處作一條垂線，垂線分別和mdr(l1)與bqe值的關(guān)系曲線、mdr(l2)與bqe值的關(guān)系曲線、mdr(l3)與bqe值的關(guān)系曲線、mdr(l4)與bqe值的關(guān)系曲線、mdr(l5)與bqe值的關(guān)系曲線、mdr(l6)與bqe值的關(guān)系曲線、mdr(l7)與bqe值的關(guān)系曲線和mdr(l8)與bqe值的關(guān)系曲線的8個(gè)交點(diǎn)的縱坐標(biāo)，就是屬于該地質(zhì)分段的掘進(jìn)速率通用預(yù)測(cè)模型諸系數(shù)的離均差率：mdr(l1)、mdr(l2)、mdr(l3)、mdr(l4)、mdr(l5)、mdr(l6)、mdr(l7)、mdr(l8)。

根據(jù)式(4)、式(5)，確定屬于該地質(zhì)分段的掘進(jìn)速率通用預(yù)測(cè)模型諸系數(shù)的具體值，從而確定屬于該地質(zhì)分段的掘進(jìn)速率通用預(yù)測(cè)模型。

用同樣的方法，確定屬于該地質(zhì)分段的刀盤扭矩通用預(yù)測(cè)模型。具體如下：如圖5，在該地質(zhì)分段等效巖體基本質(zhì)量指標(biāo)bqe值在橫坐標(biāo)上對(duì)應(yīng)的點(diǎn)處作一條垂線，垂線分別和mdr(k1)與bqe值的關(guān)系曲線、mdr(k2)與bqe值的關(guān)系曲線、mdr(k3)與bqe值的關(guān)系曲線、mdr(k4)與bqe值的關(guān)系曲線、mdr(k5)與bqe值的關(guān)系曲線、mdr(k6)與bqe值的關(guān)系曲線和mdr(k7)與bqe值的關(guān)系曲線的7個(gè)交點(diǎn)的縱坐標(biāo)，就是屬于該地質(zhì)分段的刀盤扭矩通用預(yù)測(cè)模型諸系數(shù)的離均差率：mdr(k1)、mdr(k2)、mdr(k3)、mdr(k4)、mdr(k5)、mdr(k6)、mdr(k7)。根據(jù)式(4)、式(5)，確定屬于該地質(zhì)分段的刀盤扭矩通用預(yù)測(cè)模型諸系數(shù)的具體值從而確定屬于該地質(zhì)分段的刀盤扭矩通用預(yù)測(cè)模型。

步驟六

如圖6，提出一組n、p、f試算值，代入到屬于某一地質(zhì)分段的掘進(jìn)速率通用預(yù)測(cè)模型和刀盤扭矩通用預(yù)測(cè)模型里，就得到了屬于這一地質(zhì)分段的、這一組n、p、f對(duì)應(yīng)的掘進(jìn)速率預(yù)測(cè)值vf和刀盤扭矩預(yù)測(cè)值tf。如果屬于這一地質(zhì)分段的、這一組n、p、f對(duì)應(yīng)的掘進(jìn)速率預(yù)測(cè)值vf和刀盤扭矩預(yù)測(cè)值tf不滿足施工要求，那就重新選取n、p、f，直到滿足為止，得到滿足要求的n、p、f參考值，并將符合要求的n、p、f(也即本發(fā)明掘進(jìn)參數(shù)的預(yù)測(cè)值)提供給盾構(gòu)機(jī)操作人員作為施工參數(shù)參考值，指導(dǎo)盾構(gòu)施工。