以工程樣本數據為依託的tbm施工圍巖分級方法

2023-10-10 05:00:24 1

以工程樣本數據為依託的tbm施工圍巖分級方法
【專利摘要】本發明公開了一種以工程樣本數據為依託的TBM施工圍巖分級方法，包括：確定巖體可掘進性的敏感參數&、KV、a和滲水量；採用模糊聚類理論建立樣本模糊聚類模型；對工程項目樣本進行聚類分析，從而得到樣本聚類結果；根據獲得的樣本聚類結果以及每個參數對R0P的影響，將樣本可掘進性級別劃分為I、II、III級；進一步細化，最終得出TBM施工圍巖可掘進性分級。本發明方法針對現有TBM施工領域缺乏系統完整的地質預測及性能預測實施方法這現狀，提出依據施工樣本數據，建立TBM施工條件下的隧洞圍巖系統化分類方法，旨在準確預測特定地質條件下的TBM掘進性能，指導確立各項施工參數，並預期對TBM刀盤的設計提供定量依據。
【專利說明】以工程樣本數據為依託的TBM施工圍巖分級方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及對TBM掘進性能進行準確預測的方法，尤其涉及一種TBM可掘進性分 級預測方法。

【背景技術】
[0002] 在TBM(全斷面隧道掘進機）設計、製造、施工應用過程中，施工效率的高低是決定 工程成敗和效益的關鍵，而千變萬化的地質條件在很大程度上影響TBM的施工，使其掘進 速率在1?1500m/月的大範圍內變化。所以，系統、定量地研究TBM施工圍巖的地質特徵 對於有效預測TBM施工速率具有重大意義。
[0003] 目前，在TBM業界，尚缺乏完善的TBM施工圍巖分類分級的統一標準。美國學者迪 爾[1]在基於施工巖體質量方面提出了 RQD分級法，但由於受鑽孔機具、工藝水平等因素影 響，同一巖體得出的RQD值有時存在較大差異，在實際應用中具有困難。南非學者賓尼維 斯基博士 [1]於1973年提出地質力學分級法（CSIR)，該分級法根據巖體各項性質參數確定 分級判據，實現了各項指標量化的目的，但是必須依賴有經驗的地質人員，操作起來較為復 雜。挪威學者Barton N[m]提出了巖體分類Q系統，它由RQD、節理組數Jn、節理面粗糙度上、 節理蝕變程度J a、裂隙水影響因素Jw以及地應力影響因素SRF等6項指標組成。在此基礎 上，Barton N又提出了適用於TBM施工的改進巖體分類系統--QTBM，該系統將許多TBM施 工參數和機器參數包含於其中，並顯示了與巖石之間的相互作用，但是由於該系統所涉及 的參數指標過多，實用困難，且一些學者如Sapigni Μ等[4]利用義大利Maen隧道和Pieve 隧道等的TBM施工資料研究發現QTBM並非對上述指標都敏感，在其應用中會引起誤導。我 國對於隧道圍巖的分類也做了一定的研究，較為權威的有《工程巖體分級標準》 [5]，在此基 礎上，何發亮等[6]提出了一種新的TBM施工圍巖分類，所涉及的巖石性質參數有巖石單軸 抗壓強度R。、巖體完整性係數K v、巖石耐磨性指數Ab、巖石鑿碎比功a ;張寧等[7]分析了影 響隧洞穩定性的因素；李蒼松等[8]等針對水工隧道圍巖的等級劃分進行了探討。
[0004] 綜上所述：當今流行的隧道圍巖分級或分類方法，主要針對單方面隧道圍巖質量 及其穩定性級別進行劃分，而TBM施工條件下的隧道圍巖分類方法應主要針對於工程巖體 的可掘進性，即依據影響圍巖可掘進性的主要地質因素與TBM工作效率的相互作用關係來 劃分。通過對國內外隧道圍巖分類情況的了解，我們知道，影響圍巖分類的因素很多，各種 因素相互影響，十分複雜，且目前所存在的圍巖分級分類系統的普適性較差，往往不能針對 特定的項目工程進行分級預測。因此，建立起以工程樣本數據為依託的TBM施工圍巖分級 方法顯得尤為重要。
[0005] 參考文獻：
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[0008] [3]Barton N. Comments on a critique of QTBM[J]. Tunnels and Tunneling International, 2005,37(9) : 16-19。
[0009] [4]Sapigni M, Berti M, Bethaz E,et al. TBM performance estimation using rock mass classifications[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2002,39(61) :771-788。
[0010] [5]中華人民共和國國家標準編寫組.GB50218-94工程巖體分級標準[S]。北 京：中國計劃出版社，1995. The National Standards Compilation Group of People's Republic of China. GB50218-95 Standard of engineering classification of rock mass[S].Beijing:China Planning Press,1995。
[0011] [6]何發亮，谷明成，王石春，TBM施工隧道圍巖分級方法研究[J]·巖石力學與 工程學報 2002, 21 (9) :1350-1354. · HE Faliang,⑶ Mingcheng, WANG Shichun. Study on surrounding rock mass classification of tunnel cut by TBM[J] · Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2002, 21 (9):1350-1354。
[0012] [7]張寧，石豫川，童健剛，TBM施工深埋隧洞圍巖分類方法初探[J].現代隧 道技術，2010,47(5):11-14.ZHANG Ning，SHI Yuchuan, TONG Jiangang.Discussion on Rock Classification of TBM Excavated Deep Tunnels[J]. Modern Tunneling Technology, 2010, 47(5) : 11-14。


【發明內容】

[0013] 針對特定工程項目的TBM施工領域，本發明以工程樣本數據為依託的TBM施工圍 巖分級方法，以期對TBM掘進性能進行準確預測、對TBM施工提供科學指導。本發明採用模 糊聚類理論的研究方法，克服了傳統數學模型中的確定性表達形式，是以樣本數據為基礎， 更符合TBM施工圍巖分級的實際情況。本發明中建立了 TBM施工圍巖可掘進性分級預測模 型，並以掘進速率R〇P(m · 1Γ1)將TBM施工圍巖可掘進性分為三個等級：其中：1級圍巖是 指為可掘進性好；II級圍巖是指可掘進性一般；III級圍巖代表可掘進性差。
[0014] 本發明一種以工程樣本數據為依託的TBM施工圍巖分級方法，包括以下步驟：
[0015] 步驟1、確定巖體可掘進性的敏感參數，包括：巖石單軸抗壓強度R。、巖石完整性系 數&、巖體結構面與隧道軸線夾角α和滲水量；
[0016] 步驟2、採用模糊聚類理論建立樣本模糊聚類模型，包括： _7] 1)建立數據矩陣U :設論域U = {χρ χ2, χ3，…χ1(ι(ι}為被分類域，其中Xi為被分類 對象，每個對象包括四個指標用以表示該對象的特徵，即：Xi = {xn, Xu，XiJ，其中，Xi表 示數據矩陣中的第i個樣本，xn表示巖石單軸抗壓強度R。，xi2表示巖石完整性係數K v，xi3 表示巖體結構面與隧道軸線夾角α，Xi4表示滲水量，得到原始數據矩陣為：
[0018]
[0019] 2)對原始數據矩陣進行標準化處理：運用平移極差變換將矩陣數據壓縮至[0 1] 的範圍，其變換公式如下：
[0020]

【權利要求】
1. 一種以工程樣本數據為依託的TBM施工圍巖分級方法，其特徵在於，包括以下步驟： 步驟1、確定巖體可掘進性的敏感參數，包括：巖石單軸抗壓強度R。、巖石完整性係數 Kv、巖體結構面與隧道軸線夾角α和滲水量； 步驟2、採用模糊聚類理論建立樣本模糊聚類模型，包括： 1) 建立數據矩陣U :設論域U = {Χρ χ2, χ3，…χ1(ι(ι}為被分類域，其中Xi為被分類對象， 每個對象包括四個指標用以表示該對象的特徵，即：11={111，112，1 13，1^}，其中，11表示數 據矩陣中的第i個樣本，Xn表不巖石單軸抗壓強度R。，x i2表不巖石完整性係數Kv，xi3表不 巖體結構面與隧道軸線夾角a， Xi4表示滲水量，得到原始數據矩陣為：
2) 對原始數據矩陣行標準化處理：運用平移極差變換將矩陣數據壓縮至[0 1]的範 圍，其變換公式如下：
其中，（k = 1，2,…，4)，則：0 彡 X" ik< 1 ; 3) 建立模糊相似矩陣：在上述步驟1)所建立的原始數據矩陣中選取樣本\和\，並定 義兩者的相似程度為ru = R(Xi，Xj)，其中：i，j = 1，2,. . . . 100 ;採用直接距離法確定相似 程度Aj = 1-c · dUi, Xj)，其中，c為適當選取參數，且0 < c < 1，dUi, Xj)表示樣本Xi與 樣本
設〇彡b彡1，取c = 0. 1 ;所得的模糊相 似矩陣如下：
該模糊相似矩陣為對角型矩陣； 4) 運用直接聚類法實現樣本數據的分類，即根據建立的模糊相似矩陣進行數據的逐次 分類： 首先，定義= 1，λ為聚類指數，且範圍是〇彡λ彡1，λ最大值，對每一個 Xi樣本作相似類，即將滿足ru = 1的Xi和&歸為一類，構成相似類，在不同的相似類中將 有公共元素的相似類合併，從而構成λ i = 1水平上的等價類； 然後，定義\ 2為次大值，且〇彡λ2< ，依據上述方法，即對每一個Xi樣本作相似 類，即將滿足= 1的\和&歸為一類，構成相似類，在不同的相似類中將有公共元素的 相似類合併，得到λ 2水平上的等價類；以此類推，直至合併到X為一類為止； 至此，已將樣本數據進行了模糊分類，建立了模糊聚類模型； 步驟3、對工程項目樣本進行聚類分析，從而得到樣本聚類結果： 基於上述模糊聚類理論，將一工程項目中的100個樣本進行聚類分析，並以Euclidean 距離模型表示最終聚類結果，以聚類樹狀圖顯示樣本聚類的動態過程，經過逐次分類最終 合併為一類； 步驟4、巖體可掘進性分級的初步劃定： 根據步驟3獲得的樣本聚類結果以及步驟1確定的巖石單軸抗壓強度R。、巖石完整性 係數Kv、巖體結構面與隧道軸線夾角α和滲水量對掘進速率ROP的影響，將樣本可掘進性 級別劃分為三個級別，包括I級、II級和III級，並確定每一級巖體巖石單軸抗壓強度R。、巖 石完整性係數Κ ν、巖體結構面與隧道軸線夾角α和滲水量的範圍值以及所對應的掘進速率 ROP值，初步劃定圍巖可掘進性分級如下：
步驟5、巖體可掘進性分級的進一步精簡劃定 根據步驟4初步劃定的巖體可掘進性分級，利用SPSS軟體對各級巖體的性質參數進行 敏感性分析，得出TBM施工圍巖可掘進性分級如下：
該TBM施工圍巖分級方法中，巖石單軸抗壓強度R。的單位為Mpa，巖體結構面與隧道軸 線夾角α的單位為°，滲水量的單位為L/min . 10m，掘進速率ROP的單位為m . h'
【文檔編號】G06F19/00GK104217124SQ201410470188
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月15日 優先權日:2014年9月15日
【發明者】朱殿華, 王攀, 孫斌, 宋立瑋 申請人:天津大學