基于掘进性能的TBM施工围岩综合分级方法

传统围岩分级方法侧重于围岩的稳定性,对于TBM施工隧道工程,围岩与TBM均扮演重要角色,有必要建立一套服务于TBM隧道工程的围岩分级新方法。依托引汉济渭引水隧洞工程的现场数据,对场切深指数FPI与地质参数、掘进参数的相关性进行分析,建立TBM隧道的围岩可掘性分级;对影响TBM利用率的主要地质因素进行分析,建立TBM隧道的适应性分级。综合考虑工程的围岩可掘性及TBM适应性,以施工速度为指标,建立基于掘进性能的TBM施工围岩综合分级。分级选取岩石强度、岩体完整性、地下水状态、初始地应力状态、隧道轴线与主要软弱结构面夹角等5方面因素指标,对TBM推力、贯入度、利用率和施工速度进行影响关系综合分析。结果表明,新建立的TBM施工围岩综合分级方法可以进行TBM掘进性能预测与工期、成本分析,有效解决开敞式TBM工程实用围岩分级问题。     

基于BP神经网络的复合地层盾构掘进参数预测与分析

复杂地质条件下盾构机掘进参数的有效预测可以对盾构施工进行针对性的指导。基于深圳地铁11号线车公庙站～红树湾站和南山站～前海湾站两个区间Φ7m盾构施工现场监测的掘进参数,首先采用BP人工神经网络方法建立了复合地层条件下盾构掘进参数的预测模型|其次,以地层参数为输入组和盾构掘进参数为输出组,通过对数据样本进行训练,得到的输出值基本与原始数据一致,说明该预测模型具有很好的非线性映射能力;最后,采用盾构区间典型地段的地层参数,利用所建立的模型预测了复合地层条件下的盾构掘进参数,预测值与实际数据变化规律相近,平均误差在15%以内。本文建立的BP神经网络模型可用于复合地层条件下同类型盾构掘进参数的预测。     

考虑地表沉降的盾构隧道掘进参数优化研究

盾构掘进过程中,掘进参数的控制是影响地表沉降的重要因素。基于盾构掘进对围岩的扰动机理,分析了正面附加推力、刀盘摩擦、盾壳摩擦和盾尾间隙造成的地表沉降,在此基础上,以地表沉降为评价指标,以千斤顶推力、刀盘转速和土舱压力等掘进参数为控制变量,建立最优控制问题进行掘进参数的优化,并运用于盾构隧道下穿既有铁路的施工中,验证了掘进参数优化方法的有效性。     

复合式TBM快速掘进技术研究

该文分析地质围岩情况、掘进参数与掘进速度的关系,同时讨论了如何通过调整掘进参数和采用其他相关措施以实现在某隧道区间内提高掘进速度,缩短工期,节约施工成本,为以后的复合式TBM快速掘进提供参考。     

济南复合地层土压平衡盾构掘进效能实测分析#br#

依托济南轨道交通一号线复合地层土压平衡盾构掘进施工,提出一种在盾构机额定配置条件下的分项功耗和施工参数离散性指标双结合的掘进效能评价方法,并据此分析得到刀盘切削、盾构推进和螺机出土效能的变化特征。结果表明：①土压平衡盾构穿越济南复合地层时,盾构掘进总功耗在400~1250kW变化,其中,刀盘切削和盾构推进是盾构掘进功耗的主要组成部分,占总功耗的66%~84%;②刀盘切削的扭矩和转速具有明显的聚集特征,而盾构推进速度和推力分布形态的聚集特征弱于刀盘参数;③螺机出土的转速和扭矩在不同地层中的差异性不大,螺机参数的聚集特征不明显;④由于盾构掘进的分项功耗与其离散性指标不存在必然的联系,盾构施工中可能存在掘进功耗小但施工控制困难的情况,应在盾构选型及施工过程中予以充分考虑。     

富水砂卵石地层V形坡隧道土压平衡盾构施工掘进参数分析

文章以成都轨道交通9号线某V形坡盾构区间隧道为例,考虑V形坡的影响,对盾构施工掘进参数进行统计分析,得出掘进推力、土仓压力、刀盘扭矩和掘进速度在V形坡影响下的变化趋势.并进一步进行掘进参数间相关性分析,得出掘进速度受地质情况、刀盘扭矩、土仓压力和掘进推力等因素影响的结论,提出符合该地层条件下的掘进参数优化建议,为类似工...     

跨海隧道孤石密集及基岩凸起段盾构适应性分析

厦门地铁2号线海东区间多处穿越孤石密集及基岩凸起段,施工中面临高水压、带压频繁进舱等多种施工难题,对盾构设备配置及掘进参数控制提出了较高的要求。本文分析了海东区间孤石密集及基岩凸起段的盾构机适应性,深入研究了该区间内的盾构掘进参数。研究结果表明:①在孤石密集及基岩凸起段施工过程中,可针对性采取配置可伸缩刀盘、加大滚刀、铲刀高差并配置双刃滚刀等措施,以提高盾构机适应性并便于控制掘进参数;②为保证盾构高效穿越孤石密集及基岩凸起区段,需确定盾构参数适应性区间,稳定掘进比能在较低水平;③对比孤石段开仓处理前后的掘进参数,平均转速提高了约3.72%,平均扭矩降低了约34.2%,平均推力降低了约19.04%,平均掘进速度提高了约98.8%,平均掘进比能降低了约68.6%,充分验证该盾构在孤石密集及基岩凸起段配置的适应性。     

基于TBM掘进性能的岩体分级及可掘性等级感知识别方法

传统的围岩分级方法难以适用于TBM掘进性能评价和预测,因此,建立一套适用于TBM施工的岩体可掘性分级系统并实现可掘性等级的准确感知识别。基于4条TBM隧道的152组岩体和机器数据建立的数据库,分析岩体参数与TBM可掘性评价指标的相关性,采用多目标决策方法 TOPSIS实现TBM隧道岩体可掘性分级。由于实际TBM掘进中岩体参数较难获取,利用单刀推力(Th)、净掘进速度(PR)、刀盘转速(RPM)以及贯入度(PRev)等TBM掘进参数对所提出的岩体可掘进性等级进行了感知识别。感知识别中,采用贝叶斯优化确定多种机器学习分类算法的最优超参数组合,实现最大感知识别准确率,比较不同算法对于岩体可掘性等级感知识别的适用性,并确定最优的感知识别方法。最后,基于吉林引松工程的实时TBM掘进数据,验证岩体可掘性分级及可掘性等级感知识别方法的有效性和准确性。研究成果可用于TBM平稳运行段岩体可掘性评估预测,为掘进参数优化和建立TBM智能化控制系统提供参考。     

基于盾构掘进参数分析的隧道围岩模糊判别

以重庆主城越江排水隧道工程的地层条件为背景,基于施工现场盾构掘进试验,运用模糊数学方法,对盾构掘进过程中隧道围岩状况判别的理论和方法进行了研究。结合盾构掘进的特点和刀盘切割岩石的基本原理,提出了比推力和比扭矩的概念,建立了不同围岩条件下的比推力(SF)和比扭矩(ST)模糊集合,探讨和揭示了刀盘比推力和比扭矩的关系,刀盘推力、扭矩及切深与地质条件的相关性及与不同围岩状况、盾构掘进状态的对应关系。研究表明,若比推力与比扭矩以较高的水平同步、均匀变化,说明盾构在较硬的均匀地层中掘进;若比推力与比扭矩均较小且同步、均匀变化,说明盾构在较软的均匀地层中掘进;若比推力与比扭矩的变化出现比例异常,则暗示盾构正在穿越断层破碎地段或遇到障碍物或盾构姿态不良等。该方法减少了盾构在此类地层下掘进的盲目性和停机次数,提高了掘进效率和施工安全度,可用于盾构隧道施工围岩状况的适时、定性判别。     

重叠隧道盾构施工下穿铁路营业线施工技术研究

以合肥地铁8号线耀远路站—灵璧路站区间隧道上下重叠下穿铁路轨道群工程为例,根据工程地质条件及施工重难点,分析了施工过程中可能存在的风险,研究了盾构施工过程中的控制措施、掘进参数控制以及监测控制,以确保轨道群的运营安全及施工质量。     

基于岩碴粒径分布规律的TBM破岩效率分析

岩碴的形状、大小及其粒径分布规律是综合反映TBM破岩效率的重要指标,也是TBM掘进参数与岩石性质的重要联系。根据盘形滚刀破岩机制,对TBM掘进岩碴进行了现场量测和筛分试验,获得了TBM岩碴尺寸特征和粒径分布规律。在此基础上,对实测岩碴尺寸和粒径分布数据进行了统计分析和理论分布函数拟合。分析了粗糙度指数与岩石强度、岩石耐磨性的关系,探讨了不同围岩等级下粗糙度指数随掘进推力的变化规律。研究结果表明:①片状岩碴的长轴与短轴之比约为1.5,而长轴与厚度之比则差别较大,其长轴、短轴和厚度均服从正态分布;②不同岩性条件下岩碴粒径分布均符合Rosin–Rammler函数分布;③岩碴粗糙度指数越大,TBM破岩效率越高;硬岩条件下岩碴粗糙度指数随单轴饱和抗压强度增大而减小,而中硬—软岩条件下则相反;④无论是软岩还是硬岩,岩碴粗糙度指数随岩石耐磨性增大而减小,岩石耐磨性越强,TBM破岩效率越低;⑤TBM破岩效率与围岩等级密切相关,可根据现场实测岩碴粒径分布规律,确定Ⅱ级和Ⅲ级围岩条件下TBM破岩效率最佳时的掘进推力区间。     

基于TSP203系统和GA-SVM的围岩超前分类预测

 为有效地进行隧道围岩类别超前分类,提出基于TSP203系统和遗传–支持向量机的围岩类别超前分类方法。以TSP203系统为基础,从探测结果中提取有用信息,建立围岩类别超前分类指标体系,并采用支持向量机进行围岩超前分类预测。建立围岩类别超前分类指标体系时,采用TSP203中可有效识别的围岩分类参数来实现：岩体完整性系数、泊松比、静态扬氏模量、主要结构面与洞轴线的夹角、不连续结构面状态和地下水发育情况。确定支持向量机参数时,采用遗传算法在解空间里进行全局搜索,以改善支持向量机在围岩分类中的识别精度。最后将该方法应用于实际工程,结果表明该方法实际可行,在围岩类别超前分类中具有较高的准确性,为围岩类别超前分类提供了一种新思路。     

南昌市轨道交通盾构过砂层掘进参数控制

采用盾构机进行隧道掘进是近年来国内城市地下交通建设中常用的施工方法,掘进参数的设定对掘进施工尤为重要。本案以南昌轨道交通地铁为例,通过对之前砂层地段的研究,对“地面沉降控制”和“盾构姿态控制”进行了分析,确定了掘进参数。     

黄土深埋大直径盾构隧道围岩压力研究

为研究黄土深埋大直径盾构隧道围岩压力,引入黄土的结构性参数对芬纳公式进行修正,基于围岩与衬砌间的相互作用关系求解了围岩塑性区半径表达式,给出了黄土深埋大直径盾构隧道围岩压力的计算公式。并以某黄土深埋大直径盾构隧道为例,分析了应力比结构性参数对围岩压力的影响,并将三维有限元数值计算与理论分析结果进行了对比。结果表明,围岩塑性区半径和作用在管片结构上的围岩压力随着应力比结构性参数减小在不断增大;盾构掘进后围岩压力的最大值与黄土结构性参数为1时的围岩压力理论计算值比较吻合,盾构施工扰动会导致黄土结构性减弱。最后给出了黄土盾构隧道施工与管片设计的建议。     

复杂隧道围岩安全性及其评价方法

 在对国内外现行隧道围岩分级方法分析的基础上,指出了其在隧道工程设计和安全性控制,尤其是复杂围岩控制设计方面存在的突出问题,认为现行的隧道围岩分级概念模糊,难以适应复杂多变的地层条件和较为严苛的环境控制要求,尤其是对稳定性较差的复杂围岩条件缺乏有效的指导作用。从隧道围岩控制的宗旨出发,提出了隧道围岩及其支护系统安全性的概念,明确了其科学内涵和表征方法;重点对于不具备自稳能力的复杂围岩安全性进行了研究,建立了隧道围岩安全性的分析模型,提出了隧道围岩安全性分析中应考虑围岩预加固效果的必要性及其评价方法;基于隧道围岩尺度效应和地层结构效应(时间效应)的分析,建立了围岩尺度响应的表述方法,同时从细观结构层面分析了不同地层结构形式对安全性的影响关系;结合“支护–围岩”动态作用关系的分析,建立了极不稳定地层条件下复杂隧道围岩安全性的评价指标体系,将围岩超前变形、超前破坏和地层加固有效性作为核心评价指标,形成了包括9项基础指标的评价体系,并提出了安全性的分级方法。最后介绍了隧道围岩安全性的分级方案的工程应用。     

高强度基岩爆破预处理泥水盾构掘进特征研究

泥水盾构在高强度基岩地层中掘进,盾构自身刀具无法有效破岩,采用基岩爆破预处理的控制钻爆法能严格控制破碎碴块体量,提高刀具破岩能力,但盾构施工过程中,掘进参数与岩石之间关系非常复杂。以台山核电站取水隧道为背景,对现场获得的工作数据进行挖掘,分析基岩爆破前后地层中盾构刀盘推力、刀盘扭矩及掘进速度的参数的选用特点。在此基础上,引入参数转换量FPI、TPI指数及比能进行研究,研究表明,未经处理基岩地层,岩石强度过高,刀盘推力先达到最大值,但切深很浅,扭矩很难发挥最大能力;经爆破处理后,基岩岩体受到不同程度破碎,盾构机推力及扭矩能有效发挥其功能,掘进效能提高。因此,在盾构机的工作负荷范围内,应依据基岩岩体破碎效果,调整刀盘推力和扭矩,使之更好地适应地层,力争达到高效安全的掘进目的。     

Machine learning-based automatic control of tunneling posture of shield machine

For a tunnel driven by a shield machine, the posture of the driving machine is essential to the construction quality and environmental impact. However, the machine posture is controlled by the experienced driver of shield machine by setting hundreds of tunneling parameters empirically. Machine learning (ML) algorithm is an alternative method that can let the computer to learn from the driver's operation and try to model the relationship between parameters automatically. Thus, in this paper, three ML algorithms, i.e. multi-layer perception (MLP), support vector machine (SVM) and gradient boosting regression (GBR), are improved by genetic algorithm (GA) and principal component analysis (PCA) to predict the tunneling posture of the shield machine. A set of the parameters for shield tunneling is extracted from the construction site of a Shanghai metro. In total, 53,785 pairwise data points are collected for about 373 d and the ratio between training set, validation set and test set is 3:1:1. Each pairwise data point includes 83 types of parameters covering the shield posture, construction parameters, and soil stratum properties at the same time. The test results show that the averaged R² of MLP, SVM and GBR based models are 0.942, 0.935 and 0.6, respectively. Then the automatic control for the posture of shield tunnel is illustrated with an application example of the proposed models. The proposed method is proved to be helpful in controlling the construction quality with optimized construction parameters.     

双护盾TBM施工隧洞围岩分类方法及应用

针对引水隧洞围岩,在现有规范关于隧洞围岩分类基础上,提出了围岩分类新方法,综合考虑TBM掘进机掘进参数变化、围岩与护盾(管片)之间的间隙、出渣量、弃渣的块径、渣块形状、百分量、渣中刀具破岩新鲜面与围岩中结构面的比例、渣中软硬岩比例等因素,应用于达坂引水隧洞的围岩分类,所提出的方法具有重要的工程应用价值。