TBM岩体可掘性预测及其分级研究

全断面硬岩隧道掘进机（TBM）对岩体条件极其敏感,且其前期投入较大,准确地评估岩体可掘性、预测TBM掘进性能对TBM隧道施工至关重要。基于来自中国、伊朗两国涵盖三种不同岩性的5条TBM施工引水隧洞约300组现场数据,以现场贯入度指数FPI为岩体可掘性评价指标,分析了岩石单轴抗压强度UCS、岩体完整性指数K_(v)、岩体主要结构面与洞轴线的夹角α、隧洞直径D等与岩体可掘性之间的关系;探讨了适用于岩体可掘性研究的岩体参数统一方法,进一步建立了精度较高的（相关系数为0.768）岩体可掘性经验预测方法。基于该预测方法,运用K中心聚类分析方法,将岩体可掘性分为6类,探讨了不同岩体可掘性条件下TBM平均单刀推力、刀盘转速分布规律,相应成果可为实际工程中TBM施工隧洞岩体可掘性评估、掘进参数的选择、施工进度的安排提供一定的指导。     

基于TBM掘进性能和适应性分析的围岩分级方法及应用

煤矿巷道变化的围岩地质条件影响着全断面岩石掘进机(Tunnel Boring Machine,TBM)的推广应用,准确评估煤矿岩体可掘性和岩层TBM适应性对TBM高效施工至关重要。基于对岩体参数和岩体可掘性指标的评价,采用优劣解距离法(TOPSIS)建立了岩体可掘性分级模型,并结合不同地质条件的[BQ]值和TBM利用率的相关性分析,提出了岩层适应性分级模型。以日掘进速度为判断指标,进行岩体可掘性和岩层适应性评估,建立了一套基于TBM施工性能的围岩综合分级方法,采用河南平顶山首山一矿底板瓦斯抽采巷道TBM掘进过程中的工程数据,对TBM围岩综合分级方法进行了现场应用。结果表明：在岩体可掘性等级为Ⅰ级,地层TBM适应性等级为3级的条件下,TBM施工巷道平均月进尺可达到400 m;当TBM利用率不足20%时,极有可能会出现卡机、出渣困难等现场问题。围岩综合分级方法通过利用自动采集的TBM掘进数据和围岩性质的综合分析,能够动态评估TBM在不同围岩地质条件下的施工性能,并为TBM掘进控制参数设计提供了理论依据。     

关于TBM施工隧洞围岩分类方法的研究

本文针对TBM施工隧洞中的围岩分类问题，通过分析研究国内外大量TBM施工实例和一些现场及室内岩石力学试验结果，指出TBM施工条件下的隧洞围岩分类应针对围岩的可钻掘性，充分考虑影响TBM掘进效率的主要工程地质因素，提出了在《工程岩体分级标准》围岩稳定性基本分级的基础上，依据岩石的单轴抗压强度、岩石的耐磨性和岩体的完整性将TBM施工条件下的隧洞围岩分为A（好）、B（一般）、C（差）3个级别的围岩分类新方法，并将该方法应用于掌鸠河引水供水工程TBM施工段工程实践，取得了良好的效果。     

隧道掘进机施工条件下的隧洞围岩分类方法探讨

针对隧道掘进机(Tunnel Boring Machine--TBM)施工隧洞中的围岩分类问题,指出TBM施工条件下的隧洞围岩分类应针对围岩的可钻掘性,充分考虑影响TBM掘进效率的主要工程地质因素,提出了在《工程岩体分级标准》围岩稳定性基本分级的基础上,依据岩石的单轴抗压强度、岩石的耐磨性和岩体的完整性将TBM施工条件下的隧洞围岩分为A(好)、B(一般)、C(差)3个级别的围岩分类新方法。     

关于用岩体分类预测TBM掘进速率AR的讨论

以Maen、Pieve、Cogolo和Varzo 4条隧道为例,本文分析说明了岩体质量分类系统不能预测TBM净掘进速率PR的原因:由于影响岩体可掘进性的因素与影响岩体质量的因素不一样,且岩体质量分类系统多采用半定性半定量的评分形式描述岩体条件,故岩体的质量分数值与TBM的净掘进速率PR很难有一一对应的关系。因此,岩体质量分类系统和基于此的预测模型不能够用来预测TBM的净掘进速率PR。根据TBM施工隧道岩体分类的目的及TBM施工的特点,提出预测TBM净掘进速率PR的岩体分类系统应与评价岩体稳定的岩体分类系统分开进行。用岩体可掘进性分类系统预测净掘进速率PR,用岩体质量分类系统预测TBM利用率U,从而计算出TBM的掘进速率AR。     

深埋隧洞极强岩爆段隧道掘进机半导洞掘进岩爆风险研究

深埋隧洞TBM（隧道掘进机）全断面掘进时,在局部超高应力集中的完整硬脆性岩体洞段将直面极强岩爆的风险,设备和人员的安全将遭受极大的威胁。在锦屏II水电站3#引水隧洞极强岩爆段实施了“先半导洞+TBM联合掘进”实验,结合微震实时监测信息对TBM半导洞掘进的岩爆风险开展了研究。监测结果表明,（1）TBM半导洞掘进期间,日平均微震事件数、日平均辐射微震能、微震大事件数及实际岩爆发生次数和强度均远远低于TBM全断面掘进;（2）能量指数对数值和累积视体积的时域演化表明,TBM半导洞掘进强烈岩爆发生的风险远低于TBM全断面掘进,现场实际开挖也证明了这一点;（3）半导洞洞段微震事件的空间集结程度、总数、震级大小与能量辐射均远小于全断面洞段。因此,TBM半导洞掘进的岩爆风险远远低于TBM全断面掘进,在具有施工条件的情况下采用先半导洞预处理,然后TBM半断面掘进极强岩爆段,以期控制岩爆风险的方案是可行的。     

利用PLSR-DNN耦合模型预测TBM净掘进速率

科学预测隧道掘进机(TBM)净掘进速率,对于隧道(洞)工程施工方法选择、施工进度安排以及成本估计具有重要意义。鉴于TBM施工过程具有高度非线性、模糊性和复杂性等特征,为提高TBM净掘进速率的预测精度和计算效率,采用偏最小二乘回归(PLSR)提取影响参数主成分,再利用深度神经网络(DNN)进行训练预测,提出了一种基于PLSR-DNN耦合方法的TBM净掘进速率预测模型。基于兰州水源地建设工程输水隧洞双护盾TBM施工实测数据,选择岩石单轴抗压强度、单轴抗拉强度、刀盘推力、刀盘转速、岩体完整性系数和岩石耐磨性指数,共6个影响参数,验证了模型预测的合理性,并对不同预测方法的拟合精度和预测精度进行了对比分析。研究结果表明:(1)偏最小二乘回归可有效克服自变量之间的多重共线性问题,将提取的主成分作为深度神经网络的输入层进行训练,简化了神经网络结构;(2)PLSR-DNN耦合预测模型避免了过拟合与拟合不足问题,具有收敛速度快,求解稳定和拟合精度高等特点;(3)PLSR-DNN耦合预测模型平均相对拟合误差2.96%,平均相对预测误差3.27%,其拟合精度和预测精度均明显高于偏最小二乘回归模型、BP神经网络模型以及支持向量回归(SVR)模型。     

基于可拓理论的围岩稳定分类方法的研究

在双护盾TBM（tunnel boring machine）的隧洞施工中,将可拓理论与洞室围岩稳定评价相结合。基于碴料和掘进参数的地质编录所提供的地质信息,选取了能够反映围岩稳定综合特性的评价指标,确定围岩稳定类型和预测前方岩体情 况。在物元理论、可拓集合论和关联函数运算的基础上,建立了隧洞围岩稳定分类的可拓评价方法,其中引进了隶属度的概念和一种定量的指标权重的确定方法,并在山西引黄工程的双护盾TBM隧洞施工中用此分类方法对某两段围岩进行了稳定分 类,得到的稳定分类结果与实际情况吻合。     

基于TBM掘进参数的岩石强度估算方法探讨

隧道盾构掘进机(TBM)掘进时难以及时地、有效地评估掌子面岩石强度,导致现场施工过程中很难客观地判别岩爆、卡机等施工风险。在前人研究成果和工程实践的基础上,提出一种基于TBM掘进参数的现场岩石强度快速估算方法,对掌子面岩石强度进行实时评价。通过TBM规格、掘进参数与岩石强度的力学分析,建立了现场岩石强度快速估算公式。基于对国内外多条隧道TBM数据的统计拟合分析,确定了估算公式中系数常量与TBM参数(开挖直径、刀具尺寸)的相关性,以多个典型TBM工程实例进一步验证了所提经验公式的普适性与可靠性。研究结果可为TBM工程岩石强度的快速现场估算提供新的切实可行的思路。     

基于新表面理论的TBM破岩效率评价指标

岩碴是岩-机作用的直接产物,也是评价隧道掘进机（TBM）破岩效率和优化TBM掘进参数的有效指标。依托兰州水源地建设工程和龙岩万安溪引水工程,开展不同岩性条件下TBM岩碴筛分试验,得到了岩碴粒径分布规律。基于新表面理论,从滚刀破岩能量转化角度出发,提出了一种新的TBM破岩效率评价指标。基于岩碴粒径分布规律和TBM掘进参数统计,探讨了新表面理论指标与比能、岩碴粗糙度指数之间的关系,指出了新表面理论指标在反映岩碴破碎程度和评价TBM破岩效率方面的优势。对新表面理论指标与TBM掘进推力以及刀间距s与贯入度p的比值进行回归分析,得到了硬岩（围岩等级为Ⅱ级）和软岩（围岩等级为III级）掘进条件下的TBM最优掘进推力和s/p取值区间。研究表明：（1）新表面理论指标符合岩石破碎学原理,可准确评价TBM破岩效率。岩碴越是破碎,新表面理论指标越大,掘进能耗越高,此时TBM破岩效率相对较低。（2）新表面理论指标与比能、岩碴粗糙度指数均具有良好的线性相关关系。岩碴越是破碎,破碎单位体积岩石的能量消耗越大,新表面理论指标越大,对应的粗糙度指数越小。软岩掘进条件下TBM掘进比能低于硬岩,而岩碴破碎程度高于硬岩。（...     

Prediction model of tunnel boring machine performance by ensemble neural networks

The penetration rate of a tunnel boring machine (TBM) depends on many factors ranging from the machine design to the geological properties. Therefore it may not be possible to capture this complex relationship in an explicit mathematical expression. In this paper, we propose an ensemble neural network (ENN) to predict TBM performance. Based on site data, a four-parameter ENN model for the prediction of the specific rock mass boreability index is constructed. Such a neural-network-based model has the advantages of taking into account the uncertainties embedded in the site data and making appropriate inferences using very limited data via the re-sampling technique. The ENN-based prediction model is compared with a non-linear regression model derived from the same four parameters. The ENN model outperforms the non-linear regression model.     

深部复合地层TBM开挖扰动模型试验研究

针对全断面隧道掘进机（TBM）开挖过程掌子面岩体软硬交替变化的特点,以兰州水源地建设工程为背景,采用模型试验与数值模拟方法研究了复合地层TBM开挖过程隧洞围岩的动态响应规律。通过开展相似配比试验配制了不同围岩强度比的复合地层岩体相似材料,运用光纤光栅技术全程捕捉了隧洞开挖过程复合地层应变演化规律,并分析了隧洞围岩的宏观破裂形态。模型试验结果表明：TBM推进过程中复合地层应变变化规律体现了掌子面推进的空间效应,软岩部分应变要大于硬岩部分应变,且随着开挖步数的增加两种岩层应变差值越大;隧洞内岩体完全挖除后,围岩宏观破裂形态表明因复合地层岩体物理力学性质的差异,上覆软岩变形破坏较为严重,破裂和变形较为显著,在软、硬岩层交界面出现“变形不协调”现象。选取工程沿线某洞段的地质力学参数,基于破坏接近度（FAI）指标评价了隧洞开挖过程中复合地层围岩的稳定性,数值结果表明：开挖过程软岩中FAI变化较为明显,塑性区和破坏区分布范围更广,而下部硬岩受开挖扰动影响较小,只有拱底小范围岩体进入破坏状态。模型试验和数值结果均说明交替变化的掌子面岩体在开挖过程中其围岩在变形破坏等规律方面存在明显差异,因此,TBM在复合地层施工可采取重点部位监测预警、提前采取相应措施等手段,减少或避免卡机事故的发生。该研究成果对于指导复合地层TBM施工具有一定的借鉴和指导意义。     

Estimation of the performance of the tunnel boring machine (TBM) using uniaxial compressive strength and rock mass rating classification (RMR)–A case study from the Deccan traps,India

The competency of any TBM in any geological condition is determined by a rock or rock mass breakage process. A 12.24 km long tunnel between Maroshi and Ruparel College was excavated by Brihanmumbai municipal corporation (BMC) to improve water supply system of greater Mumbai, India, using open-type hard rock tunnel boring machines (TBMs). In this paper an attempt has been made to establish the relationship between rock mass characteristics i.e. RMR and UCS of the Deccan trap rocks and TBMs performance characteristics for 5.83 km long Maroshi–Vakola tunnel section of the Maroshi–Ruparel college tunnel project. To analyze the effect of variable rock mass conditions on the TBM performance, the operating parameters i.e. thrust force, torque and RPM of the machine, were recorded and intact rock strength was determined. The effect of rock mass properties on machine penetration rate (PR) and the relation with other operational parameters were analyzed. The rock strength affects the rock behaviour under compression. When the rolling cutters indent the rock, the stress exerted must be higher than the rock strength i.e.; the rock strength is directly relevant to the performance of TBM. Studies show that the penetration rate decreases with increase in uniaxial compressive strength (UCS). The comparison of measured penetration rate with empirical model developed by Graham, in which, the penetration rate is computed using UCS and average thrust per cutter, showed good agreement with coefficient of determination (R²), i.e. 0.97. The study shows that the TBM performance was maximum in rock mass rating (RMR) range from 40 to 75, while slower penetration was recorded both in very poor and very good rock masses.     

Geostatistical Evaluation of the Mechanical Properties of Rock Mass for TBM Tunnelling by Seismic Reflection Method

Summary. The evaluation of the rock mass mechanical properties by the seismic reflection method and TBM driving is proposed for TBM tunnelling. The relationship between the reflection number derived from the three-dimensional seismic reflection method and the rock strength index (RSI) derived from TBM driving data is examined, and the methodology of conversion from the reflection number to the RSI is proposed. Furthermore a geostatistical prediction methodology to provide a three-dimensional geotechnical profile ahead of the tunnel face is proposed. The performance of this prediction method is verified by actual field data.     

灰岩隧道掘进机隧道点荷载试验评价岩石强度方法的研究与探讨

使用隧道掘进机（TBM）开挖隧道时刀盘和盾体阻碍了对岩石状态的观察,这时可使用岩渣对岩石条件进行预测和评价。从滚刀破碎掌子面产生的岩渣中选取块状岩石进行点荷载试验可以获得岩石强度,但是受过滚刀损伤作用的岩石强度值与未受损伤的岩石强度值之间的关系尚不明确。从吉林引松供水工程TBM破岩产生的岩渣中挑选块状试样进行点荷载试验,同时在产生岩渣的相应位置钻取岩芯获取点荷载强度,与单轴抗压强度进行了对比,记录了取样地点地质状态、试样的尺寸、破碎状态以及等效断裂面积。结果表明：岩渣中的岩块受到滚刀作用产生的损伤强度值有所下降,为完整取芯试样的63.25%,原岩越完整受损程度越大;灰岩点荷载强度换算岩石单轴抗压强度系数约为25.3,直接使用岩渣时建议系数约为42.1;峰值荷载与等效断裂面积成正比;尺寸过大的试块往往与岩体原有裂隙有关,强度极低,不适宜用作点荷载试验。研究结果为TBM隧道现场快速获取岩石强度参数提供了方法和依据。     

全断面隧道掘进机护盾受力监测及卡机预警

全断面隧道掘进机(简称TBM)在穿越深部软弱地层时围岩收敛变形较大,围岩容易挤压护盾,导致TBM卡机,影响TBM正常掘进。通过分析TBM卡机灾害孕育过程,得到了预测TBM卡机的重要条件：一是围岩变形量大于预留的空间,二是额定推力不能克服摩擦阻力。为了监测实际工程TBM卡机状态,提出了一种监测护盾变形的方案以及护盾受力的计算方法,可通过监测得到的变形估算护盾的受力,进而计算出护盾受到的摩擦阻力,得到TBM卡机的状态。根据TBM受到的摩擦阻力、TBM正常掘进时所需推力和TBM额定推力之间的关系,将TBM卡机状态分为4个等级,即无卡机、轻微卡机、卡机和严重卡机,并提出了对应的处理措施。结合TBM卡机条件以及护盾受力监测方案,提出了TBM卡机灾害预警流程。在兰州水源地输水隧洞工程中应用了该监测方案和卡机灾害预警流程,应用结果表明,预测的卡机状态与TBM实际状态基本一致,说明该方法具有一定的可靠性,对指导TBM隧道施工具有重要意义。     

Developing new equations for TBM performance prediction in carbonate-argillaceous rocks: a case history of Nowsood water conveyance tunnel

Nowsood water conveyance tunnel is 49 km long and has been designed for transferring 70 m³/s water from Sirvan river southward to Dashte Zahab plain in the west of Iran. This long tunnel has been divided into three sections, namely 1A, 1B and 2. By April 2008, about 5.3 km of the lot 2 of this project, with a total length of 26 km, were excavated by a double-shield TBM. The bored section of tunnel passed through different geological units of three main formations of the Zagross mountain ranges which mainly consist of weak to moderately strong argillaceous-carbonate rocks. This paper will offer an overview of the project, concentrating on the TBM operation, and review the results of the field performance of the machine. Also results of statistical analyses to evaluate correlation of TBM performance parameters with rock mass characteristics will be discussed. The results of machine performance analysis indicated that there are strong relationships between geomechanical parameters and TBM performance parameters in this particular project. In this research some empirical equations and a chart have been developed to estimate TBM performance parameters in similar cases based on common rock mass properties.