[发明专利]应用等效岩体基本质量指标预测盾构掘进参数的定量方法

摘要

本发明涉及应用等效岩体基本质量指标预测盾构掘进参数的定量方法，属于岩土工程、隧道工程的勘察、设计及施工技术领域。以等效岩体基本质量指标为基础，对复杂地层进行地质分段，分段统计掘进参数。通过逐步回归计算掘进速率、刀盘扭矩与其他掘进参数间的经验关系，得到同时适用于均质地层、复合地层的掘进速率通用预测模型、刀盘扭矩通用预测模型。通过定量分析掘进速率通用预测模型系数、刀盘扭矩通用预测模型系数与等效岩体基本质量指标值之间的对应关系，得到应用等效岩体基本质量指标预测掘进参数的定量方法。对于施工方案设计、施工成本—工期控制以及分析盾构—围岩相互作用规律具有重要的理论意义及工程应用价值。

主权项

应用等效岩体基本质量指标预测掘进参数的定量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：根据地勘报告，将隧道穿越地层组成相同且地质纵断面中地层分界线与隧道轴线近似平行的部分归为同一地质分段，定义该地质分段的等效岩体基本质量指标BQE，如式(1):BQE=Σm=1MBQmSm/S0---(1)]]>式中S0为掌子面全断面面积，BQm、Sm分别为掌子面内某地层的岩体基本质量指标、断面面积；m为组成掌子面的均质地层的种类数量。步骤二：根据盾构掘进某一种地质分段时的掘进参数F、P、n、T、v实测值，其中n为刀盘转速、F为有效推力、P为土仓压力、T刀盘扭矩、v为掘进速率，分别将各地质分段基本自变量即掘进参数n、P、F的一次幂，及n、P、F的若干次幂作为元素集，进行元素集间笛卡尔乘积运算，得到属于某地质分段的单项变量及二元复合变量集合{n,P,F,…,nhPjFr}，作为多元回归分析的自变量集合；进行多元逐步线性回归运算，并剔除显著性水平大于0.05的自变量，得到分别独立属于各种地质分段的既有预测精度、又满足自变量的显著性要求的掘进速率预测模型和刀盘扭矩预测模型；对各种地质分段重复步骤二中的计算过程，得到属于各种地质分段的掘进速率及刀盘扭矩预测模型；步骤三：按照共性提升原则，将分别属于各地质分段的掘进速率预测模型中相同的自变量抽出来，将它们线性组合形成预测不同地层掘进速率的通式，作为复杂地层掘进速率通用预测模型，如式(2):vf＝l1n+l2F+l3P+l4P3+l5F1/3+l6FP+l7n1/2F+l8  (2)式中，vf为掘进速率拟合值；n为刀盘转速；F为有效推力，即刀盘与掌子面间掘进方向作用力；P为土仓压力；li(i＝1,2,3，…,8)为掘进速率通用预测模型系数，同样的，按照共性提升原则，将分别属于各地质分段的刀盘扭矩预测模型中相同的自变量抽出来，将它们线性组合形成预测不同地层掘进速率的通式，作为复杂地层刀盘扭矩通用预测模型，如式(3)：Tf＝k1n+k2F+k3P+k4P3+k5n2P1/3+k6F1/2+k7  (3)式中，Tf为刀盘扭矩拟合值；n为刀盘转速；P为土仓压力；F为有效推力，即刀盘与掌子面间掘进方向作用力；kj(j＝1,2,3,…,7)为刀盘扭矩通用预测模型系数；步骤四：利用式(4)及式(5)分别计算不同地质分段掘进速率通用预测模型系数的离均差率MDRl、不同地质分段刀盘扭矩通用预测模型系数的离均差率MDRk；MDRl=li-li‾li‾,i=1,2,3,...,8---(4)]]>MDRk=kj-kj‾kj‾,j=1,2,3,...,7---(5)]]>式中，li(i＝1,2,3，…,8)为掘进速率通用预测模型系数；kj(j＝1,2,3,…,7)为刀盘扭矩通用预测模型系数；为所有地质分段中li的平均值；为所有地质分段中kj的平均值；步骤五：确定不同地质分段掘进速率通用预测模型诸系数的离均差率与地层BQE值的关系、不同地质分段刀盘扭矩通用预测模型诸系数的离均差率与地层BQE值的关系后，根据勘察报告等地质资料，可以定量确定某地质分段的等效岩体基本质量指标BQE值。根据掘进速率通用预测模型诸系数的离均差率与地层BQE值的关系图，在该地质分段等效岩体基本质量指标BQE值在横坐标上对应的点处作一条垂线，垂线分别和MDR(l1)与BQE值的关系曲线、MDR(l2)与BQE值的关系曲线、MDR(l3)与BQE值的关系曲线、MDR(l4)与BQE值的关系曲线、MDR(l5)与BQE值的关系曲线、MDR(l6)与BQE值的关系曲线、MDR(l7)与BQE值的关系曲线和MDR(l8)与BQE值的关系曲线的8个交点的纵坐标，就是属于该地质分段的掘进速率通用预测模型诸系数的离均差率：MDR(l1)、MDR(l2)、MDR(l3)、MDR(l4)、MDR(l5)、MDR(l6)、MDR(l7)、MDR(l8)；根据式(4)、式(5)，确定属于该地质分段的掘进速率通用预测模型诸系数的具体值，从而确定属于该地质分段的掘进速率通用预测模型；用同样的方法，根据刀盘扭矩通用预测模型诸系数的离均差率与地层BQE值的关系图，来确定属于该地质分段的刀盘扭矩通用预测模型。具体如下：在该地质分段等效岩体基本质量指标BQE值在横坐标上对应的点处作一条垂线，垂线分别和MDR(k1)与BQE值的关系曲线、MDR(k2)与BQE值的关系曲线、MDR(k3)与BQE值的关系曲线、MDR(k4)与BQE值的关系曲线、MDR(k5)与BQE值的关系曲线、MDR(k6)与BQE值的关系曲线和MDR(k7)与BQE值的关系曲线的7个交点的纵坐标，就是属于该地质分段的刀盘扭矩通用预测模型诸系数的离均差率：MDR(k1)、MDR(k2)、MDR(k3)、MDR(k4)、MDR(k5)、MDR(k6)、MDR(k7)。根据式(4)、式(5)，确定属于该地质分段的刀盘扭矩通用预测模型诸系数的具体值从而确定属于该地质分段的刀盘扭矩通用预测模型；步骤六：提出一组n、P、F试算值，代入到属于某一地质分段的掘进速率通用预测模型和刀盘扭矩通用预测模型里，就得到了属于这一地质分段的、这一组n、P、F对应的掘进速率预测值vf和刀盘扭矩预测值Tf。如果属于这一地质分段的、这一组n、P、F对应的掘进速率预测值vf和刀盘扭矩预测值Tf不满足施工要求，那就重新选取n、P、F，直到满足为止，得到满足要求的n、P、F参考值即本发明掘进参数的预测值。