本發(fā)明涉及應用等效巖體基本質(zhì)量指標預測掘進參數(shù)的定量方法，屬于隧道工程的勘察、設計及施工技術領域。

背景技術：

(1)盾構掘進復合地層，復雜地層掘進參數(shù)定量預測是一大工程難題。復雜地層中，均質(zhì)地層與復合地層逐段分布，盾構掘進沿線地層物理、力學參數(shù)逐段相異，尋找適用于復雜地層的盾構掘進速率、刀盤扭矩的預測方法，對盾構掘進施工具有理論指導意義和參考價值。

(2)國內(nèi)外目前盾構掘進速率、刀盤扭矩的預測方法主要有理論計算法與經(jīng)驗預測法。理論計算模型中關鍵參數(shù)需由特定試驗獲取，在復雜地層的工程應用中存在局限。經(jīng)驗預測法針對均質(zhì)地層或某種復合地層，缺少預測模型在復雜地層中的適應性分析。

(3)中國發(fā)明專利(授權公告號cn103870677b，專利名稱：一種掘進機的掘進參數(shù)設定方法)涉及一種大型掘進機械裝備施工技術領域的方法，具體涉及一種硬巖掘進機施工過程中的驅(qū)動系統(tǒng)的掘進參數(shù)的設定。該發(fā)明根據(jù)圍巖數(shù)據(jù)，利用效率預測模型，預測出后一段掘進的掘進效率；根據(jù)掘進效率與掘進參數(shù)之間的數(shù)學關系，計算出掘進系統(tǒng)的掘進參數(shù)，主要問題有：①掘進參數(shù)公式中均含有圍巖參數(shù)，而圍巖參數(shù)與圍巖種類是相對應的，掘進參數(shù)是盾構機全斷面掘進的參數(shù)，體現(xiàn)掌子面整體而非掌子面內(nèi)各種地層與盾構機械設備的相互作用，導致該專利中相關結論難以在復合地層中進行應用；②掘進參數(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公式應用要求。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術的不足，提供了應用等效巖體基本質(zhì)量指標預測掘進參數(shù)的定量方法，可用于定量預測不同地層盾構掘進參數(shù)，以提高盾構施工效率。

本發(fā)明是應用等效巖體基本質(zhì)量指標預測掘進參數(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bqe；

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

對各種地質(zhì)分段重復步驟二中的計算過程，得到屬于各種地質(zhì)分段的掘進速率及刀盤扭矩預測模型；

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

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

步驟4分別計算不同地質(zhì)分段掘進速率通用預測模型系數(shù)的離均差率mdrl、不同地質(zhì)分段刀盤扭矩通用預測模型系數(shù)的離均差率mdrk；

步驟5確定不同地質(zhì)分段掘進速率通用預測模型諸系數(shù)的離均差率與地層bqe值的關系、不同地質(zhì)分段刀盤扭矩通用預測模型諸系數(shù)的離均差率與地層bqe值的關系后，根據(jù)勘察報告等地質(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bqe值，在該地質(zhì)分段等效巖體基本質(zhì)量指標bqe值在橫坐標上對應的點處作一條垂線，垂線分別和mdr(l1)與bqe值的關系曲線、mdr(l2)與bqe值的關系曲線、mdr(l3)與bqe值的關系曲線、mdr(l4)與bqe值的關系曲線、mdr(l5)與bqe值的關系曲線、mdr(l6)與bqe值的關系曲線、mdr(l7)與bqe值的關系曲線和mdr(l8)與bqe值的關系曲線的8個交點的縱坐標，就是屬于該地質(zhì)分段的掘進速率通用預測模型諸系數(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)分段的掘進速率通用預測模型諸系數(shù)的具體值，從而確定屬于該地質(zhì)分段的掘進速率通用預測模型。

用同樣的方法，確定屬于該地質(zhì)分段的刀盤扭矩通用預測模型。

步驟6對n、p、f的值，進行試算測試，直到找到滿足要求的n、p、f的值為止。

原理和優(yōu)勢

針對復合地層在刀盤旋轉(zhuǎn)和掘進方向上的地層分布變化，以等效巖體基本質(zhì)量指標為基礎，對復雜地層進行地質(zhì)分段，分段統(tǒng)計掘進參數(shù)。通過逐步回歸計算掘進速率、刀盤扭矩與其他掘進參數(shù)間的經(jīng)驗關系，得到既適用于均質(zhì)地層、又適用于復合地層的掘進速率通用預測模型、刀盤扭矩通用預測模型。通過定量分析掘進速率通用預測模型系數(shù)、刀盤扭矩通用預測模型系數(shù)與等效巖體基本質(zhì)量指標值之間的對應關系，得到應用等效巖體基本質(zhì)量指標預測掘進參數(shù)的定量方法。對于施工方案設計、施工成本—工期控制以及分析盾構—圍巖相互作用規(guī)律具有重要理論意義及工程應用價值。

附圖說明

圖1隧道掌子面內(nèi)各地層劃分方法；

圖2掘進速率通用預測模型諸系數(shù)的離均差率與地層bqe值的關系示意圖；

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

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

圖6應用等效巖體基本質(zhì)量指標預測掘進參數(shù)的定量方法的流程圖；

具體實施方法

應用等效巖體基本質(zhì)量指標預測掘進參數(shù)的定量方法，包括以下六個步驟：

步驟一

根據(jù)地勘報告，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、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)量指標根據(jù)《工程巖體分級標準gb/t50218》中的規(guī)定計算。

步驟二

根據(jù)盾構掘進某一種地質(zhì)分段時的掘進參數(shù)實測值(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為掘進速率，分別將各地質(zhì)分段基本自變量(掘進參數(shù)n、p、f的一次冪)及n、p、f的若干次冪作為元素集，進行元素集間笛卡爾乘積運算，得到屬于某地質(zhì)分段的單項變量及二元復合變量集合{n,p,f,…,n^hp^jf^r}，作為多元回歸分析的自變量集合(h、j、r為實數(shù))。

工程實踐表明，掘進過程中掘進速率、刀盤扭矩與其他掘進參數(shù)間存在非線性數(shù)學關系。而基于級數(shù)展開原理的多項式線性組合，能夠有效地逼近復雜的非線性數(shù)學關系。多元逐步線性回歸運算，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，并進一步通過比較多個自變量線性組合而成的多項式的預測精度，以預測精度較高的多項式作為預測模型。

根據(jù)既有實測數(shù)據(jù)，進行多元逐步線性回歸運算，并剔除顯著性水平較差的自變量，本實施例優(yōu)選為剔除顯著性水平大于0.05的自變量，得到分別獨立屬于各種地質(zhì)分段的既有預測精度、又滿足自變量的顯著性要求的掘進速率預測模型和刀盤扭矩預測模型。

對各種地質(zhì)分段重復步驟二中的計算過程，得到屬于各種地質(zhì)分段的掘進速率及刀盤扭矩預測模型。

步驟三

按照共性提升原則，將分別屬于各地質(zhì)分段的掘進速率預測模型中相同的自變量抽出來，將它們線性組合形成預測不同地層掘進速率的通式，作為復雜地層掘進速率通用預測模型，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方向作用力；p為土倉壓力；li(i＝1,2,3，…,8)為掘進速率通用預測模型系數(shù)。

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

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

式中，tf為刀盤扭矩擬合值；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方向作用力；kj(j＝1,2,3,…,7)為刀盤扭矩通用預測模型系數(shù)。

根據(jù)南京市寧高城際軌道交通二期工程盾構隧道區(qū)間工程實例，采用上述方法進行計算，算例結果見表1～表3。

表1盾構穿越地層掌子面地層分布的分段統(tǒng)計

注：(1)混合土(③-4)，灰黃色，軟-可塑，主要成分為細中砂、粗砂、混砂礫土，砂為中密-密實，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，夾風化巖屑。

(3)強風化安山巖(j3l-2)，砂土狀，夾少量中風化巖塊，巖體基本質(zhì)量等級為v級。

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

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

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

表2各分段盾構掘進速率通用預測模型系數(shù)

表3各分段盾構刀盤扭矩通用預測模型系數(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測模型和掘進速率通用預測模型，在不同地質(zhì)分段中均具有較高的預測精度，同時適用于均質(zhì)地層及復合地層，地層適應性優(yōu)于傳統(tǒng)的或現(xiàn)有的方法。

步驟四

利用式(4)及式(5)分別計算不同地質(zhì)分段刀盤扭矩通用預測模型和掘進速率通用預測模型系數(shù)的離均差率(meandeviationrate,mdr)mdrl、mdrk。式中，li(i＝1,2,3，…,8)為掘進速率通用預測模型系數(shù)；kj(j＝1,2,3,…,7)為刀盤扭矩通用預測模型系數(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。

將掘進速率通用預測模型系數(shù)的離均差率作為縱坐標，將bqe作為橫坐標，構成坐標系，再將計算得到的不同地質(zhì)分段的掘進速率通用預測模型系數(shù)及其相應的掌子面bqe標繪與這一坐標系中，得到掘進速率通用預測模型諸系數(shù)的離均差率與地層bqe值的關系示意圖，如圖2所示。

將刀盤扭矩通用預測模型系數(shù)的離均差率作為縱坐標，將bqe作為橫坐標，構成坐標系，再將計算得到的不同地質(zhì)分段的刀盤扭矩通用預測模型系數(shù)及其相應的掌子面bqe標繪與這一坐標系中，得到刀盤扭矩通用預測模型諸系數(shù)的離均差率與地層bqe值的關系示意圖，如圖3所示。

步驟五

在分別確定不同地質(zhì)分段掘進速率通用預測模型諸系數(shù)的離均差率與地層bqe值的關系、不同地質(zhì)分段刀盤扭矩通用預測模型諸系數(shù)的離均差率與地層bqe值的關系之后，如圖4，根據(jù)勘察報告等地質(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bqe值(根據(jù)式(1)計算)，在該地質(zhì)分段等效巖體基本質(zhì)量指標bqe值在橫坐標上對應的點處作一條垂線，垂線分別和mdr(l1)與bqe值的關系曲線、mdr(l2)與bqe值的關系曲線、mdr(l3)與bqe值的關系曲線、mdr(l4)與bqe值的關系曲線、mdr(l5)與bqe值的關系曲線、mdr(l6)與bqe值的關系曲線、mdr(l7)與bqe值的關系曲線和mdr(l8)與bqe值的關系曲線的8個交點的縱坐標，就是屬于該地質(zhì)分段的掘進速率通用預測模型諸系數(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)分段的掘進速率通用預測模型諸系數(shù)的具體值，從而確定屬于該地質(zhì)分段的掘進速率通用預測模型。

用同樣的方法，確定屬于該地質(zhì)分段的刀盤扭矩通用預測模型。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bqe值在橫坐標上對應的點處作一條垂線，垂線分別和mdr(k1)與bqe值的關系曲線、mdr(k2)與bqe值的關系曲線、mdr(k3)與bqe值的關系曲線、mdr(k4)與bqe值的關系曲線、mdr(k5)與bqe值的關系曲線、mdr(k6)與bqe值的關系曲線和mdr(k7)與bqe值的關系曲線的7個交點的縱坐標，就是屬于該地質(zhì)分段的刀盤扭矩通用預測模型諸系數(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測模型諸系數(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測模型。

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)分段的掘進速率通用預測模型和刀盤扭矩通用預測模型里，就得到了屬于這一地質(zhì)分段的、這一組n、p、f對應的掘進速率預測值vf和刀盤扭矩預測值tf。如果屬于這一地質(zhì)分段的、這一組n、p、f對應的掘進速率預測值vf和刀盤扭矩預測值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)明掘進參數(shù)的預測值)提供給盾構機操作人員作為施工參數(shù)參考值，指導盾構施工。