一种基于岩碴质量分形维数的TBM掘进性能预测方法技术

本发明专利技术提供一种基于岩碴质量分形维数的TBM掘进性能预测方法，属于隧道工程TBM施工技术领域，包括如下步骤：步骤1、计算岩碴质量分形维数；步骤2、获取TBM掘进性能指标；步骤3、确定岩碴质量分形维数与TBM破岩效率之间的关系；步骤4、用岩碴质量分形维数预测TBM最佳掘进推力区间。本发明专利技术从岩碴质量分布角度出发，利用岩碴质量分形维数预测TBM破岩效率和最佳掘进推力，为TBM掘进性能预测与参数优化提供新的思路。新的思路。新的思路。

【技术实现步骤摘要】
一种基于岩碴质量分形维数的TBM掘进性能预测方法


[0001]本专利技术涉及隧道工程TBM施工
，具体涉及一种基于岩碴质量分形维数的TBM掘进性能预测方法。

技术介绍

[0002]岩石隧道掘进机(TBM)具有施工速度快、施工质量高和安全性好等诸多优点，已经成为长距离隧道(洞)施工中的首选方法。相比于传统钻爆法施工，TBM核心优势在于快速，因此TBM施工的关键在于如何提高破岩效率。在隧道施工评价研究领域，TBM掘进性能预测是备受广泛关注的热点问题，而TBM掘进过程中产生的岩碴包含丰富信息，可综合反馈围岩情况与TBM破岩效率。许多国内外学者对岩碴形状、尺寸、粒径分布与TBM掘进参数、破岩效率、围岩条件等之间的关系开展了相关研究。诸多研究成果表明，岩碴粒径分布规律与TBM掘进参数存在较好联系，并可在一定程度上反馈TBM破岩效率。
[0003]比能是切削单位体积岩石所需要做的功，比能越小，破岩效率就越高。研究表明，岩碴的粗糙度指数是评价TBM破岩效率的有效指标，其与比能有良好的相关关系，粗糙度指数越大，TBM破岩产生的大粒径片状岩碴含量越多，比能就越小，破岩效率就越高。因此，比能和粗糙度指数均是反映破岩效率的重要指标。而对于岩石碎屑粒度分布方面的研究，在我国，谢和平院士最早将分形理论应用于岩石破碎领域，认为切割、爆破、风化的岩石碎块均表现出分形分布特征，并在《岩石断裂和破碎的分形研究》中指出岩石碎屑的质量分形维数与破碎单位体积岩石所消耗能量的对数值呈正比。目前，分形理论已在岩石碎屑粒度分布方面得到应用，例如，闫铁等在《旋转钻井中岩石破碎能耗的分形分析》中根据钻井过程中破碎岩屑的粒度分布，分析了分形维数与能量耗散的关系；谢贤平等在《分形理论与岩石爆破块度的预报研究》中用分形理论研究了岩石爆破碎屑的块度特征，为爆破参数优化提供了新途径。然而岩碴粒径分形特征及其在TBM掘进性能评价中的应用，尚未见诸报道。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提供一种基于岩碴质量分形维数的TBM掘进性能预测方法，从岩碴质量分布角度出发，利用岩碴质量分形维数预测TBM破岩效率和最佳掘进推力，为TBM掘进性能预测与参数优化提供新的思路。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于岩碴质量分形维数的TBM掘进性能预测方法，包括如下步骤：
[0006]步骤1、计算岩碴质量分形维数：在TBM施工现场采集若干组不同掘进段的混合粒径岩碴试样并进行现场筛分试验，由筛分结果计算各组岩碴试样的质量分形维数；
[0007]步骤2、获取TBM掘进性能指标：由筛分试验结果获得岩碴粗糙度指数，通过查阅施工日报或现场监测记录，获取与岩碴试样当天对应的TBM掘进参数，计算出平均掘进推力，进而计算出比能；
[0008]步骤3、确定岩碴质量分形维数与TBM破岩效率之间的关系：通过分析岩碴质量分
形维数与比能、粗糙度指数之间的关系，从而得到岩碴质量分形维数与破岩效率的关系；
[0009]步骤4、用岩碴质量分形维数预测TBM最佳掘进推力区间：利用步骤3中所得质量分形维数与破岩效率之间的联系，通过分析平均掘进推力与分形维数之间的关系，并用分形维数确定较高破岩效率时对应的推力区间；
[0010]步骤5、验证步骤4中推力区间的合理性：通过分析平均掘进推力与比能、粗糙度指数之间的关系，可得到比能较小或粗糙度指数较大时对应的推力区间，即为最佳推力区间，用最佳推力区间与步骤4中所得的推力区间进行对比，验证其合理性。
[0011]进一步的，所述步骤1中，根据筛分试验所使用的筛网孔径计算各组岩碴的粒度—质量分形维数，计算式如下：
[0012]D＝3
‑
a；
[0013][0014]其中，D为分形维数；L
eq
为等效边长，这里取筛网孔径为等效边长，单位mm；M
Leq
为粒径小于L
eq
的岩碴质量，单位g；M为岩碴总质量，单位g；a为M
Leq
/M
‑
L
eq
在双对数坐标下的斜率值。
[0015]进一步的，所述步骤2中，由筛分试验得到各个筛网的累计筛余率，将各个累计筛余率相加即可得到粗糙度指数，具体计算式为：
[0016][0017]CI＝∑X
i
；
[0018]式中，W
i
是现场筛分试验得到的大于某一粒径尺寸的岩碴总质量，g；W
t
是现场采取的TBM岩碴的总质量，g；X
i
是大于某一粒径尺寸的累计筛余率，％；CI为岩碴粗糙度指数。
[0019]进一步的，所述步骤2中，比能计算式为：
[0020][0021]式中，SE为比能，kJ/m3；F
v
为TBM掘进时的平均推力，kN；l为TBM在某时段的掘进距离，m；M为TBM掘进时的平均扭矩，kN
·
m；θ为滚刀旋转的角度，rad；R为隧洞开挖半径，m。
[0022]进一步的，所述步骤3中，确定岩碴质量分形维数与破岩效率的关系时，具体为将分形维数与比能的对数值、粗糙度指数的对数值分别进行线性回归分析。
[0023]进一步的，所述步骤4中，用分形维数预测最佳掘进推力区间时，将平均掘进推力与分形维数进行二次函数拟合分析。
[0024]进一步的，所述步骤5中，确定最佳推力区间时，将平均掘进推力与比能、粗糙度指数分别进行二次函数拟合分析。
[0025]本专利技术的上述技术方案的有益效果如下：将分形理论引入到TBM掘进性能预测上，可以分析岩碴质量分形维数与比能、粗糙度指数、掘进推力之间的关系，用岩碴质量分形维数评价TBM破岩效率，预测掘进推力，为TBM掘进性能预测与参数优化提供新的思路。
附图说明
[0026]图1为实施例中得到的不同岩性条件下岩碴的lg(M
Leq
/M)
‑
lgL
eq
曲线图；
[0027]图2a为实施例中得到的不同岩性岩碴质量分形维数与lgSE的关系图；
[0028]图2b为实施例中得到的II级围岩条件下分形维数与lgSE的关系图；
[0029]图2c为实施例中得到的Ⅲ级围岩条件下分形维数与lgSE的关系图；
[0030]图3a为实施例中得到的II级围岩条件下分形维数与lgCI的关系图；
[0031]图3b为实施例中得到的Ⅲ级围岩条件下分形维数与lgCI的关系图；
[0032]图4a为实施例中得到的II级围岩条件下平均掘进推力与比能的关系图；
[0033]图4b为实施例中得到的Ⅲ级围岩条件下平均掘进推力与比能的关系图；
[0034]图5a为实施例中得到的II级围岩条件下平均掘进推力与粗糙度指数的关系图；
[0035]图5b为实施例中得到的Ⅲ级围岩条件下平均掘进推力与粗糙度指数的关系图；
[0036]图6a为实施例中得到的II本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于岩碴质量分形维数的TBM掘进性能预测方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1、计算岩碴质量分形维数：在TBM施工现场采集若干组不同掘进段的混合粒径岩碴试样并进行现场筛分试验，由筛分结果计算各组岩碴试样的质量分形维数；步骤2、获取TBM掘进性能指标：由筛分试验结果获得岩碴粗糙度指数，通过查阅施工日报或现场监测记录，获取与岩碴试样当天对应的TBM掘进参数，计算出平均掘进推力，进而计算出比能；步骤3、确定岩碴质量分形维数与TBM破岩效率之间的关系：通过分析岩碴质量分形维数与比能、粗糙度指数之间的关系，从而得到岩碴质量分形维数与破岩效率的关系；步骤4、用岩碴质量分形维数预测TBM最佳掘进推力区间：利用步骤3中所得质量分形维数与破岩效率之间的联系，通过分析平均掘进推力与分形维数之间的关系，并用分形维数确定较高破岩效率时对应的推力区间。2.如权利要求1所述的基于岩碴质量分形维数的TBM掘进性能预测方法，其特征在于：所述步骤1中，根据筛分试验所使用的筛网孔径计算各组岩碴的粒度—质量分形维数，计算式如下：D＝3
‑
a；其中，D为分形维数；L
eq
为等效边长，这里取筛网孔径为等效边长，单位mm；M
Leq
为粒径小于L
eq
的岩碴质量，单位g；M为岩碴总质量，单位g；a为M
Leq
/M
‑
L
eq...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫长斌，李严，李高留，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：