基于LSTM-GRU模型的TBM掘进参数时序预测研究

隧道掘进机(TBM)施工效率对于地质条件的高度敏感性，以及TBM设备智能控制并最终实现无人驾驶，都对在复杂地质条件中精准预测TBM掘进参数提出了更高要求。为精准预测不同等级围岩下TBM的掘进速度、总推力、刀盘转速和刀盘扭矩，基于向原始数据学习和向误差学习的双学习机制，建立了掘进参数时序预测模型LSTM-GRU,并对某引水工程隧洞TBM施工实例进行了计算分析，验证了模型的有效性。最后选用决定系数R²、均方根误差、平均绝对误差、平均相对误差等4个参数，分别与广义回归神经网络GRNN、长短时记忆网络LSTM以及门控循环网络GRU的预测结果进行比较分析，结果表明，Ⅱ级围岩和Ⅲ级围岩下，LSTM-GRU模型的预测精度更高。研究结论可为隧洞工程TBM施工控制提供参考。     

TBM施工中岩石可钻性测试与评价技术综述

岩石的可钻性是评价TBM隧道施工难易程度的重要指标,其测试方法必须与TBM的设计与施工过程相匹配。因国内的TBM研发及施工技术起步较晚,岩石可钻性测试与评价方法仍以国外的技术为主。通过大量查阅国内外文献,基于常用掘进效率预测模型的需要,从岩石硬度、脆性和磨耗性3个方面对岩石可钻性指标测试与评价技术进行了较为详细的介绍。基于这些测试方法的试验成果,为我国TBM的刀盘设计、刀具磨损及掘进速率的预测提供了基础资料。建议尽快建立我国TBM可钻性实验室及相应数据库。     

秦岭隧洞花岗岩段掘进机滚刀破岩规律及掘进特征

为更好掌握TBM掘进性能，以引汉济渭工程秦岭隧洞花岗岩段为研究对象，通过滚刀破岩试验与施工参数分析，获得了滚刀破岩机理，揭示了掘进速度、设备利用率等TBM掘进性能指标的变化规律。结果表明：在设定地应力条件下，随着贯入度增加，滚刀法向力增大，且其变化幅度增加、变化频率加快，增加了相邻滚刀间形成大岩片的数量；高地应力条件下，因多次发生岩爆，TBM平均掘进速度、设备利用率均较低；现场贯入指标、岩石掘进效率指标沿桩号的变化基本同步，但现场贯入指标能更好评价TBM破岩性能。通过调整支护、清渣和施工组织方式，提高辅助作业效率，并及时调整TBM掘进参数、改进滚刀刀刃材质，可保障TBM高效运行，为该隧洞TBM后续掘进提供相应对策。     

基于数量化理论I的双护盾TBM掘进速度预测研究

以甘肃引洮一期工程9#隧洞为例,引入数量化理论I的建模原理和方法,建立了定性数据包括围岩类别和地下水情况2个解释变量,定量数据包括单轴抗压强度、抗拉强度、泊松比和变形模量4个解释变量的预测模型,研究了双护盾TBM施工掘进速度的影响因素,并从理论上证实了该预测模型的可靠性。结果表明：在同等围岩力学参数条件下,围岩稳定性越好越有利于TBM的施工,反之则会阻碍施工进度,且阻碍效应会随着地下水的增多而增强;岩石的泊松比、抗拉强度对TBM掘进速度呈显著正效应,而单轴抗压强度和变形模量呈负效应。通过对实测值和预测值的比较发现,二者掘进速度的相对误差绝对值为0.23%~5.38%,平均值为0.39%,说明预测模型用于双护盾TBM掘进速度的预测是可靠的,并可用于同类工程施工进度的预测和工程进度的控制管理。     

基于数量化理论Ⅰ的双护盾TBM掘进速度预测研究

以甘肃引洮一期工程9#隧洞为例,引入数量化理论I的建模原理和方法,建立了定性数据包括围岩类别和地下水情况2个解释变量,定量数据包括单轴抗压强度、抗拉强度、泊松比和变形模量4个解释变量的预测模型,研究了双护盾TBM施工掘进速度的影响因素,并从理论上证实了该预测模型的可靠性。结果表明:在同等围岩力学参数条件下,围岩稳定性越好越有利于TBM的施工,反之则会阻碍施工进度,且阻碍效应会随着地下水的增多而增强;岩石的泊松比、抗拉强度对TBM掘进速度呈显著正效应,而单轴抗压强度和变形模量呈负效应。通过对实测值和预测值的比较发现,二者掘进速度的相对误差绝对值为0.23%~5.38%,平均值为0.39%,说明预测模型用于双护盾TBM掘进速度的预测是可靠的,并可用于同类工程施工进度的预测和工程进度的控制管理。     

基于围岩分类HC评分的双护盾TBM施工速度预测模型

针对双护盾TBM施工速度预测问题，以兰州市水源地建设工程输水隧洞双护盾TBM施工为背景，采用现场实测数据统计分析的方法，基于《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487—2008)的围岩分类HC评分值，研究了TBM净掘进速度、TBM利用率与围岩分类HC评分值的相关性，进而建立了双护盾TBM施工速度预测模型。结果表明：(1)TBM净掘进速度与HC值呈二次函数关系，相关性系数为0.84,随着HC值的降低，TBM净掘进速度呈现增加的趋势；(2)TBM利用率与围岩HC值呈二次函数关系，相关性系数为0.82,TBM利用率随着HC值的增加有先增大后减少的趋势；(3)围岩的HC值为41～46时，TBM的施工速度达到最高，日进尺可达到45 m以上，当HC值<41时，TBM施工速度随着HC值的降低而降低，当HC值>46时，TBM施工速度随着HC值的增加而降低；(4)预测施工速度与实际施工速度吻合较好，平均误差为5.2%,最大误差<10%,说明预测模型可靠，可用于双护盾TBM施工速度预测。     

影响TBM选型的地质因素分析

TBM对地质条件适应性差,地质因素对TBM选型十分重要,分析TBM破岩机理,论述岩石属性包括单轴抗压强度和硬度及岩体属性包括结构面产状和完整程度等地质因素与TBM掘进效率的关系,给出了根据地质条件进行TBM选型的工程实例.     

基于LIB-SVM的盾构隧道地表沉降预测方法研究

在大数据开源的背景下,为了分析及预测隧道施工盾构掘进引起地表沉降,同时容纳较多影响地表沉降的因素,提高沉降预测的准确性,本文在总结归纳支持向量机的建模原理的基础上,将支持向量机(support vector machine,SVM)方法应用到地表沉降预测中。结合虹梅南路隧道西线工程,选取土体参数、盾构参数和隧道埋深等8个影响因素作为输入特征,地表最终沉降量作为输出目标值,通过交叉验证选取LIB-SVM的最优参数组合并建立预测模型,对盾构施工引起的地表沉降进行了预测,并与实测数据进行了对比。结果表明:预测结果与工程实际情况较吻合,误差基本在5%以内,证明了该方法在盾构施工引起地表沉降的实际预测中具有可行性,为隧道工程的研究提供了一条新途径。     

隧洞高磨蚀性硬岩地段TBM法施工刀具消耗分析

随着国内地下长大隧道施工数量不断增加,TBM硬岩掘进机在长大隧道的施工技术逐渐成熟,不同地质情况下刀具消耗数量差别极大,如何在高磨蚀地段合理预测刀具消耗数量,成为TBM施工招投标阶段及施工过程中刀具成本预测的难题,以引汉济渭工程秦岭隧洞TBM段岭南工程为依托,根据前5000m掘进段工程的围岩强度、石英含量与现场刀具实际消耗情况,实践研究岩石强度、石英含量与刀具消耗之间的关系,为TBM在类似地质情况下刀具消耗数量的准确预测、工程投资、施工成本控制、现场施工进度和设备管理提供较好的参考依据。     

高磨蚀性硬岩地段敞开式TBM掘进参数优化和适应性研究

通过论述敞开式TBM的施工特点,结合敞开式TBM在引汉济渭工程秦岭隧洞高磨蚀性硬岩地段施工的具体情况,详细陈述敞开式TBM在隧洞掘进过程中遇到的典型问题及现场采取的施工措施,对TBM在高磨蚀性硬岩地段掘进中掘进速度的影响因素和敞开式TBM适应能力进行分析。结果表明,在高磨蚀性硬岩地段,TBM掘进参数拟定宜采用高转速、低贯入度、高推力、低扭矩的"两高两低"模式。研究成果为引汉济渭工程秦岭隧洞TBM施工段岭南工程后续掘进施工提供了掘进施工依据,且对实现TBM快速掘进提出了具体建议。     

复合地层土压平衡盾构施工技术研究

以苏州轨道交通3号线为工程实例,研究土压平衡(EPB)盾构在复合地层中的施工技术。苏州轨道交通3号线何山路站至苏州乐园站区间隧道通过108 m"上软(土)下硬(岩)"的复合地层,工程风险极大,需在设计和施工阶段采取必要的风险控制措施。在设计阶段:通过改变隧道纵坡,缩短复合地层段长度;通过改良TBM刀盘设计,优化机械运行参数,实现盾构机械参数和地层物理参数的匹配;通过对隧道上部松散土体静压注浆加固和在建筑物与隧道间安装隔离桩,控制地层变形和保护邻近建筑物;采用三维数值模拟预测隧道开挖引起的地层变形和建筑物沉降,为工程决策提供依据。在施工阶段:对于软土、复合地层和硬岩段采用不同盾构运行模式和掘进参数;掘进过程采用六个主要参数指标进行控制;采用在盾构机前方开挖竖井进行损坏刀箱、刀具的更换。施工监测显示:实测地表和建筑物沉降与三维有限元预测、Peck经验公式预测结果吻合良好,地表沉降控制在2. 0cm以内,邻近建筑物沉降控制在3 mm以内。工程的顺利实施为国内其他类似复合地层隧道盾构掘进工程提供有益借鉴。     

引汉济渭工程秦岭隧洞TBM的刀具选型试验

引汉济渭工程秦岭输水隧洞TBM施工遭遇超硬岩石,在试掘进阶段进度严重滞后于合同计划指标。为了减少刀具更换时间、促进施工进度,将刀具选型试验作为突破口。通过利用各厂家提供的刀具进行TBM试掘进,将每家2把刀具交叉安装在相应刀位上,在试验过程中进行磨损量测试、岩石抗压强度测试。从这两项指标定量分析刀具选型,结合过渡区域刀具磨损量及速率、面刀区域刀具磨损情况、整刀使用寿命、极限磨损情况、2 km试掘进阶段刀具消耗情况,综合评价各类型刀具性能。结果表明,受掌子面平整度、岩石强度及石英含量影响,不同部位的磨损量、变形都存在较大差异,尤其不同处理工艺的刀具,其耐磨值和稳定性决定着TBM的掘进速度。研究成果对超硬岩隧洞TBM刀具的选取具有一定的参考价值,也对刀具材料的研究提供了基础数据。     

软岩隧洞TBM施工中围岩变形预测研究

TBM施工过程中,为防止软岩变形导致卡机事故的发生,需要对围岩变形进行准确的预测。以巴基斯坦N-J水电站为研究对象,通过对围岩变形监测数据的反演分析,得到其蠕变参数,并采用反演得到的蠕变参数对大埋深洞段的围岩变形进行预测。结果表明,TBM在软岩段掘进过程中,围岩除了产生明显的弹塑性变形外还会出现明显的蠕变变形,且蠕变变形在TBM在开挖后的几小时内会迅速增加,增大了TBM卡机风险。建议TBM在软岩段掘进过程中,在保证安全的前提下尽可能快速通过。     

正、偏楔形盘形滚刀破岩作业载荷对比研究

盘形滚刀是全断面岩石掘进机(TBM)上的关键核心部件,其与岩石的相互作用直接影响TBM的掘进效率和工程成本。研究发现盘形滚刀外形对其与岩石的相互作用有较大影响。论文首先建立了正楔形盘形滚刀作业对象岩石的Drucker-Prager弹塑性模型和正楔形盘形滚刀与其相互作用模型,并用罗科斯巴勒盘形滚刀破岩力预测理论对所建模型进行了验证;以此为基础,论文还建立了偏楔形盘形滚刀与其作业对象岩石的相互作用模型,并分别模拟研究了正楔形盘形滚刀和偏楔形盘形滚刀与岩石的相互作用,从而发现正楔形盘形滚刀在不同安装半径和切深条件下的垂直力、侧向力和滚动力都大于偏楔形盘形滚刀,且偏楔形盘形滚刀在小安装半径和大切深条件下,其破岩载荷较正楔形盘形滚刀减小量较大。论文研究结论为偏楔形盘形滚刀设计理论的工程应用提供了重要参考。     

敞开式TBM隧洞通风系统布置及除尘效果研究

为了研究敞开式TBM施工通风布置方案并提高通风除尘效果,以引汉济渭秦岭输水隧洞TBM工程为依托,利用数值计算软件FLUENT对不同送风风速,不同送风管位置下的洞内除尘效果进行了计算研究,并将模拟计算与现场实测结果对比,优化了施工通风系统布置。研究结果表明:粉尘质量浓度从拱架作业区至主控室逐渐增大,随着到掌子面的距离增加,粉尘浓度降低;送风风速越大,洞内粉尘危险浓度区域越广,敞开式TBM内人员集中作业区的粉尘质量浓度越小;送风管距掌子面越远,人员集中作业区粉尘浓度越高,送风管布置在距掌子面15 m时,作业区粉尘浓度最低。优化方案将送风风管和除尘风管分别布置在距掌子面15 m和25 m,送风风速和除尘风速为40 m/s和15 m/s时,作业区粉尘质量浓度可控制在2 mg/m~3规范限值以下。     

TBM采用大直径滚刀掘进的优越性

扼要地介绍了挪威硬岩TBM掘进速度与刀具磨损的研究成果及大直径滚刀在大伙房水库输水工程中的应用情况。研究和实践都表明,采用大直径滚刀掘进的优越性在于:大直径滚刀推力大,破岩能力强,掘进速度快;降低刀具损耗,进而降低工程成本;延长刀圈寿命,减少掘进过程中的换刀频次,从而提高TBM的利用率。采用大直径滚刀是大断面硬岩TBM的发展方向。     

长大深埋水工隧洞设计关键技术研究与实践

在分析我国长大深埋隧洞发展历程及研究现状的基础上,阐述了长大深埋隧洞工程遇到的主要工程地质问题,并结合多年积累的调水工程设计、施工、管理等经验,总结已完工及在建的高埋深长隧洞遇到的实际情况,针对突涌水、突泥和涌砂、岩爆、围岩大变形、高地温、高地应力、高外水等多种极为复杂的工程地质问题进行了分析和探讨。结果表明:在长大深埋隧洞设计前期,结合工程主要地质问题进行TBM设备选型至关重要;设计及施工过程中采用数值模拟、试验研究、超前地质预报、现场监测等手段,对高外水、软岩大变形、岩爆、高地温等不良地质洞段进行分析研究并动态调整设计;不良地质条件掘进易采用三低(低推力、低转速、低贯入度)、一快(快速掘进)、一连续(掘进)、宁慢勿停的掘进原则,可以避免国内外类似工程灾难性的后果发生。     

综合超前地质预报技术在ＴＢＭ法超特长隧洞的应用

文章依托北疆供水二期工程某标段工程,采用地质分析法、地震波物探法和激发极化探水法相结合的超前地质预报技术,对超特长隧洞地质多变地段进行了综合性、连续性超前预报,得到了较好的预报结果,其中对围岩性状的探测准确率可达８０％以上,对地下水的探测准确率可达７０％以上,形成了较为完善的超前预报及支护作业的掘进施工体系。另外,还将超前预报技术与施工工序紧密结合,纳入常规施工工序进行管理,有效避免了不良地质引发的坍塌、卡机等灾害损失,大大提升了ＴＢＭ掘进施工效率,对ＴＢＭ在类似工程中安全快速掘进提供一定的借鉴。