基于数值仿真的复杂岩体TBM掘进性能评估模型

为了评估全断面隧道掘进机(TBM)在复杂岩体环境中的掘进性能,本文提出了基于数值仿真的全断面TBM掘进预测模型。首先,采用4D-LSM和DDA耦合模型数值重现工程尺度完整岩体和节理岩体的TBM掘进测试过程,分析全断面TBM掘进过程中刀盘的力学响应和岩体的破坏特征;其次,研究节理间距、节理方向、岩体单轴抗压强度以及脆性指数对可钻性指数的影响;最后,引入单神经元对数值仿真预测模型进行修正,并与岩体特征模型进行对比分析,验证基于数值仿真的全断面TBM掘进性能预测模型的适用性。研究结果表明：TBM在低强度、高脆性以及节理发育的岩体中掘进效率更高,当节理面与TBM掘进方向之间的夹角为60°～75°时,最有利于TBM的运行。基于数值仿真的TBM掘进性能预测模型提供了一种经济、灵活的可用于评估复杂环境中TBM施工性能的方法。     

基于ABAQUS的岩石节理特征对滚刀破岩影响研究

目的研究岩石节理特征对全断面硬岩掘进机(TBM)滚刀破岩的影响,提高滚刀破岩效率.方法利用ABAQUS对含有不同节理特征的岩石进行建模仿真,模拟TBM滚刀切割含有不同节理特征岩石的过程,并观察分析其破碎效果.结果节理岩石破碎后的塑性应变在节理面处向岩石内部延伸;岩石的节理间距越大,岩石的破碎量越小;在节理间距相同的条件下,节理倾角为60°时,岩石破碎效率最高,而在节理倾角为90°时,岩石破碎效率最低.结论岩石的节理倾角对节理岩石裂纹的扩展有影响,而节理间距为150 mm时对其裂纹的扩展基本没有影响;当节理间距在80~100 mm范围内变化时,节理间距对岩石破碎效率影响较大.研究结果对于理解滚刀破岩机理,优化滚刀布置和提高掘进机刀具破岩效率具有重要意义.     

复合地层盘形双滚刀的破岩过程分析

复杂环境中的隧道施工常遇到软硬不均或岩性变化大的复合地层,TBM的掘进施工优势凸显.但工程应用显示两类地层的岩土力学、地质特征等显著差异,复合地层的TBM隧道掘进与均质地层的破岩过程不同.为了提高复合地层TBM盘形滚刀的破岩效率,建立考虑裂隙网络扩展过程的双滚刀破岩三维离散元模型,模拟软硬不均复合地层中不同节理间距、节理倾角以及围压下的滚刀破岩过程,探讨对应的最优滚刀间距.其结果表明:节理对复合地层滚刀破岩是有利的,节理间距越小,岩体越破碎,破岩荷载越小,功耗也越小,破岩效率高;且节理倾向于软岩时,由于节理面的阻隔作用导致破碎区沿着节理界面延伸而无法贯通到临近岩层,软岩更易充分破坏;围压越大,则破岩荷载越大,功耗越大,则破岩效率相对较低.可见,复合地层的破岩过程中地层岩性及赋存环境的主导作用相对明显,进一步反映了复合地层不同于均质地层的滚刀破岩特征,这对深入研究复合地层TBM双滚刀破坏机理、滚刀优化设计及提高破岩效率具有重要的工程价值.     

T BM 在吉林中部城市引松供水施工中的应用

以敞开式TBM 为主介绍了常见的TBM类型及发展现状，结合吉林中部城市引松供水项目论述了不良地质因素，如软弱围岩变形、隧洞突涌水、岩爆、塌方对敞开式 TBM 掘进的影响，重点论述了针对不同因素采取的处理措施和操作方法。     

深埋隧道破碎围岩段单护盾TBM掘进过程中的卡盾研究

当用单护盾隧道掘进机(TBM)开挖深埋隧道的破碎围岩段时,会出现围岩松动甚至坍塌,从而可能导致在掘进过程中出现卡盾现象,因此很有必要对深埋隧道破碎围岩段单护盾TBM掘进中的卡盾机理给出具体的计算公式。将围岩看作松散体,采用普氏压力拱理论来计算围岩对护盾的压力,求得摩擦阻力,建立卡盾的力学临界条件。研究表明,当护盾的摩擦阻力与TBM连续掘进的工作推力之和不大于TBM的最大推力时,不发生卡盾;否则会发生卡盾。最后采用推导出的公式对一工程实例是否会发生卡盾现象进行预测。研究结果可为隧道破碎围岩段的TBM掘进提供重要参考。     

不同岩体质量隧道TBM施工性能评价方法

为了预测、评价、提升不同围岩质量隧道TBM施工能力,通过对国内外多个隧道工程TBM施工数据回归分析,建立了设备利用率、掘进速率等TBM施工性能指标随岩体质量的变化规律。统计结果表明TBM设备利用率与岩体质量指标RMR呈线性函数或二次函数关系、TBM掘进速率与岩体质量指标RMR呈二次函数关系;TBM设备利用率随岩体质量参数的增大而递增;TBM掘进速率随岩体质量参数的增大先升高再降低,在III级围岩时达到峰值;TBM施工速度随岩体质量参数的增大先升高再降低,在II级围岩时达到峰值。基于此,提出了不同岩体质量隧道TBM施工性能评价方法,并利用滇中引水工程香炉山隧洞TBM施工数据对该方法进行了验证。研究成果可用于预测拟建隧道TBM施工工期和评价在建隧道TBM施工性能。     

砂卵石层隧道离散元细观参数标定及影响规律研究

砂卵石层隧道围岩具有大小颗粒混杂,形状不规则等特点.在进行数值分析时与传统有限元计算差别较大.因此,运用离散元颗粒流软件对砂卵石层隧道围岩进行细观参数标定及数值模拟,通过开展室内试验以及砂卵石层细观参数影响规律研究.结果表明,二维模型和三维模型的细观参数标定结果不同,且相同细观参数情况下,二维模型得到的峰值强度远大于三维模型;颗粒粒径与试样尺寸对于应力应变曲线形态有显著影响,但当颗粒粒径与试样尺寸比值大于1/60时,影响减弱;颗粒形状对于应力应变曲线特征值有较大影响,颗粒越扁平,峰值强度越高,颗粒越接近圆形,则峰值强度越低.通过对砂卵石层围岩进行数字图像处理,得到了砂卵石层围岩的颗粒性状,结合筛分试验和大型三轴剪切试验,标定得到了不同相对密实度及不同含水率情况下的砂卵石层细观参数.     

TBM掘进速度预测模型研究

随着机械制造技术的进步,全断面岩石隧道掘进机被广泛应用于深、长、大隧洞的开挖,鉴于全断面岩石隧道掘进机(TBM)对地质条件十分敏感,且其前期投入巨大,采用合适的方法、准确地预测TBM掘进速度对TBM施工的进度安排和成本估计十分重要.基于纽约皇后NO.3隧道153组实测岩体参数(UCS、PSI、DWP、BTS、α)和TBM掘进速度(PR),分别采用BP神经网络和CART算法建立TBM掘进速度预测模型,与已有预测模型对比发现,CART预测模型预测精度更高更易于不同工程相互借鉴,且在部分岩体参数缺失的情况下也能对TBM掘进速度进行有效预测.     

叙大铁路隧道节理特征对围岩变形的影响

节理发育是隧道变形的主要影响因素之一。以叙大铁路隧道节理的发育特征情况为背景,采用离散元软件UDEC对隧道围岩节理特征进行了数值模拟,分析了围岩节理组数、倾角、间距以及围岩支护对隧道变形的影响。研究结果表明,隧道变形随节理组数增大而增大,主要点变形区域受节理倾角控制,当隧道节理间距小于1cm时,对隧道围岩变形影响较大。     

基于门控循环单元的全断面掘进机稳定段掘进性能预测

全断面隧道掘进机（tunnel boring machine, TBM）一个正常掘进循环分为空推段、上升段和稳定段三个阶段,其中稳定掘进段为主要施工阶段,稳定段掘进性能的好坏是TBM掘进的关键。为实现TBM安全高效掘进,建立一种基于门控循环单元（gated recurrent unit,GRU）神经网络的预测模型,预测TBM稳定段掘进性能。模型以新疆某供水工程Ⅱ标段TBM施工数据为依托,5种掘进循环上升段主要参数的时间序列数据作为主要输入,围岩等级作为辅助输入来考虑岩体对掘进性能的影响,输出为稳定段的总推进力和刀盘扭矩,为稳定段TBM性能预判提供参考。为显示预测效果,对比传统循环神经网络（recurrent neural network,RNN）预测模型,并分析不同长度时间序列输入对模型预测精度的影响。结果表明：GRU模型预测拟合优度均在0.9以上,平均绝对百分比误差均小于12.25%,同时能够适用不同长度时序输入。由此可见,所建模型具有较高预测精度,泛化能力较好,能够辅助预判掘进机稳定段性能。     

基于复杂地质岩机作用的多维度隧道掘进机适应性评价方法

为了解决高强度高磨蚀硬岩地层TBM掘进“低效高耗”、断层破碎带地层“刀盘受困”、高地应力挤压性地层“护盾被卡”等隧道施工难题,基于TBM滚刀、刀盘、护盾与隧道围岩的相互作用,通过多个TBM法隧道工程数据统计分析,揭示了滚刀贯入度指数与岩体特性指标、滚刀破碎体积磨损速率与岩体特性指标、TBM设备利用率与断层宽度、围岩相对变形量与强度应力比的函数关系,建立了基于滚刀可掘性和耐磨性、刀盘受困和护盾被卡风险的多维度TBM适应性评价方法,为复杂地质隧道修建TBM工法选择、装备设计及施工难题的解决提供了量化依据。     

用Young公式计算GBU-28侵彻的不同围岩深度

为了研究防护工程抗深钻地武器侵彻能力,对国家标准和国家行业标准中的围岩分级进行了深入的分析,确定了基于典型的侵彻岩石深度计算公式Young公式的五级围岩参数取值,得出了典型深钻地武器GBU-28对五级围岩的侵彻计算深度。     

地质突变条件下基于组合模型的围岩等级和TBM掘进参数预测

为了提高硬岩隧道掘进机(TBM)施工的安全性和智能化,基于TBM掘进数据,提出了一种将双向长短期记忆(BiLSTM)网络与支持向量机回归(SVR)算法相结合的可以同时进行围岩等级和TBM掘进参数预测的组合模型(BiLSTM-SVR模型)。实例验证结果表明:BiLSTM-SVR模型对围岩等级的预测准确度较高,均方根误差均小于0.026 5、平均绝对百分比误差均小于0.95%;BiLSTM-SVR掘进参数预测中,推力和扭矩的预测准确度最高,净掘进速度和开挖比能的预测准确度最低;BiLSTM-SVR模型比BiLSTM模型和SVR模型的掘进参数预测准确度有较大的提高,因此进行单一模型的组合可以有效提高模型预测的准确度和鲁棒性。     

模糊数学围岩分类方法及其在隧道中的应用

在综合考虑多因素围岩分类法的基础上,引入模糊理论,结合公路隧道特定围岩地质条件的岩体块度、强度、软化系数等多个影响因素,建立围岩模糊分类模型。计算各影响因素的隶属度,按照最大隶属度原则定量判定围岩类别。并将模糊数学围岩分类方法应用于南京老山隧道工程建设中。     

豆砾石回填降低双护盾TBM卡机风险的效用影响分析

双护盾TBM掘进豆砾石回填速度对于围岩支护效果具有一定影响,以西藏某公路隧道护盾卡机段为研究对象,构建了双护盾TBM掘进过程数值模拟分析模型,以回填物强度变化直接反应回填时间同时考虑回填段长度变化,研究豆砾石回填对围岩屈服、收敛变形、护盾接触面积、设备推进所需克服摩阻力等影响规律,进而研究豆砾石回填工序对于降低双护盾TBM卡机风险的减灾作用。结果表明：豆砾石快速回填不会改变围岩收敛变形宏观分布特征,对围岩塑形屈服区的总体分布、屈服类型及体积具有一定影响;豆砾石快速回填可以控制围岩收敛变形,减小围岩与护盾接触面积,进而降低TBM推进所需克服护盾摩阻力,具有一定的降低卡机风险效果,但对于挤压变形较大洞段,需要与其他主动防控措施相结合采用,研究结果可为相类似工程进行双护盾TBM护盾卡机风险防控措施选择提供参考。     

山岭隧道Ⅳ级围岩不同应力释放率下施作二衬规律

依据在建的延崇高速杏林堡隧道工程地质条件,借助FLAC3D有限差分软件,采用Hoek-Brown屈服准则,对五种埋深条件下Ⅳ级围岩不同应力释放率下施作二衬进行了数值模拟。通过分析围岩特征点位移、二衬应力和围岩应力后得出结论:同一埋深条件下,围岩应力释放率对围岩位移影响不大,随着埋深加大,围岩位移和二衬应力呈倍数增长趋势;围岩释放率为70%～90%时为最佳支护二衬时机,此时初支承受荷载比二衬大,能充分发挥围岩自承能力;拱脚部位岩体存在应力集中,拱腰受水平应力影响较大,并随埋深的加大二者现象越明显,需对它们加强支护。     

基于深度学习的东天山特长隧道围岩等级预测

位于我国西北部的东天山地区,拥有着复杂的地质条件,因此如何快速准确预测隧道掌子面前方的围岩质量的难度增大,有一种能准确客观反映岩体基本特性的围岩分类,是隧道设计与施工的重要参考依据。本文旨在建立一种能客观准确评价东天山地区工程地质环境及预测围岩等级的方法,依托在建东天山隧道项目,选取东天山特长隧道已开挖典型地质区段,以工程地质分区、高关联度物探技术参数指标及物探偏移图像为基础,组成机器学习训练样本;并采用 Python 语言基于TensorFlow深度学习框架编写深度学习网络算法训练样本,建立围岩类别预测模型,并采用新开挖段数据不断验证与优化模型,最后将预测精度最高的模型推广应用于天山地区隧道围岩类别预测,结果表明用TST偏移图像+地质分区+物探指标数据集训练出来的模型效果最好。     

基于岩体质量Q系统的隧道围岩分级

岩体质量Q系统未考虑隧道上覆不同地质条件岩土体位置关系的相互影响。阐述了岩体质量Q系统在进行围岩分级时存在的问题,基于摩尔-库伦强度准则,提出了计算隧道围岩松动区和承载区的公式,得出当隧道围岩等级越高,即围岩稳定性越差时,松动区外半径、承载区外半径以及塑性区外半径越大;通过将理论分析方法与数值模拟方法相结合,求出了隧道围岩重要性系数,提出了一种隧道围岩分级新计算公式。