以工程樣本數(shù)據(jù)為依托的tbm施工圍巖分級(jí)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種以工程樣本數(shù)據(jù)為依托的TBM施工圍巖分級(jí)方法，包括：確定巖體可掘進(jìn)性的敏感參數(shù)&、KV、a和滲水量；采用模糊聚類理論建立樣本模糊聚類模型；對(duì)工程項(xiàng)目樣本進(jìn)行聚類分析，從而得到樣本聚類結(jié)果；根據(jù)獲得的樣本聚類結(jié)果以及每個(gè)參數(shù)對(duì)R0P的影響，將樣本可掘進(jìn)性級(jí)別劃分為I、II、III級(jí)；進(jìn)一步細(xì)化，最終得出TBM施工圍巖可掘進(jìn)性分級(jí)。本發(fā)明方法針對(duì)現(xiàn)有TBM施工領(lǐng)域缺乏系統(tǒng)完整的地質(zhì)預(yù)測(cè)及性能預(yù)測(cè)實(shí)施方法這現(xiàn)狀，提出依據(jù)施工樣本數(shù)據(jù)，建立TBM施工條件下的隧洞圍巖系統(tǒng)化分類方法，旨在準(zhǔn)確預(yù)測(cè)特定地質(zhì)條件下的TBM掘進(jìn)性能，指導(dǎo)確立各項(xiàng)施工參數(shù)，并預(yù)期對(duì)TBM刀盤的設(shè)計(jì)提供定量依據(jù)。
【專利說明】以工程樣本數(shù)據(jù)為依托的TBM施工圍巖分級(jí)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及對(duì)TBM掘進(jìn)性能進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的方法，尤其涉及一種TBM可掘進(jìn)性分 級(jí)預(yù)測(cè)方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 在TBM(全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)）設(shè)計(jì)、制造、施工應(yīng)用過程中，施工效率的高低是決定 工程成敗和效益的關(guān)鍵，而千變?nèi)f化的地質(zhì)條件在很大程度上影響TBM的施工，使其掘進(jìn) 速率在1?1500m/月的大范圍內(nèi)變化。所以，系統(tǒng)、定量地研究TBM施工圍巖的地質(zhì)特征 對(duì)于有效預(yù)測(cè)TBM施工速率具有重大意義。
[0003] 目前，在TBM業(yè)界，尚缺乏完善的TBM施工圍巖分類分級(jí)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。美國學(xué)者迪 爾[1]在基于施工巖體質(zhì)量方面提出了 RQD分級(jí)法，但由于受鉆孔機(jī)具、工藝水平等因素影 響，同一巖體得出的RQD值有時(shí)存在較大差異，在實(shí)際應(yīng)用中具有困難。南非學(xué)者賓尼維 斯基博士 [1]于1973年提出地質(zhì)力學(xué)分級(jí)法（CSIR)，該分級(jí)法根據(jù)巖體各項(xiàng)性質(zhì)參數(shù)確定 分級(jí)判據(jù)，實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)指標(biāo)量化的目的，但是必須依賴有經(jīng)驗(yàn)的地質(zhì)人員，操作起來較為復(fù) 雜。挪威學(xué)者Barton N[m]提出了巖體分類Q系統(tǒng)，它由RQD、節(jié)理組數(shù)Jn、節(jié)理面粗糙度上、 節(jié)理蝕變程度J a、裂隙水影響因素Jw以及地應(yīng)力影響因素SRF等6項(xiàng)指標(biāo)組成。在此基礎(chǔ) 上，Barton N又提出了適用于TBM施工的改進(jìn)巖體分類系統(tǒng)--QTBM，該系統(tǒng)將許多TBM施 工參數(shù)和機(jī)器參數(shù)包含于其中，并顯示了與巖石之間的相互作用，但是由于該系統(tǒng)所涉及 的參數(shù)指標(biāo)過多，實(shí)用困難，且一些學(xué)者如Sapigni Μ等[4]利用意大利Maen隧道和Pieve 隧道等的TBM施工資料研究發(fā)現(xiàn)QTBM并非對(duì)上述指標(biāo)都敏感，在其應(yīng)用中會(huì)引起誤導(dǎo)。我 國對(duì)于隧道圍巖的分類也做了一定的研究，較為權(quán)威的有《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》 [5]，在此基 礎(chǔ)上，何發(fā)亮等[6]提出了一種新的TBM施工圍巖分類，所涉及的巖石性質(zhì)參數(shù)有巖石單軸 抗壓強(qiáng)度R。、巖體完整性系數(shù)K v、巖石耐磨性指數(shù)Ab、巖石鑿碎比功a ;張寧等[7]分析了影 響隧洞穩(wěn)定性的因素；李蒼松等[8]等針對(duì)水工隧道圍巖的等級(jí)劃分進(jìn)行了探討。
[0004] 綜上所述：當(dāng)今流行的隧道圍巖分級(jí)或分類方法，主要針對(duì)單方面隧道圍巖質(zhì)量 及其穩(wěn)定性級(jí)別進(jìn)行劃分，而TBM施工條件下的隧道圍巖分類方法應(yīng)主要針對(duì)于工程巖體 的可掘進(jìn)性，即依據(jù)影響圍巖可掘進(jìn)性的主要地質(zhì)因素與TBM工作效率的相互作用關(guān)系來 劃分。通過對(duì)國內(nèi)外隧道圍巖分類情況的了解，我們知道，影響圍巖分類的因素很多，各種 因素相互影響，十分復(fù)雜，且目前所存在的圍巖分級(jí)分類系統(tǒng)的普適性較差，往往不能針對(duì) 特定的項(xiàng)目工程進(jìn)行分級(jí)預(yù)測(cè)。因此，建立起以工程樣本數(shù)據(jù)為依托的TBM施工圍巖分級(jí) 方法顯得尤為重要。
[0005] 參考文獻(xiàn)：
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 針對(duì)特定工程項(xiàng)目的TBM施工領(lǐng)域，本發(fā)明以工程樣本數(shù)據(jù)為依托的TBM施工圍 巖分級(jí)方法，以期對(duì)TBM掘進(jìn)性能進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)、對(duì)TBM施工提供科學(xué)指導(dǎo)。本發(fā)明采用模 糊聚類理論的研究方法，克服了傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型中的確定性表達(dá)形式，是以樣本數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)， 更符合TBM施工圍巖分級(jí)的實(shí)際情況。本發(fā)明中建立了 TBM施工圍巖可掘進(jìn)性分級(jí)預(yù)測(cè)模 型，并以掘進(jìn)速率R〇P(m · 1Γ1)將TBM施工圍巖可掘進(jìn)性分為三個(gè)等級(jí)：其中：1級(jí)圍巖是 指為可掘進(jìn)性好；II級(jí)圍巖是指可掘進(jìn)性一般；III級(jí)圍巖代表可掘進(jìn)性差。
[0014] 本發(fā)明一種以工程樣本數(shù)據(jù)為依托的TBM施工圍巖分級(jí)方法，包括以下步驟：
[0015] 步驟1、確定巖體可掘進(jìn)性的敏感參數(shù)，包括：巖石單軸抗壓強(qiáng)度R。、巖石完整性系 數(shù)&、巖體結(jié)構(gòu)面與隧道軸線夾角α和滲水量；
[0016] 步驟2、采用模糊聚類理論建立樣本模糊聚類模型，包括： _7] 1)建立數(shù)據(jù)矩陣U :設(shè)論域U = {χρ χ2, χ3，…χ1(ι(ι}為被分類域，其中Xi為被分類 對(duì)象，每個(gè)對(duì)象包括四個(gè)指標(biāo)用以表示該對(duì)象的特征，即：Xi = {xn, Xu，XiJ，其中，Xi表 示數(shù)據(jù)矩陣中的第i個(gè)樣本，xn表示巖石單軸抗壓強(qiáng)度R。，xi2表示巖石完整性系數(shù)K v，xi3 表示巖體結(jié)構(gòu)面與隧道軸線夾角α，Xi4表示滲水量，得到原始數(shù)據(jù)矩陣為：
[0018]
[0019] 2)對(duì)原始數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理：運(yùn)用平移極差變換將矩陣數(shù)據(jù)壓縮至[0 1] 的范圍，其變換公式如下：
[0020]

【權(quán)利要求】
1. 一種以工程樣本數(shù)據(jù)為依托的TBM施工圍巖分級(jí)方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1、確定巖體可掘進(jìn)性的敏感參數(shù)，包括：巖石單軸抗壓強(qiáng)度R。、巖石完整性系數(shù) Kv、巖體結(jié)構(gòu)面與隧道軸線夾角α和滲水量； 步驟2、采用模糊聚類理論建立樣本模糊聚類模型，包括： 1) 建立數(shù)據(jù)矩陣U :設(shè)論域U = {Χρ χ2, χ3，…χ1(ι(ι}為被分類域，其中Xi為被分類對(duì)象， 每個(gè)對(duì)象包括四個(gè)指標(biāo)用以表示該對(duì)象的特征，即：11={111，112，1 13，1^}，其中，11表示數(shù) 據(jù)矩陣中的第i個(gè)樣本，Xn表不巖石單軸抗壓強(qiáng)度R。，x i2表不巖石完整性系數(shù)Kv，xi3表不 巖體結(jié)構(gòu)面與隧道軸線夾角a， Xi4表示滲水量，得到原始數(shù)據(jù)矩陣為：
2) 對(duì)原始數(shù)據(jù)矩陣行標(biāo)準(zhǔn)化處理：運(yùn)用平移極差變換將矩陣數(shù)據(jù)壓縮至[0 1]的范 圍，其變換公式如下：
其中，（k = 1，2,…，4)，則：0 彡 X" ik< 1 ; 3) 建立模糊相似矩陣：在上述步驟1)所建立的原始數(shù)據(jù)矩陣中選取樣本\和\，并定 義兩者的相似程度為ru = R(Xi，Xj)，其中：i，j = 1，2,. . . . 100 ;采用直接距離法確定相似 程度Aj = 1-c · dUi, Xj)，其中，c為適當(dāng)選取參數(shù)，且0 < c < 1，dUi, Xj)表示樣本Xi與 樣本
設(shè)〇彡b彡1，取c = 0. 1 ;所得的模糊相 似矩陣如下：
該模糊相似矩陣為對(duì)角型矩陣； 4) 運(yùn)用直接聚類法實(shí)現(xiàn)樣本數(shù)據(jù)的分類，即根據(jù)建立的模糊相似矩陣進(jìn)行數(shù)據(jù)的逐次 分類： 首先，定義= 1，λ為聚類指數(shù)，且范圍是〇彡λ彡1，λ最大值，對(duì)每一個(gè) Xi樣本作相似類，即將滿足ru = 1的Xi和&歸為一類，構(gòu)成相似類，在不同的相似類中將 有公共元素的相似類合并，從而構(gòu)成λ i = 1水平上的等價(jià)類； 然后，定義\ 2為次大值，且〇彡λ2< ，依據(jù)上述方法，即對(duì)每一個(gè)Xi樣本作相似 類，即將滿足= 1的\和&歸為一類，構(gòu)成相似類，在不同的相似類中將有公共元素的 相似類合并，得到λ 2水平上的等價(jià)類；以此類推，直至合并到X為一類為止； 至此，已將樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行了模糊分類，建立了模糊聚類模型； 步驟3、對(duì)工程項(xiàng)目樣本進(jìn)行聚類分析，從而得到樣本聚類結(jié)果： 基于上述模糊聚類理論，將一工程項(xiàng)目中的100個(gè)樣本進(jìn)行聚類分析，并以Euclidean 距離模型表示最終聚類結(jié)果，以聚類樹狀圖顯示樣本聚類的動(dòng)態(tài)過程，經(jīng)過逐次分類最終 合并為一類； 步驟4、巖體可掘進(jìn)性分級(jí)的初步劃定： 根據(jù)步驟3獲得的樣本聚類結(jié)果以及步驟1確定的巖石單軸抗壓強(qiáng)度R。、巖石完整性 系數(shù)Kv、巖體結(jié)構(gòu)面與隧道軸線夾角α和滲水量對(duì)掘進(jìn)速率ROP的影響，將樣本可掘進(jìn)性 級(jí)別劃分為三個(gè)級(jí)別，包括I級(jí)、II級(jí)和III級(jí)，并確定每一級(jí)巖體巖石單軸抗壓強(qiáng)度R。、巖 石完整性系數(shù)Κ ν、巖體結(jié)構(gòu)面與隧道軸線夾角α和滲水量的范圍值以及所對(duì)應(yīng)的掘進(jìn)速率 ROP值，初步劃定圍巖可掘進(jìn)性分級(jí)如下：
步驟5、巖體可掘進(jìn)性分級(jí)的進(jìn)一步精簡(jiǎn)劃定 根據(jù)步驟4初步劃定的巖體可掘進(jìn)性分級(jí)，利用SPSS軟件對(duì)各級(jí)巖體的性質(zhì)參數(shù)進(jìn)行 敏感性分析，得出TBM施工圍巖可掘進(jìn)性分級(jí)如下：
該TBM施工圍巖分級(jí)方法中，巖石單軸抗壓強(qiáng)度R。的單位為Mpa，巖體結(jié)構(gòu)面與隧道軸 線夾角α的單位為°，滲水量的單位為L(zhǎng)/min . 10m，掘進(jìn)速率ROP的單位為m . h'
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK104217124SQ201410470188
【公開日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年9月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月15日
【發(fā)明者】朱殿華, 王攀, 孫斌, 宋立瑋 申請(qǐng)人:天津大學(xué)