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    基于可拓學(xué)理論的TBM掘進(jìn)效率地質(zhì)影響因素研究

    2018-06-07 07:57:28楊繼華朱韶彬閆長(zhǎng)斌郭衛(wèi)新
    隧道建設(shè)(中英文) 2018年5期
    關(guān)鍵詞:洞段滾刀隧洞

    楊繼華, 朱韶彬, 閆長(zhǎng)斌, 苗 棟, 郭衛(wèi)新

    (1. 黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司, 河南 鄭州 450003; 2. 鄭州市軌道交通有限公司, 河南 鄭州 450002; 3. 鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院, 河南 鄭州 450001)

    0 引言

    TBM(tunnel boring machine,全斷面隧洞掘進(jìn)機(jī))隧洞施工具有施工速度快、施工環(huán)境好、安全性高、勞動(dòng)強(qiáng)度低的特點(diǎn),已在國(guó)內(nèi)外鐵路、城市軌道交通、水利水電等隧洞工程施工中得到廣泛應(yīng)用,正常情況下其施工速度為鉆爆法的3~5倍。

    國(guó)內(nèi)外的TBM施工實(shí)踐表明,TBM的掘進(jìn)效率受多種因素的影響,主要可歸納為設(shè)備性能、施工管理和地質(zhì)因素3方面。其中設(shè)備性能和施工管理是主觀因素,可以通過(guò)設(shè)備改造、管理優(yōu)化等措施做到最優(yōu),而地質(zhì)因素是客觀因素,隧洞線路一經(jīng)選定,地質(zhì)條件就客觀存在。相對(duì)于傳統(tǒng)的鉆爆法,TBM對(duì)地質(zhì)條件的適應(yīng)性較差,其掘進(jìn)效率受多種地質(zhì)因素的影響,如巖石強(qiáng)度、節(jié)理裂隙發(fā)育程度和地下水情況等。

    針對(duì)TBM掘進(jìn)效率的影響因素問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外較多學(xué)者和技術(shù)工作者開(kāi)展了相關(guān)研究。國(guó)外方面, Paltrinieri等[1]以TBM掘進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ),研究了開(kāi)敞式TBM在節(jié)理化巖體和斷層帶巖體中掘進(jìn)效率與地質(zhì)條件的關(guān)系;Hassanpour等[2]以伊朗Zagros引水隧洞為背景,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立了3種地層條件下TBM施工速度預(yù)測(cè)模型;Namli等[3]通過(guò)多個(gè)工程的數(shù)據(jù)收集,建立了掘進(jìn)機(jī)日進(jìn)尺預(yù)測(cè)模型,并應(yīng)用到伊斯坦布爾隧道的EPB-TBM施工中; Macias等[4]研究了硬巖TBM施工中巖體裂隙發(fā)育程度對(duì)凈掘進(jìn)速率的影響。

    國(guó)內(nèi)方面,楊慶輝[5]以錦屏二級(jí)水電站1#引水隧洞直徑為12.4 m的開(kāi)敞式TBM施工為例,分析了圍巖完整性低及涌水對(duì)TBM掘進(jìn)效率的影響;吳曉志[6]針對(duì)中天山隧道不同地質(zhì)條件對(duì)TBM掘進(jìn)的影響,提出了應(yīng)對(duì)措施;劉泉聲等[7]研究了巖石的脆性與滾刀破巖效率的關(guān)系,并提出了表征巖石脆性的新指標(biāo);鄧志鑫等[8]以大瑞鐵路高黎貢山隧道為例,通過(guò)工程地質(zhì)條件分析,研究了不同貫入度條件下滾刀破巖效率,得出了滾刀破巖比能耗隨著滾刀貫入的增加先減小后增大,并存在一個(gè)最優(yōu)貫入度使比能耗最小的結(jié)論。

    目前關(guān)于地質(zhì)因素對(duì)TBM掘進(jìn)效率的研究多集中在單因素指標(biāo)或各指標(biāo)的單獨(dú)影響方面,所選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)也有所不同,所得結(jié)果亦沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn);而對(duì)多因素指標(biāo)的綜合作用研究較少,亦未針對(duì)影響TBM掘進(jìn)效率的地質(zhì)因素進(jìn)行綜合分級(jí)。本文在相關(guān)工程實(shí)踐及文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上,采用可拓學(xué)理論,選取影響TBM掘進(jìn)效率的若干地質(zhì)因素建立物元模型,對(duì)影響因素指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)及掘進(jìn)效率分級(jí),并在CCS水電站引水隧洞TBM施工中得到驗(yàn)證。

    1 可拓學(xué)理論

    可拓學(xué)理論用于解決不相互融合問(wèn)題或矛盾問(wèn)題[9-11],其引入了物元的概念,把矛盾問(wèn)題轉(zhuǎn)化為相容問(wèn)題,并且可以做到從定性和定量2方面去解決矛盾問(wèn)題。目前,可拓學(xué)理論已應(yīng)用到多個(gè)學(xué)科。

    TBM掘進(jìn)效率受多種地質(zhì)因素的影響,具有多樣性、隨機(jī)性和不確定性等特點(diǎn),并且不同因素之間有時(shí)會(huì)出現(xiàn)不相容的情況,運(yùn)用可拓學(xué)理論中集合和物元理論可以很好地解決以上問(wèn)題。

    1.1 物元

    物元以有序的三元組來(lái)表達(dá),對(duì)于待評(píng)事物N,將其收集的數(shù)據(jù)用物元表示,可得待評(píng)物元

    (1)

    式中:N為待評(píng)事物名稱;Ci為待評(píng)事物的某個(gè)指標(biāo)的名稱;Vi為Ci的量值;i=1,2,…,n。

    1.2 經(jīng)典域

    經(jīng)典域可表示為

    (2)

    式中:Rji為一個(gè)物元;Nj為第j個(gè)評(píng)價(jià)類別;Ci為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo);Vji為對(duì)應(yīng)Ci的取值范圍,即經(jīng)典域;i=1,2,…,n;j=1,2,…,m。

    1.3 節(jié)域

    節(jié)域可表示為

    (3)

    式中:P為評(píng)價(jià)類別的全體;VPi為Ci的取值范圍,即節(jié)域;i=1,2,…,n。

    1.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)于類別的關(guān)聯(lián)度

    各單因素評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)于各類別等級(jí)的關(guān)聯(lián)度可用下式計(jì)算。

    (4)

    |Vij|=|bij-aij|;

    i=1,2,…,n;j=1,2,…,m。

    1.5 物元關(guān)于類別的關(guān)聯(lián)度

    待評(píng)物元關(guān)于類別等級(jí)的關(guān)聯(lián)度可用下式計(jì)算。

    (5)

    式中:Wi為評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù);i=1,2,…,n;j=1,2,…,m。

    1.6 確定待評(píng)物元的類別

    當(dāng)Kj0(N)=max(Kj(N))時(shí),待評(píng)物元N就屬于類別等級(jí)j0。

    2 TBM掘進(jìn)效率分級(jí)物元模型

    2.1 單因素評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

    針對(duì)TBM隧洞施工的技術(shù)特點(diǎn),結(jié)合國(guó)內(nèi)外TBM工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)研究成果[12-20],選取巖石單軸抗壓強(qiáng)度、巖石耐磨性、巖體完整性系數(shù)、結(jié)構(gòu)面走向與掘進(jìn)方向夾角及地下水滲流量5個(gè)指標(biāo)作為TBM掘進(jìn)效率的單因素評(píng)價(jià)指標(biāo)。

    2.1.1 巖石單軸抗壓強(qiáng)度

    TBM掘進(jìn)過(guò)程中,TBM的掘進(jìn)速度等于滾刀貫入度與刀盤轉(zhuǎn)速的乘積,而滾刀的貫入度與巖石單軸抗壓強(qiáng)度(Rc)直接相關(guān)。理論上Rc值越低,在推力一定的條件下TBM的滾刀貫入度越高,其掘進(jìn)速度也越高;反之Rc值越高,TBM的滾刀貫入度越低,掘進(jìn)速度就越低[9-10]。但實(shí)際上如果Rc值太低,TBM掘進(jìn)后圍巖的自穩(wěn)時(shí)間極短,甚至不能自穩(wěn)而引起塌方或圍巖快速收斂變形等災(zāi)害,導(dǎo)致停機(jī)處理,從而降低掘進(jìn)速度。當(dāng)Rc值大于150 MPa時(shí),TBM滾刀的貫入度會(huì)降低較多,同樣會(huì)降低掘進(jìn)速度。因此,當(dāng)Rc值在一定范圍內(nèi)時(shí),TBM既能保持一定的掘進(jìn)速度,又能使隧洞圍巖在一定時(shí)間內(nèi)保持自穩(wěn)。目前大多數(shù)TBM在Rc值為30~150 MPa的巖石中具有較高的掘進(jìn)效率。

    2.1.2 巖石耐磨性

    當(dāng)巖石中的石英、長(zhǎng)石等礦物含量過(guò)高時(shí),巖石耐磨性就會(huì)顯著增強(qiáng)。如果巖石具有強(qiáng)耐磨性,則TBM掘進(jìn)過(guò)程中滾刀的消耗量就會(huì)明顯增加,頻繁更換刀具會(huì)降低TBM的掘進(jìn)效率,并直接增加施工成本。因此,對(duì)于TBM施工,巖石耐磨性越低,對(duì)掘進(jìn)越有利。關(guān)于巖石耐磨性的評(píng)價(jià)指標(biāo),目前國(guó)內(nèi)外常采用CERCHAR試驗(yàn)確定[11-13]。具體方法為: 在70 N的荷載下采用1根錐夾角為90°的鋼針在巖石表面以10 mm/min的速度移動(dòng)10 mm的距離,然后利用顯微鏡測(cè)量磨損后針尖的直徑D,根據(jù)針尖的磨損值來(lái)確定巖石耐磨性指標(biāo)Ab。

    2.1.3 巖體完整性系數(shù)

    TBM盤形滾刀壓入巖石,在巖石中形成微裂紋,當(dāng)相鄰滾刀間的裂紋貫通時(shí),就會(huì)形成巖片剝落。一般情況下,裂紋的擴(kuò)展速度隨著滾刀貫入度的增加而增加,為獲得較大的滾刀貫入度就需要提高刀盤推力。如果圍巖中本身存在一些結(jié)構(gòu)面(節(jié)理、層理和片理等),則巖片會(huì)沿著結(jié)構(gòu)面剝落,此時(shí)TBM不需要較大的刀盤推力即可有較高的破巖效率,因此巖體中結(jié)構(gòu)面越發(fā)育,TBM的破巖效率就越高。但當(dāng)巖體中結(jié)構(gòu)面特別發(fā)育時(shí),此時(shí)TBM雖然能獲得很高的破巖效率,但圍巖自穩(wěn)能力差,往往需要停機(jī)對(duì)圍巖進(jìn)行加固,反而會(huì)降低TBM的掘進(jìn)效率;而當(dāng)巖體中結(jié)構(gòu)面不發(fā)育時(shí),此時(shí)TBM破巖完全依賴于滾刀的作用,此時(shí)掘進(jìn)效率也會(huì)降低。巖體的結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度一般用巖體的完整性系數(shù)Kv來(lái)表示,巖體的完整性系數(shù)過(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響TBM的掘進(jìn)效率,其在一定范圍內(nèi)時(shí)才有利于TBM的掘進(jìn)。實(shí)踐表明,巖體完整性系數(shù)在0.5~0.6時(shí)TBM具有較高的掘進(jìn)效率。當(dāng)巖體完整性系數(shù)大于0.6時(shí),掘進(jìn)效率隨完整性系數(shù)的增加而降低;當(dāng)巖體完整性系數(shù)小于0.5時(shí),掘進(jìn)效率隨著完整性系數(shù)的增加而提高。

    2.1.4 結(jié)構(gòu)面走向

    TBM的掘進(jìn)效率與巖體結(jié)構(gòu)面走向和掘進(jìn)方向的夾角也有一定的關(guān)系。當(dāng)夾角在45°~55°時(shí)最有利于滾刀破巖,此時(shí)掘進(jìn)效率較高; 當(dāng)夾角小于45°時(shí),掘進(jìn)效率隨著夾角的增大而增大; 當(dāng)夾角大于55°時(shí),掘進(jìn)效率有隨著夾角的增大而減小的趨勢(shì)[14-16]。

    2.1.5 地下水

    地下水的滲流量和滲水范圍對(duì)TBM掘進(jìn)效率有一定程度的影響。一般富水洞段,圍巖強(qiáng)度和穩(wěn)定性有所降低。在大涌水量的情況下,當(dāng)隧洞無(wú)法自流排水時(shí),TBM必須停機(jī)進(jìn)行排、堵水處理,同時(shí)TBM施工條件和工作環(huán)境會(huì)變得惡劣,從而降低TBM的掘進(jìn)效率。

    2.2 TBM掘進(jìn)效率分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

    本文在大量文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上,參考SL 629—2014《引調(diào)水線路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[21]和鐵建設(shè)[2007]106號(hào)《鐵路隧道全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)法技術(shù)指南》[22]中的相關(guān)數(shù)據(jù),并結(jié)合作者參與的CCS水電站引水隧洞及蘭州市水源地輸水隧洞等工程的TBM施工實(shí)踐,給出了各單因素指標(biāo)值,并把TBM掘進(jìn)效率分為很高、高、中等、低及很低5級(jí),對(duì)應(yīng)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ及Ⅴ級(jí)。各評(píng)價(jià)指標(biāo)在TBM掘進(jìn)效率分級(jí)之間的取值見(jiàn)表1。

    2.3 單因素評(píng)價(jià)指標(biāo)量綱一化

    由于各評(píng)價(jià)指標(biāo)的物理意義不同,所采用的單位也不相同,所以無(wú)法進(jìn)行綜合對(duì)比分析,這就是可拓學(xué)理論中的不相容問(wèn)題。為消除各指標(biāo)量綱的影響,可對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行量綱一化處理。根據(jù)TBM隧洞施工特點(diǎn)及量綱一化可操作性,本文選擇線性無(wú)量綱方法。

    1)對(duì)于值越小越好的指標(biāo):

    (6)

    2)對(duì)于值越大越好的指標(biāo):

    (7)

    式(6)—(7)中:y為指標(biāo)的評(píng)價(jià)值(量綱一的量);x為指標(biāo)的實(shí)際值(有量綱);xmax為指標(biāo)的最大值(有量綱);xmin為指標(biāo)的最小值(有量綱)。

    由表1可以看出,巖石單軸抗壓強(qiáng)度、巖石耐磨性及地下水滲流量3個(gè)指標(biāo)存在無(wú)最大值的情況,為便于處理,給其設(shè)定一個(gè)最大值,確定一個(gè)區(qū)間范圍,如果在后續(xù)計(jì)算中出現(xiàn)指標(biāo)的實(shí)際值超過(guò)此最大值,則在量綱一化中按區(qū)間最大值計(jì)算。另外,巖石單軸抗壓強(qiáng)度、巖體完整性系數(shù)及結(jié)構(gòu)面走向與掘進(jìn)方向夾角3個(gè)指標(biāo)對(duì)TBM掘進(jìn)效率的影響并不是線性關(guān)系,存在區(qū)間范圍的某個(gè)值達(dá)到最大,而不是在區(qū)間范圍的界限達(dá)到最大或最小的情況,因此無(wú)法利用式(6)和式(7)直接進(jìn)行處理。本文采用以下方法進(jìn)行處理: 將其區(qū)間范圍分為均為線性關(guān)系的2段,其2段直線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的值為最大值; 然后對(duì)每段再按照(6)和式(7)進(jìn)行處理,當(dāng)2段取值范圍不同時(shí),取平均值。量綱一化后的單因素指標(biāo)TBM掘進(jìn)效率分級(jí)見(jiàn)表2。

    表2 單因素指標(biāo)TBM掘進(jìn)效率分級(jí)(量綱一化)

    2.4 確定經(jīng)典域

    各單因素評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的TBM掘進(jìn)效率等級(jí)的量值經(jīng)典域如下。

    1)TBM掘進(jìn)效率很高(Ⅰ):

    2)TBM掘進(jìn)效率高(Ⅱ):

    3)TBM掘進(jìn)效率中等(Ⅲ):

    4)TBM掘進(jìn)效率低(Ⅳ):

    5)TBM掘進(jìn)效率很低(Ⅴ):

    2.5 確定節(jié)域

    節(jié)域由TBM掘進(jìn)效率影響因素各指標(biāo)的取值范圍值確定,是TBM掘進(jìn)效率分級(jí)的全體,一般用各單因素評(píng)價(jià)指標(biāo)量綱一化的取值范圍表示。

    2.6 確定待評(píng)物元

    將收集的第i段隧洞圍巖的各評(píng)價(jià)指標(biāo)因素用物元表示,即可得到待評(píng)物元

    (8)

    式中:i=1,2,…,m。

    2.7 確定各單因素指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)

    各單因素指標(biāo)對(duì)TBM掘進(jìn)效率的影響程度有所差別,因此需要對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行重要性排序,即分配權(quán)重系數(shù)。確定權(quán)重系數(shù)的方法有多種,本文采用層次分析法[23],其原理是先把n個(gè)評(píng)判因素排列成一個(gè)n階矩陣,然后對(duì)各因素的重要程度進(jìn)行兩兩比較,矩陣中元素值由各因素的重要程度來(lái)確定,再計(jì)算出判斷矩陣的最大特征根和其對(duì)應(yīng)的特征向量,其特征向量即為所求的權(quán)重值。兩因素之間的重要程度比較結(jié)果見(jiàn)表3。

    表3兩因素重要程度比較結(jié)果

    Table 3 Comparison of significance between two influencing factors

    因素ui和uj相比較的重要程度f(wàn)(ui, uj)f(uj, ui)ui比uj同等重要11ui比uj稍微重要31/3ui比uj明顯重要51/5ui比uj強(qiáng)烈重要71/7ui比uj絕對(duì)重要91/9ui比uj處于上述兩相鄰判斷之間2,46,81/2,1/41/6,1/8

    2.7.1 確定判斷矩陣

    本文根據(jù)國(guó)外工程經(jīng)驗(yàn)及專家打分,將影響TBM掘進(jìn)效率的5個(gè)單因素指標(biāo)通過(guò)兩兩比較構(gòu)成判斷矩陣

    2.7.2 計(jì)算M的特征向量

    得出判斷矩陣后,就可以計(jì)算判斷矩陣M的最大特征根λmax及其對(duì)應(yīng)的特征向量。本文采用方根法,對(duì)計(jì)算出的特征向量作歸一化處理,此向量就是各評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要性排序,即各評(píng)價(jià)因素的權(quán)重系數(shù)。

    經(jīng)過(guò)計(jì)算,判斷矩陣M的最大特征根為λmax=5.21,其對(duì)應(yīng)的特征向量(歸一化后)為

    W=(0.42,0.17,0.29,0.06,0.06)。

    2.7.3 一致性檢驗(yàn)

    采用層次分析法對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)兩兩比較得到的判斷矩陣必須通過(guò)一致性檢驗(yàn),當(dāng)排序結(jié)果不具有滿意的一致性時(shí),往往會(huì)得出錯(cuò)誤的結(jié)論,此時(shí)需要調(diào)整判斷矩陣的元素值,重新分配權(quán)重進(jìn)行重要性排序。一致性檢驗(yàn)通過(guò)下式計(jì)算。

    (9)

    式中:n為判斷矩陣的階數(shù);λmax為判斷矩陣的最大特征值。

    如滿足式(10),則通過(guò)一致性檢驗(yàn)。

    CI/CR<0.1。

    (10)

    式中:CI為一致性指標(biāo);CR為隨機(jī)性指標(biāo),可通過(guò)查表獲得,n=5時(shí),CR=1.12。

    通過(guò)式(9)和式(10)的計(jì)算,可得CI/CR=0.047,滿足式(10)的要求,因此判斷矩陣M具有滿意的一致性,其最大特征值λmax對(duì)應(yīng)的特征向量W可以作為影響TBM掘進(jìn)效率的各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。

    3 工程驗(yàn)證

    3.1 工程概況

    在建的厄瓜多爾CCS水電站[24-25]引水隧洞全長(zhǎng)24.8 km,開(kāi)挖洞徑9.11 m,采用2臺(tái)雙護(hù)盾TBM開(kāi)挖施工。隧洞穿過(guò)的地層巖性以侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)Misahualli地層堅(jiān)硬安山巖為主,進(jìn)口段600~700 m為花崗巖侵入體,出口段2 500 m為白堊紀(jì)下統(tǒng)Hollin地層砂巖和頁(yè)巖互層。巖體結(jié)構(gòu)主要為整體塊狀、塊狀、次塊狀及層狀。工程地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜,斷層破碎帶和節(jié)理密集帶發(fā)育,區(qū)內(nèi)地下水總體不活躍,地下水位始終高于隧洞高程,局部有滲水和流水現(xiàn)象。

    3.2 單因素評(píng)價(jià)指標(biāo)

    選取CCS水電站引水隧洞6個(gè)不同洞段,按照2.1節(jié)確定的評(píng)價(jià)指標(biāo)收集數(shù)據(jù),并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行量綱一化處理。單因素評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)際值和量綱一化值見(jiàn)表4。

    3.3 確定待評(píng)物元

    根據(jù)式(8)的方法及表4單因素指標(biāo)的量綱一化值確定待評(píng)物元。本文以N1和N2洞段為例給出其待評(píng)物元(R10和R20),N3—N6洞段的待評(píng)物元(R30~R60)可以用相同的方法給出。

    表4 CCS水電站引水隧洞單因素指標(biāo)(實(shí)際值和量綱一化值)

    3.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度計(jì)算

    以N1洞段為例,根據(jù)式(4)計(jì)算其各單因素評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)于TBM掘進(jìn)速度等級(jí)的關(guān)聯(lián)度(N2—N6洞段可用相同的方法計(jì)算),計(jì)算結(jié)果如表5所示。

    表5 N1洞段各指標(biāo)關(guān)于TBM掘進(jìn)效率等級(jí)關(guān)聯(lián)度

    Table 5 Relation degree between single factor and TBM tunneling efficiency grade of tunnel section N1

    等級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)C1C2C3C4C5Ⅰ-0.92-0.14-0.42-0.33-0.33Ⅱ-0.870.46-0.150.500.17Ⅲ-0.60-0.120.33-0.33-0.71Ⅳ-0.25-0.29-0.27-0.60-0.88Ⅴ0.25-0.41-0.86-0.71-0.98

    3.5 待評(píng)物元關(guān)聯(lián)度計(jì)算

    以N1洞段為例,根據(jù)式(5)計(jì)算待評(píng)物元關(guān)于TBM掘進(jìn)效率各等級(jí)的關(guān)聯(lián)度:

    K1(N10)=-0.57;

    K2(N10)=-0.29;

    K3(N10)=-0.24;

    K4(N10)=-0.32;

    K5(N10)=-0.32。

    則N1洞段的TBM掘進(jìn)效率等級(jí)為

    -0.32,-0.32)=-0.24。

    由以上計(jì)算可知,N1洞段的TBM掘進(jìn)效率等級(jí)為Ⅲ級(jí),即掘進(jìn)效率中等。同理,可計(jì)算出N2—N6洞段待評(píng)物元關(guān)于TBM掘進(jìn)效率各等級(jí)的關(guān)聯(lián)度及最大關(guān)聯(lián)度值,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。實(shí)際掘進(jìn)過(guò)程中的掘進(jìn)參數(shù)和掘進(jìn)情況見(jiàn)表7。

    表6待評(píng)物元關(guān)于TBM掘進(jìn)效率等級(jí)關(guān)聯(lián)度

    Table 6 Relation degree between matter element to be evaluated and TBM tunneling efficiency grades

    序號(hào)掘進(jìn)效率等級(jí)ⅠⅡⅢⅣⅤN1-0.57-0.29-0.24-0.32-0.32N2-0.06-0.52-0.37-0.52-0.63N3-0.36-0.07-0.42-0.43-0.36N4-0.370.000.06-0.28-0.44N50.03-0.09-0.52-0.70-0.77N6-0.16-0.13-0.52-0.55-0.57

    注: 根據(jù)可拓學(xué)理論,表5和表6中的關(guān)聯(lián)度的正負(fù)值并無(wú)實(shí)際物理意義,其是通過(guò)式(4)計(jì)算出每組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的掘進(jìn)效率分級(jí)的最大關(guān)聯(lián)度;下劃線表示此數(shù)值為本洞段對(duì)應(yīng)的掘進(jìn)效率的最大關(guān)聯(lián)度。

    由表6和表7可以看出: N1洞段巖石強(qiáng)度高,巖體完整,雖然刀盤轉(zhuǎn)速較高,但由于貫入度低,整體掘進(jìn)速度低;N2洞段雖然巖石強(qiáng)度高,但巖體較破碎,貫入度高,因此掘進(jìn)速度很高。以上判定結(jié)果與CCS水電站引水隧洞TBM掘進(jìn)效率實(shí)際值吻合較好,證明可拓學(xué)理論的評(píng)價(jià)方法是正確的,其評(píng)價(jià)結(jié)果是合理的。

    表7 不同洞段的掘進(jìn)參數(shù)及掘進(jìn)情況

    4 結(jié)論與建議

    1)TBM法隧洞施工對(duì)地質(zhì)條件的適應(yīng)性較差,其掘進(jìn)效率受多種地質(zhì)因素的影響?;诳赏貙W(xué)理論的TBM掘進(jìn)效率地質(zhì)因素分級(jí)方法形式簡(jiǎn)單、方便易行,實(shí)現(xiàn)了定性評(píng)價(jià)和定量評(píng)價(jià)的有機(jī)結(jié)合??梢愿鶕?jù)具體工程特點(diǎn),選取不同數(shù)量和不同種類的指標(biāo),克服了傳統(tǒng)單因素指標(biāo)評(píng)價(jià)的不足?;趯哟畏治龇ǖ脑u(píng)價(jià)指標(biāo)重要性排序能合理地確定各指標(biāo)的權(quán)重。在關(guān)聯(lián)度計(jì)算中采用了連續(xù)變化的參數(shù),能更客觀地反映各指標(biāo)對(duì)TBM掘進(jìn)效率的影響程度。

    2)結(jié)合國(guó)內(nèi)外TBM施工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)研究成果,選取巖石單軸抗壓強(qiáng)度、巖石耐磨性、巖體完整性系數(shù)、結(jié)構(gòu)面走向與掘進(jìn)方向夾角及地下水滲流量5個(gè)指標(biāo)作為TBM掘進(jìn)效率的評(píng)價(jià)指標(biāo)。工程應(yīng)用實(shí)例表明,基于可拓學(xué)理論的TBM掘進(jìn)效率地質(zhì)因素分級(jí)評(píng)價(jià)方法有效可行,評(píng)價(jià)結(jié)果可靠。

    3)影響TBM掘進(jìn)效率除了地質(zhì)因素外,還有其他因素,如施工組織設(shè)計(jì)、施工人員技術(shù)水平及機(jī)械設(shè)備性能等。建議在進(jìn)一步的研究中將以上因素與地質(zhì)因素一起進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

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