基于現(xiàn)場數(shù)據(jù)的常用TBM性能預(yù)測模型評價(jià)

張閃閃，李 悅

(陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，西安 710010)

1 概 述

在過去的20年里，研究人員開發(fā)了許多性能預(yù)測模型來估計(jì)隧道工程中隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)的鉆速。一些重要的TBM預(yù)測模型包括CSM模型、NTNU模型和QTBM模型等[1]。但由于現(xiàn)有預(yù)測模型存在缺點(diǎn)，因此有必要繼續(xù)對其進(jìn)行研究，即對現(xiàn)有模型和特殊情況下的校正系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以便更準(zhǔn)確地預(yù)測機(jī)器性能。

趙延喜[2]通過模糊數(shù)學(xué)方法與層級分析方法相結(jié)合的辦法，建立了TBM風(fēng)險(xiǎn)施工模糊判定模型。汪明武[3]建立了圍巖穩(wěn)定性評價(jià)的集對分析-可變模糊集綜合評價(jià)模型，提高了評價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

本文將根據(jù)引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞TBM施工段嶺北工程收集的數(shù)據(jù)，比較上述預(yù)測模型和實(shí)際TBM性能之間的差異。具體來說，通過隧道工程和地質(zhì)條件來獲得預(yù)計(jì)機(jī)械鉆速，并將不同隧道段的預(yù)計(jì)機(jī)械鉆速與實(shí)際機(jī)械鉆速進(jìn)行比較，以檢查每個(gè)模型在本項(xiàng)目地質(zhì)條件下的準(zhǔn)確性和可靠性。

2 隧道掘進(jìn)機(jī)性能預(yù)測模型

各種各樣的性能評估方法和原理被用來估計(jì)TBM在硬巖中運(yùn)行的性能。不同的TBM制造商會根據(jù)其經(jīng)驗(yàn)和可用信息使用不同的預(yù)測模型。這些預(yù)測模型主要基于巖石參數(shù)來確定[4](如單軸抗壓強(qiáng)度UCS和巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD)，其他方法則基于實(shí)驗(yàn)室、現(xiàn)場和機(jī)器參數(shù)來確定。一般來說，TBM性能評價(jià)采用兩種方法[5]，即理論/實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ突蛘呓?jīng)驗(yàn)方法。

在本研究中，采用了Hassanpour等學(xué)者的經(jīng)驗(yàn)方法。表1為相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式，不同地質(zhì)條件下需要采取不同的經(jīng)驗(yàn)公式來表現(xiàn)隧道掘進(jìn)機(jī)性能[6]。

由表1可知，在機(jī)器性能參數(shù)中，也可以選擇現(xiàn)場穿透指數(shù)或FPI(基于穿透和刀具載荷的綜合參數(shù))來建立經(jīng)驗(yàn)公式。

表1 不同地質(zhì)條件下的經(jīng)驗(yàn)公式

3 項(xiàng)目描述

引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞TBM施工段嶺北工程包括兩個(gè)部分，分別為5號支洞(4 595 m)和主洞(16 690 m)。其中，主洞包含長度為1 525 m的TBM配套洞室和長度為15 165 m的TBM施工段(第一、第二階段分別為6 788 m和8 377 m)。利用鉆爆法對TBM配套洞室和5號支洞進(jìn)行施工，采用敞開式硬巖掘進(jìn)機(jī)對主洞TBM施工段進(jìn)行施工。從6號勘探試驗(yàn)洞將TBM運(yùn)至組裝洞室，在洞內(nèi)進(jìn)行組裝，隨后向三河口方向進(jìn)行工作，第一階段貫通后，在檢修洞內(nèi)對TBM進(jìn)行檢修，并將TBM的一系列輔助設(shè)備的轉(zhuǎn)場至5號支洞，TBM的檢修和轉(zhuǎn)場完成后，開始第二階段掘進(jìn)工作。

本文所選的實(shí)例工程在地質(zhì)構(gòu)造上屬于秦嶺褶皺系。秦嶺褶皺系主要由北秦嶺地槽和南秦嶺地槽組成，礦床厚度大，巖漿活動較為頻繁，變質(zhì)作用復(fù)雜，褶皺和斷裂發(fā)育。沒有明顯的現(xiàn)代活動裂縫穿過隧道區(qū)域。因此，該施工段總的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是良好的。圖1顯示了這些地層單位沿隧道的分布。

圖1 隧道沿線的地質(zhì)橫截面

4 實(shí)際機(jī)器性能

本研究的重點(diǎn)是引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞TBM施工段嶺北工程的隧道掘進(jìn)機(jī)性能。由圖2可知，該段隧道的開挖長度可以在285個(gè)完整工作周內(nèi)完成，平均推進(jìn)速度為50 m/周，最佳周推進(jìn)速度超過180 m。由圖2可知，地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生會導(dǎo)致隧道掘進(jìn)機(jī)工作的長時(shí)間延遲以及平均推進(jìn)速度和利用率的顯著降低。

圖2 施工期間的每周進(jìn)度

圖3為本項(xiàng)目中隧道掘進(jìn)機(jī)作業(yè)的利用率。雖然在許多單獨(dú)的周內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高于25%的利用率，但由于隧道掘進(jìn)機(jī)長時(shí)間停工，整個(gè)隧道的平均利用率低于14%。

圖3 施工期間的每周施工利用系數(shù)

圖4表示的是記錄的滲透率，平均每周一次。由圖4可知，鉆速的正常范圍為1.5～3 m/h，鉆孔段的總長度平均為2.5 m/h。

圖4 施工期間的每周平均滲透率

5 掘進(jìn)機(jī)性能數(shù)據(jù)庫的開發(fā)

如前所述，本研究的主要目的是評估給定地質(zhì)條件下隧道掘進(jìn)機(jī)性能預(yù)測模型的準(zhǔn)確性。作為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的第一步，已經(jīng)開發(fā)了一個(gè)數(shù)據(jù)庫來記錄和組織收集地質(zhì)和機(jī)器性能數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)庫包括以下3個(gè)主要部分：在隧道中測量或計(jì)算得到的機(jī)器性能數(shù)據(jù)；地質(zhì)力學(xué)數(shù)據(jù)；不同模型的性能預(yù)測結(jié)果。數(shù)據(jù)庫中的每一行都與沿隧道確定的工程地質(zhì)單元相關(guān)，并且記錄和計(jì)算的參數(shù)已經(jīng)針對每個(gè)單元進(jìn)行了平均化。

5.1 隧道掘進(jìn)機(jī)性能數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)庫的第一部分包括參數(shù)，如凈鉆孔時(shí)間、裝置長度以及機(jī)器運(yùn)行參數(shù)(推力、轉(zhuǎn)速、功率和施加的扭矩)的平均值。這些參數(shù)是從日常操作表和掘進(jìn)機(jī)數(shù)據(jù)記錄器中獲得的。此外，最重要的性能參數(shù)包括平均滲透率、滲透率和現(xiàn)場滲透指數(shù)。

圖5顯示了本研究中使用的隧道鉆孔段沿線不同確定地質(zhì)單元的現(xiàn)場滲透指數(shù)、滲透率、TBM總推力和刀盤轉(zhuǎn)速的變化。從圖5中可以看出，不同地質(zhì)單元的最小和最大現(xiàn)場滲透率指數(shù)和滲透率指數(shù)分別為11和22 mm/rev、2和12 mm/rev。

圖5 隧道沿線平均TBM性能參數(shù)的變化

5.2 地面特征

在數(shù)據(jù)庫的第二部分，匯編了地面特征的結(jié)果(實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場測量參數(shù))，使用了完整巖石特性和巖體參數(shù)來表征隧道沿線的地面特征。沿隧道鉆孔段的巖體被細(xì)分為41個(gè)單元，這些單元具有與TBM性能、隧道穩(wěn)定性和地下水流入相關(guān)的統(tǒng)一特征(工程地質(zhì)單元)。

完整巖石特性：總的來說，隧道掘進(jìn)機(jī)的性能受完整巖石特性的控制，如巖相特性、物理機(jī)械特性和可鉆性。這些參數(shù)中的每一個(gè)都已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中使用各種測試方法進(jìn)行了評估。除了在施工前進(jìn)行的測試，在施工階段還獲得并測試了許多樣品。同時(shí)，計(jì)算了不同測試階段的每個(gè)隧道段(工程地質(zhì)單元)完整巖石特性的平均值，并記錄在數(shù)據(jù)庫中。

巖體參數(shù)：裂縫、節(jié)理和不連續(xù)面影響巖體的可鉆性，這取決于它們的間距、表面條件和相對于機(jī)器前進(jìn)方向的方向。由圖6可知，數(shù)據(jù)庫中已識別的工程地質(zhì)單元中的巖體參數(shù)的變化按圖6中相應(yīng)的單位名稱繪制。

圖6 隧道沿線的巖體特性變化趨勢

5.3 用常用預(yù)測模型估算隧道掘進(jìn)機(jī)的性能

基于第1節(jié)和第2節(jié)中的數(shù)據(jù)，并使用選定的隧道掘進(jìn)機(jī)性能預(yù)測模型，計(jì)算出每個(gè)隧道斷面的鉆速，將其記錄在數(shù)據(jù)庫的第3節(jié)中。在本研究中，記錄的機(jī)器參數(shù)和地質(zhì)力學(xué)數(shù)據(jù)被用作常用預(yù)測模型的輸入數(shù)據(jù)。這些模型的主要輸出參數(shù)是每個(gè)隧道段(或工程地質(zhì)單元)的機(jī)械鉆速。

6 不同掘進(jìn)機(jī)性能模型結(jié)果的比較

圖7顯示了使用上述預(yù)測模型的每個(gè)單元中隧道掘進(jìn)機(jī)的預(yù)計(jì)滲透率。此外，各隧道斷面中各模型的絕對誤差或誤差的變化見圖8。

圖7 不同預(yù)測模型的滲透率變化

圖8 每個(gè)隧道段中不同模型計(jì)算的絕對誤差變化

通過圖7和圖8可以得到以下結(jié)論：

1) 使用不同預(yù)測模型估算的滲透率有顯著差異。NTNU和Palmstrom模型得到的結(jié)果比實(shí)測值低，而CSM和QTBM模型得到的結(jié)果比實(shí)測值高。

2) QTBM模型的結(jié)果與實(shí)際值相差甚遠(yuǎn)。主要原因是模型中考慮的一些參數(shù)(如地應(yīng)力)對本工程TBM性能的影響尚未得到證實(shí)。

3) 從原始CSM模型獲得的結(jié)果與測量值不匹配。因?yàn)樵撃Ｐ突旧鲜轻槍]有顯著壓裂的塊狀巖石開發(fā)的。研究表明，該模型需要通過增加接合條件的修正因子來進(jìn)行修正。

4) 從Palmstrom和NTNU模型獲得的結(jié)果與實(shí)際結(jié)果能進(jìn)行較好的匹配。這主要是因?yàn)檫@兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶嗽阢@孔過程中非常重要的巖體參數(shù)。

5) 使用Hassanpour(2011)模型計(jì)算TBM的性能參數(shù)，雖然變化趨勢與實(shí)際值相符，但在某些隧道斷面中存在顯著誤差。

6) 必須強(qiáng)調(diào)的是，特定場地的預(yù)測模型是在給定項(xiàng)目中估計(jì)隧道掘進(jìn)機(jī)性能的最佳模型。當(dāng)然這需要對機(jī)器性能進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，并建立相關(guān)的現(xiàn)場特定數(shù)據(jù)庫，以獲取機(jī)器性能和地質(zhì)單元之間的變化范圍和關(guān)系。其中，隧道沿線地質(zhì)條件的變化可以作為建模的輸入?yún)?shù)。這種方法的缺點(diǎn)是這些模型是特定的，不能在其他地方使用。

7 結(jié) 語

本研究基于引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞TBM施工段嶺北工程中的隧道掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行性能，對一些常見的隧道掘進(jìn)機(jī)性能預(yù)測模型的準(zhǔn)確性和有效性進(jìn)行了檢驗(yàn)。該隧道沿線的地質(zhì)單元被細(xì)分為41個(gè)工程地質(zhì)單元，在隧道掘進(jìn)機(jī)性能數(shù)據(jù)庫中，測量和編輯巖體特性以及實(shí)際的隧道掘進(jìn)機(jī)性能和運(yùn)行參數(shù)，該信息被用于預(yù)測隧道掘進(jìn)機(jī)的性能。應(yīng)當(dāng)注意的是，在任何情況下選擇經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠眍A(yù)測隧道掘進(jìn)機(jī)的性能時(shí)，都應(yīng)注意模型的應(yīng)用范圍和原始模型所依據(jù)的地質(zhì)條件。研究表明，具有相似地質(zhì)參數(shù)和機(jī)器規(guī)格的現(xiàn)場特定模型可以較好匹配實(shí)際TBM性能。因此，建議在實(shí)際工程中應(yīng)建立隧道掘進(jìn)機(jī)現(xiàn)場性能數(shù)據(jù)庫，并使用該數(shù)據(jù)庫開發(fā)現(xiàn)場特定模型，預(yù)測項(xiàng)目剩余部分的預(yù)期機(jī)器性能，以最大限度地減少一般隧道掘進(jìn)機(jī)性能模型的誤差，并提供更準(zhǔn)確的項(xiàng)目完成時(shí)間的預(yù)測。