復(fù)合地層EPB/TBM雙模盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)變化規(guī)律及相關(guān)性分析*

楊泰華,李林鋒,2,龔建伍

(1.武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,湖北 武漢 430065; 2.中建八局第一建設(shè)有限公司,山東 濟(jì)南 250000)

0 引言

當(dāng)前隧道施工地層復(fù)雜多變,單一模式的掘進(jìn)已較難滿足施工需求,因此雙模盾構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。雙模盾構(gòu)在不同模式、不同地層中掘進(jìn),其掘進(jìn)參數(shù)間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)及如何合理選取等問題一直困擾著隧道設(shè)計(jì)施工人員。為此,國(guó)內(nèi)外眾多專家學(xué)者針對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)變化及相關(guān)性開展了一系列研究,何川等[1]對(duì)比了土壓平衡-泥水平衡雙模盾構(gòu)在不同地層與不同模式下掘進(jìn)參數(shù)的變化特性;夏毅敏等[2]基于新疆某引水工程,運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析了不同類型巖層中TBM刀盤轉(zhuǎn)速、總推力的變化規(guī)律,提出了TBM掘進(jìn)參數(shù)建議控制范圍;李錕等[3]基于深圳地鐵16號(hào)線隧道工程,分析了微風(fēng)化灰?guī)r中土壓盾構(gòu)主要掘進(jìn)參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性;黃繼輝等[4]分析了復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的演化規(guī)律;孫振川等[5]在大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上,建立了盾構(gòu)掘進(jìn)與地質(zhì)關(guān)聯(lián)關(guān)系分析方法,得到不同盾構(gòu)在各類地質(zhì)中主要掘進(jìn)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)區(qū)間和關(guān)聯(lián)關(guān)系;沈翔等[6]分析了強(qiáng)風(fēng)化-中風(fēng)化地層中盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的變化規(guī)律;張厚美等[7]、李杰等[8]采用多元回歸擬合法分析了不同地層中掘進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)矩等關(guān)鍵參數(shù)的演化規(guī)律。張瑩等[9]基于天津地鐵某標(biāo)段,分析了盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)與地質(zhì)參數(shù)的關(guān)聯(lián)性,并提出地質(zhì)特征的識(shí)別方法。吳柯等[10]分析了超大泥水盾構(gòu)在粉質(zhì)黏土地層隧道中掘進(jìn)參數(shù)與地表沉降的變化規(guī)律。王凱等[11]基于汕頭蘇埃通道,對(duì)比分析了沿海地區(qū)超大泥水盾構(gòu)在基巖與軟土段等復(fù)雜地層掘進(jìn)參數(shù)的變化規(guī)律與差異性。另外,包括粒子群算法,支持向量機(jī)(support vector machine)以及一些人工智能算法也應(yīng)用到掘進(jìn)參數(shù)的分析與預(yù)測(cè)中[12-14]。上述研究中單一模式掘進(jìn)參數(shù)研究較多,而分析復(fù)合地層中盾構(gòu)/單護(hù)盾TBM雙模盾構(gòu)在不同模式、不同地層下掘進(jìn)參數(shù)演化規(guī)律還鮮見報(bào)道,使得復(fù)合地層中該雙模盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的優(yōu)化決策缺乏理論指導(dǎo),掘進(jìn)機(jī)控制管理人員往往依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整,使得掘進(jìn)決策調(diào)整滯后,掘進(jìn)效率低下。

針對(duì)上述問題,本文依托深圳地鐵13號(hào)線留仙洞—白芒區(qū)間工程,對(duì)該工程中所使用的土壓平衡(EPB)/單護(hù)盾TBM雙模盾構(gòu)在不同地層、不同模式下的掘進(jìn)參數(shù)變化規(guī)律與相關(guān)性進(jìn)行分析,期望對(duì)復(fù)合地層雙模盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)預(yù)測(cè)和決策優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 工程概況

深圳地鐵13號(hào)線留白區(qū)間全長(zhǎng)4.6 km,由6段曲線段和7段直線段構(gòu)成。隧道縱斷面呈W形坡,最大縱坡28‰,豎曲線半徑5 000 m,隧道拱頂埋深約10.6～49.6 m。在里程YCK12+307.700—YCK12+342.300處設(shè)置中間風(fēng)井區(qū)間。采用兩條平行的單洞單線隧道結(jié)構(gòu)形式,隧道洞徑約6.7 m。地質(zhì)剖面及掘進(jìn)模式如圖1所示。

圖1 地質(zhì)剖面Fig.1 Geological profile

地層條件為軟硬交替、上軟下硬復(fù)合地層,隧道洞身穿越地層主要為中～微風(fēng)化、全～強(qiáng)風(fēng)化的花崗巖,為典型的長(zhǎng)距離復(fù)合地層。采用土壓EPB/單護(hù)盾TBM雙模盾構(gòu)施工,主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 雙模盾構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main parameters of the shield machine

2 復(fù)合地層雙模盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)變化規(guī)律

2.1 掘進(jìn)參數(shù)選取

雙模盾構(gòu)機(jī)雖擁有兩種掘進(jìn)模式,但采用相同刀盤刀具及配套設(shè)置,區(qū)別在于兩種模式的出渣方式不同以及土倉(cāng)是否帶壓作業(yè)。選取掘進(jìn)參數(shù)時(shí)主要考慮因素有:①為兩種模式共同擁有;②能正確反映雙模盾構(gòu)機(jī)各種模式的掘進(jìn)特性;③能夠反映代表地層特性;④為正常工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)。在此選取刀盤轉(zhuǎn)速、總推力、貫入度、刀盤扭矩、推進(jìn)速度5個(gè)掘進(jìn)控制參數(shù)展開分析。

2.2 掘進(jìn)數(shù)據(jù)預(yù)處理

雙模盾構(gòu)采用循環(huán)掘進(jìn)施工,掘進(jìn)數(shù)據(jù)為每秒自動(dòng)采集,涵蓋正常與非正常工作狀態(tài),在掘進(jìn)過程中會(huì)產(chǎn)生無效數(shù)據(jù)與異常數(shù)據(jù)。為了消除影響,需要將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。以推進(jìn)速度為例,處理后數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 典型掘進(jìn)循環(huán)推進(jìn)速度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)Fig.2 Variation trend of propulsion speed with time in typical tunneling cycle

2.3 掘進(jìn)參數(shù)變化規(guī)律分析

根據(jù)地勘報(bào)告,區(qū)間隧道穿越地層可分為軟弱地層、上軟下硬地層和硬巖地層,取以上3段地層掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行分析。EPB模式掘進(jìn)軟弱地層取右線226～339環(huán)連續(xù)數(shù)據(jù)共82 840組數(shù)據(jù),EPB模式掘進(jìn)上軟下硬地層取左線227～355環(huán)連續(xù)數(shù)據(jù)共85 800組數(shù)據(jù),TBM模式掘進(jìn)硬巖地層取左線91～154環(huán)連續(xù)數(shù)據(jù)共88 808組數(shù)據(jù)。通過大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,所獲得的結(jié)論具有較普遍的規(guī)律性。將所選取的掘進(jìn)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理,使其映射至區(qū)間[0,1]范圍,如圖3所示。

圖3 不同模式、不同地層掘進(jìn)參數(shù)變化Fig.3 Variation of tunneling parameters in different modes and strata

由圖3可知,復(fù)合地層雙模盾構(gòu)在不同模式、不同地層中掘進(jìn)參數(shù)數(shù)據(jù)波動(dòng)程度均較大,反映出在不同模式、不同地層中巖性也是非穩(wěn)定變化的。反之,地層的巖性不同,對(duì)掘進(jìn)參數(shù)的需求也不同。具體分析如下。

1)刀盤轉(zhuǎn)速作為主動(dòng)控制參數(shù),在EPB模式上軟下硬中起伏較大,主要原因在于EPB模式上軟下硬地層掘進(jìn)中軟硬復(fù)合比不斷變化。

2)不同模式、不同地層推進(jìn)速度與貫入度變化趨勢(shì)完全相同,它們與總推力變化曲線起伏呈對(duì)稱變化趨勢(shì)。

3)EPB模式掘進(jìn)軟弱地層中,刀盤扭矩和總推力具有相似的變化趨勢(shì),而其他模式在對(duì)應(yīng)地層中掘進(jìn)時(shí)該現(xiàn)象并不明確,可能與巖石分層以及強(qiáng)度變化較大有關(guān)。

為進(jìn)一步分析不同模式、不同地層下各參數(shù)的分布規(guī)律,有必要對(duì)這些掘進(jìn)參數(shù)深入開展定量分析。

2.3.1刀盤轉(zhuǎn)速

如表2與圖4所示,在EPB模式軟弱地層、上軟下硬地層以及TBM模式硬巖地層中,刀盤轉(zhuǎn)速高斯曲線擬合系數(shù)分別為0.785,0.639和0.898,都基本符合正態(tài)分布,且前兩者集中分布單一,后者存在多個(gè)集中分布。四分位范圍分別為1.34～1.52 r/min,1.66～1.87 r/min和2.45～2.70 r/min。不同模式、不同地層下刀盤轉(zhuǎn)速大小為EPB軟弱地層

表2 刀盤轉(zhuǎn)速統(tǒng)計(jì)特征值Table 2 Statistical characteristic values of cutter head speed (r·min-1)

圖4 刀盤轉(zhuǎn)速分布Fig.4 Distribution of cutter head speed

2.3.2總推進(jìn)力

如表3與圖5所示,三者總推力高斯曲線擬合系數(shù)分別為0.801,0.808和0.779,都基本符合正態(tài)分布,都存在多個(gè)分布,四分位范圍分別為20 362.78～27 096.28, 19 505.39～24 867.05 kN和11 052.92～14 614.97 kN。不同模式、不同地層下總推力大小為:EPB軟弱地層>EPB上軟下硬地層>TBM硬巖地層,因?yàn)镋PB軟弱地層土層軟、強(qiáng)度低,增大推力加快推進(jìn)速度;EPB上軟下硬地層總推力也高達(dá)20 000kN以上,主要在于軟硬復(fù)合比中硬巖的占比逐漸變大,加快刀具磨損,降低了刀具破巖能力,總推力隨之增大;TBM硬巖地層總推力較小,主要原因?yàn)橛矌r強(qiáng)度大,刀具阻力大,長(zhǎng)時(shí)間的掘進(jìn)時(shí)為保護(hù)刀盤刀具,降低總推力。因此三者推薦總推力控制范圍分別為:20 000～27 000, 19 000～25 000 kN和10 500～6 500 kN。

表3 總推力統(tǒng)計(jì)特征值Table 3 Statistical characteristic values of total thrust kN

圖5 總推力分布Fig.5 Distribution of total thrust

2.3.3貫入度

如表4與圖6所示,三者貫入度高斯曲線擬合系數(shù)分別為0.969,0.931和0.904,均符合正態(tài)分布,除EPB模式上軟下硬地層中存在多個(gè)集中分布外,其余兩者均屬單一分布,四分位范圍主要在18.11～25.87,9.58～16.58 mm/r和5.17～10.94 mm/r。不同模式、不同地層下貫入度的分布范圍及大小為:EPB軟弱地層>EPB上軟下硬地層>TBM硬巖地層,EPB軟弱地層分布均勻,可較好貫入;EPB上軟下硬地層隨著軟硬厚度比改變,呈“M”形變化,上下波動(dòng)變化較大;TBM硬巖地層貫入度較小,主要因?yàn)槲L(fēng)化花崗巖較為堅(jiān)硬,強(qiáng)度高,滾刀破巖刀具阻力大,難以較好貫入。因此三者推薦貫入度控制范圍分別為:18～26,9～16 mm/r和5～11 mm/r。

表4 貫入度統(tǒng)計(jì)特征值Table 4 Statistical characteristic values of penetration (mm·r-1)

2.3.4刀盤扭矩

如表5與圖7所示,三者刀盤扭矩高斯曲線擬合系數(shù)分別為0.927,0.980和0.982,均符合正態(tài)分布,除EPB模式軟弱地層存在多個(gè)分布外,另外兩者均屬單一分布,四分位范圍分別為1 501.85～2 676.66,2 548.54～3 247.01 kN·m和1 522.01～2 148.06 kN·m。不同模式、不同地層下刀盤扭矩的大小為:EPB上軟下硬地層>EPB軟弱地層>TBM硬巖地層,EPB軟弱地層分布范圍最大,在軟弱地層中掘進(jìn)易出現(xiàn)刀盤結(jié)泥餅等問題,致使扭矩越來越大;EPB上軟下硬地層扭矩最大,其原因?yàn)檐浻矎?fù)合比的變化,刀盤受力不均,一方面要平衡軟弱地層與硬巖掘進(jìn),另一方面上部軟弱層也會(huì)有刀盤結(jié)泥餅;TBM硬巖地層刀盤扭矩小,主要原因?yàn)橛矌r強(qiáng)度大,刀具阻力大,為保護(hù)刀盤刀具,降低刀盤扭矩。因此推薦刀盤扭矩控制范圍為: EPB軟弱地層為1 500～2 700 kN·m; EPB上軟下硬地層為2 500～3 300 kN·m;TBM硬巖地層為1 500～2 200 kN·m。

表5 刀盤扭矩統(tǒng)計(jì)特征值Table 5 Statistical characteristic values of cutter head torque kN·m

圖7 刀盤扭矩分布Fig.7 Distribution of cutter head torque

2.3.5推進(jìn)速度

如表6與圖8所示,三者推進(jìn)速度高斯曲線擬合系數(shù)分別為0.948,0.956和0.905,均符合正態(tài)分布,分布均較為穩(wěn)定,四分位范圍分別為26.12～37.63,17.41～27.99 mm/min和13.35～28.47 mm/min。不同模式、不同地層下推進(jìn)速度分布范圍為:EPB軟弱地層>EPB上軟下硬地層>EPB硬巖地層,EPB軟弱地層分布均勻,掘進(jìn)快;EPB上軟下硬地層與TBM硬巖地層推進(jìn)速度平均在20 mm/min以上,相比傳統(tǒng)單一模式掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)速度有很大提升,表明所選雙模盾構(gòu)在復(fù)合地層適應(yīng)性良好。因此三者推薦推進(jìn)速度控制范圍分別為:26～38,17～28 mm/min和13～28 mm/min。

表6 推進(jìn)速度統(tǒng)計(jì)特征值Table 6 Statistical characteristic values of propulsion speed (mm·min-1)

圖8 推進(jìn)速度分布Fig.8 Distribution of propulsion speed

3 掘進(jìn)參數(shù)相關(guān)性及多元逐步線性回歸分析

3.1 皮爾遜相關(guān)性分析

皮爾遜相關(guān)性系數(shù)是一種反映兩個(gè)變量線性相關(guān)程度的統(tǒng)計(jì)量,適用于連續(xù)性變量,且兩變量總體呈正態(tài)分布或接近正態(tài)分布。計(jì)算公式如式(1)所示:

(1)

式中:r為線性相關(guān)性系數(shù);X,Y為分析的變量;n為數(shù)據(jù)組個(gè)數(shù)。通常將|r|=[0,0.2]為極弱相關(guān)、|r|=(0.2,0.4]為弱相關(guān)、|r|=(0.4,0.6]為中等相關(guān)、|r|=(0.6,0.8]為強(qiáng)相關(guān)以及|r| =(0.8,1]為極強(qiáng)相關(guān)。上述掘進(jìn)參數(shù)正態(tài)分布擬合R2均在0.6以上,基本符合正態(tài)分布特點(diǎn),對(duì)復(fù)合地層雙模盾構(gòu)在不同模式、不同地層下掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行皮爾遜相關(guān)性分析如表7～9所示(注:**表示在0.01級(jí)別的雙尾檢驗(yàn))。

表7 EPB模式軟弱地層掘進(jìn)參數(shù)皮爾遜相關(guān)系數(shù)Table 7 Pearson correlation coefficient of tunneling parameters in weak strata under EPB model

表8 EPB模式上軟下硬地層掘進(jìn)參數(shù)皮爾遜相關(guān)系數(shù)Table 8 Pearson correlation coefficient of tunneling parameters in hard strata under EPB model

表9 TBM模式硬巖地層掘進(jìn)參數(shù)皮爾遜相關(guān)系數(shù)Table 9 Pearson correlation coefficient of tunneling parameters in hard rock strata under TBM model

由表7～9可知,不同模式、不同地層下掘進(jìn)參數(shù)之間關(guān)聯(lián)性有很大差異,其中貫入度與推進(jìn)速度相關(guān)系數(shù)在0.9以上,表明兩者具有極強(qiáng)相關(guān)性。貫入度與總推力在EPB模式軟弱地層、上軟下硬地層以及TBM模式硬巖地層中分別為中等、弱和強(qiáng)相關(guān),刀盤轉(zhuǎn)速與貫入度則分別為弱、中等和弱相關(guān),推進(jìn)速度與總推力分別為中等、弱和強(qiáng)相關(guān);其他參數(shù):除了在EPB模式軟弱地層中刀盤轉(zhuǎn)速與推進(jìn)速度、刀盤扭矩與總推力間是中等相關(guān),其余均為弱相關(guān)。因此掘進(jìn)模式與地層的變化對(duì)掘進(jìn)參數(shù)的關(guān)聯(lián)性具有顯著影響。

3.2 多元線性回歸分析

皮爾遜相關(guān)性反映了單變量之間的關(guān)系,未能體現(xiàn)多變量之間的關(guān)系。在實(shí)際工程中,現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員主要通過控制刀盤轉(zhuǎn)速、總推力、貫入度、刀盤扭矩與推進(jìn)速度實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)操作掘進(jìn)。其中刀盤轉(zhuǎn)速與總推力為主動(dòng)輸入的控制參數(shù),貫入度與刀盤扭矩為被動(dòng)響應(yīng)的控制參數(shù),最后觀察掘進(jìn)速度,實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)控制。貫入度與推進(jìn)速度相關(guān)系數(shù)大于0.98,為極強(qiáng)相關(guān),相關(guān)性系數(shù)≥0.85的兩個(gè)參數(shù)一般認(rèn)為具有可相互替換性[15]。采用多元逐步線性回歸分析主動(dòng)控制參數(shù)與被動(dòng)控制參數(shù)之間的關(guān)系,建立掘進(jìn)參數(shù)回歸預(yù)測(cè)模型,對(duì)雙模盾構(gòu)在復(fù)合地層中各掘進(jìn)參數(shù)的相互匹配控制提供參考,如式(2)所示:

y=β0+β1X1+β2X2

(2)

式中:y為因變量;X1,X2為自變量;β0為常量;β1,β2為回歸系數(shù)。

以EPB模式掘進(jìn)上軟下硬地層貫入度模型為例,進(jìn)行多元線性回歸擬合。

得到關(guān)系式為(3)所示:

P=47.438-18.309n-0.000 087 21F

(3)

式中:P為貫入度;n為刀盤轉(zhuǎn)速;F為總推力。

如表10所示,上軟下硬地層的貫入度多元線性回歸擬合R2為0.265,模型與各自變量顯著性檢驗(yàn)均為0,小于顯著水平0.05,表明自變量與因變量之間存在顯著性線性關(guān)系。標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)用于衡量自變量對(duì)因變量的影響,如表11所示,貫入度主要受刀盤轉(zhuǎn)速的影響。根據(jù)上述方法得到不同模式、不同地層的多元回歸方程,如表12所示,貫入度、刀盤扭矩與刀盤轉(zhuǎn)速、總推力整體上具有線性回歸關(guān)系,TBM模式下貫入度R2最大,但R2整體均較低,存在難擬合問題,預(yù)測(cè)效果較差。同時(shí)不同模式、不同地層擬合效果不同,導(dǎo)致不同模式、不同地層參數(shù)的預(yù)測(cè)效果具有差異性,體現(xiàn)了掘進(jìn)模式與地層變化對(duì)掘進(jìn)參數(shù)的影響。

表10 模型相關(guān)度Table 10 Correlation of mode

表11 回歸系數(shù)Table 11 Regression coefficient

表12 不同模式對(duì)應(yīng)掘進(jìn)地層的掘進(jìn)參數(shù)多元逐步線性回歸公式Table 12 Multivariate linear regression formula of tunneling parameters in different modes

4 結(jié)語

本文選取刀盤轉(zhuǎn)速、總推力、貫入度、刀盤扭矩、推進(jìn)速度,對(duì)復(fù)合地層EPB/TBM雙模盾構(gòu)在不同地層、不同模式下掘進(jìn)參數(shù)分布規(guī)律及相關(guān)性開展分析,具體結(jié)論如下。

1)不同模式、不同地層下掘進(jìn)參數(shù)基本呈正態(tài)分布。根據(jù)掘進(jìn)參數(shù)在EPB模式軟弱地層、上軟下硬地層以及TBM模式硬巖地層中的分布規(guī)律,對(duì)刀盤轉(zhuǎn)速、總推力、貫入度、刀盤扭矩、推進(jìn)速度的控制范圍進(jìn)行優(yōu)化,刀盤轉(zhuǎn)速推薦值分別為:1.4～1.6,1.6～1.9 r/min和2.4～2.8 r/min;總推力分別為:20 000～270 000,19 000～25 000 kN和10 500～6 500 kN;貫入度分別為18～26,9～16 mm/r和5～11 mm/r;刀盤扭矩分別為1 500～2 700,2 500～3 300 kN·m和1 500～2 20 0kN·m;推進(jìn)速度分別為26～38,17～28和13～28 mm/min。可以為復(fù)合地層掘進(jìn)參數(shù)的決策控制提供依據(jù)。

2)通過皮爾遜相關(guān)性分析,分析了不同模式、不同地層掘進(jìn)參數(shù)單變量之間相關(guān)性,結(jié)果表明不同模式、不同地層中推進(jìn)速度與貫入度的皮爾遜相關(guān)系數(shù)均在0.9以上,為極強(qiáng)相關(guān),而其他各參數(shù)之間的相關(guān)性具有較大差異性。

3)建立了主動(dòng)控制參數(shù)與被動(dòng)控制參數(shù)多變量之間的多元逐步線性回歸預(yù)測(cè)模型,發(fā)現(xiàn)被動(dòng)控制參數(shù)刀盤扭矩與貫入度受刀盤轉(zhuǎn)速影響較大,受總推力影響較小。同時(shí)不同模式、不同地層下控制參數(shù)擬合效果差異性較大。