基于TBM施工的擾動程度預測模型初探

尚言明 馬池帥

(國家知識產權局專利局專利審查協作湖北中心，湖北 武漢 430205)

1 概述

獲得可靠的巖體力學參數對進一步工程災害或巖體穩定性的評價、分析和設計具有重要意義。Hoek-Brown強度準則以其深厚的巖石力學理論知識和實踐經驗，提供了一種巖體參數預測模型，并根據工程經驗給出不同開挖方式下巖體擾動系數D的估取值,在國際上也得到了廣泛的應用和認可[1-3]。然而，僅僅采用有限數量的離散數值很難對擾動程度D給出相對準確的指導，在實際工程應用中與實際偏差較大。萊斯瓦爾礦[4](Catrin-Edelbro，2004)鑿井和掘進中D的評估值是最有力的證實，如表1所示。此外，在推薦的D值表中，認為TBM開挖對圍巖的擾動最小，與實際D值相差較大。

表1 萊斯瓦爾礦D評價體系(Catrin Edelbro,2004)

工程實踐表明，利用巖體波速可以準確地測量巖體的松動和損傷。因此，隨后的研究人員提出了基于巖體波速現場試驗數據估計D值的經驗關系。巫德斌等[5](2005)根據開挖方法的影響系數提出了一個經驗公式。從彈性理論出發，介紹了在擾動和未擾動條件下的有效彈性模量。而將損傷變量直接作為擾動因子D是不合理的。閆長斌等[6](2005)建立了以巖體聲速折減比η為基線，引入完整系數Kv求D值的方法。袁文軍等[7](2013)也在閆長斌的基礎上提出了D與Kv之間的非線性關系。通過分析可以發現，Kv不僅考慮了巖體的完整性，而且還考慮了GSI，它代表了完整巖體與巖體之間的波速關系，而不是擾動區和未擾動區的巖體特性。這個公式是否準確值得商榷。因此，孫金山等[8](2008)基于彈性波理論得出了擾動因子D與巖體聲速之間的關系。根據巖體的超聲波速度，夏開宗等[9](2012)也估算了巖體的地質強度指數(GSI)和擾動系數D的公式。

盡管后續學者進行了修正、完善，但對于TBM掘進參數與擾動程度的相關性研究還很少見，現有巖爆或沖擊地壓評判指標中也未見涉及這一指標，僅僅從掘進速率或者卸荷速率方面強調降低施工擾動程度。

本文的目的不是試圖給出一個與Hoek等類似的推薦D值表，而是提出一個新的定量模型：通過對某水電站TBM隧洞資料的分析，建立TBM掘進參數與巖石、巖體參數的關系模型，進而提出一種基于TBM掘進參數和巖體參數的D值綜合預測模型，以期為工程施工災害預防提供一定的理論指導，對巖爆或沖擊地壓的實時評判體系也將是一個重要的補充。

2 基于TBM掘進參數和巖體參數的擾動程度D綜合預測模型分析

在巖土力學參數中，巖石強度UCS和地質指標GSI提供了最有用的性能指標。一些案例[10-12]表明，TBM掘進參數與UCS和GSI相關的結果更好。為研究工程巖體特性對TBM性能的影響，首先對實際UCS或GSI與F,N,P等簡單參數的相關性進行了評價。然后，在分析中引入了更復雜的綜合參數FPI,SE。

2.1 TBM掘進參數與巖石強度UCS之間的相關性

圖1和表2總結了不同TBM掘進參數下UCS的相關結果。如表2所示，在掘進機掘進參數中，一些簡單的參數如F，T，P和RPM與UCS有一定的相關性。此外，在復合TBM參數中，貫入度指數FPI比掘進比能SE表現出更好的相關性。該參數代表了TBM的三個主要參數，即F，N和P，表明掘進參數與地質參數之間的合理相關性。因此，在目前的研究中，FPI被選為與UCS相關的合適掘進參數。

表2 TBM掘進參數(T,P,F,RPM;

參數R2關系式簡單參數扭矩0.561 5UCS=38.27×M+93.03貫入度0.598 6UCS=-7.35×P+226.02轉速0.653UCS=72.48ln(RPM)+56.2推力0.759 5UCS=66.6ln(F)+51.04復合參數SE0.691 5UCS=36.21ln(SE)+51.11FPI0.761 2UCS=34.35ln(FPI)+79.81

結果表明，復合TBM參數(FPI和SE)與UCS具有較好的相關性。簡單參數之間也存在一定的相關性，但相關性較小。

2.2 TBM掘進參數與地質指標GSI之間的相關性

GSI是用于描述巖體質量的常用參數，已在工程巖石力學中得到廣泛應用，為設計巖石隧道、邊坡等所需的數值分析或理論計算提高參考。在本研究中，探討了不同TBM掘進參數與地質強度指數(GSI)之間的關系。圖2顯示了與FPI和巖體分類相關的結果。表3列出了相關的匯總結果。

表3 TBM掘進參數與地質強度指數GSI估算公式統計

參數R2關系式簡單參數貫入度0.486 9GSI=106.06×P-0.278轉速0.531 7GSI=38.84×RPM0.291推力0.558 9GSI=2.9×F+42.73扭矩0.579 7GSI=51.11×M0.226復合參數FPI0.594 3GSI=0.831×FPI+48.76SE0.722 1GSI=9.26×ln(SE)+30.87

GSI與TBM掘進參數的相關性排序：SE>FPI>扭矩>推力>轉速>貫入度，因此選擇SE作為與GSI建立經驗關系的合適掘進參數。

2.3 TBM掘進參數與擾動程度D的相關性分析

擾動系數D受開挖方法、隧道規模、尺寸和巖土參數的影響，包括完整巖石特性(單軸抗壓和抗拉強度)、不連續特性(如間距、表面條件)和一些巖體參數(如RQD，RMR,Q和GSI)。針對具體工程，考慮到隧道規模和尺寸已經確定，期望基于TBM掘進參數和巖體參數對D值綜合預測模型進一步研究。

首先，利用采用TST超前地質預報獲得現場巖體波速分布及圍巖分類，如圖3所示。

采用構造偏移圖像和圍巖波速相互印證，可為工程地質人員的現場地質構造分析、圍巖類別劃分以及擾動程度D的估算等提供重要的參考依據。根據地質分析選擇硬脆性巖體的擾動波速與未擾動區波速，求得相應的TBM開挖擾動程度D值。

而后，繪制TBM施工期間擾動程度D與巖石強度、地質強度GSI、相對完整硬脆性圍巖體中掘進速度ROP的散點圖，如圖4所示。

由圖4可知，TBM施工期間擾動程度D并非基于H-B強度準則認為的0值，其隨著地質條件、TBM掘進參數的變化而改變。為了得到更好的擬合關系，選擇巖石強度、地質強度GSI、相對完整硬脆性圍巖體中掘進速度ROP三個參數作為自變量進行多元擬合，得到如下公式：

Ω=EXP(-0.019 1UCS-0.018 5GSI-

0.013 3ROP+2.693),R2=0.94。

其中，UCS，GSI由前述基于TBM掘進參數的估算公式求得：

UCS=34.35ln(FPI)+79.81；

GSI=9.26×ln(SE)+30.87。

綜上，根據隧道施工期TBM掘進參數、巖石單軸抗壓強度UCS及地質強度GSI，利用上式即可量化評價不同圍巖洞段的施工擾動程度D，進而將施工擾動程度D帶入相關巖爆或沖擊地壓的實時評判體系，即可對地質災害進行實時評判。

3 結語

擾動程度D受開挖方法、隧道規模、尺寸和巖土參數(包括完整巖石特性、不連續性特征和一些巖體參數)的影響。從前面討論的結果來看，雖然給出了D的廣義值，但由于取值原理比較模糊，很難給出擾動程度D的精確使用指南，可操作性差，人為因素干擾多，定性描述居多，基于TBM掘進參數和巖體參數的實時預測研究很少。本文的目的是基于對某TBM隧洞資料的分析，提出基于TBM掘進參數和巖體參數的擾動程度D綜合預測模型。得出以下結論：

1)研究了不同地質和巖土力學參數對TBM性能的影響。分析表明，在不同的參數中，FPI,SE等組合參數分別與UCS和GSI有較好的相關性。基于TBM掘進參數的UCS和GSI實時預測模型如下：

UCS=34.35ln(FPI)+79.81，R2=0.761 2;

GSI=9.26×ln(SE)+30.87，R2=0.722 1。

2)基于TBM的性能和巖土參數，提出了一種擾動程度D的定量模型，將為讀者在不同地質條件和TBM掘進的工程中選擇合適的擾動程度范圍提供充分的指導：

D=EXP(-0.017UCS-

0.007GSI-0.019ROP+1.923),R2=0.813。

該研究為TBM工程擾動程度的快速估算提供了一種新的切實可行的思路，可使工程人員能相對準確迅速地對現場TBM工程擾動程度進行估計。由于所提出的方程是基于單個隧道的信息，該模型參數目前僅適用于類似的地質情況、TBM規范和操作程序。

為更好地將本文的研究成果應用于工程實踐，下一步我們將開發一個涵蓋不同地質和TBM操作條件的通用擾動程度定量模型，將TBM掘進機的掘進參數信息傳輸到系統，再結合我們提出的巖爆和擠壓大變形的判據，即可實時評判掌子面的安全狀態，指導工程中及時調整掘進參數，從而避免巖爆和卡機災害發生的次數。