張志奇， 李 彤， 韓愛民， 蘇 明， 黃新強

(1. 中交隧道工程局有限公司， 北京 100088； 2. 南京工業(yè)大學(xué)巖土工程研究所， 江蘇 南京 210000；3. 江蘇省巖土工程公司， 江蘇 南京 210000)

復(fù)雜地層盾構(gòu)掘進速率和刀盤扭矩預(yù)測模型及其地層適應(yīng)性研究

張志奇1， 李 彤2,3,*， 韓愛民2， 蘇 明1， 黃新強3

(1. 中交隧道工程局有限公司， 北京 100088； 2. 南京工業(yè)大學(xué)巖土工程研究所， 江蘇 南京 210000；3. 江蘇省巖土工程公司， 江蘇 南京 210000)

以復(fù)雜地層地質(zhì)分段為基礎(chǔ)，統(tǒng)計不同地質(zhì)分段的盾構(gòu)掘進參數(shù)，開展針對盾構(gòu)掘進速率與刀盤扭矩的多元回歸分析，得到適用于復(fù)雜地層的掘進參數(shù)回歸模型，并分析回歸模型系數(shù)與全斷面等效巖體基本質(zhì)量指標間的相關(guān)性。研究表明： 全斷面等效巖體基本質(zhì)量指標考慮了復(fù)雜地層中不同區(qū)段掌子面內(nèi)各地層面積占比差異，可作為地質(zhì)分段標準； 掘進速率與刀盤扭矩的回歸預(yù)測值與實測值間相對誤差較小，回歸模型對均質(zhì)地層及復(fù)合地層均有較好的擬合精度； 圍巖等級提高時，掘進速率、刀盤扭矩回歸模型系數(shù)具有明顯的分段變化特征。其量化結(jié)論可用于定量預(yù)測不同地層盾構(gòu)掘進參數(shù)，以提高盾構(gòu)施工效率。

盾構(gòu)； 復(fù)雜地層； 掘進參數(shù)； 回歸模型； 地層適應(yīng)性

0 引言

盾構(gòu)掘進過程中，掘進速率決定著工期，是進度計劃與全工期成本控制的關(guān)鍵。刀盤扭矩表征滾刀破巖時所受的沖擊荷載，可通過分析其摩擦比例因數(shù)波動程度推測刀具工作狀態(tài)與磨損情況[1]，是合理提高刀具破巖效率、減少開艙檢查及換刀所需時間的重要控制指標。復(fù)雜地層中，均質(zhì)地層與復(fù)合地層逐段分布，盾構(gòu)掘進沿線地層物理、力學(xué)參數(shù)逐段相異，尋找適用于復(fù)雜地層的盾構(gòu)掘進速率、刀盤扭矩的預(yù)測方法，對盾構(gòu)掘進施工具有一定的理論指導(dǎo)意義和參考價值。

目前，盾構(gòu)掘進速率、刀盤扭矩的預(yù)測方法主要有理論計算法與經(jīng)驗預(yù)測法。理論計算法中，L.Ozdemir等[2]以單具滾刀受力分析為基礎(chǔ)，建立CSM模型，預(yù)測刀盤扭矩、掘進速率等參數(shù)； 王洪新等[3]建立了盾構(gòu)掘進幾何連續(xù)性方程、物理方程及平衡方程，結(jié)合對盾構(gòu)施工參數(shù)記錄的回歸分析，驗證了各掘進參數(shù)間的關(guān)系； 管會生等[4]建立了由切削、摩擦產(chǎn)生的刀盤扭矩理論方程，并分析上海、成都地鐵施工刀盤扭矩組成的差異； 李潮等[5]推導(dǎo)了刀盤扭矩7個組成部分的計算模型，結(jié)合工程實踐，分析了刀盤扭矩各影響因素的敏感性。經(jīng)驗預(yù)測法中，N.Barton[6]在巖體質(zhì)量指標Q基礎(chǔ)上引入掘進參數(shù)，形成QTBM模型，用于預(yù)測掘進速率;A.Bruland[7]以盾構(gòu)施工參數(shù)數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，結(jié)合巖石脆性試驗、磨損試驗等室內(nèi)試驗，建立NTNU模型,預(yù)測掘進速率等掘進參數(shù);張厚美等[8]、宋克志等[9]和李青松等[10]通過對既有施工數(shù)據(jù)進行回歸計算，得到掘進速率、刀盤扭矩與其他掘進參數(shù)、地質(zhì)因素等影響因素間的經(jīng)驗關(guān)系。

理論計算模型中，關(guān)鍵參數(shù)的選取決定了預(yù)測結(jié)果的精度，需由特定試驗獲取，在復(fù)雜地層的工程應(yīng)用中存在局限。QTBM模型參數(shù)過多，影響其工程應(yīng)用； NTNU模型不適用于堅硬但完整性較差的地層； 而文獻[8-10]中回歸預(yù)測模型針對均質(zhì)地層或某種復(fù)合地層，缺少回歸模型在復(fù)雜地層中的適應(yīng)性分析。為提高復(fù)雜地層掘進參數(shù)的預(yù)測精度，以掌子面全斷面等效巖體基本質(zhì)量指標為基礎(chǔ)，對復(fù)雜地層進行地質(zhì)分段，分段統(tǒng)計掘進參數(shù)。通過逐步回歸計算掘進速率、刀盤扭矩與其他掘進參數(shù)間的經(jīng)驗關(guān)系，得到適用于均質(zhì)地層、復(fù)合地層的掘進速率、刀盤扭矩回歸模型，并討論回歸模型在盾構(gòu)掘進施工中的具體應(yīng)用。通過定量分析回歸模型系數(shù)在掌子面全斷面等效巖體基本質(zhì)量指標升高時的分段變化規(guī)律，研究掘進速率、刀盤扭矩回歸模型的地層適用性。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

南京市寧高城際軌道交通二期工程盾構(gòu)隧道區(qū)間段全長2 390 m，其中68.8%的區(qū)間穿越中風化安山巖，其余區(qū)間主要穿越由黏性土、砂土、強風化安山巖和中風化安山巖構(gòu)成的復(fù)合地層。盾構(gòu)段各地層性質(zhì)如下。

1)混合土(③-4)。灰黃色，軟—可塑，主要成分為細中砂、粗砂、混砂礫土，砂為中密—密實，局部為粉質(zhì)黏土。

2)殘積土(④)。棕紅色，可塑—硬塑，以黏性土為主，夾風化巖屑。

3)強風化安山巖(J31-2)。砂土狀，夾少量中風化巖塊，巖體基本質(zhì)量等級為V級。

4)中風化安山巖(J31-3r)。飽和單軸抗壓強度平均值為19.38 MPa，巖體完整性指數(shù)為0.50。

5)中風化安山巖(J31-3p)。飽和單軸抗壓強度平均值為45.95 MPa，巖體完整性指數(shù)為0.32。

6)中風化安山巖(J31-3)。飽和單軸抗壓強度平均值為63.35 MPa，巖體完整性指數(shù)為0.59。

項目采用海瑞克復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)，刀盤直徑6 480 mm，最大推力42 575 kN，最大推進速率80 mm/min，脫困扭矩7 476 kN·m。

刀盤采用“4輻條+4面板”形式，開口率為36%。配備中心滾刀8把，正面滾刀24把，邊緣滾刀13把。滾刀帶有高度耐磨的合金齒切削環(huán)，刀圈直徑17 in。

1.2 地質(zhì)分段與掘進參數(shù)分段統(tǒng)計

盾構(gòu)區(qū)間沿線地質(zhì)條件復(fù)雜多變，掘進地層多為復(fù)合地層，由多種巖層、土層組成，而全斷面各層組成比例在一定掘進方向范圍內(nèi)變化較小，具備地質(zhì)分段條件。地質(zhì)剖面中地層分界線與隧道軸線間夾角越小，隧道掌子面內(nèi)各地層比例在掘進方向上變化越小，掘進范圍內(nèi)地層條件變化越小，掌子面內(nèi)某地層斷面面積變化越小。根據(jù)地勘報告，將隧道穿越地層組成相同且地質(zhì)縱斷面中地層分界線與隧道軸線近似平行的部分歸為同一地質(zhì)分段，定義該地質(zhì)分段全斷面等效巖體基本質(zhì)量指標

(1)

式中：S0為掌子面全斷面面積； BQm和Sm分別為掌子面內(nèi)某地層的巖體基本質(zhì)量指標和斷面面積。

隧道掌子面內(nèi)各地層劃分方法如圖1所示。不同地質(zhì)分段掌子面內(nèi)各地層斷面面積相異使掌子面BQE不同，導(dǎo)致不同地質(zhì)分段掌子面與刀盤間的相互作用、掘進參數(shù)間的相互關(guān)系存在差異。其中，各地層BQm根據(jù)文獻[11]計算，各地質(zhì)分段BQE計算結(jié)果見表1。

圖1 隧道掌子面內(nèi)各地層劃分方法

盾構(gòu)掘進系統(tǒng)由PLC電路采集信號，控制室主機系統(tǒng)記錄盾構(gòu)掘進速率、刀盤轉(zhuǎn)速、總推力、鉸接阻力、扭矩、土艙壓力等參數(shù)，生成每環(huán)內(nèi)各參數(shù)的平均值報表。以地質(zhì)分段為基礎(chǔ)，統(tǒng)計隧道沿線各段掘進參數(shù)，作為回歸分析樣本。

表1 盾構(gòu)穿越地層掌子面分段統(tǒng)計

注： JZ表示均質(zhì)地層； RY表示上軟下硬復(fù)合地層。

2 掘進參數(shù)回歸分析

2.1 推進速率回歸模型

工程實踐表明，掘進過程中掘進速率、刀盤扭矩與其他掘進參數(shù)間存在非線性數(shù)學(xué)關(guān)系[12]。8組地質(zhì)分段均由上百乃至數(shù)百環(huán)構(gòu)成，盾構(gòu)記錄每環(huán)的掘進參數(shù)。對于某地質(zhì)分段(某斷面)，回歸分析的樣本是構(gòu)成地質(zhì)分段的上百或數(shù)百環(huán)掘進參數(shù)。以JZ-c地層為例，該地質(zhì)分段包含右線910—990環(huán)及左線950—1 025環(huán)，共157環(huán)。根據(jù)157環(huán)的157組掘進參數(shù)得到157組樣本，進行回歸分析，得到屬于JZ-c地層的掘進速率回歸模型系數(shù)(li，i=1,2,3，…,8)及刀盤扭矩回歸模型系數(shù)(kj，j=1,2,3,…,7)。8組地質(zhì)分段(8種斷面)的掘進速率、刀盤扭矩回歸模型均如此得出，樣本量均達到上百乃至數(shù)百組，相對2種模型的自變量個數(shù)而言，樣本數(shù)量滿足回歸分析要求。

針對8組地質(zhì)分段，分別將各地質(zhì)分段基本自變量(掘進參數(shù)一次冪F、p、n)及其若干次冪作為元素集進行元素集間笛卡爾乘積運算，得到屬于各地質(zhì)分段的單項變量及二元復(fù)合變量集合，作為多元回歸分析的自變量集。利用SPSS統(tǒng)計計算軟件進行多元逐步線性回歸運算，得到分別獨立屬于8組地質(zhì)分段的掘進速率回歸模型。按照共性提升原則，將8組地質(zhì)分段的掘進速率回歸模型中相同的自變量抽出來，將它們線性組合形成預(yù)測不同地層掘進速率的通式，作為復(fù)雜地層掘進速率回歸模型，見式(2)及式(3)。

vf=l1n+l2F+l3p+l4p3+l5F1/3+l6Fp+l7n1/2F+l8。

(2)

F=Ft-Fh。

(3)

式(2)和式(3)中：vf為掘進速率擬合值，mm/min；n為刀盤轉(zhuǎn)速，r/min；Ft為總推力，kN；Fh為鉸接阻力，kN；p為土艙壓力，0.1 MPa；F為總推力與鉸接阻力之差，即刀盤與掌子面間掘進方向作用力,kN；li(i=1,2,3，…,8)為掘進速率回歸模型系數(shù)。

8組地質(zhì)分段掘進速率回歸模型系數(shù)見表2。在各地層中式(2)均具有一定的擬合精度，對均質(zhì)地層、復(fù)合地層同時適用，具有一定程度的普適性。均質(zhì)地層與復(fù)合地層的掘進速率多元回歸擬合值與實測值對比如圖2和圖3所示(分別以JZ-c地層、RY-a地層為例)。

各分段掘進速率回歸模型自變量顯著性如圖4所示。8組地質(zhì)分段的掘進速率回歸模型中，RY-a中p3、RY-b中p3及F1/3、JZ-c中Fp的顯著性大于0.05，JZ-c中F的顯著性大于0.1。各地質(zhì)分段的掘進速率回歸模型均擁有8個自變量，在8組地質(zhì)分段范疇內(nèi)，自變量對0.05顯著性水平(sig.v)的合格率為92.18%，對0.1顯著性水平的合格率為98.44%，該回歸模型在均質(zhì)地層與復(fù)合地層掘進速率預(yù)測中均具有統(tǒng)計意義。

(4)

式中：δv為掘進速率回歸預(yù)測的相對誤差；vf為掘進速率擬合值；v為掘進速率實測值。

8組地質(zhì)分段的回歸預(yù)測平均相對誤差均小于37.0%，其中7組平均相對誤差介于10%～ 20%，表明掘進速率回歸模型在復(fù)雜多變的地質(zhì)條件下具有較高的預(yù)測精度。

表2 各分段盾構(gòu)掘進速率回歸模型系數(shù)

圖2 均質(zhì)地層掘進速率擬合結(jié)果(JZ-c地層)

Fig. 2 Fitting results of shield advancing speed in homogeneous stratum (JZ-c strata)

圖3 復(fù)合地層掘進速率擬合結(jié)果(RY-a地層)

Fig. 3 Fitting results of shield advancing speed in complex strata(RY-a strata)

圖4 各分段掘進速率回歸模型自變量顯著性

Fig. 4 Significances of every independent variable of regression model of shield advancing speed

掘進速率與刀盤轉(zhuǎn)速、推力成正比，與花崗巖殘積土和全風化花崗巖復(fù)合地層掘進經(jīng)驗[10]相似。土艙壓力與掘進速率的相關(guān)性呈現(xiàn)明顯的分段特征，土艙壓力與掘進速率由正相關(guān)轉(zhuǎn)向負相關(guān)的掌子面臨界BQE值域為(317.85, 371.715)，即在強度較低、完整性較差的地層中，增大土艙壓力有利于保持掌子面穩(wěn)定； 同時，注入的泡沫劑改善了渣土的流動性，有利于防止螺旋輸送機出渣噴涌，可以有效提高掘進速率。在強度和完整性較高的地層中，盾構(gòu)所受阻力較大、掘進速率較低，應(yīng)當降低土艙壓力，提高有效推力。渣土顆粒體積較大、質(zhì)量較大，須加大泡沫劑用量，以降低渣土顆粒輸送時對刀盤、刀具的二次磨損[13]，并延長螺旋輸送機使用壽命[14]，即土艙壓力及其冪與掘進速率呈負相關(guān)。

2.2 刀盤扭矩回歸模型

刀盤扭矩回歸模型的推導(dǎo)方法與掘進速率回歸模型相同。預(yù)測不同地層刀盤扭矩的通式，即刀盤扭矩回歸模型

Tf=k1n+k2F+k3p+k4p3+k5n2p1/3+k6F1/2+k7。

(5)

式中：Tf為刀盤扭矩擬合值，MN·m；n為刀盤轉(zhuǎn)速，r/min；p為土艙壓力，0.1 MPa；F為總推力與鉸接阻力之差，即刀盤與掌子面間掘進方向作用力，kN；kj(j=1,2,3,…,7)為刀盤扭矩回歸模型系數(shù)。

8組地質(zhì)分段刀盤扭矩回歸模型系數(shù)見表3。在各地層中式(5)均具有一定的擬合精度，對均質(zhì)地層和復(fù)合地層同時適用，具有一定程度的普適性。均質(zhì)地層與復(fù)合地層的掘進速率多元回歸擬合值與實測值對比如圖5和圖6所示(分別以JZ-c地層、RY-a地層為例)。

各分段刀盤扭矩回歸模型自變量顯著性如圖7所示。8組地質(zhì)分段的刀盤扭矩回歸模型中，RY-g中n2p1/3、JZ-a中F1/2、RY-d中常數(shù)項、JZ-b中n的顯著性大于0.05，RY-d中p的顯著性大于0.1。各地質(zhì)分段的刀盤扭矩回歸模型均擁有7個自變量，在8組地質(zhì)分段范疇內(nèi)，自變量對0.05顯著性水平(sig.T)的合格率為91.07%，對0.1顯著性水平的合格率為96.43%，該回歸模型在均質(zhì)地層與復(fù)合地層刀盤扭矩預(yù)測中均具有統(tǒng)計意義。

表3 各分段盾構(gòu)刀盤扭矩回歸模型系數(shù)

圖5 均質(zhì)地層刀盤扭矩擬合結(jié)果(JZ-c地層)

Fig. 5 Fitting results of cutterhead torque in homogeneous stratum(JZ-c strata)

圖6 復(fù)合地層刀盤扭矩擬合結(jié)果(RY-a地層)

Fig. 6 Fitting results of cutterhead torque in complex strata (RY-a strata)

圖7 各分段刀盤扭矩回歸模型自變量顯著性

Fig. 7 Significances of every independent variable of regression model of cutterhead torque

(6)

式中：δT為刀盤扭矩回歸預(yù)測的相對誤差；Tf為刀盤扭矩擬合值；T為刀盤扭矩實測值。

8組地質(zhì)分段的回歸預(yù)測平均相對誤差均小于25.0%，其中7組平均相對誤差介于0～20%，表明掘進速率回歸模型對均質(zhì)地層及上軟下硬地層均具有較好的預(yù)測精度。

盾構(gòu)掘進過程中，扭矩控制是保證液壓、電機設(shè)備正常工作，不超負荷，降低滾刀非正常磨損，避免軸承、刀座發(fā)生損壞的關(guān)鍵，主要通過增減推力和刀盤轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。為保證持續(xù)、安全掘進，通常設(shè)置扭矩警戒值作為施工控制指標。當扭矩增大時，應(yīng)降低刀盤轉(zhuǎn)速或降低推力?；貧w分析以既有掘進參數(shù)為基礎(chǔ)。由表3可知，8組地質(zhì)分段扭矩回歸模型的k1與k2、k6均互為正負異號或同為負值，是基于扭矩警戒值的人工干預(yù)在回歸分析中的體現(xiàn)。反之，掘進過程中若出現(xiàn)k1與k2、k6均為正值的情況，說明在該段掘進中盾構(gòu)操作人員未能在刀盤扭矩增大時通過降低刀盤轉(zhuǎn)速和推力以控制刀盤扭矩增大的趨勢，可能會導(dǎo)致刀盤、刀具、液壓、機電設(shè)備的異常損耗或失效。刀盤扭矩回歸模型在反映掘進過程中各盾構(gòu)狀態(tài)參數(shù)間相互關(guān)系的同時，還能夠作為判斷盾構(gòu)操作人工干預(yù)力度、設(shè)備運轉(zhuǎn)及損耗狀況的有效手段。

2.3 回歸模型地層適應(yīng)性分析

掌子面地層組成不同時，刀具、刀盤在掘進中與地層的相互作用力存在差異，導(dǎo)致掘進速率、刀盤扭矩的回歸方程系數(shù)存在差異。利用式(7)及式(8)分別計算不同地質(zhì)分段掘進速率、刀盤扭矩回歸方程系數(shù)的離均差率(Mean Deviation Rate, MDR)MDRv、MDRT。

(7)

(8)

掘進速率和刀盤扭矩回歸方程系數(shù)離均差率計算結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 掘進速率回歸方程系數(shù)離均差率

Fig. 8 Mean deviation rate of coefficients of regression model of shield advancing speed

圖9 刀盤扭矩回歸方程系數(shù)離均差率

Fig. 9 Mean deviation rate of coefficients of regression model of cutterhead torque

由圖8和圖9可知，當掌子面BQE增大時，掘進速率、刀盤扭矩回歸模型系數(shù)li、kj的變化趨勢存在明顯的分段特征。掌子面BQE在(100，150)內(nèi)時，li對其平均值的偏離程度均逐漸減小，MDRv逐漸收斂于(-1,1)；除k7外，kj對其平均值的偏離程度均逐漸減小，且k1、k2、k4、k5、k6的MDRT逐漸收斂于(-3,1)。掌子面BQE在(150，250)內(nèi)時，MDRv、MDRT主要在(-1，1)、(-3,1)內(nèi)波動，掘進速率、刀盤扭矩回歸模型各系數(shù)均變化較小，地層變化對各掘進參數(shù)間關(guān)系的影響較小。掌子面BQE在(250，350)內(nèi)時，li、kj對其平均值的偏離程度均先增大后減小，除l3、l6、k3外，其他系數(shù)的MDRv、MDRT分別最終收斂于(-1，1)、(-2，0)內(nèi)，回歸模型各系數(shù)均變化劇烈，地層變化對各掘進參數(shù)間關(guān)系的影響較為顯著。掌子面BQE大于350時，各系數(shù)趨于定值或有限波動，表明在掘進地層強度、完整性較高時，巖體質(zhì)量的提高對回歸模型系數(shù)的影響較小，受刀具材料性能及液壓、機電設(shè)備負載極限所約束，掘進速率、刀盤扭矩均達到或接近極限值，此時應(yīng)限制其他控制參數(shù)波動，以減少盾構(gòu)所受沖擊荷載，保障盾構(gòu)高效、穩(wěn)定地掘進。

3 結(jié)論與討論

1)全斷面等效巖體基本質(zhì)量指標反映了掌子面內(nèi)各地層面積占比差異，能夠量化復(fù)合地層圍巖物理、力學(xué)性質(zhì)差異，可作為復(fù)雜地質(zhì)條件下的地質(zhì)分段與掘進參數(shù)預(yù)測的基礎(chǔ)。

2)掘進速率與刀盤扭矩回歸預(yù)測模型的自變量對0.05顯著性水平的合格率均高于90%，表明回歸模型對不同地層具有較高的普適性。預(yù)測值與實測值間的相對誤差多集中在0～20%，表明回歸模型對均質(zhì)地層及復(fù)合地層均有較好的擬合精度。

3)掘進速率與刀盤轉(zhuǎn)速、推力成正比。掘進速率與土艙壓力的相關(guān)性呈現(xiàn)明顯的分段特征，相應(yīng)的掌子面臨界BQE值域為(317.85, 371.715)，掌子面BQE位于臨界值域兩側(cè)地層的土艙壓力控制措施相反。

4)掌子面BQE提高時，以150、250為臨界值，掘進速率、刀盤扭矩回歸模型系數(shù)對其平均值的偏離程度分段變化，地層變化對各掘進參數(shù)間關(guān)系的影響先減小后增大；掌子面BQE高于350時，回歸模型系數(shù)變化趨于穩(wěn)定，地層變化對各掘進參數(shù)間關(guān)系的影響較小。

復(fù)雜地層盾構(gòu)掘進速率和刀盤扭矩預(yù)測模型是對既有施工參數(shù)的統(tǒng)計學(xué)分析結(jié)果，能夠逼近變量間的客觀數(shù)學(xué)規(guī)律，但無法完全揭示研究對象間的物理規(guī)律。預(yù)測模型在各地層中均具有一定的擬合精度，但并未達到對掘進速率和刀盤扭矩的完全精準預(yù)測，仍有改進和提高的空間。

[1] 左翠鳳, 唐德高, 戎曉力, 等. 基于刀盤摩擦扭矩參數(shù)的刀具磨損狀態(tài)識別[J]. 隧道建設(shè), 2016, 36(3): 344-348.(ZUO Cuifeng, TANG Degao, RONG Xiaoli, et al. State recognition of cutter wear based on frictional torque parameters of cutterhead[J]. Tunnel Construction, 2016, 36(3): 344-348. (in Chinese))

[2] Ozdemir L, Miller R, WANG F D. Mechanical tunnel boring-prediction and machine design[R]. Colorado: Colorado School of Mines, 1977.

[3] 王洪新, 傅德明. 土壓平衡盾構(gòu)掘進的數(shù)學(xué)物理模型及各參數(shù)間關(guān)系研究[J]. 土木工程學(xué)報, 2006, 39(9): 86-90.(WANG Hongxin, FU Deming. A mathematical model and the related parameters for EPB shield tunneling[J]. China Civil Engineering Journal, 2006, 39(9): 86-90. (in Chinese))

[4] 管會生, 高波. 盾構(gòu)刀盤扭矩估算的理論模型[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報, 2008, 43(2): 213-217.(GUAN Huisheng, GAO Bo. Theoretical model for estimation of cutter head torque in shield tunneling[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2008, 43(2): 213-217.(in Chinese))

[5] 李潮, 周宏偉, 左建平, 等. 土壓平衡盾構(gòu)刀盤扭矩計算方法與多因素量化分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2013, 32(4): 760-766.(LI Chao, ZHOU Hongwei, ZUO Jianping, et al. Torque calculation method of cutterhead in earth pressure balance shield and quantitative analysis of several influencing factors[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2013, 32(4): 760-766. (in Chinese))

[6]Barton N. TBM performance estimation in rock using Q(TBM)[J]. Tunnels & Tunnelling International, 1999, 31(9): 30-34.

[7] Bruland A. Hard rock tunnel boring[D]. Trondheim: Norwegian University of Science and Technology, 2000.

[8] 張厚美, 吳秀國, 曾偉華. 土壓平衡式盾構(gòu)掘進試驗及掘進數(shù)學(xué)模型研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2005(增刊2): 5762-5766.(ZHANG Houmei， WU Xiuguo， ZENG Weihua. Study of tunneling experiment and mathematical model of EPB shield[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005(S2): 5762-5766. (in Chinese))

[9] 宋克志, 楊華勛, 安凱, 等. 復(fù)雜巖石地層盾構(gòu)掘進速率預(yù)測模型研究[J]. 公路交通科技, 2008, 25(11): 105-108.(SONG Kezhi, YANG Huaxun, AN Kai, et al. Shield tunneling rate prediction model for complex rock stratum [J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2008, 25(11): 105-108. (in Chinese))

[10] 李青松, 石豫川, 周春宏. 多元回歸法在某水電站TBM施工隧洞圍巖質(zhì)量預(yù)測中的應(yīng)用[J]. 長江科學(xué)院院報, 2012, 29(2): 41-45.(LI Qingsong, SHI Yuchuan, ZHOU Chunhong. Application of multiple regression method to the prediction of surrounding rockmass quality for TBM-excavated tunnels of hydropower station[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2012, 29(2): 41-45. (in Chinese))

[11] 工程巖體分級標準: GB/T 50218—2014[S]. 北京: 中國計劃出版社, 2014: 8-9. (Standard for engineering classification of rock mass: GB/T 50218—2014[S]. Beijing: China Planning Press, 2014: 8-9. (in Chinese))

[12] 周斌, 張懷亮, 程永亮. 復(fù)合地層盾構(gòu)機推進速度SVM預(yù)測模型研究[J]. 鐵道建筑技術(shù), 2014(10): 48-51. (ZHOU Bin, ZHANG Huailiang, CHENG Yongliang. Research on SVM prediction model of shield speed in the complex stratum[J]. Railway Construction Technology, 2014(10): 48-51. (in Chinese))

[13] 張厚美. TBM盤形滾刀重復(fù)破碎與二次磨損規(guī)律研究[J]. 隧道建設(shè), 2016, 36(2): 131-136.(ZHANG Houmei. Study of relationship between repeated cutting and secondary wear of TBM disc cutter[J]. Tunnel Construction, 2016, 36(2): 131-136. (in Chinese))

[14] 王樹華. 成都砂、卵石地層盾構(gòu)機耐磨性及刀具適用性研究[J]. 隧道建設(shè), 2012, 32(1): 11-18.(WANG Shuhua. Study of wearing-resistant capacity and cutting tool adaptability of shield machine: Machines used in sandy gravel stratum in Chengdu[J]. Tunnel Construction, 2012, 32(1): 11-18.(in Chinese))

Prediction Models of Advancing Speed and Cutterhead Torque of Shield Tunneling in Complex Strata and Its Adaptability to Strata

ZHANG Zhiqi1, LI Tong2, 3, *, HAN Aimin2, SU Ming1, HUANG Xinqiang3

(1. CCCC Tunnel Engineering Company Limited, Beijing 100088, China; 2. Institute of Geotechnical Engineering,NanjingTechUniversity,Nanjing210000,Jiangsu,China; 3.GeotechnicalEngineeringCompanyofJiangsuProvince,Nanjing210000,Jiangsu,China)

In this paper, the shield tunneling parameters in different geological sections are summarized; the multiple regression analysis is made on advancing speed and cutterhead torque of shield; the regression model of shield tunneling parameters in complex strata is obtained; and the relationship between parameters of regression models and the full-face equivalent basic quality index of rock mass is studied. The study results show that: 1) The full-face equivalent basic quality index of rock mass with consideration of proportion of different geological conditions can take as standards for geological sectioning. 2) The difference between predicted advancing speed and cutterhead torque of shield and measured data is little. The regression models have a good adaptability to homogeneous or complex strata. 3) The parameters of regression models, shield advancing speed and cutterhead torque, have obvious sectioned characteristics when the surrounding rock grade increases. The quantified results can be applied to predict shield advancing parameters in different strata and improve shield tunneling efficiency.

shield; complex strata; tunneling parameters; regression model; adaptability to strata

2016-04-12;

2016-06-20

中交隧道局重點科研項目(SDKJ2014-005)

張志奇(1985—)，男，黑龍江齊齊哈爾人，2007年畢業(yè)于北京機械工業(yè)學(xué)院，測控技術(shù)與儀器專業(yè)，本科，工程師，現(xiàn)主要從事盾構(gòu)施工技術(shù)和生產(chǎn)管理工作。E-mail： 249525836@qq.com。*通訊作者： 李彤， E-mail： gnotil80@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.12.007

U 455

A

1672-741X(2016)12-1449-07