尚言明 馬池帥

(國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作湖北中心，湖北 武漢 430205)

1 概述

獲得可靠的巖體力學(xué)參數(shù)對進一步工程災(zāi)害或巖體穩(wěn)定性的評價、分析和設(shè)計具有重要意義。Hoek-Brown強度準(zhǔn)則以其深厚的巖石力學(xué)理論知識和實踐經(jīng)驗，提供了一種巖體參數(shù)預(yù)測模型，并根據(jù)工程經(jīng)驗給出不同開挖方式下巖體擾動系數(shù)D的估取值,在國際上也得到了廣泛的應(yīng)用和認(rèn)可[1-3]。然而，僅僅采用有限數(shù)量的離散數(shù)值很難對擾動程度D給出相對準(zhǔn)確的指導(dǎo)，在實際工程應(yīng)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(rèn)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(zhǔn)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(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)估計D值的經(jīng)驗關(guān)系。巫德斌等[5](2005)根據(jù)開挖方法的影響系數(shù)提出了一個經(jīng)驗公式。從彈性理論出發(fā)，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(shù)Kv求D值的方法。袁文軍等[7](2013)也在閆長斌的基礎(chǔ)上提出了D與Kv之間的非線性關(guān)系。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，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(guān)系，而不是擾動區(qū)和未擾動區(qū)的巖體特性。這個公式是否準(zhǔn)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(guān)系。根據(jù)巖體的超聲波速度，夏開宗等[9](2012)也估算了巖體的地質(zhì)強度指數(shù)(GSI)和擾動系數(shù)D的公式。

盡管后續(xù)學(xué)者進行了修正、完善，但對于TBM掘進參數(shù)與擾動程度的相關(guān)性研究還很少見，現(xiàn)有巖爆或沖擊地壓評判指標(biāo)中也未見涉及這一指標(biāo)，僅僅從掘進速率或者卸荷速率方面強調(diào)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(shù)與巖石、巖體參數(shù)的關(guān)系模型，進而提出一種基于TBM掘進參數(shù)和巖體參數(shù)的D值綜合預(yù)測模型，以期為工程施工災(zāi)害預(yù)防提供一定的理論指導(dǎo)，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(shù)和巖體參數(shù)的擾動程度D綜合預(yù)測模型分析

在巖土力學(xué)參數(shù)中，巖石強度UCS和地質(zhì)指標(biāo)GSI提供了最有用的性能指標(biāo)。一些案例[10-12]表明，TBM掘進參數(shù)與UCS和GSI相關(guān)的結(jié)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(shù)的相關(guān)性進行了評價。然后，在分析中引入了更復(fù)雜的綜合參數(shù)FPI,SE。

2.1 TBM掘進參數(shù)與巖石強度UCS之間的相關(guān)性

圖1和表2總結(jié)了不同TBM掘進參數(shù)下UCS的相關(guān)結(jié)果。如表2所示，在掘進機掘進參數(shù)中，一些簡單的參數(shù)如F，T，P和RPM與UCS有一定的相關(guān)性。此外，在復(fù)合TBM參數(shù)中，貫入度指數(shù)FPI比掘進比能SE表現(xiàn)出更好的相關(guān)性。該參數(shù)代表了TBM的三個主要參數(shù)，即F，N和P，表明掘進參數(shù)與地質(zhì)參數(shù)之間的合理相關(guān)性。因此，在目前的研究中，F(xiàn)PI被選為與UCS相關(guān)的合適掘進參數(shù)。

表2 TBM掘進參數(shù)(T,P,F,RPM;

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

結(jié)果表明，復(fù)合TBM參數(shù)(FPI和SE)與UCS具有較好的相關(guān)性。簡單參數(shù)之間也存在一定的相關(guān)性，但相關(guān)性較小。

2.2 TBM掘進參數(shù)與地質(zhì)指標(biāo)GSI之間的相關(guān)性

GSI是用于描述巖體質(zhì)量的常用參數(shù)，已在工程巖石力學(xué)中得到廣泛應(yīng)用，為設(shè)計巖石隧道、邊坡等所需的數(shù)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(shù)與地質(zhì)強度指數(shù)(GSI)之間的關(guān)系。圖2顯示了與FPI和巖體分類相關(guān)的結(jié)果。表3列出了相關(guān)的匯總結(jié)果。

表3 TBM掘進參數(shù)與地質(zhì)強度指數(shù)GSI估算公式統(tǒng)計

參數(shù)R2關(guān)系式簡單參數(shù)貫入度0.486 9GSI=106.06×P-0.278轉(zhuǎn)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(fù)合參數(shù)FPI0.594 3GSI=0.831×FPI+48.76SE0.722 1GSI=9.26×ln(SE)+30.87

GSI與TBM掘進參數(shù)的相關(guān)性排序：SE>FPI>扭矩>推力>轉(zhuǎn)速>貫入度，因此選擇SE作為與GSI建立經(jīng)驗關(guān)系的合適掘進參數(shù)。

2.3 TBM掘進參數(shù)與擾動程度D的相關(guān)性分析

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

首先，利用采用TST超前地質(zhì)預(yù)報獲得現(xiàn)場巖體波速分布及圍巖分類，如圖3所示。

采用構(gòu)造偏移圖像和圍巖波速相互印證，可為工程地質(zhì)人員的現(xiàn)場地質(zhì)構(gòu)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(jù)。根據(jù)地質(zhì)分析選擇硬脆性巖體的擾動波速與未擾動區(qū)波速，求得相應(yīng)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(zhì)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(zhǔn)則認(rèn)為的0值，其隨著地質(zhì)條件、TBM掘進參數(shù)的變化而改變。為了得到更好的擬合關(guān)系，選擇巖石強度、地質(zhì)強度GSI、相對完整硬脆性圍巖體中掘進速度ROP三個參數(shù)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(shù)的估算公式求得：

UCS=34.35ln(FPI)+79.81；

GSI=9.26×ln(SE)+30.87。

綜上，根據(jù)隧道施工期TBM掘進參數(shù)、巖石單軸抗壓強度UCS及地質(zhì)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(guān)巖爆或沖擊地壓的實時評判體系，即可對地質(zhì)災(zāi)害進行實時評判。

3 結(jié)語

擾動程度D受開挖方法、隧道規(guī)模、尺寸和巖土參數(shù)(包括完整巖石特性、不連續(xù)性特征和一些巖體參數(shù))的影響。從前面討論的結(jié)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(shù)和巖體參數(shù)的實時預(yù)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(shù)和巖體參數(shù)的擾動程度D綜合預(yù)測模型。得出以下結(jié)論：

1)研究了不同地質(zhì)和巖土力學(xué)參數(shù)對TBM性能的影響。分析表明，在不同的參數(shù)中，F(xiàn)PI,SE等組合參數(shù)分別與UCS和GSI有較好的相關(guān)性?；赥BM掘進參數(shù)的UCS和GSI實時預(yù)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(shù)，提出了一種擾動程度D的定量模型，將為讀者在不同地質(zhì)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(dǎo)：

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(zhǔn)確迅速地對現(xiàn)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(shù)目前僅適用于類似的地質(zhì)情況、TBM規(guī)范和操作程序。

為更好地將本文的研究成果應(yīng)用于工程實踐，下一步我們將開發(fā)一個涵蓋不同地質(zhì)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(shù)信息傳輸?shù)较到y(tǒng)，再結(jié)合我們提出的巖爆和擠壓大變形的判據(jù)，即可實時評判掌子面的安全狀態(tài)，指導(dǎo)工程中及時調(diào)整掘進參數(shù)，從而避免巖爆和卡機災(zāi)害發(fā)生的次數(shù)。