以工程样本数据为依托的tbm施工围岩分级方法
【专利摘要】本发明公开了一种以工程样本数据为依托的TBM施工围岩分级方法，包括：确定岩体可掘进性的敏感参数&、KV、a和渗水量；采用模糊聚类理论建立样本模糊聚类模型；对工程项目样本进行聚类分析，从而得到样本聚类结果；根据获得的样本聚类结果以及每个参数对R0P的影响，将样本可掘进性级别划分为I、II、III级；进一步细化，最终得出TBM施工围岩可掘进性分级。本发明方法针对现有TBM施工领域缺乏系统完整的地质预测及性能预测实施方法这现状，提出依据施工样本数据，建立TBM施工条件下的隧洞围岩系统化分类方法，旨在准确预测特定地质条件下的TBM掘进性能，指导确立各项施工参数，并预期对TBM刀盘的设计提供定量依据。
【专利说明】以工程样本数据为依托的TBM施工围岩分级方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及对TBM掘进性能进行准确预测的方法，尤其涉及一种TBM可掘进性分 级预测方法。
【背景技术】
[0002] 在TBM(全断面隧道掘进机）设计、制造、施工应用过程中，施工效率的高低是决定 工程成败和效益的关键，而千变万化的地质条件在很大程度上影响TBM的施工，使其掘进 速率在1?1500m/月的大范围内变化。所以，系统、定量地研究TBM施工围岩的地质特征 对于有效预测TBM施工速率具有重大意义。
[0003] 目前，在TBM业界，尚缺乏完善的TBM施工围岩分类分级的统一标准。美国学者迪 尔[1]在基于施工岩体质量方面提出了 RQD分级法，但由于受钻孔机具、工艺水平等因素影 响，同一岩体得出的RQD值有时存在较大差异，在实际应用中具有困难。南非学者宾尼维 斯基博士 [1]于1973年提出地质力学分级法（CSIR)，该分级法根据岩体各项性质参数确定 分级判据，实现了各项指标量化的目的，但是必须依赖有经验的地质人员，操作起来较为复 杂。挪威学者Barton N[m]提出了岩体分类Q系统，它由RQD、节理组数Jn、节理面粗糙度上、 节理蚀变程度J a、裂隙水影响因素Jw以及地应力影响因素SRF等6项指标组成。在此基础 上，Barton N又提出了适用于TBM施工的改进岩体分类系统--QTBM，该系统将许多TBM施 工参数和机器参数包含于其中，并显示了与岩石之间的相互作用，但是由于该系统所涉及 的参数指标过多，实用困难，且一些学者如Sapigni Μ等[4]利用意大利Maen隧道和Pieve 隧道等的TBM施工资料研究发现QTBM并非对上述指标都敏感，在其应用中会引起误导。我 国对于隧道围岩的分类也做了一定的研究，较为权威的有《工程岩体分级标准》 [5]，在此基 础上，何发亮等[6]提出了一种新的TBM施工围岩分类，所涉及的岩石性质参数有岩石单轴 抗压强度R。、岩体完整性系数K v、岩石耐磨性指数Ab、岩石凿碎比功a ;张宁等[7]分析了影 响隧洞稳定性的因素；李苍松等[8]等针对水工隧道围岩的等级划分进行了探讨。
[0004] 综上所述：当今流行的隧道围岩分级或分类方法，主要针对单方面隧道围岩质量 及其稳定性级别进行划分，而TBM施工条件下的隧道围岩分类方法应主要针对于工程岩体 的可掘进性，即依据影响围岩可掘进性的主要地质因素与TBM工作效率的相互作用关系来 划分。通过对国内外隧道围岩分类情况的了解，我们知道，影响围岩分类的因素很多，各种 因素相互影响，十分复杂，且目前所存在的围岩分级分类系统的普适性较差，往往不能针对 特定的项目工程进行分级预测。因此，建立起以工程样本数据为依托的TBM施工围岩分级 方法显得尤为重要。
[0005] 参考文献：
[0006] [1]王石春，何发亮，李苍松，隧道工程岩体分级[M].成都：西南交通大学出版社， 2007 :11-32. WANG Shichun，HE Faliang，LI Cangsong. Classification of surrounding rock mass in tunneling engineering[M]. Chengdu ：Southwest Jiaotong University Press，2007 :11_32。
[0007] [2]Barton N. TBM performance estimation in rock using QTBM[J]. Tunnels and Tunneling International, 1999, 31(9) :41_48〇
[0008] [3]Barton N. Comments on a critique of QTBM[J]. Tunnels and Tunneling International, 2005,37(9) : 16-19。
[0009] [4]Sapigni M, Berti M, Bethaz E,et al. TBM performance estimation using rock mass classifications[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2002,39(61) :771-788。
[0010] [5]中华人民共和国国家标准编写组.GB50218-94工程岩体分级标准[S]。北 京：中国计划出版社，1995. The National Standards Compilation Group of People's Republic of China. GB50218-95 Standard of engineering classification of rock mass[S].Beijing:China Planning Press,1995。
[0011] [6]何发亮，谷明成，王石春，TBM施工隧道围岩分级方法研究[J]·岩石力学与 工程学报 2002, 21 (9) :1350-1354. · HE Faliang,⑶ Mingcheng, WANG Shichun. Study on surrounding rock mass classification of tunnel cut by TBM[J] · Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2002, 21 (9):1350-1354。
[0012] [7]张宁，石豫川，童健刚，TBM施工深埋隧洞围岩分类方法初探[J].现代隧 道技术，2010,47(5):11-14.ZHANG Ning，SHI Yuchuan, TONG Jiangang.Discussion on Rock Classification of TBM Excavated Deep Tunnels[J]. Modern Tunneling Technology, 2010, 47(5) : 11-14。
【发明内容】
[0013] 针对特定工程项目的TBM施工领域，本发明以工程样本数据为依托的TBM施工围 岩分级方法，以期对TBM掘进性能进行准确预测、对TBM施工提供科学指导。本发明采用模 糊聚类理论的研究方法，克服了传统数学模型中的确定性表达形式，是以样本数据为基础， 更符合TBM施工围岩分级的实际情况。本发明中建立了 TBM施工围岩可掘进性分级预测模 型，并以掘进速率R〇P(m · 1Γ1)将TBM施工围岩可掘进性分为三个等级：其中：1级围岩是 指为可掘进性好；II级围岩是指可掘进性一般；III级围岩代表可掘进性差。
[0014] 本发明一种以工程样本数据为依托的TBM施工围岩分级方法，包括以下步骤：
[0015] 步骤1、确定岩体可掘进性的敏感参数，包括：岩石单轴抗压强度R。、岩石完整性系 数&、岩体结构面与隧道轴线夹角α和渗水量；
[0016] 步骤2、采用模糊聚类理论建立样本模糊聚类模型，包括： _7] 1)建立数据矩阵U :设论域U = {χρ χ2, χ3，…χ1(ι(ι}为被分类域，其中Xi为被分类 对象，每个对象包括四个指标用以表示该对象的特征，即：Xi = {xn, Xu，XiJ，其中，Xi表 示数据矩阵中的第i个样本，xn表示岩石单轴抗压强度R。，xi2表示岩石完整性系数K v，xi3 表示岩体结构面与隧道轴线夹角α，Xi4表示渗水量，得到原始数据矩阵为：
[0018]
[0019] 2)对原始数据矩阵进行标准化处理：运用平移极差变换将矩阵数据压缩至[0 1] 的范围，其变换公式如下：
[0020]
【权利要求】
1. 一种以工程样本数据为依托的TBM施工围岩分级方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1、确定岩体可掘进性的敏感参数，包括：岩石单轴抗压强度R。、岩石完整性系数 Kv、岩体结构面与隧道轴线夹角α和渗水量； 步骤2、采用模糊聚类理论建立样本模糊聚类模型，包括： 1) 建立数据矩阵U :设论域U = {Χρ χ2, χ3，…χ1(ι(ι}为被分类域，其中Xi为被分类对象， 每个对象包括四个指标用以表示该对象的特征，即：11={111，112，1 13，1^}，其中，11表示数 据矩阵中的第i个样本，Xn表不岩石单轴抗压强度R。，x i2表不岩石完整性系数Kv，xi3表不 岩体结构面与隧道轴线夹角a， Xi4表示渗水量，得到原始数据矩阵为：
2) 对原始数据矩阵行标准化处理：运用平移极差变换将矩阵数据压缩至[0 1]的范 围，其变换公式如下：
其中，（k = 1，2,…，4)，则：0 彡 X" ik< 1 ; 3) 建立模糊相似矩阵：在上述步骤1)所建立的原始数据矩阵中选取样本\和\，并定 义两者的相似程度为ru = R(Xi，Xj)，其中：i，j = 1，2,. . . . 100 ;采用直接距离法确定相似 程度Aj = 1-c · dUi, Xj)，其中，c为适当选取参数，且0 < c < 1，dUi, Xj)表示样本Xi与 样本
设〇彡b彡1，取c = 0. 1 ;所得的模糊相 似矩阵如下：
该模糊相似矩阵为对角型矩阵； 4) 运用直接聚类法实现样本数据的分类，即根据建立的模糊相似矩阵进行数据的逐次 分类： 首先，定义= 1，λ为聚类指数，且范围是〇彡λ彡1，λ最大值，对每一个 Xi样本作相似类，即将满足ru = 1的Xi和&归为一类，构成相似类，在不同的相似类中将 有公共元素的相似类合并，从而构成λ i = 1水平上的等价类； 然后，定义\ 2为次大值，且〇彡λ2< ，依据上述方法，即对每一个Xi样本作相似 类，即将满足= 1的\和&归为一类，构成相似类，在不同的相似类中将有公共元素的 相似类合并，得到λ 2水平上的等价类；以此类推，直至合并到X为一类为止； 至此，已将样本数据进行了模糊分类，建立了模糊聚类模型； 步骤3、对工程项目样本进行聚类分析，从而得到样本聚类结果： 基于上述模糊聚类理论，将一工程项目中的100个样本进行聚类分析，并以Euclidean 距离模型表示最终聚类结果，以聚类树状图显示样本聚类的动态过程，经过逐次分类最终 合并为一类； 步骤4、岩体可掘进性分级的初步划定： 根据步骤3获得的样本聚类结果以及步骤1确定的岩石单轴抗压强度R。、岩石完整性 系数Kv、岩体结构面与隧道轴线夹角α和渗水量对掘进速率ROP的影响，将样本可掘进性 级别划分为三个级别，包括I级、II级和III级，并确定每一级岩体岩石单轴抗压强度R。、岩 石完整性系数Κ ν、岩体结构面与隧道轴线夹角α和渗水量的范围值以及所对应的掘进速率 ROP值，初步划定围岩可掘进性分级如下：
步骤5、岩体可掘进性分级的进一步精简划定 根据步骤4初步划定的岩体可掘进性分级，利用SPSS软件对各级岩体的性质参数进行 敏感性分析，得出TBM施工围岩可掘进性分级如下：
该TBM施工围岩分级方法中，岩石单轴抗压强度R。的单位为Mpa，岩体结构面与隧道轴 线夹角α的单位为°，渗水量的单位为L/min . 10m，掘进速率ROP的单位为m . h'
【文档编号】G06F19/00GK104217124SQ201410470188
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年9月15日 优先权日:2014年9月15日
【发明者】朱殿华, 王攀, 孙斌, 宋立玮 申请人:天津大学