[發(fā)明專利]一種基于巖碴質(zhì)量分形維數(shù)的TBM掘進性能預(yù)測方法

在審

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• 申請日: 2021-12-06
• 公開（公告）號: CN114372607A
• 公開（公告）日: 2022-04-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 閆長斌;李嚴;李高留
• 申請（專利權(quán)）人: 鄭州大學
• 主分類號: G06Q10/04
• 分類號: G06Q10/04;G06Q10/06
• 代理公司: 鄭州銀河專利代理有限公司 41158
• 代理人: 陳玄

本發(fā)明提供一種基于巖碴質(zhì)量分形維數(shù)的TBM掘進性能預(yù)測方法，屬于隧道工程TBM施工技術(shù)領(lǐng)域，包括如下步驟：步驟1、計算巖碴質(zhì)量分形維數(shù)；步驟2、獲取TBM掘進性能指標；步驟3、確定巖碴質(zhì)量分形維數(shù)與TBM破巖效率之間的關(guān)系；步驟4、用巖碴質(zhì)量分形維數(shù)預(yù)測TBM最佳掘進推力區(qū)間。本發(fā)明從巖碴質(zhì)量分布角度出發(fā)，利用巖碴質(zhì)量分形維數(shù)預(yù)測TBM破巖效率和最佳掘進推力，為TBM掘進性能預(yù)測與參數(shù)優(yōu)化提供新的思路。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及隧道工程TBM施工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于巖碴質(zhì)量分形維數(shù)的TBM掘進性能預(yù)測方法。

背景技術(shù)

巖石隧道掘進機(TBM)具有施工速度快、施工質(zhì)量高和安全性好等諸多優(yōu)點，已經(jīng)成為長距離隧道(洞)施工中的首選方法。相比于傳統(tǒng)鉆爆法施工，TBM核心優(yōu)勢在于快速，因此TBM施工的關(guān)鍵在于如何提高破巖效率。在隧道施工評價研究領(lǐng)域，TBM掘進性能預(yù)測是備受廣泛關(guān)注的熱點問題，而TBM掘進過程中產(chǎn)生的巖碴包含豐富信息，可綜合反饋圍巖情況與TBM破巖效率。許多國內(nèi)外學者對巖碴形狀、尺寸、粒徑分布與TBM掘進參數(shù)、破巖效率、圍巖條件等之間的關(guān)系開展了相關(guān)研究。諸多研究成果表明，巖碴粒徑分布規(guī)律與TBM掘進參數(shù)存在較好聯(lián)系，并可在一定程度上反饋TBM破巖效率。

比能是切削單位體積巖石所需要做的功，比能越小，破巖效率就越高。研究表明，巖碴的粗糙度指數(shù)是評價TBM破巖效率的有效指標，其與比能有良好的相關(guān)關(guān)系，粗糙度指數(shù)越大，TBM破巖產(chǎn)生的大粒徑片狀巖碴含量越多，比能就越小，破巖效率就越高。因此，比能和粗糙度指數(shù)均是反映破巖效率的重要指標。而對于巖石碎屑粒度分布方面的研究，在我國，謝和平院士最早將分形理論應(yīng)用于巖石破碎領(lǐng)域，認為切割、爆破、風化的巖石碎塊均表現(xiàn)出分形分布特征，并在《巖石斷裂和破碎的分形研究》中指出巖石碎屑的質(zhì)量分形維數(shù)與破碎單位體積巖石所消耗能量的對數(shù)值呈正比。目前，分形理論已在巖石碎屑粒度分布方面得到應(yīng)用，例如，閆鐵等在《旋轉(zhuǎn)鉆井中巖石破碎能耗的分形分析》中根據(jù)鉆井過程中破碎巖屑的粒度分布，分析了分形維數(shù)與能量耗散的關(guān)系；謝賢平等在《分形理論與巖石爆破塊度的預(yù)報研究》中用分形理論研究了巖石爆破碎屑的塊度特征，為爆破參數(shù)優(yōu)化提供了新途徑。然而巖碴粒徑分形特征及其在TBM掘進性能評價中的應(yīng)用，尚未見諸報道。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明提供一種基于巖碴質(zhì)量分形維數(shù)的TBM掘進性能預(yù)測方法，從巖碴質(zhì)量分布角度出發(fā)，利用巖碴質(zhì)量分形維數(shù)預(yù)測TBM破巖效率和最佳掘進推力，為TBM掘進性能預(yù)測與參數(shù)優(yōu)化提供新的思路。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于巖碴質(zhì)量分形維數(shù)的TBM掘進性能預(yù)測方法，包括如下步驟：

步驟1、計算巖碴質(zhì)量分形維數(shù)：在TBM施工現(xiàn)場采集若干組不同掘進段的混合粒徑巖碴試樣并進行現(xiàn)場篩分試驗，由篩分結(jié)果計算各組巖碴試樣的質(zhì)量分形維數(shù)；

步驟2、獲取TBM掘進性能指標：由篩分試驗結(jié)果獲得巖碴粗糙度指數(shù)，通過查閱施工日報或現(xiàn)場監(jiān)測記錄，獲取與巖碴試樣當天對應(yīng)的TBM掘進參數(shù)，計算出平均掘進推力，進而計算出比能；

步驟3、確定巖碴質(zhì)量分形維數(shù)與TBM破巖效率之間的關(guān)系：通過分析巖碴質(zhì)量分形維數(shù)與比能、粗糙度指數(shù)之間的關(guān)系，從而得到巖碴質(zhì)量分形維數(shù)與破巖效率的關(guān)系；

步驟4、用巖碴質(zhì)量分形維數(shù)預(yù)測TBM最佳掘進推力區(qū)間：利用步驟3中所得質(zhì)量分形維數(shù)與破巖效率之間的聯(lián)系，通過分析平均掘進推力與分形維數(shù)之間的關(guān)系，并用分形維數(shù)確定較高破巖效率時對應(yīng)的推力區(qū)間；

步驟5、驗證步驟4中推力區(qū)間的合理性：通過分析平均掘進推力與比能、粗糙度指數(shù)之間的關(guān)系，可得到比能較小或粗糙度指數(shù)較大時對應(yīng)的推力區(qū)間，即為最佳推力區(qū)間，用最佳推力區(qū)間與步驟4中所得的推力區(qū)間進行對比，驗證其合理性。

進一步的，所述步驟1中，根據(jù)篩分試驗所使用的篩網(wǎng)孔徑計算各組巖碴的粒度—質(zhì)量分形維數(shù)，計算式如下：

D＝3-a；