, 柯杰1,2, 齐梦学3, 邓朝辉4 1. 中南大学 高性能复杂制造国家重点实验室, 湖南 长沙 410083;
2. 中南大学 机电工程学院, 湖南 长沙 410083;
3. 中铁十八局集团隧道工程有限公司, 重庆 400700;
4. 中铁第四勘察设计院集团有限公司, 湖北 武汉 430063
收稿日期：2020-03-30
基金项目：国家重点研发计划项目(2017YFB1302600)；湖南省科技重大专项(湖南创新型省份建设专项经费资助，2019GK1010)；长沙市科技计划重大专项(kq1703022)。
作者简介：夏毅敏(1967-)，男，江西永新人，中南大学教授，博士生导师。
摘要：为了研究TBM掘进参数与不同岩性地层的相关性规律, 以新疆某引水工程为背景, 针对典型岩性地层选取了300 m掘进参数数据, 采用数理统计方法分析3项掘进参数与6种岩性地层的相关性. 通过分析6种岩性地层下刀盘转速、总推力与推进速度之间相关性, 提出6种岩性地层下的掘进建议. 结果表明: 各种岩性地层中推进速度、总推力的平均值差距较大, 且有较大波动; 刀盘转速波动不大, 平均值差异较小; 硅质岩、安山岩和凝灰岩地层下, 总推力、刀盘转速和推进速度不相关; 糜棱岩和砂岩地层下, 总推力、刀盘转速和推进速度正相关; 碎裂岩地层下总推力与推进速度负相关.
关键词：TBM掘进参数岩性数理统计相关性分析
Correlation Analysis of TBM Operating Parameters and Different Lithologic Strata
XIA Yi-min1,2
, KE Jie1,2, QI Meng-xue3, DENG Chao-hui4 1. State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing, Central South University, Changsha 410083, China;
2. College of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;
3. China Railway 18 Bureau Group Tunnel Engineering Co., Ltd., Chongqing 400700, China;
4. China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063, China
Corresponding author: XIA Yi-min, E-mail: xiaymj@csu.edu.cn.
Abstract: In order to study the correlation between TBM operating parameters and different lithologic strata, taking a Xinjiang water diversion project as the background, 300 m of tunneling parameter data was selected for typical lithologic strata. The correlation between 3 tunneling parameters and 6 lithologic strata was analyzed by using mathematical statistics. By analyzing the correlation among propulsion speed, total thrust and cutter speed under the six types of lithologic strata, the tunneling suggestions were put forward. The results show that the average value of propulsion speed and total thrust varies greatly among different lithologic strata. The cutter speed fluctuates little, and the average difference is small. In siliceous, andesite and tuff strata, the total thrust, cutter speed and propulsion speed are not correlated. In mylonite and sandstone strata, the total thrust, cutter speed and propulsion speed are positively correlated. In cataclastic rock strata, the total thrust is negatively correlated with the propulsion speed.
Key words: TBM(tunnel boring machine)operating parameterslithologymathematical statisticscorrelation analysis
全断面隧道掘进机(TBM)由于掘进速度快、支护能力强、污染性低等众多优点被广泛用于深岩巷道开挖[1], 但在深巷隧道掘进过程中随着地层岩性条件变化, 如何正确地选取掘进参数、降低掘进风险[2]、保证施工安全及效率一直是业内的一大难题.
目前, 关于岩性识别与岩石破碎方面已有许多研究成果.岩性识别方面Oloruntobi等[3]研究了破碎和清除穿透岩石所需要的总能量与岩性之间的关系, 提供了一种岩性识别的可靠方法.岩性与破岩方面Wang等[4]建立了破岩强度的数学模型, 通过实验与数值模拟, 验证了岩石破碎强度与岩性之间的关系.王召迁等[5]研究了贯入度、切削速度及刀间距的选择对破岩性能的影响, 并获得了最优贯入度与切削速度. Yang等[6]分析了石英闪长岩与石英片岩地层中刀具消耗规律及原因, 提出了控制掘进参数、刀具检查与处理的管理对策.Li等[7], Yang等[8]通过在砂岩、泥岩、石灰岩及页岩等岩石材料上进行试验, 研究了岩性对破碎碎石压实的影响与岩石节理倾角对TBM破岩效果的影响.
隧道开挖过程中, TBM掘进参数及性能与地层岩体特征息息相关[9], 不仅可以通过掘进参数预测岩体参数[10], 而且可以分析正常掘进中岩体参数与掘进参数的关系, 建立对应岩性地层中TBM性能预测模型[11].其中, 分析多种不同岩性地层与TBM关键掘进参数的相关性起着关键基础性作用.
本文以某引水工程为背景, 选取了6种典型岩性地层下300 m长, 数十万组的掘进参数, 采用数理统计方法分析了6种岩性地层下掘进参数的变化规律, 利用线性拟合方法分析了总推力、刀盘转速和推进速度的相关性, 为同类型TBM根据掘进参数的变化趋势判断掌子面前方地层岩性的好坏, 调节掘进参数、提高掘进效率提供参考.
1 工程背景新疆某引水工程1标段, 施工长度12.5 km, 埋深范围为65~300 m, 相对高差范围为5~35 m, 采用TBM掘进.掘进段穿过石炭系、泥盆系和华力西期三大地层, 石炭系地层岩性主要为安山岩与硅质岩, 岩体呈巨厚层状, 局部含凝灰质砂岩, 岩层产状为40°~50°/NW∠30°~50°.泥盆系地层岩性主要为凝灰岩与砂岩, 局部夹砂砾岩、沉凝灰岩, 岩层产状为30°~45°/NW∠40°~50°.华力西期地层岩性主要为石英闪长斑岩, 零星分布于隧洞中.
由于该段岩石类型多样, 选取6种主要岩性地层: 硅质岩、砂岩、凝灰岩、糜棱岩、安山岩与碎裂岩作为研究对象.所涉及的地层岩性参数如表 1所示.
表 1(Table 1)
 表 1 部分地层岩性参数Table 1 Lithologic parameters of some strata
| 表 1 部分地层岩性参数 Table 1 Lithologic parameters of some strata |
硅质岩地层: 岩体完整, 岩体呈巨厚层状, 与洞轴线夹角约35°, 石英质量分数范围5 % ~10 %;
砂岩地层: 围岩整体稳定性较好, 与洞轴线夹角约35°, 石英质量分数范围5 % ~10 %;
凝灰岩地层: 岩体完整性好, 与洞轴线夹角约35°, 岩石中石英质量分数小于5 %;
糜棱岩地层: 分布于断裂发育带两侧, 岩石粒度小, 外貌致密, 坚硬, 具糜棱岩化结构, 条带状构造;
安山岩地层: 岩体坚硬, 岩体主要呈块状结构, 石英质量分数范围10 % ~15 %;
碎裂岩地层: 断层发育, 与洞轴线夹角约85°, 破碎带宽10~20 m(上宽下窄), 破碎带内以碎裂岩为主, 岩体稳定性差.
2 6种岩性地层掘进参数的变化规律2.1 TBM掘进参数选取TBM掘进参数来源于在隧道掘进过程中数据采集系统对各项参数的监测与记录, 主要包括机首里程、主驱动推进速度(后简称为推进速度)、主驱动总推进力(后简称为总推力)、刀盘扭矩、刀盘转速、TBM姿态(机首水平偏移、机首垂直偏移)、左右撑靴撑紧力、左右撑靴位移、推进油缸压力和位移、左右后支撑压力、主机皮带机驱动压力等二百余项.其中大部分参数都是设定值, 在掘进过程中保持不变, 只有小部分参数会由掘进地层不同而改变.它们可以分为人工调节参数(包括总推力、刀盘转速等)、被动参数(包括刀盘扭矩、主皮带机驱动压力等)以及目标参数(包括推进速度、贯入度等).
因此, 本文选取推进速度、总推力和刀盘转速作为分析对象.根据地层岩性的变化, 选取6种岩性地层下各掘进50 m所记录的掘进参数.
2.2 掘进参数预处理1) 非掘进状态剔除.TBM掘进过程中由于TBM撑靴换步、围岩支护、刀具更换、停机检查维修等工序而产生大量非掘进状态下的数据积累.为排除非掘进状态下的数据对掘进状态数据进行干扰, 根据王超提出的二值判别函数[12]进行判别并剔除, 其数学表达式为
 | (1) |
 | (2) |
 | (3) |
2) 启停阶段数据剔除.在剔除非掘进状态的数据后, 正常掘进数据中还包括TBM启动阶段、稳定掘进阶段和停止阶段三部分数据.启动阶段是TBM由静止状态到稳定掘进的过渡阶段, 停止阶段指每个掘进循环末端由稳定掘进状态到停机状态的过渡阶段, TBM原始掘进数据为时域信号, 采样时间为1 s, 启动和停止阶段数据量庞大并且数值变化大对整体数据特征值产生干扰.为了剔除启停阶段的数据, 本文剔除了每个非掘进状态数据点之后的200个数据点和之前的60个数据点.以2个小时内的掘进数据为例, 绘制推进速度随时间的变化关系以及预处理后数据变化情况, 如图 1所示.
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 数据预处理前后的对比Fig.1 Comparison before and after data preprocessing (a)—原始数据; (b)—预处理后的数据. |
2.3 推进速度的变化趋势6种岩性地层中推进速度的变化趋势与平均值计算结果见图 2.
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 不同岩性下推进速度变化曲线Fig.2 The variation curve of the propulsion speed in different lithologies |
从6种岩性下推进速度变化趋势图可以看出, 在凝灰岩地层和砂岩地层中, 推进速度波动范围非常小, 凝灰岩地层基本在45~55 mm/min, 砂岩地层基本在10~25 mm/min, 基本上分布在平均值周围.对数据进行平均值与标准差计算, 结果见表 2.凝灰岩地层推进速度标准差为5.37 mm/min, 推进过程最稳定, 而安山岩与糜棱岩地层数据波动最大, 安山岩地层标准差为16.77 mm/min, 糜棱岩地层为15.95 mm/min, 数据值很分散.
表 2(Table 2)
表 2 不同岩性下推进速度特征值对比Table 2 Comparison of characteristic values of propulsion speed in different lithologies?
| 表 2 不同岩性下推进速度特征值对比 Table 2 Comparison of characteristic values of propulsion speed in different lithologies? | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
根据6种岩性下推进速度特征值对比可得, 不同岩性地层下, 推进速度的平均值与中位数之间差距较大.在安山岩、凝灰岩以及糜棱岩地层中较高, 均高于50 mm/min, 而在砂岩与碎裂岩地层中推进速度较低, 约低于20 mm/min, 结合人为操作因素的干扰, 各岩性地层基本符合地层实际情况.
2.4 总推力的变化趋势6种岩性地层中主驱动总推进力的变化趋势与平均值计算结果如图 3所示.
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 不同岩性下总推力变化曲线Fig.3 The variation curve of total thrust in different lithologies |
从6种岩性下总推力变化趋势图可以看出, 硅质岩地层的总推力波动较小, 而碎裂岩地层波动范围较大, 达到了10 MN左右.
根据表 3不同岩性下总推力特征值可发现, 不同地层中的总推力平均值最大差异达到了2倍以上, 其中总推力最大的为安山岩地层, 达到了16.13 MN, 最小为碎裂岩地层，岩石较软, 推进速度小, 总推力仅为6.52 MN；同时硅质岩与砂岩地层相差不大, 均在13 MN附近, 糜棱岩、凝灰岩与碎裂岩地层相差不大, 在6.5 MN上下.
表 3(Table 3)
表 3 不同岩性下总推力特征值对比Table 3 Comparison of characteristic values of total thrust in different lithologies ?
| 表 3 不同岩性下总推力特征值对比 Table 3 Comparison of characteristic values of total thrust in different lithologies ? | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2.5 刀盘转速的变化趋势6种岩性地层中主刀盘转速的变化趋势与平均值计算结果见图 4.
图 4(Fig. 4)
 | 图 4 不同岩性刀盘转速变化曲线Fig.4 The variation curve of cutter speed in different lithologies |
从6种岩性刀盘转速变化趋势图可以看出, 除碎裂岩地层外其他5种岩性地层中的刀盘转速波动范围都很小, 基本在平均值附近波动.
根据表 4不同岩性刀盘转速特征值对比可以发现, 各地层中的刀盘转速离散性较小, 平均值差异不大, 在4.85~7.32 r/min区间, 碎裂岩地层转速最小, 维持掌子面稳定, 仅为4.85 r/min, 硅质岩地层转速最大为7.32 r/min.
表 4(Table 4)
表 4 不同岩性刀盘转速特征值对比Table 4 Comparison of characteristic values of cutter speed in different lithologies?
| 表 4 不同岩性刀盘转速特征值对比 Table 4 Comparison of characteristic values of cutter speed in different lithologies? | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
3 掘进参数相关性分析TBM以1 s为间隔记录掘进参数, 这导致即使掘进50 m也会产生上万组数据, 不利于掘进参数相关性分析.同时, 掘进参数有很强的随机性, 相邻数据间的波动较大, 会降低分析结果的精度.因此, 将预处理后的数据每60个取一个均值, 减少数据量, 降低相邻数据间的差异.
3.1 总推力与推进速度的相关性分析各个岩性地层段总推力与推进速度的关系如图 5所示.
图 5(Fig. 5)
 | 图 5 不同岩性地层段总推力与推进速度关系Fig.5 Relationship between total thrust and propulsion speed in different lithologic strata (a)—硅质岩地层; (b)—糜棱岩地层; (c)—凝灰岩地层; (d)—砂岩地层; (e)—安山岩地层; (f)—碎裂岩地层. |
在硅质岩地层中, 数据点聚集在两个区域, 分别为总推力9.5~12 MN和12~15 MN区间段.总推力与推进速度相关性较弱.在总推力9.5~13 MN区间段, 推进速度随着总推力的提高而下降.这是由于存在一段硅质岩地层地下水含量高, 岩体较软, 使得总推力降低, 推进速度提高.
在糜棱岩地层中, 数据点出现明显的分层.一小部分数据点集中在推进速度15~25 mm/min总推力4.5~7.5 MN区域.这可能是该部分掌子面稳定性较低, 需要降低总推力和刀盘转速减小对掌子面扰动; 另一部分数据分布在推进速度40~80 mm/min总推力3~12 MN区域.这一部分数据点的总推力跨度很大, 是由于糜棱岩硬度高、强度低, 呈条带状, 自身的节理走向很大程度上会影响推力大小和开挖效率.相关性分析表明, 糜棱岩地层中总推力与推进速度不相关.
在凝灰岩地层中, 数据点均匀分布在总推力4~10 MN, 推进速度40~57 mm/min的区域, 总推力与推进速度不相关.
在砂岩地层中, 总推力与推进速度相关性较强, 呈正相关.在总推力10~16 MN区间段, 推进速度随着总推力的增加而提高.
在安山岩地层中, 数据点集中在总推力14~18 MN区间段, 总推力和推进速度的相关性较低, 呈正相关; 总推力在7~14 MN之间时, 推进速度随着总推力的提高而增加.当总推力达到14 MN之后, 推进速度不再因总推力的提高而增加.
在碎裂岩地层中, 总推力和推进速度的相关性较低, 呈负相关, 推进速度随着总推力的提高而降低.
3.2 刀盘转速与推进速度的相关性分析各个岩性地层段刀盘转速与推进速度的关系如图 6所示.
图 6(Fig. 6)
 | 图 6 不同岩性地层下刀盘转速与推进速度关系Fig.6 Relationship between cutter speed and propulsion speed in different lithologic strata (a)—硅质岩地层; (b)—糜棱岩地层; (c)—凝灰岩地层; (d)—砂岩地层; (e)—安山岩地层; (f)—碎裂岩地层. |
在硅质岩和安山岩地层中, 数据点都比较集中, 刀盘转速变化范围小, 刀盘转速与推进速度不相关.这是由于硅质岩与安山岩同为坚硬岩石, 是Ⅱ类围岩, 有很高的硬度和强度, 围岩稳定性好, 需要将刀盘转速保持在较高的水平来保证较好的掘进速度.
在糜棱岩地层中, 数据点分布较为分散, 有明显的数据断层.数据点在刀盘转速4.6~7.3 r/min, 推进速度15~80 mm/min区间均有分布.在糜棱岩地层下, 刀盘转速与推进速度的相关性系数为0.48, 呈正相关.
在凝灰岩地层中, 数据点分隔成两个区域, 刀盘转速与推进速度不相关.这是由于凝灰岩地层数据包含了两种有明显差异的地质段.
砂岩地层的数据点沿刀盘转速方向的分布有明显的断层, 推进速度在22 mm/min上下的数据点也有明显区别.砂岩地层下刀盘转速与推进速度有一定的相关性.刀盘转速在5.2~5.8 r/min区间时, 随着刀盘转速提高, 推进速度略微下降; 刀盘转速在5.8~6.6 r/min区间时, 随着刀盘转速提高, 推进速度明显提高.
碎裂岩数据点分布较广, 刀盘转速和推进速度的值较小, 两者相关性较低.碎裂岩的拟合曲线与砂岩类似, 在刀盘转速4.6~5.8 r/min时, 推进速度随着刀盘转速的提高而加快.
3.3 总推力、刀盘转速与推进速度的相关性分析在安山岩和硅质岩地层中, 数据点集中分布, 总推力、刀盘转速与推进速度不相关.在凝灰岩地层中, 数据点在刀盘转速方向分割成两个区域, 并且都在总推力方向上均匀分布.因此, 只对数据点分布更为复杂的糜棱岩、砂岩和碎裂岩地层进行分析, 结果如图 7所示.为了显示方便, 图 7b中x轴为刀盘转速, y轴为总推力.
图 7(Fig. 7)
 | 图 7 不同岩性地层下总推力、刀盘转速与推进速度关系图Fig.7 Relationship between total thrust, cutter speed and propulsion speed in different lithologic strata (a)—糜棱岩地层; (b)—砂岩地层; (c)—碎裂岩地层. |
从图 7a中可以看出, 当推进速度低于50 mm/min时, 数据点沿总推力方向连续分布, 在刀盘转速方向离散分布; 当推进速度高于50 mm/min后, 数据点开始聚集, 总推力变化范围变小.拟合结果表明, 提高刀盘转速可以有效加快推进速度, 增加总推力也可以略微加快推进速度.
从图 7b中可以看出, 刀盘转速在5.4~6.1 r/min区间段的数据点总推力最低, 为10~12 MN.所以, 虽然刀盘转速提高了, 但推进速度并没有加快.拟合结果表明, 提高总推力可以有效加快推进速度, 增加刀盘转速也可以加快推进速度.
从图 7c中可以看出, 总推力大于10 MN时, 刀盘转速保持在5.0 r/min以下.这是由于碎裂岩耐磨性较强, 过高的刀盘转速会加快刀具磨损, 也不利于掌子面的稳定.拟合结果表明, 碎裂岩地层中, 总推力对推进速度的影响大于刀盘转速.
4 结论1) 在安山岩和硅质岩地层中, 需要使用较高的总推力和刀盘转速, 要注意刀具的损耗情况.
2) 在糜棱岩地层中, 要注意掌子面稳定性与岩石节理走向; 总推力控制在合理区间，降低刀具损耗; 适当提高刀盘转速可以加快推进速度.
3) 在凝灰岩地层中, 总推力可以保持在4~10 MN区间内, 并根据当前岩层情况选择合适的刀盘转速.
4) 在砂岩地层中, 提高总推力和刀盘转速都有利于加快推进速度; 建议总推力高于10 MN, 刀盘转速高于5.8 r/min.
5) 在碎裂岩地层中, 总推力和刀盘转速对推进速度的影响都很小, 应以隧洞稳定为主, 建议采用较低的刀盘转速, 总推力低于10 MN.
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