一种TBM撑靴侧壁围岩局部剥落段的通过能力判识方法及匹配方法与流程

本发明属于隧道工程tbm法掘进，具体涉及一种tbm撑靴侧壁围岩局部剥落段的通过能力判识方法及匹配方法。

背景技术：

1、tbm法是利用全断面隧道掘进机(tunnel boring machine，简称tbm)在岩石地层暗挖隧道的一种施工方法，对岩层扰动小，开挖面平整圆顺，超欠挖少，实现了快速连续作业。与钻爆法相比，具有快速、经济、安全、优质等优点，是隧道高度机械化、智能化建造的必然选择。tbm按照有无护盾可分为敞开式和护盾式，近年来在我国深埋长大山岭隧道、输水隧洞等建造中均得到了有效应用，具有良好的生态、环境和经济效益。

2、其中敞开式tbm主要应用在稳定性较好的硬岩地层中，具有较快的掘进速度，掘进时撑靴系统撑紧隧道侧壁围岩产生摩擦力，通过推进和撑靴系统承受刀盘推进的反作用力。推进和撑靴系统主要由鞍架、推进油缸、撑靴油缸、扭矩油缸和撑靴构成，撑靴系统按照支撑形式主要有x型支撑(非主梁式)和主梁式支撑两类。x型支撑对地质适应性较好，但液压元件多、结构较为复杂、掘进中无法连续调向，造价和制造难度较主梁式高得多，国内应用较少。主梁式支撑的撑靴对称设置在鞍架两侧，具有结构简单、能单独移动和可连续调向等优点，国内主要以该型tbm撑靴支撑为主。但主梁式撑靴对围岩侧壁岩体的完整性要求较高，当出现撑靴侧壁岩体破碎、剥落等不良地段时，掘进支反力难以保障，极大地影响了掘进效率。主要表现为：(1)撑靴打滑无法为刀盘提供有效推进力；(2)掘进推力不足，破岩效率降低；(3)撑靴撑紧后围岩坍塌加剧，换步困难，增加后处理成本；(4)撑靴陷入岩体，支反力失效等。

3、针对隧道侧壁围岩局部剥落段的支撑决策，工程中主要存在以下两方面的难题：(1)tbm撑靴侧壁围岩局部剥落，撑靴是否直接支撑通过，缺乏决策依据，存在判识不准确的问题；(2)处理措施相对保守，对应不同工况无法精准施策，大量采用混凝土模筑方式，存在处理措施被动、成本高等问题。

4、因此，需要开发一种tbm撑靴侧壁围岩不良地层承载力判识方法及处理措施，对于辅助tbm撑靴支撑决策，精准匹配处理措施，保障tbm掘进效率，降低处理成本具有重要价值。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种tbm撑靴侧壁围岩局部剥落段的通过能力判识及匹配方法，基于tbm撑靴侧壁局部岩体出露特征分类及量化，判识撑靴侧壁围岩的支反力水平，进而为撑靴支撑决策提供依据，精准匹配处理措施。

2、本发明采用以下技术方案：一种tbm撑靴侧壁围岩局部剥落段的通过能力判识方法，该判识方法包括如下步骤：

3、步骤一、建立tbm掘进撑靴支反能力有效准则：强度准则和摩擦力准则；在强度准则和摩擦力准则下，确定tbm掘进撑靴支反能力有效方程，如下：

4、

5、其中：r为各级围岩岩石单轴抗压强度；p为撑靴接地比压；fz为tbm推进力；ff为撑靴与撑靴侧壁围岩的静摩擦力；

6、步骤二、确定强度准则下撑靴与岩面许用接触面积

7、

8、其中：fx为围岩撑靴支撑方向合力；r为各级围岩基准岩石单轴抗压强度；γ1为岩石单轴抗压强度修正系数；

9、步骤三、确定摩擦力准则下撑靴与岩面许用接触面积

10、

11、其中：为摩擦力准则下的撑靴与岩面许用接触面积，f1为撑靴与岩面的静摩擦系数；γ2为撑靴与岩面的接触系数；

12、步骤四、将撑靴与岩面的实际接触面积与强度准则和摩擦准则下撑靴与岩面许用接触面积分别进行比较：

13、当撑靴与岩面的实际接触面积均大于强度准则和摩擦准则下撑靴与岩面许用接触面积最大值，即：则撑靴支撑通过；

14、当实际接触面积小于强度准则和摩擦准则下撑靴与岩面许用接触面积任一值，即

15、则对撑靴部位岩体进行回填处理，直至撑靴与岩面的实际接触面积大于强度准则和摩擦准则下撑靴与岩面许用接触面积最大值，则撑靴支撑通过。

16、进一步地，撑靴接地比压计算公式如下：

17、

18、撑靴与侧壁围岩的静摩擦力计算公式如下：

19、ff＝fx·f1；

20、tbm推进力计算公式如下：

21、fz＝ft·sinα；

22、其中：a1为撑靴与岩面的有效接触面积；f1为撑靴与岩面的静摩擦系数；ft为推进油缸推力；α为推进油缸和撑靴油缸的夹角。

23、进一步地，在步骤二中，围岩撑靴支撑方向的合力fx的计算如下：

24、

25、其中：n1、p2、d2分别为单侧撑靴油缸的数量、压力和内径；n2、p2、d2分别为单侧撑靴推进油缸的数量、压力和内径；其中油缸数量、内径是tbm设计参数为固有值，油缸压力可以通过油压传感器实时获取。

26、进一步地，强度准则为：撑靴油缸加压至预设值，撑靴撑紧岩面，岩面保持完整；

27、所述摩擦力准则为：推进油缸加压至预定值，撑靴与岩面保持相对静止。

28、进一步地，γ2的取值为1.1～1.3。

29、本发明还公开了一种tbm撑靴侧壁围岩局部剥落段的通过能力匹配方法，包括上述的一种tbm撑靴侧壁围岩局部剥落段的通过能力判识方法，在所述步骤四后还包括步骤五，如下：

30、步骤五、撑靴侧壁围岩回填处理措施匹配：

31、步骤5.1、当判断撑靴直接支撑无法通过围岩时，确定满足摩擦力的方木垫支需要面积

32、其中：f1是撑靴与岩石的静摩擦系数；f2是撑靴与方木的静摩擦系数；γ3为方木面积修正系数；

33、步骤5.2、判定方木需用面积与岩体相对撑靴剥落面积a2大小：

34、当岩体相对撑靴剥落面积大于方木垫支需用面积：则采用方木垫支剥落体；

35、当岩体相对撑靴剥落面积小于方木垫支需用面积：则采用混凝土回填剥落区补强。

36、进一步地，围岩为iii～ⅳ级别围岩。

37、本发明的有益效果是：。基于tbm撑靴侧壁局部岩体出露特征分类及量化，接合tbm推进油缸和支撑油缸参数，快速的判识撑靴侧壁围岩的支反力水平，进而为撑靴支撑决策提供依据，精准匹配处理措施，对于i～ii级围岩直接采取方木垫支方式；对于iii～ⅳ级围岩，通过比较方木需用面积与岩体相对撑靴剥落面积大小，来确定是否能采用方木垫支，在满足方木垫支的条件下，采用方木垫支，减少混凝土模筑措施，保障掘进效率。

技术特征：

1.一种tbm撑靴侧壁围岩局部剥落段的通过能力判识方法，其特征在于，该判识方法包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的一种tbm撑靴侧壁围岩局部剥落段的通过能力判识方法，其特征在于，所述撑靴接地比压计算公式如下：

3.如权利要求1所述的一种tbm撑靴侧壁围岩局部剥落段的通过能力判识方法，其特征在于，在所述步骤二中，围岩撑靴支撑方向的合力fx的计算如下：

4.如权利要求3所述的一种tbm撑靴侧壁围岩局部剥落段的通过能力判识方法，其特征在于，所述强度准则为：撑靴油缸加压至预设值，撑靴撑紧岩面，岩面保持完整；

5.如权利要求4所述的一种tbm撑靴侧壁围岩局部剥落段的通过能力判识方法，其特征在于，所述γ2的取值为1.1～1.3。

6.一种tbm撑靴侧壁围岩局部剥落段的通过能力匹配方法，其特征在于，包括权利要求1-5中任一项所述的一种tbm撑靴侧壁围岩局部剥落段的通过能力判识方法，在所述步骤四后还包括步骤五，如下：

7.如权利要求6所述的一种tbm撑靴侧壁围岩局部剥落段的通过能力匹配方法，其特征在于，所述围岩为iii～ⅳ级别围岩。

技术总结
本发明公开了一种TBM撑靴侧壁围岩局部剥落段的通过能力判识及匹配方法，包括如下步骤：步骤一、建立TBM掘进撑靴支反能力有效准则：强度准则和摩擦力准则；步骤二、确定强度准则下撑靴与岩面许用接触面积；步骤三、确定摩擦力准则下撑靴与岩面许用接触面积；步骤四、将撑靴与岩面的实际接触面积与强度准则和摩擦准则下撑靴与岩面许用接触面积分别进行比较。步骤五、撑靴侧壁围岩回填处理措施匹配。该方法基于TBM撑靴侧壁局部岩体出露特征分类及量化，判识撑靴侧壁围岩的支反力水平，进而为撑靴支撑决策提供依据，精准匹配处理措施。

技术研发人员：刘永胜,谢韬,洪开荣,潘岳,尹龙,游金虎,陈桥,张继超,李志军,牛彤彤,张理蒙,杨聚会,杨振兴
受保护的技术使用者：中铁隧道局集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13