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原文传递 TBM岩--机交互机制及控制参数分类约束优化方法研究

论文题名：	TBM岩--机交互机制及控制参数分类约束优化方法研究
关键词：	全断面硬岩隧道掘进机;岩机交互机制;参数预测;围岩分级;分类约束优化
摘要：	随着十四五规划的开展，统筹推进基础设施建设成为了主要的发展方向，系统完善、灵活高效、智能环保、安全可靠成为现代基础设施建设的基本要求。为了布局新型基础设施建设的大方向，全断面隧道掘进机的推广与使用越来越广泛，出现在十四五规划中的多个大型基础设施建设工程中。据统计，这些在建或将建的多数隧道首选方案均为TBM施工，同时伴随经济的快速发展，具备机械化、自动化、智能化的隧道施工方法将成为时代主流，TBM法施工将成为隧道施工中新的发展方向并逐渐占据主导地位。使TBM在复杂多变的工程地质条件下又好、又快、又安全地掘进是目前TBM掘进工程面临的重要问题。　　针对TBM岩-机交互机制及控制参数分类约束优化问题，本文采用工程现场数据挖掘、模拟掘进试验和数值模型相结合的手段，对TBM岩机参数交互机制进行了研究，并将参数间的复杂交互机制转化成数学公式，构建了基于掘进加载速率的掘进参数预测模型。基于岩机参数交互机制，构建了适用于TBM隧道的围岩可掘进分级识别方法。以掘进参数预测模型和围岩可掘进分级识别方法为基础，构建了TBM控制参数分类约束优化方法，并对优化效果进行了验证。基于上述研究主线，本文取得了以下主要研究成果: 　　(1)通过对工程实测掘进数据的预处理，避免了因工程误差和不良数据对掘进参数间交互机制分析产生的不良结果。通过对现场数据的数据挖掘和分类统计，得到了掘进控制参数、掘进动力参数和岩体参数评价指标之间的交互机制。根据TBM岩机参数交互机制的研究需求，研发设计了TBM模拟掘进系统及其配套设施。结合工程勘察相关资料，进行了模拟材料的配比试验，并根据配比结果进行了试样装填。基于对现场掘进数据的相关性研究结果，制定了不同模拟掘进工况，得到了在不同强度材料中，以不同贯入度和不同转速掘进时的推力和扭矩数据。基于数据挖掘和模拟掘进试验结果，对掘进动力参数，控制参数与岩石强度之间的交互机制进行了定性分析。将通过模拟掘进试验所获得的推力和扭矩数据与通过CSM模型计算的结果进行了对比验证，发现当刀盘转速作为变量时CSM模型的预测结果偏差较大，为下掘进参数预测模型研究提供了优化方向和研究数据。　　(2)针对CSM模型在掘进参数的预测中并未考虑刀盘转速的不足，确定了TBM掘进参数计算模型的改进目标。通过对滚刀破岩掘进机理的研究分析，得到了刀盘转速在滚刀破岩两个破岩阶段的影响机制，提出关于刀盘转速的掘进加载速率理论。开展了TBM滚刀侵入数值模拟研究，对数值模拟所用的颗粒接触模型进行了对比选择，并据此进行细观参数和宏观参数的标定。采用PFC2D软件对滚刀侵入破岩过程进行了建模，并根据模拟试验需求制定了不同的模拟工况，得到了不同掘进加载速率对应的滚刀正向力模拟结果。验证了掘进加载速率对破岩应力的影响作用，将模拟数据作为基础进行了TBM掘进参数预测模型的构建。基于掘进加载速率理论，结合模型试验与数值模拟中得到的掘进数据，构建了TBM掘进参数预测模型。通过实地工程掘进数据对改进的TBM掘进参数预测模型进行了适用性验证，以百分比误差对改进的掘进参数预测模型与CSM模型进行了预测效果的对比，得到改进的掘进参数预测模型比CSM模型对推力和扭矩的预测精度分别提高了22.1％和14.1％。　　(3)通过对不同围岩等级下的掘进控制参数与岩体参数进行分类统计，获得了相应的分布规律。基于TBM岩体参数评价指标，构建了TBM围岩可掘进分级方法。以工程现场获得的掘进数据为来源，对TBM可掘进分级方法对控制参数的指导效果进行了验证，并计算获得了不同可掘进级别下的控制参数预测范围。以掘进动力参数与岩体参数的交互机制作为出发点，验证了掘进参数与岩体评价指标在围岩识别上的重要作用。提出了修正比能计算公式并验证了其在可掘进围岩界面识别上的有效性。以掘进动力参数以及岩体参数作为预测模型输入参数，采用人工神经网络算法对修正比能进行了预测模型的拟合训练。针对依托工程数据库的数据不规律分布特点，采用RUSBoost算法对识别模型进行了训练，建立了RUSBoost-ANN围岩界面识别模型并验证了其准确性。　　(4)针对TBM掘进过程中的破岩效果开展了模拟掘进试验和侵入数值模拟，对不同围岩强度条件下的裂隙发展和破岩效果进行了研究，得到了不同围岩强度下的临界S/p比值，并通过数据拟合得到了临界S/p值与围岩单轴抗压强度的计算公式。针对不同强度围岩进行了对应掘进模式的研究，根据不同掘进模式的约束条件，结合各可掘进级别围岩的控制参数指导范围，得到了在不同可掘进级别下掘进控制参数的调整范围及约束条件。以改进后的掘进参数预测模型为基础，采用多目标优化方法，以净掘进速度更快和掘进比能更低为决策准则，提出了能效比的概念，并以此为优化目标函数，结合不同掘进模式下的控制参数约束条件，对不同可掘进级别围岩的控制参数分类约束优化方法进行了研究，并在实际工程中验证了其优化效果，获得了不同掘进模式下的掘进参数优化方式。　　本论文的研究成果对实现TBM施工中匹配不同围岩条件下的掘进参数、提高TBM掘进效率以及保证隧道安全高效施工起着至关重要的作用，可进一步丰富和完善TBM施工条件下的掘进参数优化理论和围岩可掘进分级系统，具有重要的推广价值，应用前景十分广阔。
作者：	陶宇帆
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	薛翊国;邱道宏
授予学位：	博士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2021