基于可拓學(xué)理論的TBM掘進(jìn)效率地質(zhì)影響因素研究

楊繼華， 朱韶彬， 閆長(zhǎng)斌， 苗 棟， 郭衛(wèi)新

(1. 黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司， 河南 鄭州 450003； 2. 鄭州市軌道交通有限公司， 河南 鄭州 450002; 3. 鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院， 河南 鄭州 450001)

0 引言

TBM(tunnel boring machine，全斷面隧洞掘進(jìn)機(jī))隧洞施工具有施工速度快、施工環(huán)境好、安全性高、勞動(dòng)強(qiáng)度低的特點(diǎn)，已在國(guó)內(nèi)外鐵路、城市軌道交通、水利水電等隧洞工程施工中得到廣泛應(yīng)用，正常情況下其施工速度為鉆爆法的3～5倍。

國(guó)內(nèi)外的TBM施工實(shí)踐表明，TBM的掘進(jìn)效率受多種因素的影響，主要可歸納為設(shè)備性能、施工管理和地質(zhì)因素3方面。其中設(shè)備性能和施工管理是主觀因素，可以通過(guò)設(shè)備改造、管理優(yōu)化等措施做到最優(yōu)，而地質(zhì)因素是客觀因素，隧洞線路一經(jīng)選定，地質(zhì)條件就客觀存在。相對(duì)于傳統(tǒng)的鉆爆法，TBM對(duì)地質(zhì)條件的適應(yīng)性較差，其掘進(jìn)效率受多種地質(zhì)因素的影響，如巖石強(qiáng)度、節(jié)理裂隙發(fā)育程度和地下水情況等。

針對(duì)TBM掘進(jìn)效率的影響因素問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外較多學(xué)者和技術(shù)工作者開(kāi)展了相關(guān)研究。國(guó)外方面， Paltrinieri等[1]以TBM掘進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，研究了開(kāi)敞式TBM在節(jié)理化巖體和斷層帶巖體中掘進(jìn)效率與地質(zhì)條件的關(guān)系；Hassanpour等[2]以伊朗Zagros引水隧洞為背景，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立了3種地層條件下TBM施工速度預(yù)測(cè)模型；Namli等[3]通過(guò)多個(gè)工程的數(shù)據(jù)收集，建立了掘進(jìn)機(jī)日進(jìn)尺預(yù)測(cè)模型，并應(yīng)用到伊斯坦布爾隧道的EPB-TBM施工中； Macias等[4]研究了硬巖TBM施工中巖體裂隙發(fā)育程度對(duì)凈掘進(jìn)速率的影響。

國(guó)內(nèi)方面，楊慶輝[5]以錦屏二級(jí)水電站1#引水隧洞直徑為12.4 m的開(kāi)敞式TBM施工為例，分析了圍巖完整性低及涌水對(duì)TBM掘進(jìn)效率的影響；吳曉志[6]針對(duì)中天山隧道不同地質(zhì)條件對(duì)TBM掘進(jìn)的影響，提出了應(yīng)對(duì)措施；劉泉聲等[7]研究了巖石的脆性與滾刀破巖效率的關(guān)系，并提出了表征巖石脆性的新指標(biāo)；鄧志鑫等[8]以大瑞鐵路高黎貢山隧道為例，通過(guò)工程地質(zhì)條件分析，研究了不同貫入度條件下滾刀破巖效率，得出了滾刀破巖比能耗隨著滾刀貫入的增加先減小后增大，并存在一個(gè)最優(yōu)貫入度使比能耗最小的結(jié)論。

目前關(guān)于地質(zhì)因素對(duì)TBM掘進(jìn)效率的研究多集中在單因素指標(biāo)或各指標(biāo)的單獨(dú)影響方面，所選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)也有所不同，所得結(jié)果亦沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)；而對(duì)多因素指標(biāo)的綜合作用研究較少，亦未針對(duì)影響TBM掘進(jìn)效率的地質(zhì)因素進(jìn)行綜合分級(jí)。本文在相關(guān)工程實(shí)踐及文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，采用可拓學(xué)理論，選取影響TBM掘進(jìn)效率的若干地質(zhì)因素建立物元模型，對(duì)影響因素指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)及掘進(jìn)效率分級(jí)，并在CCS水電站引水隧洞TBM施工中得到驗(yàn)證。

1 可拓學(xué)理論

可拓學(xué)理論用于解決不相互融合問(wèn)題或矛盾問(wèn)題[9-11]，其引入了物元的概念，把矛盾問(wèn)題轉(zhuǎn)化為相容問(wèn)題，并且可以做到從定性和定量2方面去解決矛盾問(wèn)題。目前，可拓學(xué)理論已應(yīng)用到多個(gè)學(xué)科。

TBM掘進(jìn)效率受多種地質(zhì)因素的影響，具有多樣性、隨機(jī)性和不確定性等特點(diǎn)，并且不同因素之間有時(shí)會(huì)出現(xiàn)不相容的情況，運(yùn)用可拓學(xué)理論中集合和物元理論可以很好地解決以上問(wèn)題。

1.1 物元

物元以有序的三元組來(lái)表達(dá)，對(duì)于待評(píng)事物N，將其收集的數(shù)據(jù)用物元表示，可得待評(píng)物元

(1)

式中：N為待評(píng)事物名稱；Ci為待評(píng)事物的某個(gè)指標(biāo)的名稱；Vi為Ci的量值；i=1,2,…,n。

1.2 經(jīng)典域

經(jīng)典域可表示為

(2)

式中：Rji為一個(gè)物元；Nj為第j個(gè)評(píng)價(jià)類別；Ci為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)；Vji為對(duì)應(yīng)Ci的取值范圍，即經(jīng)典域；i=1,2,…,n;j=1,2,…,m。

1.3 節(jié)域

節(jié)域可表示為

(3)

式中：P為評(píng)價(jià)類別的全體；VPi為Ci的取值范圍，即節(jié)域；i=1,2,…,n。

1.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)于類別的關(guān)聯(lián)度

各單因素評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)于各類別等級(jí)的關(guān)聯(lián)度可用下式計(jì)算。

(4)

|Vij|=|bij-aij|；

i=1,2,…,n;j=1,2,…,m。

1.5 物元關(guān)于類別的關(guān)聯(lián)度

待評(píng)物元關(guān)于類別等級(jí)的關(guān)聯(lián)度可用下式計(jì)算。

(5)

式中：Wi為評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)；i=1,2,…,n;j=1,2,…,m。

1.6 確定待評(píng)物元的類別

當(dāng)Kj0(N)=max(Kj(N))時(shí)，待評(píng)物元N就屬于類別等級(jí)j0。

2 TBM掘進(jìn)效率分級(jí)物元模型

2.1 單因素評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

針對(duì)TBM隧洞施工的技術(shù)特點(diǎn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外TBM工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)研究成果[12-20]，選取巖石單軸抗壓強(qiáng)度、巖石耐磨性、巖體完整性系數(shù)、結(jié)構(gòu)面走向與掘進(jìn)方向夾角及地下水滲流量5個(gè)指標(biāo)作為TBM掘進(jìn)效率的單因素評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.1.1 巖石單軸抗壓強(qiáng)度

TBM掘進(jìn)過(guò)程中，TBM的掘進(jìn)速度等于滾刀貫入度與刀盤轉(zhuǎn)速的乘積，而滾刀的貫入度與巖石單軸抗壓強(qiáng)度(Rc)直接相關(guān)。理論上Rc值越低，在推力一定的條件下TBM的滾刀貫入度越高，其掘進(jìn)速度也越高；反之Rc值越高，TBM的滾刀貫入度越低，掘進(jìn)速度就越低[9-10]。但實(shí)際上如果Rc值太低，TBM掘進(jìn)后圍巖的自穩(wěn)時(shí)間極短，甚至不能自穩(wěn)而引起塌方或圍巖快速收斂變形等災(zāi)害，導(dǎo)致停機(jī)處理，從而降低掘進(jìn)速度。當(dāng)Rc值大于150 MPa時(shí)，TBM滾刀的貫入度會(huì)降低較多，同樣會(huì)降低掘進(jìn)速度。因此，當(dāng)Rc值在一定范圍內(nèi)時(shí)，TBM既能保持一定的掘進(jìn)速度，又能使隧洞圍巖在一定時(shí)間內(nèi)保持自穩(wěn)。目前大多數(shù)TBM在Rc值為30～150 MPa的巖石中具有較高的掘進(jìn)效率。

2.1.2 巖石耐磨性

當(dāng)巖石中的石英、長(zhǎng)石等礦物含量過(guò)高時(shí)，巖石耐磨性就會(huì)顯著增強(qiáng)。如果巖石具有強(qiáng)耐磨性，則TBM掘進(jìn)過(guò)程中滾刀的消耗量就會(huì)明顯增加，頻繁更換刀具會(huì)降低TBM的掘進(jìn)效率，并直接增加施工成本。因此，對(duì)于TBM施工，巖石耐磨性越低，對(duì)掘進(jìn)越有利。關(guān)于巖石耐磨性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，目前國(guó)內(nèi)外常采用CERCHAR試驗(yàn)確定[11-13]。具體方法為： 在70 N的荷載下采用1根錐夾角為90°的鋼針在巖石表面以10 mm/min的速度移動(dòng)10 mm的距離，然后利用顯微鏡測(cè)量磨損后針尖的直徑D，根據(jù)針尖的磨損值來(lái)確定巖石耐磨性指標(biāo)Ab。

2.1.3 巖體完整性系數(shù)

TBM盤形滾刀壓入巖石，在巖石中形成微裂紋，當(dāng)相鄰滾刀間的裂紋貫通時(shí)，就會(huì)形成巖片剝落。一般情況下，裂紋的擴(kuò)展速度隨著滾刀貫入度的增加而增加，為獲得較大的滾刀貫入度就需要提高刀盤推力。如果圍巖中本身存在一些結(jié)構(gòu)面(節(jié)理、層理和片理等)，則巖片會(huì)沿著結(jié)構(gòu)面剝落，此時(shí)TBM不需要較大的刀盤推力即可有較高的破巖效率，因此巖體中結(jié)構(gòu)面越發(fā)育，TBM的破巖效率就越高。但當(dāng)巖體中結(jié)構(gòu)面特別發(fā)育時(shí)，此時(shí)TBM雖然能獲得很高的破巖效率，但圍巖自穩(wěn)能力差，往往需要停機(jī)對(duì)圍巖進(jìn)行加固，反而會(huì)降低TBM的掘進(jìn)效率；而當(dāng)巖體中結(jié)構(gòu)面不發(fā)育時(shí)，此時(shí)TBM破巖完全依賴于滾刀的作用，此時(shí)掘進(jìn)效率也會(huì)降低。巖體的結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度一般用巖體的完整性系數(shù)Kv來(lái)表示，巖體的完整性系數(shù)過(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響TBM的掘進(jìn)效率，其在一定范圍內(nèi)時(shí)才有利于TBM的掘進(jìn)。實(shí)踐表明，巖體完整性系數(shù)在0.5～0.6時(shí)TBM具有較高的掘進(jìn)效率。當(dāng)巖體完整性系數(shù)大于0.6時(shí)，掘進(jìn)效率隨完整性系數(shù)的增加而降低；當(dāng)巖體完整性系數(shù)小于0.5時(shí)，掘進(jìn)效率隨著完整性系數(shù)的增加而提高。

2.1.4 結(jié)構(gòu)面走向

TBM的掘進(jìn)效率與巖體結(jié)構(gòu)面走向和掘進(jìn)方向的夾角也有一定的關(guān)系。當(dāng)夾角在45°～55°時(shí)最有利于滾刀破巖，此時(shí)掘進(jìn)效率較高； 當(dāng)夾角小于45°時(shí)，掘進(jìn)效率隨著夾角的增大而增大； 當(dāng)夾角大于55°時(shí)，掘進(jìn)效率有隨著夾角的增大而減小的趨勢(shì)[14-16]。

2.1.5 地下水

地下水的滲流量和滲水范圍對(duì)TBM掘進(jìn)效率有一定程度的影響。一般富水洞段，圍巖強(qiáng)度和穩(wěn)定性有所降低。在大涌水量的情況下，當(dāng)隧洞無(wú)法自流排水時(shí)，TBM必須停機(jī)進(jìn)行排、堵水處理，同時(shí)TBM施工條件和工作環(huán)境會(huì)變得惡劣，從而降低TBM的掘進(jìn)效率。

2.2 TBM掘進(jìn)效率分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

本文在大量文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上，參考SL 629—2014《引調(diào)水線路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[21]和鐵建設(shè)[2007]106號(hào)《鐵路隧道全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)法技術(shù)指南》[22]中的相關(guān)數(shù)據(jù)，并結(jié)合作者參與的CCS水電站引水隧洞及蘭州市水源地輸水隧洞等工程的TBM施工實(shí)踐，給出了各單因素指標(biāo)值，并把TBM掘進(jìn)效率分為很高、高、中等、低及很低5級(jí)，對(duì)應(yīng)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ及Ⅴ級(jí)。各評(píng)價(jià)指標(biāo)在TBM掘進(jìn)效率分級(jí)之間的取值見(jiàn)表1。

2.3 單因素評(píng)價(jià)指標(biāo)量綱一化

由于各評(píng)價(jià)指標(biāo)的物理意義不同，所采用的單位也不相同，所以無(wú)法進(jìn)行綜合對(duì)比分析，這就是可拓學(xué)理論中的不相容問(wèn)題。為消除各指標(biāo)量綱的影響，可對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行量綱一化處理。根據(jù)TBM隧洞施工特點(diǎn)及量綱一化可操作性，本文選擇線性無(wú)量綱方法。

1)對(duì)于值越小越好的指標(biāo)：

(6)

2)對(duì)于值越大越好的指標(biāo)：

(7)

式(6)—(7)中：y為指標(biāo)的評(píng)價(jià)值(量綱一的量)；x為指標(biāo)的實(shí)際值(有量綱)；xmax為指標(biāo)的最大值(有量綱)；xmin為指標(biāo)的最小值(有量綱)。

由表1可以看出，巖石單軸抗壓強(qiáng)度、巖石耐磨性及地下水滲流量3個(gè)指標(biāo)存在無(wú)最大值的情況，為便于處理，給其設(shè)定一個(gè)最大值，確定一個(gè)區(qū)間范圍，如果在后續(xù)計(jì)算中出現(xiàn)指標(biāo)的實(shí)際值超過(guò)此最大值，則在量綱一化中按區(qū)間最大值計(jì)算。另外，巖石單軸抗壓強(qiáng)度、巖體完整性系數(shù)及結(jié)構(gòu)面走向與掘進(jìn)方向夾角3個(gè)指標(biāo)對(duì)TBM掘進(jìn)效率的影響并不是線性關(guān)系，存在區(qū)間范圍的某個(gè)值達(dá)到最大，而不是在區(qū)間范圍的界限達(dá)到最大或最小的情況，因此無(wú)法利用式(6)和式(7)直接進(jìn)行處理。本文采用以下方法進(jìn)行處理： 將其區(qū)間范圍分為均為線性關(guān)系的2段，其2段直線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的值為最大值； 然后對(duì)每段再按照(6)和式(7)進(jìn)行處理，當(dāng)2段取值范圍不同時(shí)，取平均值。量綱一化后的單因素指標(biāo)TBM掘進(jìn)效率分級(jí)見(jiàn)表2。

表2 單因素指標(biāo)TBM掘進(jìn)效率分級(jí)(量綱一化)

2.4 確定經(jīng)典域

各單因素評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的TBM掘進(jìn)效率等級(jí)的量值經(jīng)典域如下。

1)TBM掘進(jìn)效率很高(Ⅰ)：

2)TBM掘進(jìn)效率高(Ⅱ)：

3)TBM掘進(jìn)效率中等(Ⅲ)：

4)TBM掘進(jìn)效率低(Ⅳ)：

5)TBM掘進(jìn)效率很低(Ⅴ)：

2.5 確定節(jié)域

節(jié)域由TBM掘進(jìn)效率影響因素各指標(biāo)的取值范圍值確定，是TBM掘進(jìn)效率分級(jí)的全體，一般用各單因素評(píng)價(jià)指標(biāo)量綱一化的取值范圍表示。

2.6 確定待評(píng)物元

將收集的第i段隧洞圍巖的各評(píng)價(jià)指標(biāo)因素用物元表示，即可得到待評(píng)物元

(8)

式中：i=1,2,…,m。

2.7 確定各單因素指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)

各單因素指標(biāo)對(duì)TBM掘進(jìn)效率的影響程度有所差別，因此需要對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行重要性排序，即分配權(quán)重系數(shù)。確定權(quán)重系數(shù)的方法有多種，本文采用層次分析法[23]，其原理是先把n個(gè)評(píng)判因素排列成一個(gè)n階矩陣，然后對(duì)各因素的重要程度進(jìn)行兩兩比較，矩陣中元素值由各因素的重要程度來(lái)確定，再計(jì)算出判斷矩陣的最大特征根和其對(duì)應(yīng)的特征向量，其特征向量即為所求的權(quán)重值。兩因素之間的重要程度比較結(jié)果見(jiàn)表3。

表3兩因素重要程度比較結(jié)果

Table 3 Comparison of significance between two influencing factors

因素ui和uj相比較的重要程度f(wàn)(ui, uj)f(uj, ui)ui比uj同等重要11ui比uj稍微重要31/3ui比uj明顯重要51/5ui比uj強(qiáng)烈重要71/7ui比uj絕對(duì)重要91/9ui比uj處于上述兩相鄰判斷之間2,46,81/2,1/41/6,1/8

2.7.1 確定判斷矩陣

本文根據(jù)國(guó)外工程經(jīng)驗(yàn)及專家打分，將影響TBM掘進(jìn)效率的5個(gè)單因素指標(biāo)通過(guò)兩兩比較構(gòu)成判斷矩陣

2.7.2 計(jì)算M的特征向量

得出判斷矩陣后，就可以計(jì)算判斷矩陣M的最大特征根λmax及其對(duì)應(yīng)的特征向量。本文采用方根法，對(duì)計(jì)算出的特征向量作歸一化處理，此向量就是各評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要性排序，即各評(píng)價(jià)因素的權(quán)重系數(shù)。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，判斷矩陣M的最大特征根為λmax=5.21，其對(duì)應(yīng)的特征向量(歸一化后)為

W=(0.42,0.17,0.29,0.06,0.06)。

2.7.3 一致性檢驗(yàn)

采用層次分析法對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)兩兩比較得到的判斷矩陣必須通過(guò)一致性檢驗(yàn)，當(dāng)排序結(jié)果不具有滿意的一致性時(shí)，往往會(huì)得出錯(cuò)誤的結(jié)論，此時(shí)需要調(diào)整判斷矩陣的元素值，重新分配權(quán)重進(jìn)行重要性排序。一致性檢驗(yàn)通過(guò)下式計(jì)算。

(9)

式中：n為判斷矩陣的階數(shù)；λmax為判斷矩陣的最大特征值。

如滿足式(10)，則通過(guò)一致性檢驗(yàn)。

CI/CR<0.1。

(10)

式中：CI為一致性指標(biāo)；CR為隨機(jī)性指標(biāo)，可通過(guò)查表獲得，n=5時(shí)，CR=1.12。

通過(guò)式(9)和式(10)的計(jì)算，可得CI/CR=0.047，滿足式(10)的要求，因此判斷矩陣M具有滿意的一致性，其最大特征值λmax對(duì)應(yīng)的特征向量W可以作為影響TBM掘進(jìn)效率的各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。

3 工程驗(yàn)證

3.1 工程概況

在建的厄瓜多爾CCS水電站[24-25]引水隧洞全長(zhǎng)24.8 km，開(kāi)挖洞徑9.11 m，采用2臺(tái)雙護(hù)盾TBM開(kāi)挖施工。隧洞穿過(guò)的地層巖性以侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)Misahualli地層堅(jiān)硬安山巖為主，進(jìn)口段600～700 m為花崗巖侵入體，出口段2 500 m為白堊紀(jì)下統(tǒng)Hollin地層砂巖和頁(yè)巖互層。巖體結(jié)構(gòu)主要為整體塊狀、塊狀、次塊狀及層狀。工程地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，斷層破碎帶和節(jié)理密集帶發(fā)育，區(qū)內(nèi)地下水總體不活躍，地下水位始終高于隧洞高程，局部有滲水和流水現(xiàn)象。

3.2 單因素評(píng)價(jià)指標(biāo)

選取CCS水電站引水隧洞6個(gè)不同洞段，按照2.1節(jié)確定的評(píng)價(jià)指標(biāo)收集數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行量綱一化處理。單因素評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)際值和量綱一化值見(jiàn)表4。

3.3 確定待評(píng)物元

根據(jù)式(8)的方法及表4單因素指標(biāo)的量綱一化值確定待評(píng)物元。本文以N1和N2洞段為例給出其待評(píng)物元(R10和R20)，N3—N6洞段的待評(píng)物元(R30～R60)可以用相同的方法給出。

表4 CCS水電站引水隧洞單因素指標(biāo)(實(shí)際值和量綱一化值)

3.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度計(jì)算

以N1洞段為例，根據(jù)式(4)計(jì)算其各單因素評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)于TBM掘進(jìn)速度等級(jí)的關(guān)聯(lián)度(N2—N6洞段可用相同的方法計(jì)算)，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 N1洞段各指標(biāo)關(guān)于TBM掘進(jìn)效率等級(jí)關(guān)聯(lián)度

Table 5 Relation degree between single factor and TBM tunneling efficiency grade of tunnel section N1

等級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)C1C2C3C4C5Ⅰ-0.92-0.14-0.42-0.33-0.33Ⅱ-0.870.46-0.150.500.17Ⅲ-0.60-0.120.33-0.33-0.71Ⅳ-0.25-0.29-0.27-0.60-0.88Ⅴ0.25-0.41-0.86-0.71-0.98

3.5 待評(píng)物元關(guān)聯(lián)度計(jì)算

以N1洞段為例，根據(jù)式(5)計(jì)算待評(píng)物元關(guān)于TBM掘進(jìn)效率各等級(jí)的關(guān)聯(lián)度：

K1(N10)=-0.57；

K2(N10)=-0.29；

K3(N10)=-0.24；

K4(N10)=-0.32；

K5(N10)=-0.32。

則N1洞段的TBM掘進(jìn)效率等級(jí)為

-0.32,-0.32)=-0.24。

由以上計(jì)算可知，N1洞段的TBM掘進(jìn)效率等級(jí)為Ⅲ級(jí)，即掘進(jìn)效率中等。同理，可計(jì)算出N2—N6洞段待評(píng)物元關(guān)于TBM掘進(jìn)效率各等級(jí)的關(guān)聯(lián)度及最大關(guān)聯(lián)度值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。實(shí)際掘進(jìn)過(guò)程中的掘進(jìn)參數(shù)和掘進(jìn)情況見(jiàn)表7。

表6待評(píng)物元關(guān)于TBM掘進(jìn)效率等級(jí)關(guān)聯(lián)度

Table 6 Relation degree between matter element to be evaluated and TBM tunneling efficiency grades

序號(hào)掘進(jìn)效率等級(jí)ⅠⅡⅢⅣⅤN1-0.57-0.29-0.24-0.32-0.32N2-0.06-0.52-0.37-0.52-0.63N3-0.36-0.07-0.42-0.43-0.36N4-0.370.000.06-0.28-0.44N50.03-0.09-0.52-0.70-0.77N6-0.16-0.13-0.52-0.55-0.57

注： 根據(jù)可拓學(xué)理論，表5和表6中的關(guān)聯(lián)度的正負(fù)值并無(wú)實(shí)際物理意義，其是通過(guò)式(4)計(jì)算出每組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的掘進(jìn)效率分級(jí)的最大關(guān)聯(lián)度；下劃線表示此數(shù)值為本洞段對(duì)應(yīng)的掘進(jìn)效率的最大關(guān)聯(lián)度。

由表6和表7可以看出： N1洞段巖石強(qiáng)度高，巖體完整，雖然刀盤轉(zhuǎn)速較高，但由于貫入度低，整體掘進(jìn)速度低；N2洞段雖然巖石強(qiáng)度高，但巖體較破碎，貫入度高，因此掘進(jìn)速度很高。以上判定結(jié)果與CCS水電站引水隧洞TBM掘進(jìn)效率實(shí)際值吻合較好，證明可拓學(xué)理論的評(píng)價(jià)方法是正確的，其評(píng)價(jià)結(jié)果是合理的。

表7 不同洞段的掘進(jìn)參數(shù)及掘進(jìn)情況

4 結(jié)論與建議

1)TBM法隧洞施工對(duì)地質(zhì)條件的適應(yīng)性較差，其掘進(jìn)效率受多種地質(zhì)因素的影響?；诳赏貙W(xué)理論的TBM掘進(jìn)效率地質(zhì)因素分級(jí)方法形式簡(jiǎn)單、方便易行，實(shí)現(xiàn)了定性評(píng)價(jià)和定量評(píng)價(jià)的有機(jī)結(jié)合?？梢愿鶕?jù)具體工程特點(diǎn)，選取不同數(shù)量和不同種類的指標(biāo)，克服了傳統(tǒng)單因素指標(biāo)評(píng)價(jià)的不足?；趯哟畏治龇ǖ脑u(píng)價(jià)指標(biāo)重要性排序能合理地確定各指標(biāo)的權(quán)重。在關(guān)聯(lián)度計(jì)算中采用了連續(xù)變化的參數(shù)，能更客觀地反映各指標(biāo)對(duì)TBM掘進(jìn)效率的影響程度。

2)結(jié)合國(guó)內(nèi)外TBM施工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)研究成果，選取巖石單軸抗壓強(qiáng)度、巖石耐磨性、巖體完整性系數(shù)、結(jié)構(gòu)面走向與掘進(jìn)方向夾角及地下水滲流量5個(gè)指標(biāo)作為TBM掘進(jìn)效率的評(píng)價(jià)指標(biāo)。工程應(yīng)用實(shí)例表明，基于可拓學(xué)理論的TBM掘進(jìn)效率地質(zhì)因素分級(jí)評(píng)價(jià)方法有效可行，評(píng)價(jià)結(jié)果可靠。

3)影響TBM掘進(jìn)效率除了地質(zhì)因素外，還有其他因素，如施工組織設(shè)計(jì)、施工人員技術(shù)水平及機(jī)械設(shè)備性能等。建議在進(jìn)一步的研究中將以上因素與地質(zhì)因素一起進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

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