【摘 要】
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21世纪以来,我国基础设施建设的重心逐渐向地质条件复杂的西部地区转移,随之而来的是更高的施工难度和更大的灾害风险。全断面硬岩隧道掘进机（TBM）具有高效、经济、环保等优势,现已广泛应用于西部地区的深长隧道建设。推力和扭矩作为TBM重要的施工参数,根据不同地质情况适时调整推力和扭矩对发挥TBM优势具有重要作用。因此,本文基于颗粒流三维全尺度TBM掘进计算模型,研究了节理岩体参数和掘进参数对TBM推力
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21世纪以来,我国基础设施建设的重心逐渐向地质条件复杂的西部地区转移,随之而来的是更高的施工难度和更大的灾害风险。全断面硬岩隧道掘进机（TBM）具有高效、经济、环保等优势,现已广泛应用于西部地区的深长隧道建设。推力和扭矩作为TBM重要的施工参数,根据不同地质情况适时调整推力和扭矩对发挥TBM优势具有重要作用。因此,本文基于颗粒流三维全尺度TBM掘进计算模型,研究了节理岩体参数和掘进参数对TBM推力和扭矩的影响,并且采用机器学习的方法建立了 TBM推力扭矩的预测模型,研究成果可为TBM施工参数的选择提供参考,并取得了以下成果:（1）建立了基于颗粒流的三维全尺度TBM掘进计算模型.讨论了平直节理模型和光滑节理模型模拟节理岩体的优越性。介绍了基于颗粒流的三维全尺度TBM掘进计算模型的建立步骤,包括完整岩石模型、节理岩体模型、三维全尺度刀盘模型。并从推力、扭矩曲线的形状和裂隙的发育扩展规律两方面对模型进行了有效性验证。（2）提出了基于PFC3D的平直节理模型细观参数标定方法通过参数简化形成标定参数指标体系,采用正交试验和敏感性分析得到宏细观参数影响关系。构建非齐次线性方程组实现初始细观参数快速获取,基于宏观参数优先级,提出细观参数迭代修正方法,实现初始细观参数的快速修正。最后,形成了一套规范化的平直节理模型细观参数标定方法,并基于室内试验验证了方法的正确性。（3）探究了节理岩体参数和掘进参数对TBM推力扭矩的影响规律基于建立的三维全尺度TBM掘进计算模型,系统研究了节理岩体参数和掘进参数对TBM推力、扭矩的大小和分布的影响规律。研究发现:掘进稳定段TBM推力、扭矩大致呈正态分布,分布规律受参数影响较小;岩石强度越高,推力扭矩越大,数值波动越明显;节理倾角由小变大过程中,推力扭矩的波动整体上呈现增强趋势,推力扭矩值先减小后增大,60°左右被认为是最易掘进的节理倾角;节理间距越大,推力扭矩的波动整体上呈现增强趋势,推力、扭矩值逐渐增大,增加的速率逐渐减缓;掘进参数越大,推力扭矩的波动整体上呈现增强趋势,推力、扭矩值逐渐增大,增加的速率逐渐减缓。（4）建立了 TBM推力扭矩预测模型,并对预测模型的准确性进行了检验。以节理倾角、节理间距、刀盘推进速度、刀盘转速作为输入,以推力、扭矩作为输出,采用支持向量回归和bp神经网络建立了 TBM推力扭矩预测模型,并对模型的准确性进行了验证。基于支持向量回归的预测结果的相对误差整体上保持在10%以内;采用bp神经网络的预测结果的相对误差绝大部分达到了 5%以下,预测精度较支持向量回归高。将预测模型应用于实际工程,能为TBM推力扭矩的智能选取提供参考,提高破岩效率。
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