[发明专利]一种基于岩碴粒径分布规律的TBM破岩效率评价方法

说明书

本发明公开了一种基于岩碴粒径分布规律的TBM破岩效率评价方法，包括步骤：S1.在TBM施工现场对某一TBM掘进段进行岩碴量测与筛分，计算出该掘进段岩碴的总表面积；S2.基于岩碴总表面积计算有效破岩比，利用有效破岩比对TBM破岩效率进行评价；所述有效破岩比为粒径5mm的岩碴表面积之和占全级配粒径岩碴表面积之和的百分比。本发明提出的基于岩碴总表面积的有效破岩比，摒除了岩碴总表面积指标计算时小粒径岩碴含量的干扰，保留了粗糙度指数利用较大粒径岩碴含量的优点，同时避免了粗糙度指数计算存在的缺陷，因此能够更好更准确地描述TBM破岩效率。

技术领域

本发明涉及隧道施工技术领域，具体涉及一种基于岩碴粒径分布规律的TBM破岩效率评价方法。

背景技术

根据岩石破碎理论[1]，岩石隧道掘进机(TBM)掘进过程中滚刀切割掌子面岩石形成的岩碴，其形状尺寸和粒径分布与机械能量利用率、滚刀破岩效率密切相关，可以直接反应“岩-机”作用机制，是机械性能、地质条件和掘进参数等多种信息的重要外在表现。目前，岩碴信息已经成为TBM施工地质与围岩质量辨识的重要手段[2-3]。因此，岩碴形状、粒径大小及其分布特征可以直观地综合反馈TBM破岩效率，而TBM破岩效率是评价TBM隧道施工经济效益最为重要的指标之一[4]。

研究人员利用室内线性切割试验和现场掘进试验，对岩碴粒径分布与TBM破岩效率之间的关系开展了大量研究。研究认为粗糙度指数是表征TBM破岩效率的有效参数[4]，并基于室内线性切割试验建立了粗糙度指数与比能之间的相关关系。

粗糙度指数的计算是根据筛分试验数据对岩碴粒径分布进行分析，得到各个筛网的累计筛余率，再将各个筛网的累计筛余率相加得到，具体计算表达式为：

CI＝∑X_i (2)

式(1)和式(2)中，W_i是现场筛分试验得到的大于某一粒径尺寸的岩碴总质量；W_t是现场筛分试验采取的岩碴总质量；X_i是大于某一粒径尺寸的累计筛余率；CI为岩碴粗糙度指数。

当破岩效率高时，产生的岩片较多，岩粉较少，此时粗糙度指数会较大。相反，当破岩效率低时，产生的岩片较少，而岩粉会较多，此时的粗糙度指数会较小。

比能是切削单位体积岩石所需要做的功，比能是通过施工过程中反馈的数据计算得到的衡量TBM破岩效率的重要指标，比能越小，破碎单位体积岩石所需的能量越小，破岩效率越高。其计算公式如下：

式(3)中，SE为比能，F_v为TBM掘进时的平均推力，l为TBM在某时段的掘进距离，M为TBM掘进时的平均扭矩，θ为滚刀旋转的角度，R为开挖隧洞半径。

利用现场的有关数据及式(3)可计算得到不同TBM工作条件下的比能指标。

粗糙度指数和比能都能反映破岩效率，研究结果表明比能随粗糙度指数增大而减小，因而在实际的施工现场无法计算比能的时候，可通过分析碴片尺寸及形状来判断破岩效率。然而粗糙度指数在描述TBM破岩效率方面主要有如下不足：粗糙度指数在描述破岩效率时的计算方法存在缺陷。由式(1)-(2)可见，粗糙度指数是通过各个孔径下累计筛余率累加得到的，那么较大粒径的岩碴含量被多次重复计算，而较小粒径的岩碴含量则参与计算次数较少，甚至只参与计算一次。也就是说，这种计算方法放大了较大粒径(5mm)岩碴含量对计算结果的影响，而相对弱化了较小粒径(≤5mm，含岩粉)岩碴含量的影响。实际上，不同粒径的岩碴含量并不是随粒径大小均匀递增或递减的，在中间粒径岩碴含量多或两端粒径岩碴含量多的情况下，粗糙度指数无法正确反映岩碴粒径分布状况，这与实际情况是不符的。

参考文献

[1]徐小荷，余静.岩石破碎学[M].北京：煤炭工业出版社，1984.