基于CNN-LSTM-Adaboost模型的TBM掘进参数和隧洞围岩等级预测

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作者 戴明健 焦玉勇 +3 位作者 裴成元 贾运甫 梁峰 张鹏 《安全与环境工程》 北大核心 2025年第2期160-170,共11页

硬岩隧道掘进机(TBM)在现今隧洞建设中的应用日益广泛,但是TBM深埋于地下,对地下围岩状况和掘进参数的感知能力不高,精准预测掘进参数和围岩等级对于保证TBM掘进安全具有重要意义。基于新疆某引水工程的TBM现场掘进参数和隧洞围岩地质数... 硬岩隧道掘进机(TBM)在现今隧洞建设中的应用日益广泛,但是TBM深埋于地下,对地下围岩状况和掘进参数的感知能力不高,精准预测掘进参数和围岩等级对于保证TBM掘进安全具有重要意义。基于新疆某引水工程的TBM现场掘进参数和隧洞围岩地质数据,选择TBM掘进稳定段的推力、扭矩、转速、净掘进速度、施工速度、开挖比能作为模型输入参数,建立了卷积神经网络优化的长短时时序-自适应提升(CNN-LSTM-Adaboost)模型,预测各等级围岩条件下的掘进参数,并依据掘进参数数据集训练模型预测了隧洞围岩等级。结果表明:CNN-LSTM-Adaboost模型具有较高的预测精度,大部分数据的预测相对误差率(Er)在10%以内,均方根误差(RMSE)在5以内,平均绝对百分比误差(MAPE)在10%以内,拟合优度(R^(2))在0.9以上;同时,CNN-LSTM-Adaboost模型对基于掘进参数对隧洞围岩等级的识别准确率较高,综合准确率(ACC)达90%,可以应用于指导工程实践。 展开更多

关键词 硬岩隧道掘进机(TBM) 掘进参数 掘进安全 CNN-LSTM-Adaboost模型 围岩等级

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黏性土样圆盘与十字板剪切特性与破坏模式研究

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作者 刘雪丹 卓彬 +3 位作者 方勇 董唯杰 李伯昌 裴成元 《隧道建设(中英文)》 北大核心 2025年第6期1163-1170,共8页

为探究结泥饼过程中土体内部的黏聚力、土体与金属刀盘间的黏附力2种力学行为,对比分析不同剪切方式下土样的剪切破坏模式,采用自行研制的旋转转矩试验装置,分别对纯伊利土、纯高岭土、纯蒙脱土及含砂伊利土4种土样进行十字板和圆盘剪... 为探究结泥饼过程中土体内部的黏聚力、土体与金属刀盘间的黏附力2种力学行为,对比分析不同剪切方式下土样的剪切破坏模式,采用自行研制的旋转转矩试验装置,分别对纯伊利土、纯高岭土、纯蒙脱土及含砂伊利土4种土样进行十字板和圆盘剪切转矩试验。试验结果表明:1)随着法向压力的增大,十字板剪切和圆盘剪切的峰值转矩及残余转矩均随之升高,土样的峰值转矩与压力表现出较强的线性相关。2)相比纯伊利土,含砂伊利土峰值转矩更高,残余转矩较低。3)在2种剪切方式下,3种土样的峰值转矩和残余转矩均表现出显著的线性相关,其中,土样的峰值转矩和残余转矩均表现为蒙脱土>伊利土>高岭土,蒙脱土堵塞风险最高。4)十字板剪切转矩和圆盘剪切转矩线性相关,对于同种土样,十字板剪切和圆盘剪切峰值转矩拟合直线斜率和残余转矩拟合直线斜率基本相同。当土样发生堵塞风险最高,即土样稠度指数为0.625时,剪切破坏主要发生在土体内部,土体黏聚力小于土体与金属刀盘间的黏附力。 展开更多

关键词 十字板剪切 圆盘剪切 黏附力 黏聚力 旋转转矩 结泥饼

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严寒地区高拱坝工程预制保温一体化网格状模板平面外受力性能

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作者 段兆慧 秦龙生 +2 位作者 郭婕 赵连生 赵妍 《科学技术与工程》 北大核心 2025年第23期9977-9985,共9页

基于严寒地区混凝土高拱坝工程提出了一种预制保温一体化网格状模板结构,该结构不仅与现浇拱坝协同受力还具备全生命周期的保温功能。通过试验和数值模拟相结合的方法,研究模板在平面外荷载作用下的裂缝分布、承载力和变形等性能。试验... 基于严寒地区混凝土高拱坝工程提出了一种预制保温一体化网格状模板结构,该结构不仅与现浇拱坝协同受力还具备全生命周期的保温功能。通过试验和数值模拟相结合的方法,研究模板在平面外荷载作用下的裂缝分布、承载力和变形等性能。试验结果表明:在平面外荷载作用下,模板结构的裂缝主要分布在底部梁跨中、梁柱交界面以及网格板中心位置,加载板中心的竖向变形显著大于梁跨中变形。当荷载达到600 kN时,变形-荷载曲线斜率变缓;当荷载达到1100 kN时,梁端钢筋出现屈服现象。在100 m水深压力下,试件平面外变形小于屈服变形,梁、板受拉侧出现裂缝,受压侧无明显损伤。本研究成果为预制保温一体化模板在严寒地区高拱坝结构的应用奠定了基础。 展开更多

关键词 预制保温一体化网格状模板 试验研究 数值模拟 承载力 变形能力 裂缝

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粉煤灰中不同CaO含量对水泥浆体安定性及抗裂性的影响研究

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作者 段玉东 李明霞 《水利水电技术(中英文)》 北大核心 2025年第S1期847-851,共5页

研究粉煤灰中不同的CaO含量对水泥浆体安定性及抗裂性的影响。选取4种CaO含量的粉煤灰,分别为3.42%、16.22%、10.35%及20.89%进行对比分析。结果显示:雷氏夹法安定性膨胀值随着CaO含量和掺量的增加略有增大,当4种粉煤灰在40%掺量范围内... 研究粉煤灰中不同的CaO含量对水泥浆体安定性及抗裂性的影响。选取4种CaO含量的粉煤灰,分别为3.42%、16.22%、10.35%及20.89%进行对比分析。结果显示:雷氏夹法安定性膨胀值随着CaO含量和掺量的增加略有增大,当4种粉煤灰在40%掺量范围内体积安定性良好;空气中28 d时,水泥砂浆都呈收缩状态,且都随着CaO含量的增加而收缩略有减小;水泥品种、粉煤灰掺量相同的条件下,CaO含量为20.89%的粉煤灰胶凝材料初始开裂时间比掺加其他3种粉煤灰短,掺加CaO含量为3.42%粉煤灰的胶凝材料初始开裂时间最长。 展开更多

关键词 高钙灰 氧化钙含量 安定性 抗裂性

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基于TBM掘进大数据和特征参数的引水隧洞塌方分析 被引量：3

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作者 裴成元 张云旆 +2 位作者 刘军生 刘立鹏 曹瑞琅 《隧道建设（中英文）》 CSCD 北大核心 2024年第5期952-963,共12页

针对TBM掘进过程中缺乏对围岩质量和塌方风险快捷、精准的预测预警方法,通过对TBM掘进大数据的深入挖掘,结合对实际工程塌方数据的剖析,提出潜在塌方风险的辅助判断依据。首先,对冗杂、连续的原始采集数据进行预处理,获取高质量的分析数... 针对TBM掘进过程中缺乏对围岩质量和塌方风险快捷、精准的预测预警方法,通过对TBM掘进大数据的深入挖掘,结合对实际工程塌方数据的剖析,提出潜在塌方风险的辅助判断依据。首先,对冗杂、连续的原始采集数据进行预处理,获取高质量的分析数据;然后,基于参数的相关性分析提出围岩特征参数的计算方法,并围绕特征参数的合理性和适用性,通过理论推导、室内试验和现场原位掘进试验进行论证;最后,结合实际的TBM塌方案例分析特征参数与围岩地质情况的相关性,提出塌方风险快速判断依据。结果表明:基于TBM掘进数据获取的围岩特征参数在一定程度上反映了围岩质量,其数值与围岩质量正相关,当其数值显著降低、变幅超过69.2%时,当前的掘进循环极大可能存在塌方风险。 展开更多

关键词 引水隧洞 TBM 大数据 围岩质量 特征参数 塌方分析

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TBM隧洞软弱围岩不良地质段卡机机理及脱困技术:以我国西北某供水隧洞为例 被引量：1

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作者 张宝瑾 谭忠盛 +1 位作者 李林峰 裴成元 《土木工程学报》 CSCD 北大核心 2024年第S1期29-35,共7页

TBM(隧道掘进机)因具备安全、高效、快速等优势,已成为特长隧洞施工的主要工法。然而,在软弱围岩、断层破碎带和富水地层等不良地质条件下,TBM容易发生卡机现象,严重影响施工进度与安全。本文通过调研多个工程案例,尤其是我国西北某供... TBM(隧道掘进机)因具备安全、高效、快速等优势,已成为特长隧洞施工的主要工法。然而,在软弱围岩、断层破碎带和富水地层等不良地质条件下,TBM容易发生卡机现象,严重影响施工进度与安全。本文通过调研多个工程案例,尤其是我国西北某供水隧洞的实际情况,总结了三种典型卡机类型,系统分析了其机理,并提出相应的力学原理及防控措施。针对软弱围岩,建议刀具扩挖、减少扰动和快速支护;对于断层破碎带,强调超前探测和合理应对;而在富水地层,则推荐埋管引水和注浆堵水技术。研究表明,通过合理工程措施和先进技术手段,能显著降低TBM卡机风险,提高隧洞掘进成功率和效率。本文为TBM在不良地质条件下的施工提供了理论支持和技术指导。 展开更多

关键词 超特长隧洞 TBM掘进 软弱围岩 断层破碎带 富水地层

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基于VMD与加权RF的TBM掘进速度预测SHAP解释模型

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作者 张建明 侍克斌 +3 位作者 贾运甫 任志强 巴合特别克·达拉依汗 刘昭 《隧道建设（中英文）》 CSCD 北大核心 2024年第5期1012-1028,共17页

为较准确地实现TBM掘进速度(PR)的预测,构建一套基于加权随机森林(RF)结合变分模态分解(VMD)的集成学习预测模型。模型建立过程中,通过收集来自KS隧洞与兰州水源地输水隧洞中涵盖不同岩性下的数据,利用VMD对数据进行4次模态分解,在保留... 为较准确地实现TBM掘进速度(PR)的预测,构建一套基于加权随机森林(RF)结合变分模态分解(VMD)的集成学习预测模型。模型建立过程中,通过收集来自KS隧洞与兰州水源地输水隧洞中涵盖不同岩性下的数据,利用VMD对数据进行4次模态分解,在保留数据特性的同时去除最高频噪音;采用SHAP对未加权传统RF从模型贡献角度进行特征度量,以此实现未加权传统RF加权,并使用RFECV与网格搜索对加权RF进行特征遴选、超参数优化;通过实际工程对模型的性能进行验证,基于SHAP理论对模型从全局与局部进行解释。结果表明:1)所建模型预测精度较高,其在测试集上的均方根误差(MSE)、平均绝对误差(MAE)与决定系数(R^(2))分别为0.0649(m/h)^(2)、0.1875 m/h、0.9254。2)在实际工程的验证中,模型取得了MSE=0.0503(m/h)^(2)、MAE=0.1613 m/h、R^(2)=0.9505的性能表现,精度理想,且性能均高于常用的深度神经网络、支持向量回归、未加权传统RF。3)经过VMD处理可有效提升PR的预测精度,处理后的模型在测试集上MSE、MAE、R^(2)分别提升了82.50%、59.00%、33.25%。4)岩石单轴抗压强度是精准预测PR时最重要的因素,地质参数在预测中的交互性明显优于掘进参数。预测分析重要洞段的PR时,需结合全局与局部2个角度进行综合分析。 展开更多

关键词 TBM隧道 TBM掘进性能 净掘进速度预测 变分模态分解 随机森林

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TBM窄刃刀与标准刀现场性能对比测试与分析

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作者 郑加星 贾昊霖 +4 位作者 裴成元 杜立杰 李青蔚 宋闻学 唐荣 《隧道建设（中英文）》 CSCD 北大核心 2024年第2期360-367,共8页

极硬岩条件下如何进行刀具选型,使TBM掘进速度和刀具消耗取得综合效益,是有待解决的具有争议性的问题。为此,依托新疆YE工程现场TBM实际掘进,在岩石单轴抗压强度为100~150 MPa的完整Ⅱ类凝灰岩条件下,对比测试刀盘主要区域窄刃刀和标准... 极硬岩条件下如何进行刀具选型,使TBM掘进速度和刀具消耗取得综合效益,是有待解决的具有争议性的问题。为此,依托新疆YE工程现场TBM实际掘进,在岩石单轴抗压强度为100~150 MPa的完整Ⅱ类凝灰岩条件下,对比测试刀盘主要区域窄刃刀和标准刀的掘进性能表现以及刀具消耗情况,探索降低滚刀刀圈刃宽,提升TBM贯入度和掘进速度的可行性与合理性。结果表明:1)使用窄刃刀破岩对贯入度和施工速度有着较为明显的提升,且随着围岩抗压强度的增加,窄刃刀对掘进速度的提升效果明显;2)与标准刀相比,窄刃刀消耗数量也有较大增加,但2种滚刀的失效形式占比情况大致相同,对TBM作业利用率影响极小;3)经综合成本估算,窄刃刀通过提升施工速度节省的成本远高于刀具消耗增加的成本。 展开更多

关键词 TBM 滚刀 刀刃宽度 贯入度 掘进速度 刀具消耗

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冲沟断层破碎带TBM隧洞地表预注浆加固效果研究

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作者 李庆楼 李元卓 +1 位作者 裴成元 周振梁 《土木工程学报》 CSCD 北大核心 2024年第S1期52-58,共7页

针对TBM穿越断层破碎带围岩破碎易卡机的问题,依托新疆某供水隧洞,通过现场试验、数值模拟和现场监测的方法系统对比分析了地表预注浆的加固效果。研究结果表明:TBM穿越断层破碎带发生塌方卡机的风险较大。地表预注浆加固增强了断层破... 针对TBM穿越断层破碎带围岩破碎易卡机的问题,依托新疆某供水隧洞,通过现场试验、数值模拟和现场监测的方法系统对比分析了地表预注浆的加固效果。研究结果表明:TBM穿越断层破碎带发生塌方卡机的风险较大。地表预注浆加固增强了断层破碎带围岩的完整性与稳定性,降低了隧洞开挖引起的围岩收敛变形,变形降幅可达70.44%。地表预注浆加固措施改善了隧洞初期支护结构的受力特征,相较于未注浆情况锚杆轴力降低了89.91%,提高了初期支护结构的安全与稳定性。现场取芯结果、TBM掘进参数及现场监测数据的分析进一步证实,地表预注浆加固提高了岩体的强度和整体性,保障了TBM在复杂地质条件下的安全高效掘进。研究成果可为类似地质环境中TBM隧洞施工提供参考。 展开更多

关键词 TBM隧洞 断层破碎带 地表预注浆 围岩变形 加固效果

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基于振动时频图像的TBM隧道围岩级别感知方法研究

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作者 周振梁 李庆楼 +1 位作者 郑修和 张惠兰 《土木工程学报》 CSCD 北大核心 2024年第S1期72-79,共8页

为解决不停机条件难以准确获取开挖面围岩条件的问题,开发了一种基于振动时频图像的TBM隧道围岩级别感知方法,实现了对刀盘振动信息进行了全域提取,并依托西北某引水隧道通过卷积核大小、批量尺寸、迭代次数和时频变换方法等方面对围岩... 为解决不停机条件难以准确获取开挖面围岩条件的问题,开发了一种基于振动时频图像的TBM隧道围岩级别感知方法,实现了对刀盘振动信息进行了全域提取,并依托西北某引水隧道通过卷积核大小、批量尺寸、迭代次数和时频变换方法等方面对围岩级别感知方法进行应用和优化,验证了方法对围岩的感知效果。研究表明,基于振动时频图像的围岩级别感知方法通过加速度传感器对TBM振动数据进行采集,并进行时频变换获得振动频谱图像,然后通过卷积神经网络对围岩级别进行预测;随着围岩条件变好振动的频率分布范围逐渐变大、频带逐渐变宽,高频部分的能量在逐渐增长,Ⅱ级围岩的频率最大值达到了400Hz左右;以LeNet网络结构为基础建立的围岩级别感知方法可准确对围岩级别进行分类,通过对模型进行优化,围岩级别感知方法的平均准确率可达96.2%。 展开更多

关键词 TBM 刀盘振动 时频变换 图像识别 围岩感知

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TBM快速换刀用旋转摩擦体新型刀座的设计及试验研究

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作者 赵海雷 刘伟 +4 位作者 裴成元 吴磊 王利明 秦银平 白彦磊 《隧道建设(中英文)》 CSCD 北大核心 2024年第S2期478-484,共7页

针对敞开式TBM传统刀座零部件较多、更换复杂、无法快速拆装刀具的问题,分析传统刀具楔块拉紧刀轴的受力特点,进行减少刀座零部件安装的旋转摩擦体新型刀座设计,实现人工或者机器人快速拆装刀具。利用有限元软件和接触理论,建立刀座紧... 针对敞开式TBM传统刀座零部件较多、更换复杂、无法快速拆装刀具的问题,分析传统刀具楔块拉紧刀轴的受力特点,进行减少刀座零部件安装的旋转摩擦体新型刀座设计,实现人工或者机器人快速拆装刀具。利用有限元软件和接触理论,建立刀座紧固力学模型,研究新型刀座整体、滚刀刀轴、内旋转块、刀箱以及压紧块的应力与变形量情况,并开展新型刀座的足尺破岩验证试验和新型刀座用刀轴的分级静载试验。试验结果表明:旋转摩擦体新型刀座具有较高的可靠性,其换刀效率较传统刀座提升了45%左右。 展开更多

关键词 TBM 滚刀 旋转摩擦体 新型刀座

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全断面隧道掘进机滚刀破岩机理的细观研究

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作者 陈小红 黄雨枫 +2 位作者 倪志华 郑加星 耿麒 《南方农机》 2024年第21期24-29,共6页

【目的】现有全断面隧道掘进机滚刀破岩数值模拟研究通常集中于宏观层面,关注载荷、岩碴和比能等观测指标,因此,加强对TBM滚刀破岩机理的细观研究具有重要意义。【方法】针对新疆引额供水二期输水工程喀双段遇到的花岗岩,使用颗粒离散... 【目的】现有全断面隧道掘进机滚刀破岩数值模拟研究通常集中于宏观层面,关注载荷、岩碴和比能等观测指标,因此,加强对TBM滚刀破岩机理的细观研究具有重要意义。【方法】针对新疆引额供水二期输水工程喀双段遇到的花岗岩,使用颗粒离散元方法,构建平刃滚刀竖向侵入硬岩二维仿真模型,研究了刀下压密区及其附近岩石中的颗粒接触对数与链环分布规律,探讨了链环分布和维数变化与岩石裂纹发展之间的关系。【结果】1)接触链环的维数变化直接影响着刀下压密区细观结构,进而影响着滚刀破岩效果;2)当接触链环维数从低到高变化时,刀下压密区承载能力下降;3)高维接触链环空隙面积增大引起了压密区扩容;4)接触链环维数从低到高的变化是裂纹萌生的内在原因。【结论】本研究揭示了TBM滚刀破岩过程中岩石破碎的细观机理,可为TBM滚刀设计与掘进参数优化提供理论支撑。 展开更多

关键词 TBM 滚刀破岩 颗粒簇 细观机理 链环

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