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一种基于改进型凹点匹配的岩碴图像分割算法

隧道建设（中英文） 2022年第S02期42卷 181-188页

作者：郑永光陈敬举范亚磊王珩孙颜明中铁工程装备集团有限公司河南郑州450016

为解决岩碴和背景颜色相近、边缘不规则、堆积重叠、单个岩石像素不一致等导致的图像分割识别困难问题,提出一种基于距离及边界长度的凹点匹配算法。首先,对图像进行直方图均衡化、高斯降噪等处理,增强图像对比度并抑制部分噪声;其次,... 详细信息

为解决岩碴和背景颜色相近、边缘不规则、堆积重叠、单个岩石像素不一致等导致的图像分割识别困难问题,提出一种基于距离及边界长度的凹点匹配算法。首先,对图像进行直方图均衡化、高斯降噪等处理,增强图像对比度并抑制部分噪声;其次,利用像素阈值分割法对图像进行二值化处理并提取图像轮廓;再次,利用矢量夹角法对提取的岩碴轮廓进行凹点检测,并基于岩碴图像特征,设计了一种新的凹点匹配准则;最后,选取实际工程中的岩碴图片对所提方法进行验证,结果表明,该方法能够较准确地获取凹点对,对于碴片图像轮廓分割的效果,像素准确率达到88.9%,IoU达到82.7%。

关键词：图像分割凹点检测凹点匹配岩碴隧道掘进机

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盘形滚刀切割岩碴粒径分布规律研究

岩石力学与工程学报 2008年第S1期27卷 3016-3022页

作者：宋克志季立光袁大军王梦恕鲁东大学岩土工程重点实验室北京交通大学土木建筑工程学院北京100044

岩碴大小及粒径分布是联系机械掘进参数与岩石性质的重要指标。依据盘形滚刀切割岩碴形成机制,分析岩碴尺寸组成及形成特点。基于现场掘进试验,按不同岩性和掘进机不同推力水平,分组获取岩碴试样,对其进行尺寸量测与筛分试验,取得大量... 详细信息

岩碴大小及粒径分布是联系机械掘进参数与岩石性质的重要指标。依据盘形滚刀切割岩碴形成机制,分析岩碴尺寸组成及形成特点。基于现场掘进试验,按不同岩性和掘进机不同推力水平,分组获取岩碴试样,对其进行尺寸量测与筛分试验,取得大量的岩碴尺寸数据,并运用概率统计理论对泥岩、砂岩的岩碴尺寸进行分布拟合检验;随后对实测岩碴粒径分布进行计算并与理论分布模型(对数正态分布函数和Rosin-Rammler分布函数)进行对比分析。在岩碴尺寸分布、粒径分布及其与机械参数的关系等方面取得一些有益的结论,对改进掘进机设计及提高掘进效能具有一定的参考意义。

关键词：隧道工程隧道掘进机盘形滚刀岩碴粒径分布规律分布函数

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基于岩碴粒径分布规律的TBM破岩效率分析

岩土工程学报 2019年第3期41卷 466-474页

作者：闫长斌姜晓迪刘章恒杨继华苗栋郑州大学土木工程学院河南郑州450003 黄河勘测规划设计有限公司河南郑州450003

岩碴的形状、大小及其粒径分布规律是综合反映TBM破岩效率的重要指标,也是TBM掘进参数与岩石性质的重要联系。根据盘形滚刀破岩机制,对TBM掘进岩碴进行了现场量测和筛分试验,获得了TBM岩碴尺寸特征和粒径分布规律。在此基础上,对实测岩... 详细信息

岩碴的形状、大小及其粒径分布规律是综合反映TBM破岩效率的重要指标,也是TBM掘进参数与岩石性质的重要联系。根据盘形滚刀破岩机制,对TBM掘进岩碴进行了现场量测和筛分试验,获得了TBM岩碴尺寸特征和粒径分布规律。在此基础上,对实测岩碴尺寸和粒径分布数据进行了统计分析和理论分布函数拟合。分析了粗糙度指数与岩石强度、岩石耐磨性的关系,探讨了不同围岩等级下粗糙度指数随掘进推力的变化规律。研究结果表明:①片状岩碴的长轴与短轴之比约为1.5,而长轴与厚度之比则差别较大,其长轴、短轴和厚度均服从正态分布;②不同岩性条件下岩碴粒径分布均符合Rosin–Rammler函数分布;③岩碴粗糙度指数越大,TBM破岩效率越高;硬岩条件下岩碴粗糙度指数随单轴饱和抗压强度增大而减小,而中硬—软岩条件下则相反;④无论是软岩还是硬岩,岩碴粗糙度指数随岩石耐磨性增大而减小,岩石耐磨性越强,TBM破岩效率越低;⑤TBM破岩效率与围岩等级密切相关,可根据现场实测岩碴粒径分布规律,确定Ⅱ级和Ⅲ级围岩条件下TBM破岩效率最佳时的掘进推力区间。

关键词： TBM施工岩碴尺寸特征粒径分布 Rosin-Rammler函数粗糙度指数破岩效率掘进推力

基于岩碴部分替代的早强喷射混凝土研制及应用

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隧道建设（中英文） 2023年第S02期43卷 41-47页

作者：孙振川刘伟赵海雷王军杜海文刘澜洋白彦磊中铁隧道局集团有限公司广东广州511458 隧道掘进机及智能运维全国重点实验室河南郑州450001 新疆额尔齐斯河投资开发(集团)有限公司新疆乌鲁木齐830001 重庆长江电工工业集团有限公司重庆400060

为解决山岭隧道施工现场岩碴大量堆积,造成资源浪费、环境破坏等问题,以西南地区某高原隧道工程为依托,研究岩碴部分替代喷射混凝土中粗骨料的可行性和实用性。基于确定的基准试验组喷射混凝土的配合比,通过唯一变量原则,开展喷射混凝... 详细信息

为解决山岭隧道施工现场岩碴大量堆积,造成资源浪费、环境破坏等问题,以西南地区某高原隧道工程为依托,研究岩碴部分替代喷射混凝土中粗骨料的可行性和实用性。基于确定的基准试验组喷射混凝土的配合比,通过唯一变量原则,开展喷射混凝土中粗骨料岩碴替代率分别为10%、15%、20%、25%、30%、35%的室内试验,主要包括喷射混凝土的坍落度、黏聚性、保水性、抗压强度、抗折强度等室内试验。另外,在依托工程现场开展不同岩碴替代率的混凝土试喷工作和实体强度的大板试验。基于室内及现场试验结果,得到喷射混凝土中粗骨料的岩碴最大替代率应控制在30%以下,现场试验段隧道拱顶和边墙的喷射混凝土回弹率均满足规范要求;通过大板试验,进一步验证了岩碴对粗骨料的最大替代率应控制在30%以下的使用要求。

关键词：岩碴喷射混凝土粗骨料替代率

基于硬脆性岩石特征粒径的锥齿滚刀最优钻压分析

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岩土工程学报 2020年第4期42卷 782-789页

作者：谭昊纪洪广曾志远刘志强北京科技大学土木与资源工程学院北京100083 北京中煤矿山工程有限公司北京100013 中钢集团安徽天源科技股份有限公司安徽马鞍山243000

为提高反井钻机锥齿滚刀对硬脆性岩石的破岩效率,需要得到最优钻压,分析岩碴粒径是研究反井钻机锥齿滚刀最优钻压的重要手段。采用直线破岩试验方法,使用锥齿滚刀破碎硬脆性大理岩试样,并通过Rosin-Rammler分布函数对岩碴粒径分布情况... 详细信息

为提高反井钻机锥齿滚刀对硬脆性岩石的破岩效率,需要得到最优钻压,分析岩碴粒径是研究反井钻机锥齿滚刀最优钻压的重要手段。采用直线破岩试验方法,使用锥齿滚刀破碎硬脆性大理岩试样,并通过Rosin-Rammler分布函数对岩碴粒径分布情况进行分析。通过对比多个钻压下岩碴粒径分布的累计概率曲线、特征粒径以及比能,得到钻压与岩碴特征粒径分布规律、特征粒径与比能的关系。当特征粒径最大和比能最小时,分别得到大理岩试样的最优钻压为34.45 kN和35.19 kN,因此最优钻压约为35 kN。据此,建议在实际应用中可将钻压设为35 kN。还分析了在相同钻压下,采用锥齿滚刀破碎硬脆性大理岩和花岗岩时的粒径分布关系,分析得到两种单轴抗压强度岩碴的特征粒径。研究结果表明特征粒径能够反映锥齿滚刀的破岩效果;硬脆性岩石的破碎过程符合黎金格的新表面说,特征粒径与比能呈近似反比关系;在一定钻压范围内,相同钻压下花岗岩特征粒径均大于大理岩,且特征粒径差距随钻压增加而增大。

关键词：锥齿滚刀岩碴 Rosin-Rammler分布特征粒径比能最优钻压

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基于新表面理论的TBM破岩效率评价指标

岩土力学 2023年第4期44卷 1153-1164页

作者：闫长斌李高留陈健李严杨延栋杨风威杨继华郑州大学水利与土木工程学院河南郑州450001 中国铁建水下隧道工程实验室山东济南250101 中铁隧道局集团盾构及掘进技术国家重点实验室河南郑州450001 黄河勘测规划设计研究院有限公司河南郑州450003

岩碴是岩-机作用的直接产物,也是评价隧道掘进机(TBM)破岩效率和优化TBM掘进参数的有效指标。依托兰州水源地建设工程和龙岩万安溪引水工程,开展不同岩性条件下TBM岩碴筛分试验,得到了岩碴粒径分布规律。基于新表面理论,从滚刀破岩能量... 详细信息

岩碴是岩-机作用的直接产物,也是评价隧道掘进机(TBM)破岩效率和优化TBM掘进参数的有效指标。依托兰州水源地建设工程和龙岩万安溪引水工程,开展不同岩性条件下TBM岩碴筛分试验,得到了岩碴粒径分布规律。基于新表面理论,从滚刀破岩能量转化角度出发,提出了一种新的TBM破岩效率评价指标。基于岩碴粒径分布规律和TBM掘进参数统计,探讨了新表面理论指标与比能、岩碴粗糙度指数之间的关系,指出了新表面理论指标在反映岩碴破碎程度和评价TBM破岩效率方面的优势。对新表面理论指标与TBM掘进推力以及刀间距s与贯入度p的比值进行回归分析,得到了硬岩(围岩等级为Ⅱ级)和软岩(围岩等级为III级)掘进条件下的TBM最优掘进推力和s/p取值区间。研究表明:(1)新表面理论指标符合岩石破碎学原理,可准确评价TBM破岩效率。岩碴越是破碎,新表面理论指标越大,掘进能耗越高,此时TBM破岩效率相对较低。(2)新表面理论指标与比能、岩碴粗糙度指数均具有良好的线性相关关系。岩碴越是破碎,破碎单位体积岩石的能量消耗越大,新表面理论指标越大,对应的粗糙度指数越小。软岩掘进条件下TBM掘进比能低于硬岩,而岩碴破碎程度高于硬岩。(3)新表面理论指标随着TBM掘进推力和s/p的增加先减小后增大,在硬岩和软岩条件下,当TBM最优掘进推力区间和s/p区间分别为7 400~7 700 kN、13.9~14.4和1 000~1 500 kN、8.0~8.5时,新表面理论指标较小,TBM破岩效率较高。

关键词：隧道掘进机(TBM) 岩碴能量转化新表面理论粗糙度指数比能掘进推力刀间距与贯入度的比值(s/p)

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临空面辅助楔刀贯入破岩试验及数值模拟研究

临空面辅助楔刀贯入破岩试验及数值模拟研究

作者：汤胜旗武汉大学

学位级别：硕士

随着我国基础设施建设不断向西部山区进军,越来越多的长大隧道工程成为整个工程建设的主体,其掘进效率往往是工程建设进度的关键。深埋隧道TBM掘进时,往往面临围岩大变形及高地应力等复杂地质条件,TBM组合超前导洞扩挖成孔掘进方式可以... 详细信息

随着我国基础设施建设不断向西部山区进军,越来越多的长大隧道工程成为整个工程建设的主体,其掘进效率往往是工程建设进度的关键。深埋隧道TBM掘进时,往往面临围岩大变形及高地应力等复杂地质条件,TBM组合超前导洞扩挖成孔掘进方式可以有效释放围岩应力,提升破岩效率。进行超前导洞形成的临空面辅助刀具破岩的相关研究,揭示其破岩机理和辅助作用,对于安全高效地进行TBM隧道掘进具有重要意义。本文所做的主要研究工作如下:本研究制备了多种有、无临空面的花岗岩板状试样,利用二维刀具贯入装置,开展了不同侧向压力下楔刀垂直贯入破岩室内试验。分析了不同加载阶段楔刀下岩样裂纹扩展过程,利用贯入力、破岩体积和破岩比能耗等指标对临空面辅助楔刀贯入破岩效果进行了定量研究,讨论了侧向压力大小、楔刀形状、临空面深度、楔刀与临空面的距离对临空面辅助楔刀贯入破岩的影响。此外,在试验研究的基础上,基于二维颗粒流(PFC2D)平节理(Flat-Joint Model)接触模型,建立了不同加载条件下临空面辅助楔刀贯入破岩数值模型。通过监测颗粒间裂纹扩展、楔刀接触力、颗粒位移及碎片面积探讨了楔刀贯入破岩机理,分析了侧向压力、楔刀形状、临空面深度、楔刀与临空面的距离等因素对临空面辅助楔刀破岩的影响规律。试验结果表明:临空面辅助侧向压力约束下楔刀贯入破岩时,随着贯入度的增大,主裂纹逐渐萌生,扩展,并贯通至临空面,形成大粒径岩碴,显著降低了破岩比能耗;侧向压力迫使主裂纹向临空面方向扩展;刃角、刃宽越大,贯入力越大,楔刀越难以贯入岩石,不利于降低破岩比能耗;楔刀与临空面距离较小和临空面深度较大时,有利于楔刀高效破岩。数值模拟结果表明:侧向压力约束下,临空面辅助楔刀破岩时主裂纹扩展贯穿至临空面,形成大粒径岩碴,能够显著降低贯入力和破岩比能耗,从而高效破岩;临空面显著改变了试样中应力分布:临空面两侧形成低接触应力区,临空面底部出现应力集中,底部以下形成均匀高接触应力区,该应力的变化是楔刀高效破岩的直接原因。楔刀贯入破岩时,贯入点形成密实核,剪切微裂隙大量形成,试样以剪切破坏为主;随着贯入度增加,张拉微裂隙大量形成,密实核周围裂纹开始萌生并逐渐扩展,试样以张拉破坏为主。较大刃角、刃宽的楔刀贯入破岩时易产生局部破碎,粉末状岩渣较多,破岩比能耗较大。临空面深度和楔刀与临空面的距离能够控制楔刀下主裂纹的扩展形态,进而影响大粒径岩碴的形成。破岩比能耗随楔刀与临空面的距离增大呈现反抛物线增长,随临空面深度增大先迅速减小后有所增大,但增幅较小。试样破裂面与楔刀贯入力方向夹角较小时更有助于楔刀顺次破岩。

关键词：临空面试验研究颗粒流数值模拟岩碴破岩比能耗