不同地質(zhì)情況下掘進(jìn)參數(shù)的選擇標(biāo)準(zhǔn)及經(jīng)驗(yàn)

1、不同地質(zhì)情況下掘進(jìn)參數(shù)的選擇標(biāo)準(zhǔn)及經(jīng)驗(yàn)劉瑞慶 TBM法隧道施工中，在相同的機(jī)況及地質(zhì)情況下，主司機(jī)換步方式的合理運(yùn)用和對(duì)掘進(jìn)參數(shù)的正確選擇是決定掘進(jìn)安全、快速、經(jīng)濟(jì)的主要因素。本將主要討論掘進(jìn)中在不同情況下對(duì)于掘進(jìn)參數(shù)的選擇。1 工作模式 TBM的設(shè)計(jì)提供了三種工作模式：自動(dòng)扭矩控制、自動(dòng)推力控制和手動(dòng)控制模式。自動(dòng)扭矩控制只適用于均質(zhì)較巖，自動(dòng)推力控制只適用于均質(zhì)硬巖，手動(dòng)控制模式操作方便、反應(yīng)靈活，適用于各種地質(zhì)情況。 自動(dòng)扭矩和自動(dòng)推力控制模式是通過(guò)改變自動(dòng)檔設(shè)定值電位器阻值的大小，由PllC系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)機(jī)器相關(guān)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)反被調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。以自動(dòng)推力控制模式為例，其閉環(huán)控制回路如

2、圖1所示： 摘錄相關(guān)PLC程序如圖2。 IW35取值范圍為0100，對(duì)應(yīng)推進(jìn)壓力為0275 Mpa，若我們?cè)O(shè)定自動(dòng)檔設(shè)定電位器的值為100，即設(shè)定最大推進(jìn)壓力為275 Mpa，則由程序分析可知，實(shí)際推進(jìn)壓力將在26.5-28.5 Mpa之間波動(dòng)。實(shí)際推進(jìn)壓力低于 26.5 Mpa時(shí)，PLC控制雙向伺服馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)推進(jìn)速度電位器，井通過(guò)比例電子放大板與比例閥芯位置的反饋調(diào)節(jié)，使電校比例間流量增大，刀盤推力增加，當(dāng)PLC實(shí)時(shí)檢測(cè)到推進(jìn)壓力反饋信號(hào)26.5 Mpa時(shí)，則停止調(diào)節(jié)，反之亦然。同時(shí)Pde也檢測(cè)主電機(jī)電流（即對(duì)應(yīng)于刀盤扭矩），超過(guò)額定電流值時(shí)，則降低推進(jìn)速度，以保護(hù)電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。自動(dòng)扭矩控制

3、模式原理與此相似，其閉環(huán)控制回路如圖3所示。 由上述兩種自動(dòng)控制模式的原理分析可以看出，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，H兀系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的反應(yīng)不會(huì)也不允許太靈敏，允許實(shí)際值的波動(dòng)范圍較大（范圍為-1010），并且只能對(duì)整個(gè)刀盤的平均值作出反應(yīng)，而不能對(duì)實(shí)際掘進(jìn)中多變的巖石情況作出靈活迅速的反應(yīng)。因此在實(shí)踐操作過(guò)程中最常用的還是采用手動(dòng)控制模式，其控制回路如圖4，其實(shí)質(zhì)是以主司機(jī)替代PLC系統(tǒng)，根據(jù)掘進(jìn)情況，手動(dòng)改變推進(jìn)速度電位器的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。 2 掘進(jìn)多數(shù)的選擇標(biāo)準(zhǔn) 掘進(jìn)參數(shù)主要有以下8個(gè)：刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤扭矩、電機(jī)電流值、推進(jìn)力、推進(jìn)缸壓力、實(shí)際掘進(jìn)速度、貫人度（每轉(zhuǎn)進(jìn)尺）和推進(jìn)速度電位器選擇值。其中電

4、機(jī)電流值與刀盤扭矩、推進(jìn)缸壓力與推進(jìn)力成正比，實(shí)際掘進(jìn)速度二刀盤轉(zhuǎn)速對(duì)貫入度。在選定刀盤轉(zhuǎn)速后，主司機(jī)唯一能直接控制的就是選擇推進(jìn)速度電位器的值。由于巖石情況不同，掘進(jìn)所需的扭矩和推力不同，實(shí)際達(dá)到的掘進(jìn)速度也不盡相同，主司機(jī)根據(jù)扭矩、推力的情況及刀盤振動(dòng)、出碴情況選擇推進(jìn)速度電位器選擇值的大小。 圖5為刀盤推進(jìn)液壓系統(tǒng)圖。掘進(jìn)時(shí)，PLC系統(tǒng)控制電液比例閥2114及換向閥212.2一1分處于左位及下位，P3高壓泵向推進(jìn)缸大腔供油。閥2112為定壓差減壓閥，使比例問(wèn)211-4進(jìn)出袖口形成定壓差P，由QsqarPAr（閥開(kāi)口面積） 即流量與閥開(kāi)度有確定的線形關(guān)系，而困開(kāi)度對(duì)應(yīng)于推進(jìn)速度電位器的選值

5、，巨掘進(jìn)速度VQ，故知理論上，推進(jìn)速度電位器值與實(shí)際推進(jìn)速度成線形關(guān)系。由p3泵Qmax=59L/min,8個(gè)推進(jìn)油缸內(nèi)徑D=320mm，可計(jì)算得出：Vmax=Qmax/（D2)8=5.5m/h 由此可得實(shí)際推進(jìn)速度與推進(jìn)速度電位器選擇值的線形關(guān)系圖，圖6中線段OA為理論上線形關(guān)系，但由于溢流閥211l的作用，如果巖石太硬，在推進(jìn)速度電位器未調(diào)至lbo時(shí)已達(dá)到溢流壓力，則其關(guān)系圖應(yīng)為圖6中折線OBC. 由設(shè)計(jì)參數(shù)知，直徑4313一的盤形滾刀其最大承載力為 250 kN，則可算出推進(jìn)油缸工作壓力；P=N總（D2)8=27.5MPa 實(shí)際掘進(jìn)中溢流閥2lll已設(shè)定為 27.0MPa，由此可得不同硬

6、度巖石條件下的掘進(jìn)速度與推進(jìn)速度電位器選定值的關(guān)系圖，如圖7。 掘進(jìn)中對(duì)參數(shù)的選擇有兩個(gè)原則，其一不能使溢流閥211l處于常開(kāi)位置，此時(shí)的推進(jìn)壓力流經(jīng)說(shuō)流閥直接回油箱，系統(tǒng)發(fā)熱急劇上升，工作環(huán)境溫度和濕度升高，不但液壓系統(tǒng)性能下降，電氣系統(tǒng)絕緣性能惡化，而且對(duì)工人的勞動(dòng)效率也有較大影響，不但浪費(fèi)能源也不利于掘進(jìn)；其二是盡量以較高的推進(jìn)壓力向前掘進(jìn)，因?yàn)橥七M(jìn)力越大，貫人度越高，掘進(jìn)速度越快，在扭矩的限值下應(yīng)盡可能采用高推進(jìn)力，這樣才能提高掘進(jìn)效率獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。3 實(shí)際經(jīng)驗(yàn) 兩年的秦嶺隧道掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)得出，采用低于溢流閥211一1設(shè)定壓力值0.5 Mpa左右的推進(jìn)壓力掘是合適的。以溢流閥壓力設(shè)定

7、為 27.0 Mpa為例，可選擇以 265 Mpa為推進(jìn)壓力，此時(shí)巖石的硬度波動(dòng)反映為推進(jìn)壓力隨之波動(dòng)如圖8。 此時(shí)根據(jù)推進(jìn)壓力的波動(dòng)可看出掌子面巖石的硬度變化情況，如果一段時(shí)間內(nèi)，推進(jìn)壓力平均值偏高（如圖8所示），則說(shuō)明巖石變硬須降低掘進(jìn)速度選擇值以減小推進(jìn)壓力如果平均值偏低，則可適當(dāng)提速以保持推進(jìn)壓力在265 Mpa左右，如此可隨時(shí)根據(jù)巖石硬度變化來(lái)選擇掘進(jìn)速度。而如果一味以溢流壓力掘進(jìn)，則無(wú)法從推進(jìn)壓力的變化得知巖石的變化情況巖石變硬時(shí)，依然保持較高速度掘進(jìn)，導(dǎo)致溢流閥常開(kāi)。雖然由于圖ZI4C程序?qū)ν七M(jìn)壓力的監(jiān)控，不會(huì)在溢流問(wèn)萬(wàn)一失效的情況下造成刀具和液壓系統(tǒng)的損壞但由于溢流閥長(zhǎng)時(shí)間處于

8、溢流狀態(tài)會(huì)造成其調(diào)定彈簧倔強(qiáng)系數(shù)的改變，從而降低溢流閥的調(diào)定值人為減小推進(jìn)速度。這在掘進(jìn)唇期得到驗(yàn)證推進(jìn)壓力開(kāi)始為 27.0 Mpa，到后期只能達(dá)到 255 MP左右。 以上為在較均質(zhì)硬巖情況下手動(dòng)控制模式對(duì)掘進(jìn)參數(shù)的選擇（此情況掘進(jìn)中常見(jiàn)），在較均質(zhì)較巖情況時(shí)原理相同，只是參考標(biāo)準(zhǔn)為電機(jī)電流亦即扭矩。而在掌子面巖石硬度不均時(shí)即使扭矩和推力均未達(dá)到額定值，部分刀具也可能遇到局部硬巖而過(guò)載失效，同時(shí)對(duì)主軸承和內(nèi)凱產(chǎn)生偏載。此時(shí)應(yīng)根據(jù)扭矩和推力的變化情況和刀盤的振動(dòng)來(lái)判斷并采取降低掘進(jìn)速度的措施，尤其是在掌子面局部坍塌時(shí)，刀盤振動(dòng)加劇應(yīng)停機(jī)進(jìn)人掌子面確認(rèn)巖石訪況必耍時(shí)采用半速掘進(jìn)模式，將刀盤轉(zhuǎn)速由

9、 5.4 rmin降為 2.7 r/min，減小對(duì)周圍巖石的擾動(dòng)，但此時(shí)應(yīng)注意掘進(jìn)速度也應(yīng)減半，否則貫人度增加一倍更易導(dǎo)致刀具的過(guò)載和刀盤的偏載。 此外，除了合理的換步和正確地選擇掘進(jìn)參數(shù)，換步完畢到開(kāi)始正常掘進(jìn)的過(guò)渡時(shí)間內(nèi)的提速過(guò)程也是節(jié)約時(shí)間、快速掘進(jìn)的一個(gè)因素。在這里有一個(gè)誤區(qū)即認(rèn)為在換步以后應(yīng)以很低速度掘進(jìn)至每把刀與掌子面均勻接觸，否則一開(kāi)始就以高速掘進(jìn)會(huì)造成很大推進(jìn)力，而且全部由先接觸掌子面的部分刀具承受而導(dǎo)致過(guò)載。如果緩慢提速的話這個(gè)過(guò)程會(huì)長(zhǎng)達(dá)1015min，嚴(yán)重影響掘進(jìn)速度，其實(shí)經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析，完全可以找出解決的辦法，可稱之為最硬巖提速原則。從圖6可以看出，對(duì)于特定的溢流壓力不同硬

10、度巖石情況對(duì)應(yīng)不同的最大掘進(jìn)速度因此，如果我們能知道掌于面上最硬巖石的硬度那么以小于其對(duì)應(yīng)的最大掘進(jìn)速度的速度來(lái)掘進(jìn)均不會(huì)引起刀具過(guò)載。由于無(wú)法準(zhǔn)確知道巖石最大硬度，通常在掌子面完整的情況下?lián)Q步后將上一循環(huán)結(jié)束時(shí)掘進(jìn)速度檔位減小10個(gè)百分點(diǎn)，這樣既節(jié)約了掘進(jìn)時(shí)間，也減小了可能導(dǎo)致部分刀具切削局部硬巖而過(guò)載的概率，從而尋求到一個(gè)在提速和防止過(guò)載之間的最佳點(diǎn)。另外為避免刀盤接觸掌子面瞬間推進(jìn)速度過(guò)高而對(duì)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊及刀盤的偏載，可在刀盤接觸掌子面前（可由刀盤位移傳感器判斷），再適當(dāng)降低速度，待推力L升后逐步提速進(jìn)人正常掘進(jìn)操作，如此操作一般在35min，實(shí)際掘進(jìn)中因此導(dǎo)致刀具過(guò)載漏油的事例