敞開式硬巖TBM掘進操作參數(shù)的控制 方志威

1、敞開式硬巖TBM掘進操作參數(shù)的控制 方志威摘要：本文介紹了敞開式硬巖TBM掘進機在不同的地質(zhì)參數(shù)下對掘進效率的影 響和各個參數(shù)之間的關(guān)系。以巴基斯坦NEELUM-JHELUM長隧道引水式水電站工 程為依托，根據(jù)現(xiàn)場研究和大量的實際參數(shù)統(tǒng)計、分析，總結(jié)了不同掘進參數(shù)對 TBM掘進機掘進效率的影響。對于以后長里程、高埋深、地質(zhì)復雜的類似隧道工 程施工提供一定的參考。關(guān)鍵詞：TBM ；掘進參數(shù)；掘進速度；巖石強度一、隧道工程項目簡介NEELUM-JHELUM （以下簡稱“N-J”）水電站工程位于巴基斯坦AZAD JAMMU & KASHMIR州，為長隧洞引水式水電站。本工程在NEELUM河上的NAU

2、SERI建攔水 壩和取水口，開挖一條穿過JHELUM河的引水隧洞將河水引入設在CHATTAR KALAS的地下電站廠房，利用其間河水天然落差發(fā)電。本工程的關(guān)鍵線路和施工 難點在此段引水隧洞采用TBM進行掘進施工。單臺TBM掘進長度約為9.87km， 設計開挖直徑為8.5m。TBM施工段沿線地質(zhì)條件復雜，具有埋深大、洞線長的 特點，存在高壓外水、泥頁巖遇水軟化及膨脹、高埋深洞段大收斂變形、涌（突） 水、圍巖穩(wěn)定性差及隧洞穿越斷層破碎帶等主要工程地質(zhì)問題。二、TBM掘進操作主要參數(shù)1、TBM掘進操作主要影響參數(shù)TBM法隧道施工中，在相同的機況及地質(zhì)情況下，對掘進參數(shù)的正確選擇是 決定掘進安全、快速

3、、經(jīng)濟的主要因素。TBM的掘進參數(shù)主要有6個：刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤扭矩、推進力、電機電流值、 實際掘進速度和貫入度（每轉(zhuǎn)進尺）。其中電機電流值與刀盤扭矩與推進力成正 比，實際掘進速度=刀盤轉(zhuǎn)速乂貫入度。能夠直接控制的掘進參數(shù)有刀盤轉(zhuǎn)速和推進力。由于巖石情況不同，掘進所 需的推進力也不同，實際達到的掘進速度也不盡相同。當?shù)侗P高速運轉(zhuǎn)時，對軟 弱圍巖的擾動較大，有可能造成圍巖的失穩(wěn)坍塌，同時高速時出碴會加快，相應 的增加皮帶機的工作負荷。因此在軟弱圍巖的地質(zhì)情況下，刀盤的轉(zhuǎn)速主要選擇 是低速。2、TBM的總推進力TBM向前開挖掘進時所需總推力為各刀具推力之和加上機器護盾與巖壁及后 配套拖車與軌道之間摩擦

4、力之和。式中：F刀-破巖時所需刀具總推力-即各刀具沿洞軸方向的分力之和F1-機器推進時-刀盤下部浮動支撐與巖壁之間的滑動摩擦力F2-護盾與巖壁之間滑動摩擦力F3-刀盤支撐與巖壁之間滑動摩擦力F4-主梁撐靴水平導軌間滑動摩擦力F5-掘進時隨刀盤向前移動部分的后配套裝置對機器的拖動阻力。3、刀盤回轉(zhuǎn)功率與扭矩刀盤回轉(zhuǎn)破巖時，要克服刀具破巖的總阻力矩M刀、鏟斗裝渣阻力矩M1及 鏟斗與洞壁之間的摩擦阻力矩M2。機器回轉(zhuǎn)所需總力矩M總=fx（M刀+M1+M2）/n式中：f-大于1的安全儲備系數(shù)n-刀盤傳動機構(gòu)的效率機器回轉(zhuǎn)總功率N=M總xn/716.2 （馬力）式中：n-刀盤轉(zhuǎn)速（r/min）4、TBM

5、的貫入度貫入度（Penetration），也就是我們通常所說的切深，即定義為刀盤每旋轉(zhuǎn) 一圈的前進距離，是TBM推進力與掘進速度之間關(guān)系的主要參數(shù)。三、TBM工作參數(shù)之間的關(guān)系通常認為影響TBM性能的機器因素包括每把刀具的推進力、刀具的磨損程度、 刀間距、刀具直徑、扭矩、轉(zhuǎn)速、刀盤直徑和曲率、TBM推進力、后配套設備、 機器處理大塊巖石的能力以及抗沖擊和振動的穩(wěn)定性等。由于刀盤及刀具的幾何 尺寸在機器制造后已經(jīng)確定，不能更改。所以對于TBM工作性能影響可控的主要 因素只能為推進力、刀盤轉(zhuǎn)速，或者為由以上兩者影響的TBM推進速度和扭矩。TBM在開挖隧道時其刀間距保持不變，同時TBM可提供的刀盤推

6、進力和扭矩 能力是有一定限值，所以其開挖能力受到一定的限制。首先是刀盤推進力對TBM 掘進速度的限制作用。在一定的切深范圍內(nèi)，掘進機刀盤的切深隨著推進力的增 大而增大。但是TBM推進力是有限的定值，所以切深必將受到最大推進力的限制。 其次在軟巖中開挖時，開挖性能將受到TBM扭矩的限制；當在硬巖中開挖時，開 挖性能將受到TBM推力的限制。1、貫入度與刀盤推力的關(guān)系刀盤推力是產(chǎn)生貫入度和一定掘進速率的主要因素之一。根據(jù)TBM生成的掘 進報告結(jié)果，由貫入度與刀盤推力關(guān)系的曲線圖（如圖2-1所示）可知：貫入度 隨刀盤推力的提高而逐漸減小。圖2-1貫入度與刀盤推力關(guān)系的曲線圖TBM的掘進速率等于貫入度與

7、刀盤轉(zhuǎn)速之積，即掘進速率與切深成正比。而 刀盤推力是巖石強度的直接反應，如圖2-1所示，刀盤推力與貫入度成反比，與 巖石強度成正比。因此，掘進速率與巖石強度、刀盤推力與貫入度的關(guān)系是相同 的。2、刀盤扭矩與貫入度的關(guān)系刀盤扭矩是在刀盤施加推力后產(chǎn)生的，一開始主要是摩擦產(chǎn)生的扭矩，隨貫 入度的增大，滾刀對巖石產(chǎn)生切割壓碎作用，扭矩逐漸增大。根據(jù)刀盤扭矩與貫 入度關(guān)系的曲線圖（如圖2-2所示）可知：圖2-2刀盤扭矩與貫入度的關(guān)系（1）刀盤扭矩與貫入度基本呈線性增長關(guān)系；（2）當巖石強度低時，刀具切深較大，掘進時表現(xiàn)出的刀盤扭矩總體高于巖 石強度高的地層。是由于巖石強度較低，刀具易切入巖石獲得較大的

8、貫入度，刀 盤旋轉(zhuǎn)阻力增大，因而需要較大的扭矩。四、地質(zhì)參數(shù)1、巖石的強度TBM是利用巖石的抗拉強度和抗剪強度明顯小于抗壓強度這一特征而設計的， 抗壓強度的高低是影響TBM掘進效率的關(guān)鍵地質(zhì)因素之一。一般常采用巖石的抗 壓強度（Rc）來判斷TBM工作條件下隧道圍巖開挖的難易程度。一定范圍內(nèi)Rc 適中，TBM的掘進速度越高，則掘進越快；Rc越高，TBM的掘進速度越低，則掘進越慢。但是，Rc太小，圍巖穩(wěn)定性差，嚴重影響掘進速度。圖2-3 TBM掘進速度與巖石抗壓強度之間的關(guān)系2、巖石的耐磨性國內(nèi)外大量TBM施工隧道的工程實踐表明，滾刀的磨損情況對TBM掘進效 率以及掘進的經(jīng)濟性影響很大。而對刀具的

9、磨損判斷和預測，僅根據(jù)巖石抗壓強 度是不夠的。主要應結(jié)合巖石的硬度以及巖石所含石英顆粒的大小、數(shù)量來決定。 一般情況下，巖石的耐磨性越高，對TBM刀具、刀圈和軸承的磨損程度也越嚴重， 刀具消耗和施工成本就越高，并造成換刀次數(shù)增加，影響TBM正常掘進，相應的 TBM掘進效率也就越低。3、巖石的完整性巖體的結(jié)構(gòu)面（節(jié)理、層理、片理、小斷層）發(fā)育程度，即巖體的裂隙化程 度或巖體的完整性與掘進效率有很大關(guān)系，是影響TBM工作效率的又一重要的地 質(zhì)因素。各表征巖體完整程度的指標，較普遍選用的有巖體完整性系數(shù)Kv、巖體 體積節(jié)理數(shù)Jv、節(jié)理平均間距pd等。巖石的抗壓強度、硬度、耐磨性相同或相近的巖體，結(jié)構(gòu)

10、面發(fā)育程度不同， TBM的凈掘進速度會產(chǎn)生明顯差異。巖體結(jié)構(gòu)面越發(fā)育，密度越大，節(jié)理間距越 小，完整性系數(shù)越小，TBM掘進速度就越高。但當結(jié)構(gòu)面極為發(fā)育，即節(jié)理密度 極大，巖體完整性很小時，巖體已呈碎裂狀或松散狀，其整體強度很低，作為工 程圍巖已不具有自穩(wěn)性，此時TBM掘進的速度非但不會提高，反會因?qū)Σ环€(wěn)定圍 巖進行的大量加固處理而大大降低。因此，巖體的結(jié)構(gòu)面特別發(fā)育和極不發(fā)育時 往往都不利于TBM掘進。五、掘進參數(shù)的影響掘進操作取決于巖石條件；巖石類型越復雜，所需的貫入度、旋轉(zhuǎn)操作就 越多。反之如巖石類型較為穩(wěn)定，所需操作將會減少。適當?shù)霓D(zhuǎn)速調(diào)整是掘進操 作的重要步驟；根據(jù)巖石變化的狀況，操

11、作者應時時觀察機體所受到的推力和扭 力。轉(zhuǎn)速的影響，在硬巖條件下轉(zhuǎn)速過低會對刀具造成影響（刀具受損）；在軟 巖條件下轉(zhuǎn)速過高會造成超挖和巖體剝落；轉(zhuǎn)速加大會增加刀具的磨損（正常范 疇）。掘進速度，在軟巖區(qū)掘進速度應相應降低以避免超挖；在硬巖、強巖區(qū)可增 大掘進速度。速度上限取決于巖石類型及巖層狀況，并受到輸料皮帶輸送量的制 約；根據(jù)相關(guān)規(guī)格，如輸料速度為210m/min或輸料1000t/h，則最大掘進速度應 為 90mm/min。在實際掘進中，上述因素綜合作用。既要純掘進速度快，又要刀具損耗低、 TBM施工效率高，在一定條件下達到技術(shù)與經(jīng)濟的統(tǒng)一，就需要在不同的圍巖條 件，選擇最佳掘進參數(shù)。六

12、、不同地質(zhì)狀況掘進參數(shù)的選擇和調(diào)整1、節(jié)理不發(fā)育的硬巖（H類、B類）情況下作業(yè)（1）提高主電機轉(zhuǎn)速掘進；（2）開始掘進時掘進速度選擇20%，掘進到5cm左右開始提速；（3）正常情況下，掘進速度一般選擇60%左右；（4）圍巖本身的干抗壓強度較大，不易破碎，若掘進速度太低，將造成刀具 刀圈的大量磨損；若掘進速度太高，會造成刀具的超負荷，產(chǎn)生漏油或弦磨現(xiàn)象， 因此，必須選擇合理的掘進參數(shù)。2、節(jié)理發(fā)育的B類圍巖狀況下作業(yè)要密切觀察扭矩變化和出渣量，調(diào)整推力和刀盤轉(zhuǎn)速，控制掘進參數(shù)。3、節(jié)理發(fā)育且硬度變化較大的IV類圍巖狀況的作業(yè)（1）此類圍巖下掘進，推力、扭矩在不停地變化，不能選擇固定的參數(shù)（推 力

13、、扭矩）作標準，應密切觀察，隨時調(diào)整掘進速度。若遇到振動突然加劇，扭 矩的變化很大，觀察渣料有不規(guī)則的塊體出現(xiàn)，可降低刀盤轉(zhuǎn)速，并相應降低推 進速度，待振動減少并恢復正常后，再提高刀盤轉(zhuǎn)。（2）掘進時，即使扭矩和推力都未達到額定值，也會使通過局部硬巖部分的 刀具過載，產(chǎn)生沖擊載荷，影響刀具壽命，同時也使主軸承和主梁產(chǎn)生偏載。所 以要密切觀察掘進參數(shù)與巖石變化。當扭矩和推力大幅度變化時，應盡量降低掘 進速度，控制在30%左右，以保護刀具和改善主軸承受力。4、節(jié)理、裂隙發(fā)育或存在斷層帶（V、V類圍巖）下的作業(yè)（1）掘進參數(shù)選擇刀盤采用低速，掘進速度開始為20%，等圍巖變化趨于穩(wěn)定后，推進速度可 上

14、調(diào)，但不應超過一定范圍（如35%），扭矩變化范圍V10%。（2）密切觀察皮帶機的出渣情況當皮帶機上出現(xiàn)直徑較大的巖塊，且塊體的比例大約占出渣量2030%時， 應降低掘進速度，控制貫入度。當皮帶機上出現(xiàn)大量塊體，并連續(xù)不斷成堆向外 輸出時，降低刀盤轉(zhuǎn)速以低速掘進，并控制貫入度。（3）控制刀盤噴水量當掌子面屬于泥巖時，要適當減少刀盤噴水水量，避免掌子面塌方。七、在不同巖層條件下掘進的相關(guān)數(shù)值1、巖石類型巖石類型可以通過掘進過程中產(chǎn)生的碎塊及出渣料進行判斷，也可以通過機 體所受的推力及扭力大小進行判斷：表1-1掘進相關(guān)數(shù)值扭力（kNm） 1000，轉(zhuǎn)速3rpm； 10001500，轉(zhuǎn)速 34rpm。

15、如扭力大于1500kN，則轉(zhuǎn)速應根據(jù)推力大小進行調(diào)整。2、掘進能量掘進能量公式：E=1000 xF+2nx （Nx1000 x1000 xT）/V/AE：掘進能量（N/mm2）F：推力（kN）N：刀盤旋轉(zhuǎn)速度（rpm）T：刀盤扭力（kN-m）V：掘進速度（mm/min）A：掌子面面積（mm2）掘進能量所反映的內(nèi)容為刀盤前方巖體的實際狀況；巖石硬度和巖體結(jié)構(gòu)也 將得以估算；掘進能量公式應用到了掘進中所有的相關(guān)參數(shù)。4、Q值預估如掘進能量大于15n/mm2則意味著地表狀況為正?；蜉^強強度。如掘進能量為15N-10N/MM2則意味著地表較為松軟或破碎，有發(fā)生超挖的 潛在風險。如掘進能量低于10N/MM2則意味著地表極其松軟，有高度超挖風險，需進行相關(guān)支護。八、結(jié)語通過TBM在N-J項目中的應用，分析總結(jié)出了 TBM掘進操作的關(guān)鍵參數(shù)，包 括機械參數(shù)和地質(zhì)參數(shù)，并且簡要的分析了相關(guān)參