敞開式硬巖TBM掘進(jìn)操作參數(shù)的控制 方志威

1、敞開式硬巖TBM掘進(jìn)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(jìn)機(jī)在不同的地質(zhì)參數(shù)下對掘進(jìn)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(jìn)參數(shù)對 TBM掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)效率的影響。對于以后長里程、高埋深、地質(zhì)復(fù)雜的類似隧道工 程施工提供一定的參考。關(guān)鍵詞：TBM ；掘進(jìn)參數(shù)；掘進(jìn)速度；巖石強(qiáng)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(shè)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(jìn)行掘進(jìn)施工。單臺TBM掘進(jìn)長度約為9.87km， 設(shè)計開挖直徑為8.5m。TBM施工段沿線地質(zhì)條件復(fù)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(jìn)操作主要參數(shù)1、TBM掘進(jìn)操作主要影響參數(shù)TBM法隧道施工中，在相同的機(jī)況及地質(zhì)情況下，對掘進(jìn)參數(shù)的正確選擇是 決定掘進(jìn)安全、快速

3、、經(jīng)濟(jì)的主要因素。TBM的掘進(jìn)參數(shù)主要有6個：刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤扭矩、推進(jìn)力、電機(jī)電流值、 實際掘進(jìn)速度和貫入度（每轉(zhuǎn)進(jìn)尺）。其中電機(jī)電流值與刀盤扭矩與推進(jìn)力成正 比，實際掘進(jìn)速度=刀盤轉(zhuǎn)速乂貫入度。能夠直接控制的掘進(jìn)參數(shù)有刀盤轉(zhuǎn)速和推進(jìn)力。由于巖石情況不同，掘進(jìn)所 需的推進(jìn)力也不同，實際達(dá)到的掘進(jìn)速度也不盡相同。當(dāng)?shù)侗P高速運(yùn)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(yīng) 的增加皮帶機(jī)的工作負(fù)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(jìn)力TBM向前開挖掘進(jìn)時所需總推力為各刀具推力之和加上機(jī)器護(hù)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(jī)器推進(jìn)時-刀盤下部浮動支撐與巖壁之間的滑動摩擦力F2-護(hù)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(dǎo)軌間滑動摩擦力F5-掘進(jìn)時隨刀盤向前移動部分的后配套裝置對機(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)的效率機(jī)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(jìn)距離，是TBM推進(jìn)力與掘進(jìn)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(rèn)為影響TBM性能的機(jī)器因素包括每把刀具的推進(jìn)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(jìn)力、后配套設(shè)備、 機(jī)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(jī)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(jìn)力、刀盤轉(zhuǎn)速，或者為由以上兩者影響的TBM推進(jìn)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(jìn)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(jìn)力對TBM 掘進(jìn)速度的限制作用。在一定的切深范圍內(nèi)，掘進(jìn)機(jī)刀盤的切深隨著推進(jìn)力的增 大而增大。但是TBM推進(jìn)力是有限的定值，所以切深必將受到最大推進(jìn)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(dāng)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(jìn)速率的主要因素之一。根據(jù)TBM生成的掘 進(jìn)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(jìn)速率等于貫入度與

7、刀盤轉(zhuǎn)速之積，即掘進(jìn)速率與切深成正比。而 刀盤推力是巖石強(qiáng)度的直接反應(yīng)，如圖2-1所示，刀盤推力與貫入度成反比，與 巖石強(qiáng)度成正比。因此，掘進(jìn)速率與巖石強(qiáng)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(dāng)巖石強(qiáng)度低時，刀具切深較大，掘進(jìn)時表現(xiàn)出的刀盤扭矩總體高于巖 石強(qiáng)度高的地層。是由于巖石強(qiáng)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(qiáng)度TBM是利用巖石的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度明顯小于抗壓強(qiáng)度這一特征而設(shè)計的， 抗壓強(qiáng)度的高低是影響TBM掘進(jìn)效率的關(guān)鍵地質(zhì)因素之一。一般常采用巖石的抗 壓強(qiáng)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(jìn)速度越高，則掘進(jìn)越快；Rc越高，TBM的掘進(jìn)速度越低，則掘進(jìn)越慢。但是，Rc太小，圍巖穩(wěn)定性差，嚴(yán)重影響掘進(jìn)速度。圖2-3 TBM掘進(jìn)速度與巖石抗壓強(qiáng)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(jìn)效 率以及掘進(jìn)的經(jīng)濟(jì)性影響很大。而對刀具的

9、磨損判斷和預(yù)測，僅根據(jù)巖石抗壓強(qiáng) 度是不夠的。主要應(yīng)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(yán)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(jìn)，相應(yīng)的 TBM掘進(jìn)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(jìn)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(biāo)，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(qiáng)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(jìn)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(jìn)速度就越高。但當(dāng)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(qiáng)度很低，作為工 程圍巖已不具有自穩(wěn)性，此時TBM掘進(jìn)的速度非但不會提高，反會因?qū)Σ环€(wěn)定圍 巖進(jìn)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(jìn)。五、掘進(jìn)參數(shù)的影響掘進(jìn)操作取決于巖石條件；巖石類型越復(fù)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(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速調(diào)整是掘進(jìn)操 作的重要步驟；根據(jù)巖石變化的狀況，操

11、作者應(yīng)時時觀察機(jī)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(jìn)速度，在軟巖區(qū)掘進(jìn)速度應(yīng)相應(yīng)降低以避免超挖；在硬巖、強(qiáng)巖區(qū)可增 大掘進(jìn)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(jìn)速度應(yīng) 為 90mm/min。在實際掘進(jìn)中，上述因素綜合作用。既要純掘進(jìn)速度快，又要刀具損耗低、 TBM施工效率高，在一定條件下達(dá)到技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的統(tǒng)一，就需要在不同的圍巖條 件，選擇最佳掘進(jìn)參數(shù)。六

12、、不同地質(zhì)狀況掘進(jìn)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(jī)轉(zhuǎn)速掘進(jìn)；（2）開始掘進(jìn)時掘進(jìn)速度選擇20%，掘進(jìn)到5cm左右開始提速；（3）正常情況下，掘進(jìn)速度一般選擇60%左右；（4）圍巖本身的干抗壓強(qiáng)度較大，不易破碎，若掘進(jìn)速度太低，將造成刀具 刀圈的大量磨損；若掘進(jìn)速度太高，會造成刀具的超負(fù)荷，產(chǎn)生漏油或弦磨現(xiàn)象， 因此，必須選擇合理的掘進(jìn)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(jìn)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(jìn)，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(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)密切觀察，隨時調(diào)整掘進(jìn)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(yīng)降低推 進(jìn)速度，待振動減少并恢復(fù)正常后，再提高刀盤轉(zhuǎn)。（2）掘進(jìn)時，即使扭矩和推力都未達(dá)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(jìn)參數(shù)與巖石變化。當(dāng)扭矩和推力大幅度變化時，應(yīng)盡量降低掘 進(jìn)速度，控制在30%左右，以保護(hù)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(jìn)參數(shù)選擇刀盤采用低速，掘進(jìn)速度開始為20%，等圍巖變化趨于穩(wěn)定后，推進(jìn)速度可 上

14、調(diào)，但不應(yīng)超過一定范圍（如35%），扭矩變化范圍V10%。（2）密切觀察皮帶機(jī)的出渣情況當(dāng)皮帶機(jī)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(yīng)降低掘進(jìn)速度，控制貫入度。當(dāng)皮帶機(jī)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(jìn)，并控制貫入度。（3）控制刀盤噴水量當(dāng)掌子面屬于泥巖時，要適當(dāng)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(jìn)的相關(guān)數(shù)值1、巖石類型巖石類型可以通過掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的碎塊及出渣料進(jìn)行判斷，也可以通過機(jī) 體所受的推力及扭力大小進(jìn)行判斷：表1-1掘進(jìn)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(yīng)根據(jù)推力大小進(jìn)行調(diào)整。2、掘進(jìn)能量掘進(jìn)能量公式：E=1000 xF+2nx （Nx1000 x1000 xT）/V/AE：掘進(jìn)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(jìn)速度（mm/min）A：掌子面面積（mm2）掘進(jìn)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(jìn)能量公式應(yīng)用到了掘進(jìn)中所有的相關(guān)參數(shù)。4、Q值預(yù)估如掘進(jìn)能量大于15n/mm2則意味著地表狀況為正?；蜉^強(qiáng)強(qiáng)度。如掘進(jìn)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(fēng)險。如掘進(jìn)能量低于10N/MM2則意味著地表極其松軟，有高度超挖風(fēng)險，需進(jìn)行相關(guān)支護(hù)。八、結(jié)語通過TBM在N-J項目中的應(yīng)用，分析總結(jié)出了 TBM掘進(jìn)操作的關(guān)鍵參數(shù)，包 括機(jī)械參數(shù)和地質(zhì)參數(shù)，并且簡要的分析了相關(guān)參