TBM掘進參數(shù)的設(shè)計和優(yōu)化

1、TBM掘進參數(shù)的設(shè)計和優(yōu)化摘要：TBM施工時選擇合理的掘進參數(shù)對TBM掘進效率有著至關(guān)重要的作用。 本文通過對不同直徑敞開式TBM掘進參數(shù)的分析，找出各種圍巖類別下合適的掘 進參數(shù)，能有效指導(dǎo)掘進機施工，提高設(shè)備利用率，對掘進機參數(shù)的設(shè)計和優(yōu)化 起到借鑒作用。關(guān)鍵詞：敞開式TBM；施工數(shù)據(jù)；掘進參數(shù)；設(shè)備利用率 、0刖言TBM（tunnel boring machine）隧洞（道）施工具有進度快、方向準和安全性高 等特點，已在國內(nèi)外鐵路、水電、交通、礦山、市政等隧洞（道）工程中得到廣 泛應(yīng)用，與傳統(tǒng)的鉆爆施工法相比，正常情況下其施工速度是鉆爆法的3-5倍1。 隨著TBM的不斷發(fā)展，人們對TBM

2、的施工安全和掘進效率也提出了更高的要求， 掘進參數(shù)的合理選擇對提高TBM掘進效率和設(shè)備利用率起著至關(guān)重要的作用。因 此展開對掘進參數(shù)的設(shè)計與研究對今后TBM隧洞施工技術(shù)的發(fā)展具有十分重要的 意義。國內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員在長期的TBM掘進施工探索過程中，對掘進效率 影響因素問題的研究提出了寶貴的經(jīng)驗。Hassanpour2等以伊朗Zagros引水隧洞 為背景，通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)建立了 3種地層條件下TBM掘進速度預(yù)測模型； Delisio3等基于多元回歸分析方法，分析了 TBM性能參數(shù)和圍巖地質(zhì)參數(shù)與掘進 速度的關(guān)系；E Ghasemi等基于模糊邏輯理論，對Queens3#引水隧洞的現(xiàn)場施 工數(shù)

3、據(jù)展開分析，建立了單軸抗壓強度、巖石脆性等參數(shù)與掘進速度的關(guān)系；黃 俊閣5以引漢濟渭秦嶺隧洞TBM施工段嶺南工程為例，對TBM在高磨蝕性硬巖 地段掘進中的參數(shù)進行分析與評價，得出TBM掘進參數(shù)宜采用高轉(zhuǎn)速、低貫入度、 高推力、低扭矩的兩高兩低模式；盧瑾6等基于南水北調(diào)西線工程中泥曲-杜柯 河引水線路圍巖地質(zhì)數(shù)據(jù)，利用三維離散元方法對滾刀對滾刀破巖過程進行三維 模擬，分析了巖石力學(xué)參數(shù)對掘進速率的影響等。目前對掘進效率問題的研究大 多集中在基于某一特定TBM工程建立掘進參數(shù)與掘進速度數(shù)學(xué)模型上，而對確切 的掘進參數(shù)未作更進一步的說明。本文基于多個敞開式TBM工程實測數(shù)據(jù)，對 4-8m級敞開式TB

4、M掘進參數(shù)展開分析，找出各種圍巖類別下合適的掘進參數(shù)， 能有效指導(dǎo)掘進機施工，提高設(shè)備利用率，對掘進機參數(shù)的設(shè)計和優(yōu)化起到借鑒 作用。1工程概況本文的對多個敞開式TBM施工數(shù)據(jù)進行分析，分析方法基本一致，為避免重 復(fù)，僅選取直徑為5m的敞開式TBM隧洞工程為代表展開分析。選取案例的隧洞總長26.395m，開挖直徑為為5.53m，位于低山區(qū)內(nèi)，巖石 基本裸露，沿線地面海拔高程7751000m，地形起伏不大，相對高差535mm， 總地勢東高西低，隧洞近東西方向直線布置，埋深65300mm，為戈壁灘地帶。 隧洞主要穿過石炭系（C）、泥盆系（D）和華力西期三大地層，以II、III、IV類 圍巖為主，V

5、類圍巖極少。2掘進參數(shù)的選取與理論設(shè)計2.1參數(shù)選取TBM有關(guān)的掘進參數(shù)比較多，并且各個參數(shù)受到很多方面的影響，掘進參數(shù) 的選取應(yīng)當體現(xiàn)不同影響因素的作用，并且還應(yīng)該考慮具體的施工條件。一般說 來，TBM掘進涉及到的工作參數(shù)分為：總推力、撐緊壓力、刀盤扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速、 貫入度、推進速度7。根據(jù)現(xiàn)有研究成果，為了探尋TBM掘進效率與掘進參數(shù) 之間關(guān)系，以下將主要選取總推力、刀盤扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速和貫入度等4個掘進參 數(shù)進行理論計算和統(tǒng)計分析。2.2參數(shù)理論設(shè)計（1）總推力總推力（FJ）主要由刀盤的掘進推力（FT）、護盾和后配套掘進阻力（FZ） 提供，具體計算如下：（1）式中：N1 -17英寸中心滾刀

6、刀刃數(shù)量；F1 -17英寸中心滾刀最大載荷；N2-19英寸滾刀刀數(shù)量；F2-19英寸滾刀最大載荷；G1底護盾以及后配套承受的重量；Q底護盾與隧道壁摩擦系數(shù)（鋼鐵對巖面的摩擦系數(shù)為0.4）；（2）貫入度與刀盤轉(zhuǎn)速TBM掘進速度等于貫入度P與刀盤轉(zhuǎn)速N的乘積。刀盤貫入度P是指刀盤每 轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)盤形滾刀的切削深度，與盤形滾刀的半徑及刀具與巖石的摩擦角有關(guān)，其 計算公式為：（2）（3）式中：R一滾刀半徑；phi-刀具與巖石的摩擦角。（3）刀盤扭矩科羅拉多礦業(yè)學(xué)院通過大量不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的刀具對多種巖石進行切削實驗， 綜合考慮了各種參數(shù)如巖石抗壓抗拉強度、硬度、刀具的結(jié)構(gòu)尺寸等對滾刀切削 受力的影響，采用回歸的

7、方法得出一個廣泛應(yīng)用的切削力綜合預(yù)測模型一一CSM 模型8。具體公式如下：（4）式中：Ft是滾刀合力；P0是刀圈討論破碎區(qū)壓應(yīng)力，與巖石的單軸抗壓強度、 滾刀結(jié)構(gòu)尺寸、刃形有關(guān)；T是滾刀刀圈頂刃寬度；pesai是壓力分布函數(shù)常數(shù)， 取 0.2。（5）式中：S是刀間距；C是無量綱系數(shù)，約為2.12； sigmat是巖石抗剪強度； sigmac是巖 石單軸抗壓強度。因此，克服刀盤掘進時旋轉(zhuǎn)所需的扭矩力和扭矩為：（6）（7）式中：Fr單把滾刀滾動力；D一刀盤直徑；n滾刀總數(shù)量；Tq一刀盤扭矩。 所述的四個掘進參數(shù)，若掘進總推力過低，則滾刀無法貫入巖石，推力過高 時，滾刀存在被破壞的風險，而且由于貫入

8、度增大造成出渣量增加，易造成掘進 速度慢以及卡機事故；若扭矩過小，則掘進速率慢，若扭矩過大，則容易造成刀 具偏磨加大、掌子面塌方等災(zāi)害事故9。故根據(jù)現(xiàn)場大量實測掘進數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計 分析，尋找合適的掘進參數(shù)，為掘進機關(guān)鍵參數(shù)（如滾刀類型的選取及刀間距的布置)的設(shè)計提供借鑒。3典型地質(zhì)條件下掘進參數(shù)統(tǒng)計分析3.1工程典型地質(zhì)條件本文所選隧洞穿越石炭系(C)、泥盆系(D)和華力西期三大地層。巖性主 要為硅質(zhì)礫巖、安山巖、局部夾凝灰質(zhì)砂巖、砂巖、沉凝灰?guī)r、石英閃長斑巖、 砂礫巖等，石英含量一般115%；飽和抗壓強度40130MPa。隧洞埋深65 300m，其圍巖分布情況如圖1所示，絕大部分均為II、II

9、I、IV類圍巖，極少為V 圍巖，下面主要對II、III、IV類圍巖條件下的掘進參數(shù)進行統(tǒng)計分析。3.2不同圍巖類別下掘進參數(shù)統(tǒng)計分析II類圍巖地層段由于隧洞施工尚未完成，該類圍巖地層施工長度約為1km，沿線為低山地貌， 地形較平坦，巖性主要為下石炭統(tǒng)(C1na)凝灰質(zhì)砂巖夾凝灰質(zhì)粉砂巖、沉凝灰?guī)r 或泥質(zhì)粉砂巖，巖石單軸抗壓強度為60130MPa，巖石中石英含量一般小于5%， 主要為II類圍巖，選取此典型地質(zhì)區(qū)間段100個掘進行程的TBM施工參數(shù)進行 統(tǒng)計分析。圖1、隧洞各類圍巖比例總推力、刀盤扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速、貫入度和掘進速度是評價掘進機工作性能的 重要指標，一般在掘進過程中呈動態(tài)變化。II類圍

10、巖地層中施工時掘進參數(shù)變化 曲線見圖2。圖2、II類圍巖地層段掘進參數(shù)變化曲線由圖2可以看出，TBM在II類圍巖地層段掘進時，總推力、刀盤扭矩和刀盤 轉(zhuǎn)速波動較小，說明II類圍巖地層穩(wěn)定，總推力和刀盤扭矩容易控制；貫入度和 掘進速度離散性較大，說明此類圍巖對貫入度和掘進速度的影響較大。對II類圍 巖地層段TBM掘進參數(shù)進行統(tǒng)計，得到各參數(shù)的取值范圍，如表1所示。III類圍巖地層段該類圍巖地層施工長度約為900m，巖石巖性主要為中泥盆統(tǒng)凝灰質(zhì)砂巖、 凝灰質(zhì)粉砂巖，局部表1： II類圍巖地層段掘進參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果掘進參數(shù)取值范圍總推力 FJ/kN 9377-11000刀盤扭矩 Tq/kNm 1100-

11、1510刀盤轉(zhuǎn)速N/rpm 3-7.6貫入度P/mm 3-10掘進速度 V/(mm.min-1) 20-45夾安山玄武巖，巖石單軸抗壓強度為5085MPa，層面結(jié)構(gòu)發(fā)育，主要為III類圍 巖，選取此典型地質(zhì)區(qū)間段100個掘進行程的TBM施工參數(shù)，各參數(shù)變化曲線如 圖3所示。圖3、III類圍巖地層段掘進參數(shù)變化曲線表2： III類圍巖地層段掘進參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果掘進參數(shù)取值范圍總推力 FJ/kN 6939-8140刀盤扭矩 Tq/kNm 860-1890刀盤轉(zhuǎn)速N/rpm 6-7.6貫入度 P/mm 4.6-12掘進速度 V/(mm.min-1) 40-91由圖3可以看出，在III類圍巖地層段掘進時，

12、總推力和刀盤轉(zhuǎn)速波動較小，其他 參數(shù)都有一定的波動。統(tǒng)計III類圍巖地層段的TBM掘進參數(shù)，得到各參數(shù)的取 值范圍，如表2所示。IV類圍巖地層段該類圍巖地層施工長度約為400m，為斷層影響帶，巖石巖性為礫巖夾炭質(zhì) 頁巖、凝灰質(zhì)砂巖、安山巖，巖石單軸抗壓強度為4050MPa，穩(wěn)定性一般，主 要為IV類圍巖，選取此典型地質(zhì)區(qū)間段50個掘進行程的TBM施工參數(shù)進行統(tǒng)計， 各參數(shù)變化曲線如圖4所示。圖4、IV類圍巖地層段掘進參數(shù)變化曲線由圖4可以看出，由于該地層含斷層影響帶，各掘進參數(shù)波動較明顯，說明 此類圍巖下各掘進參數(shù)均難以控制。統(tǒng)計IV類圍巖地層段的TBM掘進參數(shù)，得 到各參數(shù)的取值范圍，如表3

13、所示。表3： IV類圍巖地層段掘進參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果掘進參數(shù)取值范圍總推力 FJ/kN 4480-8500刀盤扭矩 Tq/kNm 570-1015刀盤轉(zhuǎn)速N/rpm 4.5-6.7貫入度 P/mm 7.6-13.5掘進速度 V/(mm.min-1) 25.3-52.1綜合II、III、IV類圍巖下各掘進參數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果可發(fā)現(xiàn)：總推力和刀盤扭矩隨著 圍巖強度的增加呈現(xiàn)變大的趨勢；貫入度隨著圍巖強度的增加呈現(xiàn)減小的趨勢； 刀盤轉(zhuǎn)速較難控制，但由于IV類圍巖中含斷層影響帶，需謹慎通過，刀盤轉(zhuǎn)速相 對較小。3.3不同直徑敞開式TBM掘進參數(shù)統(tǒng)計參照上述方法，分別對4m級、6m級、7m、8m級敞開式TBM在不同

14、圍巖 條件下的掘進參數(shù)進行統(tǒng)計，結(jié)果如表4所示。表4：不同直徑敞開式TBM掘進參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果直徑圍巖類別總推力FJ/kN刀盤扭矩Tq/kNm刀盤轉(zhuǎn)速N/rpm貫入度P/mm掘進速度V/(mm.min-1)6m II 9500-16500 1690-3700 4.5-6.5 1-7 20-707000-11800 1120-2500 5.5-7 5-9.5 35-955500-9250 450-2300 3.5-6.5 6.5-18 38-907m II 11000-16500 1500-2900 5.5-8 3.5-8.2 17.5-569000-13500 1680-3130 5.5-8 5-

15、10 27.5-804850-10500 340-2000 5-7 8-17 40-1208m II 11800-16970 1440-3390 3-7.1 2-7.5 12-56III 9250-14200 1520-3500 3-7.1 2.1-11 10-763.4設(shè)計參數(shù)與實際掘進參數(shù)值對比驗證通過TBM掘進參數(shù)設(shè)計值與比實際施工掘進參數(shù)值對比，TBM施工掘進參 數(shù)均在設(shè)計范圍內(nèi)取值，并留有一定的余量來應(yīng)對施工中可能遇到的不良地質(zhì)或 滿足下一段工程改造需要，各隧洞工程TBM掘進參數(shù)設(shè)計合理。表5： TBM設(shè)計參數(shù)與實際使用參數(shù)對比統(tǒng)計參數(shù)直徑實際掘進最大總推力FJ/kN設(shè)計掘進額定推力

16、FJ/kN實際掘進刀盤最大扭矩Tq/kNm設(shè)計刀盤最大扭矩Tq/kNm實際掘進最大刀盤轉(zhuǎn)速N/rpm實際掘進最大刀盤轉(zhuǎn)速N/rpm4m 8500 11360 680 1385 8.9 12.55m 11000 19083 1890 3430 7.6 10.66m 16500 20040 3700 4510 7 9.87m 16500 23562 3130 4410 8 10.98m 16970 23562 3500 6830 7.1 8.84待研究問題由于各隧洞工程掘進工作尚未完成，僅采集已施工段比較具有代表性的掘進施工參數(shù)數(shù) 據(jù)，數(shù)據(jù)樣本不夠全面，在今后的研究中，將隨著施工的進行，不斷增加與完善掘進施工參 數(shù)數(shù)據(jù)樣本，進一步優(yōu)化掘進參數(shù)。5結(jié)論本文基于多個敞開式TBM工程實測數(shù)據(jù)對4-8m級敞開式TBM掘進參數(shù)展開統(tǒng)計分析， 得到主要結(jié)論如