岩石隧道掘进机在城市轨道交通工程中的应用

岩石隧道掘进机在城市轨道交通工程中的应用

杨佳庆

中铁十八局集团隧道工程有限公司重庆401135

摘要：为了使岩石隧道掘进机能在工程隧道中更好的应用，对截齿消耗和掘进效率两个关键技术问题进行了探讨，总结了影响截齿消耗和掘进效率的影响因素，并给出了常用的预测模型。这些结论对掘进机的选型和现场使用具有指导意义。

关键词：岩石隧道掘进机；截齿消耗；掘进效率

1前言

随着城市地下工程建设不断增加，相对钻爆法施工受到诸多限制，机械掘进方法是一种安全高效的施工方式。TBM施工技术已被广泛应用地铁等隧道掘进施工，并且技术成熟，尤其对于地质条件较好且距离长的隧道其优势明显。但对于辅洞等短小隧道，TBM无法适应。悬臂式掘进机以其灵活、高效及很强的适应能力已被广泛应用于煤矿的煤和半煤岩巷道的掘进。如今悬臂式掘进机也逐步成为城市地下隧道掘进的备选方法之一，图1所示。本文将对掘进机在隧道掘进中的截齿破坏及消耗和掘进效率预测两个关键技术问题进行探讨。

2悬臂式掘进机施工过程

2.1设备选型

悬臂式掘进机按切割头布置方式的不同分为横轴式掘进机和纵轴式掘进机两类。按巷道或隧道的单轴抗压强度又可分为半煤岩掘进机和硬岩掘进机。正确选择悬臂式掘进机施工对最大程度加快施工进度和保证施工人员安全至关重要。影响选型的两个关键因素为：①根据施工隧道的地质条件确定岩石单轴抗压强度范围，选用对应切割头功率的系列机型；②结合隧道开挖方法确定机型。

2.2隧道开挖

根据隧道尺寸、围岩的地质特性确定分部开挖的工序，通过悬臂式掘进机的截割悬臂垂直和水平摆动，截割头在行走机构的带动下旋转推进，完成一个完整的隧道断面截割。同时要选择经验丰富的施工队伍，熟练的操作手能够更快地发现掘进偏差并及时调整，从组织管理方式上保证施工进度。

2.3隧道出渣

考虑到开挖断面对机械设备作业空间的限制，应选择相适应的出渣方式。在隧道开挖断面成形过程中，切削掉落的石渣经掘进机装运机构收集并运输至机尾处，再由轮胎式运渣车运输到指定渣石料场。

2.4隧道支护衬砌

实际隧道施工过程中会遇到断层破碎带、富水软岩等不良地质地段，这时应紧跟开挖作业面及时进行初期支护，确保后续施工的安全顺利。初期支护采用以喷射混凝土为主，不同围岩等级结合锚杆、钢筋网和钢架的支护方式。初期支护基本稳定后用混凝土做二次内层衬砌，同时在内层与外层衬砌之间设防水层防止地下水下渗。根据每段长度的地质条件、衬砌类型分段浇筑混凝土并适时回填灌浆保证初期支护与二次衬砌间密实无空洞。

2.5其他辅助系统

在隧道施工中的辅助系统包括动力系统、供水系统、通风与除尘设备等。动力系统为掘进机正常工作提供电源，施工队伍可申请专用电缆和专用变压器用于驱动掘进机等施工现场设备正常工作。供水系统则解决掘进机本身喷雾装置和冷却系统的用水问题。掘进机在施工中要严格控制洞内空气的粉尘含量，保证施工能见度在允许范围内，因此，需要配备一定数量的通风机和除尘设备。

根据上述掘进机施工过程，某地铁工程选用EBZ150型悬臂式掘进机。此掘进机是集截割、装运和行走于一体的综合掘进设备，属于悬臂式纵向截割的不跟断面掘进机，用于截割任意断面形式。定位截割时，其最大截割高度4m，最大截割底宽为5.24m，截割最大有效断面积为21m2。此掘进机采用电机和液压混合传动方式、操作简便，运转平稳、可靠。配有内喷雾及外喷雾，可有效地抑制截割过程中产生的粉尘。机身矮，结构紧凑，截割部可伸缩，适用于中等断面巷道掘进。采用了独特的分装分运系统，降低了截割岩过程中装运机事故发生概率，改善了装运效果，提高了装运能力。

3截齿消耗影响因素分析及预测模型

截齿消耗量一般用破落单位体积岩石所消耗的截齿数量来衡量。截齿消耗包括正常的截齿磨损消耗和非正常的截齿损坏。影响截齿消耗的因素较多，总体可以概括成两个方面：

（1）截割头和截齿本身的问题；（2）地质条件的影响。截割头及截齿本身的问题主要有截齿布置是否合理，截齿角度设计是否恰当，截齿选型是否合理以及截齿质量等因素。地质条件主要包括岩石岩石硬度、磨蚀性、水含量以及节理发育情况等因素。

截齿损坏的原因也可以分为三个大类：（1）管理不规范造成的截齿损坏，这主要是没有及时更换磨损严重或者丢失的截齿，进一步造成临近截齿不正常磨损；（2）截齿质量或截割对象造成的截齿损坏，这主要是截齿质量较差，或岩石过硬使截齿合金头或者齿身崩落损坏；（3）截齿布置参数不当造成的截齿损坏等。现场统计表明，截齿对称磨损（正常磨损）约占36%，合金头崩落占40%，非对称磨损约占17%，齿柄断裂约占7%。

研究表明，截齿消耗量与煤岩Cerchar磨蚀性指数密切相关，现场数据统计分析得到了式（1）所示的数学模型：

TC=0.2228CAI+0.025（1）

式中：TC－截齿消耗量，支/m3；CAI－岩石Cerchar磨蚀系数。Yarali等人利用在煤系岩石掘进时的测试结果拟合得到了式（2）所示的截齿消耗量预测模型：

TC=0.2533CAI－0.0948（2）

截齿的正常和非正常消耗不是由单一因素造成，其是多种因素共同作用的结果。当截齿消耗较大时应及时分析原因，整改方案。

4掘进机掘进效率的影响因素及预测模型

掘进效率一般用单位时间内破落岩石体积表示。它不仅是掘进机选型的重要参考依据，同时也是制定施工计划的基础参数。研究表明，掘进效率与岩石抗压强度密切相关，如式（3）所示。

ICR=199．25σc－0．7233（3）

式中：ICR－掘进机掘进效率，m3/h；σc－岩石抗压强度，MPa。Rostami等人提出，掘进效率可用掘进机截割功率和截割比能耗进行预测，见式(4)：

ICR=kPSEopt（4）

式中：ICR－掘进效率，m3/h，P－掘进机截割功率，kW，k–效率系数，k=0.45～0.55，SEopt－直线截割过程中最优截割条件下比能耗，kwh/m3。除此之外，掘进效率还受到巷道地质条件，水以及支护工艺等诸多因素的影响。式（3，4）的预测结果可作为掘进机选型及初步制定施工计划的参考依据。

5结束语

综上所述，根据工程实际情况分析比较得出，采用掘进机对隧洞进行开挖时，施工安全、施工质量、施工进度等都具有较大的优势。总结了悬臂式掘进机掘进过程中截齿的损坏形式，并给出了常用的截齿消耗量预测模型。简单分析了掘进效率的影响因素，给出了常见的预测模型。这些对悬臂式掘进机在工程隧道中的推广应用具有指导意义。

参考文献

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