敞开式硬岩TBM掘进操作参数的控制方志威

敞开式硬岩TBM掘进操作参数的控制方志威

方志威

方志威

中国葛洲坝集团第五工程有限公司湖北宜昌443000

摘要：本文介绍了敞开式硬岩TBM掘进机在不同的地质参数下对掘进效率的影响和各个参数之间的关系。以巴基斯坦NEELUM-JHELUM长隧道引水式水电站工程为依托，根据现场研究和大量的实际参数统计、分析，总结了不同掘进参数对TBM掘进机掘进效率的影响。对于以后长里程、高埋深、地质复杂的类似隧道工程施工提供一定的参考。

关键词：TBM；掘进参数；掘进速度；岩石强度

一、隧道工程项目简介

NEELUM-JHELUM（以下简称“N-J”）水电站工程位于巴基斯坦AZADJAMMU&KASHMIR州，为长隧洞引水式水电站。本工程在NEELUM河上的NAUSERI建拦水坝和取水口，开挖一条穿过JHELUM河的引水隧洞将河水引入设在CHATTARKALAS的地下电站厂房，利用其间河水天然落差发电。本工程的关键线路和施工难点在此段引水隧洞采用TBM进行掘进施工。单台TBM掘进长度约为9.87km，设计开挖直径为8.5m。TBM施工段沿线地质条件复杂，具有埋深大、洞线长的特点，存在高压外水、泥页岩遇水软化及膨胀、高埋深洞段大收敛变形、涌（突）水、围岩稳定性差及隧洞穿越断层破碎带等主要工程地质问题。

二、TBM掘进操作主要参数

1、TBM掘进操作主要影响参数

TBM法隧道施工中，在相同的机况及地质情况下，对掘进参数的正确选择是决定掘进安全、快速、经济的主要因素。

TBM的掘进参数主要有6个：刀盘转速、刀盘扭矩、推进力、电机电流值、实际掘进速度和贯入度（每转进尺）。其中电机电流值与刀盘扭矩与推进力成正比，实际掘进速度=刀盘转速×贯入度。

能够直接控制的掘进参数有刀盘转速和推进力。由于岩石情况不同，掘进所需的推进力也不同，实际达到的掘进速度也不尽相同。当刀盘高速运转时，对软弱围岩的扰动较大，有可能造成围岩的失稳坍塌，同时高速时出碴会加快，相应的增加皮带机的工作负荷。因此在软弱围岩的地质情况下，刀盘的转速主要选择是低速。

2、TBM的总推进力

TBM向前开挖掘进时所需总推力为各刀具推力之和加上机器护盾与岩壁及后配套拖车与轨道之间摩擦力之和。

式中：F刀---破岩时所需刀具总推力-即各刀具沿洞轴方向的分力之和

F1---机器推进时-刀盘下部浮动支撑与岩壁之间的滑动摩擦力

F2---护盾与岩壁之间滑动摩擦力

F3---刀盘支撑与岩壁之间滑动摩擦力

F4---主梁撑靴水平导轨间滑动摩擦力

F5---掘进时随刀盘向前移动部分的后配套装置对机器的拖动阻力。

3、刀盘回转功率与扭矩

刀盘回转破岩时，要克服刀具破岩的总阻力矩M刀、铲斗装渣阻力矩M1及铲斗与洞壁之间的摩擦阻力矩M2。

机器回转所需总力矩M总=f×（M刀+M1+M2）/η

式中：f---大于1的安全储备系数

η---刀盘传动机构的效率

机器回转总功率N=M总×n/716.2（马力）

式中：n---刀盘转速（r/min）

4、TBM的贯入度

贯入度（Penetration），也就是我们通常所说的切深，即定义为刀盘每旋转一圈的前进距离，是TBM推进力与掘进速度之间关系的主要参数。

三、TBM工作参数之间的关系

通常认为影响TBM性能的机器因素包括每把刀具的推进力、刀具的磨损程度、刀间距、刀具直径、扭矩、转速、刀盘直径和曲率、TBM推进力、后配套设备、机器处理大块岩石的能力以及抗冲击和振动的稳定性等。由于刀盘及刀具的几何尺寸在机器制造后已经确定，不能更改。所以对于TBM工作性能影响可控的主要因素只能为推进力、刀盘转速，或者为由以上两者影响的TBM推进速度和扭矩。

TBM在开挖隧道时其刀间距保持不变，同时TBM可提供的刀盘推进力和扭矩能力是有一定限值，所以其开挖能力受到一定的限制。首先是刀盘推进力对TBM掘进速度的限制作用。在一定的切深范围内，掘进机刀盘的切深随着推进力的增大而增大。但是TBM推进力是有限的定值，所以切深必将受到最大推进力的限制。其次在软岩中开挖时，开挖性能将受到TBM扭矩的限制；当在硬岩中开挖时，开挖性能将受到TBM推力的限制。

1、贯入度与刀盘推力的关系

刀盘推力是产生贯入度和一定掘进速率的主要因素之一。根据TBM生成的掘进报告结果，由贯入度与刀盘推力关系的曲线图（如图2-1所示）可知：贯入度随刀盘推力的提高而逐渐减小。

图2-1贯入度与刀盘推力关系的曲线图

TBM的掘进速率等于贯入度与刀盘转速之积，即掘进速率与切深成正比。而刀盘推力是岩石强度的直接反应，如图2-1所示，刀盘推力与贯入度成反比，与岩石强度成正比。因此，掘进速率与岩石强度、刀盘推力与贯入度的关系是相同的。

2、刀盘扭矩与贯入度的关系

刀盘扭矩是在刀盘施加推力后产生的，一开始主要是摩擦产生的扭矩，随贯入度的增大，滚刀对岩石产生切割压碎作用，扭矩逐渐增大。根据刀盘扭矩与贯入度关系的曲线图（如图2-2所示）可知：

图2-2刀盘扭矩与贯入度的关系

（1）刀盘扭矩与贯入度基本呈线性增长关系；

（2）当岩石强度低时，刀具切深较大，掘进时表现出的刀盘扭矩总体高于岩石强度高的地层。是由于岩石强度较低，刀具易切入岩石获得较大的贯入度，刀盘旋转阻力增大，因而需要较大的扭矩。

四、地质参数

1、岩石的强度

TBM是利用岩石的抗拉强度和抗剪强度明显小于抗压强度这一特征而设计的，抗压强度的高低是影响TBM掘进效率的关键地质因素之一。一般常采用岩石的抗压强度（Rc）来判断TBM工作条件下隧道围岩开挖的难易程度。一定范围内Rc适中，TBM的掘进速度越高，则掘进越快；Rc越高，TBM的掘进速度越低，则掘进越慢。但是，Rc太小，围岩稳定性差，严重影响掘进速度。

图2-3TBM掘进速度与岩石抗压强度之间的关系

2、岩石的耐磨性

国内外大量TBM施工隧道的工程实践表明，滚刀的磨损情况对TBM掘进效率以及掘进的经济性影响很大。而对刀具的磨损判断和预测，仅根据岩石抗压强度是不够的。主要应结合岩石的硬度以及岩石所含石英颗粒的大小、数量来决定。一般情况下，岩石的耐磨性越高，对TBM刀具、刀圈和轴承的磨损程度也越严重，刀具消耗和施工成本就越高，并造成换刀次数增加，影响TBM正常掘进，相应的TBM掘进效率也就越低。

3、岩石的完整性

岩体的结构面（节理、层理、片理、小断层）发育程度，即岩体的裂隙化程度或岩体的完整性与掘进效率有很大关系，是影响TBM工作效率的又一重要的地质因素。各表征岩体完整程度的指标，较普遍选用的有岩体完整性系数Kv、岩体体积节理数Jv、节理平均间距pd等。

岩石的抗压强度、硬度、耐磨性相同或相近的岩体，结构面发育程度不同，TBM的净掘进速度会产生明显差异。岩体结构面越发育，密度越大，节理间距越小，完整性系数越小，TBM掘进速度就越高。但当结构面极为发育，即节理密度极大，岩体完整性很小时，岩体已呈碎裂状或松散状，其整体强度很低，作为工程围岩已不具有自稳性，此时TBM掘进的速度非但不会提高，反会因对不稳定围岩进行的大量加固处理而大大降低。因此，岩体的结构面特别发育和极不发育时往往都不利于TBM掘进。

五、掘进参数的影响

掘进操作取决于岩石条件；岩石类型越复杂，，所需的贯入度、旋转操作就越多。反之如岩石类型较为稳定，所需操作将会减少。适当的转速调整是掘进操作的重要步骤；根据岩石变化的状况，操作者应时时观察机体所受到的推力和扭力。

转速的影响，在硬岩条件下转速过低会对刀具造成影响（刀具受损）；在软岩条件下转速过高会造成超挖和岩体剥落；转速加大会增加刀具的磨损（正常范畴）。

掘进速度，在软岩区掘进速度应相应降低以避免超挖；在硬岩、强岩区可增大掘进速度。速度上限取决于岩石类型及岩层状况，并受到输料皮带输送量的制约；根据相关规格，如输料速度为210m/min或输料1000t/h，则最大掘进速度应为90mm/min。

在实际掘进中，上述因素综合作用。既要纯掘进速度快，又要刀具损耗低、TBM施工效率高，在一定条件下达到技术与经济的统一，就需要在不同的围岩条件，选择最佳掘进参数。

六、不同地质状况掘进参数的选择和调整

1、节理不发育的硬岩（Ⅱ类、Ⅲ类）情况下作业

（1）提高主电机转速掘进；

（2）开始掘进时掘进速度选择20%，掘进到5cm左右开始提速；

（3）正常情况下，掘进速度一般选择≤60%左右；

（4）围岩本身的干抗压强度较大，不易破碎，若掘进速度太低，将造成刀具刀圈的大量磨损；若掘进速度太高，会造成刀具的超负荷，产生漏油或弦磨现象，因此，必须选择合理的掘进参数。

2、节理发育的Ⅲ类围岩状况下作业

要密切观察扭矩变化和出渣量，调整推力和刀盘转速，控制掘进参数。

3、节理发育且硬度变化较大的Ⅳ类围岩状况的作业

（1）此类围岩下掘进，推力、扭矩在不停地变化，不能选择固定的参数（推力、扭矩）作标准，应密切观察，随时调整掘进速度。若遇到振动突然加剧，扭矩的变化很大，观察渣料有不规则的块体出现，可降低刀盘转速，并相应降低推进速度，待振动减少并恢复正常后，再提高刀盘转。

（2）掘进时，即使扭矩和推力都未达到额定值，也会使通过局部硬岩部分的刀具过载，产生冲击载荷，影响刀具寿命，同时也使主轴承和主梁产生偏载。所以要密切观察掘进参数与岩石变化。当扭矩和推力大幅度变化时，应尽量降低掘进速度，控制在30%左右，以保护刀具和改善主轴承受力。

4、节理、裂隙发育或存在断层带（Ⅳ、Ⅴ类围岩）下的作业

（1）掘进参数选择

刀盘采用低速，掘进速度开始为20%，等围岩变化趋于稳定后，推进速度可上调，但不应超过一定范围（如35%），扭矩变化范围＜10%。

（2）密切观察皮带机的出渣情况

当皮带机上出现直径较大的岩块，且块体的比例大约占出渣量20～30%时，应降低掘进速度，控制贯入度。当皮带机上出现大量块体，并连续不断成堆向外输出时，降低刀盘转速以低速掘进，并控制贯入度。

（3）控制刀盘喷水量

当掌子面属于泥岩时，要适当减少刀盘喷水水量，避免掌子面塌方。

七、在不同岩层条件下掘进的相关数值

1、岩石类型

岩石类型可以通过掘进过程中产生的碎块及出渣料进行判断，也可以通过机体所受的推力及扭力大小进行判断：

表1-1掘进相关数值

扭力（kNm）<1000，转速<3rpm；1000～1500，转速3～4rpm。

如扭力大于1500kN，则转速应根据推力大小进行调整。

2、掘进能量

掘进能量公式：E={1000xF+2πx（Nx1000x1000xT）/V}/A

E：掘进能量（N/mm2）

F：推力（kN）

N：刀盘旋转速度（rpm）

T：刀盘扭力（kN-m）

V：掘进速度（mm/min）

A：掌子面面积（mm2）

掘进能量所反映的内容为刀盘前方岩体的实际状况；岩石硬度和岩体结构也将得以估算；掘进能量公式应用到了掘进中所有的相关参数。

4、Q值预估

如掘进能量大于15n/mm2则意味着地表状况为正常或较强强度。

如掘进能量为15N-10N/MM2则意味着地表较为松软或破碎，有发生超挖的潜在风险。

如掘进能量低于10N/MM2则意味着地表极其松软，有高度超挖风险，需进行相关支护。

八、结语

通过TBM在N-J项目中的应用，分析总结出了TBM掘进操作的关键参数，包括机械参数和地质参数，并且简要的分析了相关参数之间的关系。地质因素对TBM的影响主要表现在两大方面。一方面主要是指隧道围岩的总体地质环境是否适宜采用掘进机施工；另一方面要考虑岩石的抗压强度、硬度、耐磨性和整体性等主要地质因素对TBM掘进速度、利用率、刀具磨损等机器性能指标的影响程度。只有充分考虑这些影响关系，合理的选择和调整相关的掘进参数，才能更好的发挥TBM的掘进效率，合理安排施工，提高TBM的利用率。

参考文献：

[1]侯志友，陈浩.不同掘进参数对TBM掘进机掘进效率的影响[J].城市建设理论研究.2011（31）.