不同掘进参数对TBM掘进机掘进效率的影响

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摘要：介绍了不同掘进参数对tbm掘进机掘进效率的影响，及其内在相互关系。以南疆线改建铁路中天山隧道工程为依托，现场调研和研究为主要研究手段，总结了不同掘进参数对TBM掘进机掘进效率的影响，对于以后的长大隧道及类似工程快速掘进施工具有一定要的参考价值。

关键词：TBM；掘进效率；掘进参数

Different Parameters of the TBM Affecting Tunneling Efficiency

Hou zhiyouChen hao

Abstract：Introduced the different parameters of the TBM tunneling boring machine affecting Tunneling efficiency and efficiency of its internal relationships. Alterations to the railway line in southern Xinjiang Tianshan tunnel project as the basis, on-site investigation and research as the main research tools, summarizes the different parameters of the TBM tunneling boring machine affecting Tunneling efficiency, For the future long tunnel and construction of similar projects provided a rapid excavation of some reference value.

key words：TBM ;Tunneling efficiency; Excavation parameters

一、隧道工程概况

中天山特长隧道位于托克逊、和硕间中天山东段的岭脊地区。穿越中天山北支博尔托乌山中山山地，平均海拔1100~2950m，最高海拔为2951.6m。是南疆铁路增建二线吐鲁番至库尔勒段的控制性工程。隧道起讫里程为DK141+593～DK164+042（左线）、DyK141+573～DK164+040（右线），左线全长22449m，右线全长22467m，全隧道为单面上坡，除出口308m，位于曲线上外，其余均位于直线上，左右线线间距36m。本次依托工程为左线隧道，全长22467m，设计坡度11‰，通过地层岩性以变质砂岩、变质角斑岩、花岗岩、片岩夹大理岩为主。

二、TBM掘进效率主要影响参数

1、机械参数

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掘进机的掘进参数主要有8个：刀盘转速、刀盘扭矩、电机电流值、推进力、推进缸压力、实际掘进速度、贯入度（每转进尺）和推进速度电位器选择值。其中电机电流值与刀盘扭矩、推进缸压力与推进力成正比，实际掘进速度=刀盘转速×贯入度。

在选定刀盘转速后，唯一能直接控制的就是选择推进速度。通过调节推进速度来控制掘进。由于岩石情况不同，掘进所需的扭矩和推进力也不同，实际达到的掘进速度也不尽相同。在相同掘进速度情况下，刀盘转速高速时的贯入度是低速时的一半，与贯入度成正比的刀盘扭矩、推进力相对较小。但是当刀盘高速运转时，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，相应的增加胶带机的工作负荷。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。

1掘进机的总推进力

掘进机向前开挖掘进时所需总推力为各刀具推力之和加上机器与洞壁及内、外大梁之间摩擦力之和。

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洞壁之间的滑动摩擦力

F2---顶护盾与洞壁之间滑动摩擦力

F3---刀盘侧支撑与洞壁之间滑动摩擦力

F4---大梁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

机器的总推力为需要的总推力乘以一个大于1的安全贮备系数。

2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）

3掘进机的贯入度

贯入度（Net Penetration，又称为净切深），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，是研究掘进机推进力与掘进速度之间关系的主要参数。

4掘进机工作参数之间的相互关系

通常认为影响掘进机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。所以对于掘进机工作性能影响可控的主要因素只能为推进力、转速，或者为由以上两者影响的掘进机推进速度和扭矩。

掘进机在开挖隧道时其刀间距保持不变，同时掘进机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掘进机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，将不断增大。但是对特定的掘进机其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，开挖性能将受到掘进机扭矩的限制；当在硬岩中开挖时，开挖性能将受到掘进机推力的限制。

（1）每转切深与刀盘推力的关系

刀盘推力是产生刀盘切深和一定掘进速率的主要因素之一。根据掘进试验结果[1]，由刀盘每转切深与刀盘推力关系的散点图和回归分析曲线（如图2-1所示）可知：①刀盘每转切深随刀盘推力的提高而逐渐增大，且切深增大率高于推力的提高率；②刀盘转速较大时的每转切深明显低于低转速时的刀盘切深。

图2-1 刀盘每转切深与推力的关系

掘进机的掘进速率等于刀盘每转切深与刀盘转速之积，即掘进速率与切深成正比。因此，掘进速率与岩石强度及刀盘推力的关系与每转切深的关系是相同的。

（2）刀盘扭矩与切深的关系

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，随切深的增大，滚刀对岩石产生切割压碎作用，扭矩逐渐增大。根据刀盘扭矩与每转切深关系的散点图和回归分析曲线（如图2-2所示）可知：

①刀盘扭矩与切深呈线性增长关系[2]；

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[3]。是由于，岩石强度较低，刀具易切入岩石获得较大的切深，刀盘旋转阻力增大，因而需要较大的扭矩。

图2-2 刀盘扭矩与切深的关系

2、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。一般常采用岩石的单轴抗压强度（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越低，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； Rc太大，TBM掘进困难，效率低下[4]。

图2-3 TBM掘进速度与岩石岩石单轴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，并造成停机换刀次数增加，影响TBM正常掘进，相应的TBM掘进效率也就越低[5]。

图2-4 TBM刀具消耗率与岩石耐磨性之间的关系

图2-4为中天山隧道角斑岩、变质砂岩以及花岗岩掘进TBM刀具消耗率与岩石耐磨性指数Ab间的相关关系。

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。在这里，主要论述岩体完整性系数Kv的影响。

a 秦岭隧道Ⅰ线进口

b 中天山隧道左线

图2-5 岩石Kv值与TBM纯掘进速度的关系

3、其他因素

除以上影响TBM效率的主要地质因素外，岩体主要结构面或称优势结构面的产状与隧道轴线间的组合关系、围岩的应力状态、含水和出水情况对TBM掘进速度和利用率也有一定的影响。

当岩体主要结构面与隧道轴线夹角50~70°时，有利于掘进速度的提高；如果与洞轴线平行或小于45°，则上部围岩容易坍塌或掉块，不利于TBM掘进。当围岩处于高地应力状态时，对坚硬的较完整或完整岩体，极可能发生岩爆危及TBM机具和人员的安全；对软弱岩体，则可能发生大的挤压变形，给TBM推进造成困难。围岩含水和出水状态对TBM掘进的影响程度则视含水量及出水量的大小和范围，同时决定于围岩是硬岩还是软质岩。一般富水段和涌水段，围岩的强度和稳定性会有不同程度的降低，同时有可能恶化TBM的工作条件和环境，影响掘进速度。

据已有资料显示，TBM施工中出现的主要工程地质问题包括：围岩大变形、突（涌）水、岩爆以及瓦斯突出等，尤以软岩大变形、岩爆和突（涌）水问题最为严重[6][7]，据尚彦军等对国内外已发生的98次TBM重大工程事故的统计发现，约有72%是由这两者引起的（图2-6），在TBM施工过程中必须给予足够的重视[8]。

图2-6TBM施工中主要工程地质问题

三、结语

通过TBM在中天山隧道中的应用，研究分析总结出了影响TBM掘进效率的关键参数，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的影响主要表现在宏观、微观两大方面。宏观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；微观方面要考虑岩石的单轴抗压强度、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，才能更好的发挥掘进机的掘进效率，合理安排施工，提高掘进机利用率。

参考文献

1、宋克志,孙谋.复杂岩石地层盾构掘进效能影响因素分析[J].岩石力学与工程学报, 2007,02(9).

2、TEALE R. The concept of specific energy in rock drilling[J] .Int.J.Rock Mech.Min.Sci.and Geomech.Abstr, 1965, 2 (1) :5773 .

3、GERTSCHR R. Tunnel boring machine disc cutter vibrations[C] .Golden,CO,Colorado of Mines, 1993:144 .

4、隆威,尹俊涛,刘永正,等.TBM掘进技术的发展应用及相关工程地质问题探讨[J],探矿工程,2(X)5,2:55-59

5、S. Okubo,K. Fukui,W. Chen. Expert System for Applicability of Tunnel Boring Machines in Japan[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 36 (4) .

6、Pelizzas,orassoP,徐书林著,翟进营译.TBM法隧道掘进综述.建筑机械,2002,(5):21-28

7、隆威,尹俊涛,刘永正,等.TBM掘进技术的发展应用及相关工程地质问题探讨.探矿工程,2005,(2):52-62

8、尚彦军,史永跃,曾庆利,等.TBM隧道工程地质条件评价和问题研究.大直径隧道与城市轨道交通工程技术.上海国际隧道工程研讨会文集,2005

作者简介：

侯志友（1984―） 男 助理工程师 2009年毕业于西南交通大学结构工程专业 硕士

陈浩 （1984―）男 助理工程师 2010年毕业于西南交通大学桥梁与隧道工程专业 硕士

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。