巖爆段TBM開挖刀盤受力分析及現場試驗研究

□張寶貴 □張照太 □李衛兵（北京振沖工程股份有限公司）

1.引言

目前我國很多硬巖隧洞都采用TBM設備開挖，比如已經貫通的遼寧大伙房水庫輸水工程、新疆八十一大阪引水隧洞工程，還有目前正在施工的甘肅引洮工程、錦屏二級水電站引水隧洞工程、陜西引紅濟石工程等等，因各個工程所遇到的圍巖情況及TBM設備參數不同，刀盤在開挖過程中所受到的推力各不相同，當TBM在圍巖較差、掌子面塌方嚴重以及掌子面發生巖爆形成塌腔工況下進行開挖時，如果不注意刀盤推力以及轉速等參數的控制將直接會影響到TBM刀盤刀具、鏟齒的使用時間，嚴重的將影響到TBM主軸承，主軸承可以說是一臺TBM的心臟，至關重要，直接關系到TBM使用壽命的問題。

錦屏二級水電站3#引水隧洞TBM開挖過程中掌子面前方經常發生巖爆，為了確保刀盤受力安全、主軸承不受損壞、TBM安全穩妥的通過巖爆段，則合理的開挖參數將變得非常重要。現場開展了TBM導洞開挖試驗，試驗前根據巖爆發生的工況對刀盤受力進行了理論計算，根據現場實際開挖情況和設備商提供的經驗數據，得到了TBM掘進通過巖爆段的可參考的參數，用以指導現場施工。

2.工程概況

錦屏二級水電站工程地處高山峽谷的巖溶地區，地質條件復雜，具有埋深大、洞線長、洞徑大的特點，為典型的深埋長隧洞特大型地下水電工程，隧洞群建設規模龐大，包括7條隧洞，即2條輔助交通洞、1條排水洞和4條引水洞，平均洞線長度約為16.67km，其中3#引水隧洞采用TBM施工，開挖直徑12.44m。

錦屏二級水電站工程引水隧洞最大埋深2525m，引水洞平均埋深約1610m，其中埋深>1500m的洞段長度為12540～12729m，占全洞長度的75.2%～76.4%。TBM施工洞段以白山組大理巖和鹽塘組大理巖為主，圍巖自穩承載能力強，隧洞的總體成洞條件較好，工程區的最大主應力可達63MPa。在高埋深的白山組段具備發生巖爆的條件，其強烈程度以輕微～中等巖爆為主，部分地段將發生強烈～極強巖爆。

在施工過程中TBM掌子面經常發生巖爆，嚴重時由于巖爆沖擊迫使刀盤后退幾厘米，巖爆后刀盤前方會形成一定深度的塌腔，一般塌腔深度為3～5m，嚴重時塌下的石塊將刀盤壓死，影響TBM掘進，尤其是TBM進入埋深>2000m洞段以后，巖爆事件頻發，掌子面完整的情況很少，大多數情況下是刀盤前部有一定的塌腔，此時需要調整掘進參數先將塌下的石渣慢慢切削完以后再進行正常開挖，這樣便導致TBM處在一種異形斷面的開挖過程中，如圖1、2所示的工況。

圖1 巖爆段TBM開挖工況圖

圖2 巖爆段TBM開挖工況圖

3.TBM刀盤受力分析

在刀盤前方巖爆的工況下，TBM刀盤部分面積與掌子面沒有接觸，刀盤處于偏心受力狀態，此時刀盤和刀具受力不均勻，導致刀具、鏟齒以及刀盤結構受到的沖擊載荷加大，可能會使鏟齒和刀具過度磨損，刀盤上部分焊縫開裂等，從而使刀具和鏟齒的壽命降低，增加維修時間及相關費用，而且由于刀盤承受載荷不均勻，可能出現主軸承損壞情況。為保證刀盤受力安全，保護主軸承不受損傷，需調整該工況下的TBM掘進參數，刀盤推力必須合理，以確保TBM能夠順利通過強巖爆段。根據設備商提供的刀盤圖紙，結合下圖3中的TBM開挖斷面，對TBM開挖斷面內預留1～10m范圍內刀盤的受力情況進行了計算機模擬和理論計算，為類似工況下刀盤推力提供了可參考的理論依據。

圖3 刀盤受力界面圖（預留高度1～10m不等）

計算依據：

一是，本TBM共設計有81把刀具，根據預留深度的不同，刀盤與圍巖接觸面積也不同，只有部分刀具接觸，刀盤屬于偏心受力，在刀盤轉動過程中，使用刀具的數量在不斷變化，受力的偏心距也在變化。二是，以刀盤每轉動5°為一計算單位，使用計算機編制一計算程序，將TBM在部分斷面下工作時使用的刀具的情況進行模擬，計算深度以0.5m為一單位，計算出刀盤在不同預留深度情況下刀具的最多和最少使用數量及其偏心距。三是，單把刀具容許載荷為315kN，根據刀具用量模擬結果和圖紙中提供的主軸承參數，計算刀盤偏心受力時刀具容許載荷降低后的數值，并計算相應狀況下刀盤的允許推力。

計算參數和公式：

主軸承掘進時后滾柱（推力承軸）的擠壓面為一圓環，從圖紙中量測其數據，然后計算其截面面積A和抵抗矩Wx，假設推力軸承的滾柱間距為a，彈性模量為E，滾柱的半徑為r。假設部分斷面掘進時單刀最大荷載為Np，偏心距為L，最少用刀數量為n，計算依據是：保證在局部斷面工況時主軸承的滾柱對滾道的最大壓應力[σ]部分斷面不超過全斷面工作時的壓應力[σ]全斷面，即[σ]部分斷面＜[σ]全斷面

根據接觸應力圓柱形計算公式得到刀盤偏心受力時刀具降低載荷公式（1）。

式中：n，A，L，Wx為已知量。

a、E、r為未知量，但不影響方程求解。

Np為所求參數，即刀盤在偏心受力時的單把刀具容許載荷，求出該數據后根據偏心受力時刀盤最少用刀數量求出刀盤容許推力。

最終獲得刀盤偏心受力時刀盤容許推力為Np×n（kN）。其計算結果見表1所示。

由表1可看出，在掘進過程中用刀數量越少則偏心距越大，工作狀況越惡劣。

4.TBM施工巖爆段導洞開挖試驗

4.1 導洞設計形式

考慮到錦屏二級水電站TBM開挖隧洞頂拱巖爆對現場威脅最大，因此導洞位置主要設置在TBM開挖斷面中上方，目的是削弱巖爆對TBM的影響，同時頂拱可進行永久支護以減少后期TBM支護工程量，初步設計的導洞斷面形式有城門洞形、馬蹄形以及圓形，典型設計斷面形式如圖4、5所示。

為防止頂拱巖爆對TBM開挖的影響，方便機械設備在導洞開挖作業面施工，3#引水洞最終采用了圖5中的多邊圓弧的類似馬蹄形斷面進行開挖試驗（寬×高=8.18m×7.35m）。

表1 不同預留深度情況下刀盤參數表

圖4 導洞斷面設計形式（A、B）圖

圖5 導洞斷面設計形式圖

4.2 導洞開挖試驗

在TBM掘進過程中TBM操作顯示屏幕上只能顯示出主推進油缸的推力，而無法直接顯示刀盤的推力，因此，在導洞試驗前需要計算刀盤在該斷面開挖時的刀具用量、刀盤極限推力以及TBM掘進所克服的摩擦力等參數，最終得到TBM主推進油缸的推力，計算過程如下。

4.2.1 刀盤極限推力

根據上述表1的模擬計算依據，得到刀盤在斷面5形式下開挖時最多使用48把刀，最少用41把刀，刀具最少時主軸承偏心受力力矩為204.44cm，因此將用刀最少作為主軸承的驗算荷載標準，根據上述計算公式（1）計算TBM開挖時刀具的荷載應降到229.55kN。即刀盤極限推力為229.55×41=9411.55kN

4.2.2 摩擦力

根據前護盾自身重量，前護盾對底拱的壓力為1200T，頂護盾由于脫空不產生壓力，但側護盾需要施壓，根據側護盾油缸參數和側護盾面積計算出側護盾在120bar（常態）壓力作用下對巖璧的壓力為235t。因此克服前護盾的磨擦需要的推力為0.35（預估摩擦系數）×(1200+235)×10=5022.5kN。

后配套的牽引阻力一般為500kN。

所以在部分斷面掘進時刀盤所受極限最大推力控制在9411.55+5022.5+500=14934kN。

結合設備商經驗，并經過現場TBM刀盤空推試驗后最終確定：

現場空推摩擦推力：8500～10000kN

開挖過程中預計的摩擦推力：8500kN×0.6(預估系數，設備商經驗值)=5100kN

刀盤接觸推力：（41把刀×最大200kN）×85%=6970kN（最大）-設備商估算值也是經驗值。

因此，TBM最終推力為：開挖空推摩擦力+刀盤接觸推力=5100+6970=12070kN。

結合理論計算和設備商經驗公式，考慮現場空推情況，刀盤推力預計為12070～14934kN，由于在開挖過程中推力存在一定的波動，很難保證推力穩定在某一數值，并且鉆爆法開挖的導洞斷面并不能完全達到設計要求，難免存在超挖情況。為保證主軸承處于絕對安全條件下運行，現場采用以刀盤貫入度和轉速為主要控制參數，以主推進油缸推力為參照參數來進行導洞開挖，其中刀盤轉速為2.5～3轉/min，刀盤貫入度控制在8～10mm/轉。主推進油缸控制在12000kN上下。

4.3 試驗結論

一是，在控制TBM掘進參數情況下，刀盤開挖工作正常，刀盤未出現異常振動，現場出渣塊度均勻，進尺相對合理，正常情況下，TBM開挖進尺每天可達到10～12m；二是，對導洞掘進前后的主軸承油樣檢測對比，主軸承處于平穩運行狀態，磨損正常，由于參數控制得當，刀具更換和其他配件消耗統計數量比全面斷面開挖要少；三是，在合理參數控制下，TBM導洞開挖試驗成功實施。

5.結論

一是，刀盤偏心受力理論計算為刀盤處于異形斷面開挖狀態下提供了可參考的推力參數，結合導洞試驗，以及刀具和配件消耗比全斷面開挖少的實際情況，說明：在合理的參數控制下，TBM在部分斷面洞段的開挖是安全的，即刀具、刀盤和主軸承等是安全的，刀盤掘進速度合理。二是，TBM導洞開挖試驗的成功實施，為后期的TBM項目進行類似開挖提供很有價值的掘進參數。

[1]章希勝,武震,張景春.機械零件的接觸應力計算[J]，機械,2000.01，26-28.