單護盾TBM在含水疏松砂巖洞段下的掘進研究

周 波，甄樹鋒

(山東黃河工程集團有限公司，山東 濟南 250013)

單護盾TBM掘進機在國內(nèi)基礎建設過程中起到了重要的促進作用[1- 3]。其融入了電、機、光、液四種特定元素，能依次完成隧道的掘進工作、支護工作以及出渣工作，具有高效、安全等特點，彌補了傳統(tǒng)掘進方法的不足，并在國外得到了廣泛的運用。而國內(nèi)對單護盾TBM方面的研究并不多，同時其在不良地質(zhì)洞段中的掘進會出現(xiàn)較多的問題，如涌沙涌泥、卡機以及載頭等。基于此，本文針對不良地質(zhì)中的含水疏松巖洞段，對單護盾TBM的掘進參數(shù)方面進行研究，望通過此研究來發(fā)現(xiàn)單護盾TBM在不良地質(zhì)中的掘進規(guī)律，為后續(xù)采用單護盾TBM進行隧洞掘進工作提供一定的參考。

1 單護盾TBM工作原理

1.1 單護盾TBM開挖原理

掘進機刀盤上會安置著盤形滾刀，在掘進機推力和扭矩的作用下，盤形滾刀會對掌子面巖體進行滾動式切割，當掌子面巖體的抗壓強度小于盤形滾刀的壓力時，那么掌子面巖體表面就會產(chǎn)生大量的裂縫，隨著掘進機的不斷推進，盤形滾刀對掌子面巖體的壓力會越來越大，掌子面巖體表面的裂縫也會逐漸向內(nèi)延伸擴散，當裂縫達到一定程度時，掌子面巖體就會被擊破掉落，經(jīng)過此完整階段后其開挖的目的才算達成[4- 5]。此外，在掘進的過程中，TBM主機會被推進油缸禁錮起來，旨在抵抗掘進機推進時的反作用力和刀盤的扭矩[6- 7]。同時，推進油缸為能有效地將推力輸送到刀盤上，會以支撐系統(tǒng)作為支點，進而進行傳輸，達到破巖掘進的目的[8- 9]。盤形滾刀在破巖過程中會伴隨著破碎巖石的掉落，對于掉落的破碎巖石首先會通過刀盤上的鏟斗進行均勻分配處理；其次會在刮板的作用下進行收集，并通過主機內(nèi)的皮帶機將其運輸?shù)胶笈涮灼C上；最后，借助編組列出運輸?shù)蕉赐狻?/p>

1.2 單護盾TBM掘進原理

在軟弱的巖體中，單護盾TBM的刀盤在掘進過程中，其盾殼會與巖體觸碰產(chǎn)生反扭矩，此時，掘進機為了進一步掘進，會通過以管片為支點的推進油缸向刀盤輸送推力，但管片的安裝與單護盾TBM掘進工作又不能同時進行，因此會采取循環(huán)作業(yè)的方式進行掘進[10]。具體流程如圖1所示。

圖1 單護盾TBM掘進作業(yè)流程圖

2 單護盾TBM在干燥圍巖洞段的掘進情況

以某干燥圍巖洞段為例，對其刀盤轉(zhuǎn)速、掘進速度、掘進推力以及刀盤扭矩的參數(shù)變化情況進行了隨機收集統(tǒng)計，具體如圖2—圖5所示。

圖2 TBM刀盤轉(zhuǎn)速的波動情況

圖3 TBM掘進速度的波動情況

圖4 TBM掘進推力的波動情況

圖5 TBM刀盤扭矩的波動情況

由此可以看出，單護盾TMB在該洞段掘進時的刀盤轉(zhuǎn)速基本上保持在6～8r/min之間，掘進速度基本在40～80mm/min之間，掘進推力基本保持在4000～10000kN之間，刀盤扭矩基本保持在500～1500kN·m之間。此外，掘進推力的最大值為12154kN，最小值為830kN；刀盤扭矩的最大值為2724kN·m，最小值為141kN·m，存在較大的落差。

3 單護盾TBM在含水疏松砂巖地質(zhì)洞段的掘進情況

3.1 含水疏松巖層地質(zhì)情況

含水疏松砂巖洞段的主要構(gòu)成成分：細砂巖、疏松粉以及礫砂巖，含水疏松巖層段的含水量較大，屬于極軟巖，NW310°SW20°～25°的產(chǎn)狀，該圍巖的密度、飽和抗壓強度、變形模量以及滲透系數(shù)依次為2.19g/cm3、0.99MPa、75MPa以及6.5×10-5～3.2×10-4cm/s，天然抗壓強度、天然彈性模量、飽和彈性模量以及泊松比依次為1.45～2.3MPa、72.3～130MPa、12.9～44.45MPa、0.35～0.4，因此對此洞段進行挖掘時，會伴隨著大量的渣土出現(xiàn)，出渣量會比平常的出渣量高出10～20倍，同時具有不穩(wěn)定性和無規(guī)律性的特點。此外，主機內(nèi)的皮帶容易受到掌子面瞬間坍塌的影響，嚴重時會導致皮帶無法使用，同時在地下水的作用下，掌子面的泥化現(xiàn)象會不斷加劇，嚴重時會導致“載頭”現(xiàn)象的出現(xiàn)。同時，泥沙也會順著刀盤進入倉內(nèi)，進一步加重主機內(nèi)的皮帶壓死，泥土和水也會順著皮帶流向前盾和后盾，給盾體設備安全造成威脅，在其進一步侵蝕下，管片的安裝工作將無法進行，此工作中斷，那么就說明單護盾TBM掘進作業(yè)會終止，對整體的施工進度和經(jīng)濟效益都會造成負面的影響。

3.2 出渣量的控制

TBM在含水疏松巖地質(zhì)洞段施工時的出渣量應確保不超出正常出渣量的1.5倍。假如出渣量超出了正常的1.5倍之多，那么就會導致這些渣土無法得到及時有效的外運，極易造成TMB的皮帶負荷過重或者被渣土壓死，中斷了TMB的掘進工作。針對此問題，可在刀盤刮渣口處焊接寬度約為2.9cm的鋼板條，抑制出渣土的數(shù)量，攔截體積較大的渣土掉入機內(nèi)。但此優(yōu)化操作需要注意的是鋼板焊接的間距問題，不能過于集中，否則會導致潮粉狀渣土不易排出，增大了TBM掘進的阻力，嚴重時可能會出現(xiàn)卡機的現(xiàn)象。最佳間距可設置在11～14cm之間。

3.3 掘進參數(shù)的優(yōu)化

TBM在含水疏松巖地質(zhì)洞段施工時應注意刀盤轉(zhuǎn)動的速度和切入的面積，降低其對掌子面的擾動范圍，進而減少渣土塌落的面積和數(shù)量，故需要對TBM掘進參數(shù)進行合理的優(yōu)化，如掘進速度、轉(zhuǎn)速、掘進推力以及扭矩。基于此，本文以“組”的形式，結(jié)合洞段的實際情況對TBM在掘進新增2#斜井附近洞段時的參數(shù)進行了采集，旨在便于采集密度的調(diào)整，為其他參數(shù)的變化規(guī)律提供參考。具體采集情況如圖6—圖9所示。可見，掘進速度基本保持在30～80mm/min之間，刀盤正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速應在3～6r/min之間，反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速應在2～4r/min之間。

圖6 TBM掘進速度變化情況

圖7 TBM刀盤轉(zhuǎn)速變化情況

圖8 TBM掘進推力變化情況

圖9 TBM掘進扭矩變化情況

由此可以看出，TBM處于圖6的掘進速度時，其對應的掘進推力主要的波動范圍在10000～18280kN之間，且最大掘進推力為18666.7kN，最小掘進推力為5333.3kN。刀盤扭矩主要的波動范圍在490～3396kN·m之間，最大掘進扭矩為3396.2kN·m，最小掘進扭矩為377.4kN·m。

4 小結(jié)

本文通過對單護盾TBM在干燥圍巖洞段的掘進情況與在含水疏松砂巖地質(zhì)洞段的掘進情況的對比分析，得到以下結(jié)論：單護盾TBM在干燥洞段的掘進參數(shù)變化情況均比在含水疏松砂巖洞段的小，說明單護盾TBM在含水疏松砂巖洞段掘進時，容易因為各項參數(shù)規(guī)律的不明朗而導致卡機、載頭等現(xiàn)象的出現(xiàn)，所以在實際施工中應注重單護盾TBM掘進參數(shù)的取值范圍。本研究對單護盾TBM在不良地質(zhì)條件下選取掘進參數(shù)范圍具有一定的參考意義，但由于研究時間較短，且個人水平有限，因此在經(jīng)濟效率方面和實際應用方面仍存在一些的不足之處，望后續(xù)類似工程加以完善。