巖爆段TBM開挖刀盤受力分析及現(xiàn)場試驗研究

□張寶貴 □張照太 □李衛(wèi)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(shè)備開挖，比如已經(jīng)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(jì)石工程等等，因各個工程所遇到的圍巖情況及TBM設(shè)備參數(shù)不同，刀盤在開挖過程中所受到的推力各不相同，當(dāng)TBM在圍巖較差、掌子面塌方嚴(yán)重以及掌子面發(fā)生巖爆形成塌腔工況下進(jìn)行開挖時，如果不注意刀盤推力以及轉(zhuǎn)速等參數(shù)的控制將直接會影響到TBM刀盤刀具、鏟齒的使用時間，嚴(yán)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(guān)重要，直接關(guān)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(jīng)常發(fā)生巖爆，為了確保刀盤受力安全、主軸承不受損壞、TBM安全穩(wěn)妥的通過巖爆段，則合理的開挖參數(shù)將變得非常重要?，F(xiàn)場開展了TBM導(dǎo)洞開挖試驗，試驗前根據(jù)巖爆發(fā)生的工況對刀盤受力進(jìn)行了理論計算，根據(jù)現(xiàn)場實際開挖情況和設(shè)備商提供的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，得到了TBM掘進(jìn)通過巖爆段的可參考的參數(shù)，用以指導(dǎo)現(xiàn)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(qū)，地質(zhì)條件復(fù)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(shè)規(guī)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(wěn)承載能力強(qiáng)，隧洞的總體成洞條件較好，工程區(qū)的最大主應(yīng)力可達(dá)63MPa。在高埋深的白山組段具備發(fā)生巖爆的條件，其強(qiáng)烈程度以輕微～中等巖爆為主，部分地段將發(fā)生強(qiáng)烈～極強(qiáng)巖爆。

在施工過程中TBM掌子面經(jīng)常發(fā)生巖爆，嚴(yán)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(yán)重時塌下的石塊將刀盤壓死，影響TBM掘進(jìn)，尤其是TBM進(jìn)入埋深>2000m洞段以后，巖爆事件頻發(fā)，掌子面完整的情況很少，大多數(shù)情況下是刀盤前部有一定的塌腔，此時需要調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)先將塌下的石渣慢慢切削完以后再進(jìn)行正常開挖，這樣便導(dǎo)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(tài)，此時刀盤和刀具受力不均勻，導(dǎo)致刀具、鏟齒以及刀盤結(jié)構(gòu)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(guān)費用，而且由于刀盤承受載荷不均勻，可能出現(xiàn)主軸承損壞情況。為保證刀盤受力安全，保護(hù)主軸承不受損傷，需調(diào)整該工況下的TBM掘進(jìn)參數(shù)，刀盤推力必須合理，以確保TBM能夠順利通過強(qiáng)巖爆段。根據(jù)設(shè)備商提供的刀盤圖紙，結(jié)合下圖3中的TBM開挖斷面，對TBM開挖斷面內(nèi)預(yù)留1～10m范圍內(nèi)刀盤的受力情況進(jìn)行了計算機(jī)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(jù)。

圖3 刀盤受力界面圖（預(yù)留高度1～10m不等）

計算依據(jù)：

一是，本TBM共設(shè)計有81把刀具，根據(jù)預(yù)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(zhuǎn)動過程中，使用刀具的數(shù)量在不斷變化，受力的偏心距也在變化。二是，以刀盤每轉(zhuǎn)動5°為一計算單位，使用計算機(jī)編制一計算程序，將TBM在部分?jǐn)嗝嫦鹿ぷ鲿r使用的刀具的情況進(jìn)行模擬，計算深度以0.5m為一單位，計算出刀盤在不同預(yù)留深度情況下刀具的最多和最少使用數(shù)量及其偏心距。三是，單把刀具容許載荷為315kN，根據(jù)刀具用量模擬結(jié)果和圖紙中提供的主軸承參數(shù)，計算刀盤偏心受力時刀具容許載荷降低后的數(shù)值，并計算相應(yīng)狀況下刀盤的允許推力。

計算參數(shù)和公式：

主軸承掘進(jìn)時后滾柱（推力承軸）的擠壓面為一圓環(huán)，從圖紙中量測其數(shù)據(jù)，然后計算其截面面積A和抵抗矩Wx，假設(shè)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(shè)部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)時單刀最大荷載為Np，偏心距為L，最少用刀數(shù)量為n，計算依據(jù)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(yīng)力[σ]部分?jǐn)嗝娌怀^全斷面工作時的壓應(yīng)力[σ]全斷面，即[σ]部分?jǐn)嗝妫糩σ]全斷面

根據(jù)接觸應(yīng)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(shù)，即刀盤在偏心受力時的單把刀具容許載荷，求出該數(shù)據(jù)后根據(jù)偏心受力時刀盤最少用刀數(shù)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(jié)果見表1所示。

由表1可看出，在掘進(jìn)過程中用刀數(shù)量越少則偏心距越大，工作狀況越惡劣。

4.TBM施工巖爆段導(dǎo)洞開挖試驗

4.1 導(dǎo)洞設(shè)計形式

考慮到錦屏二級水電站TBM開挖隧洞頂拱巖爆對現(xiàn)場威脅最大，因此導(dǎo)洞位置主要設(shè)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(jìn)行永久支護(hù)以減少后期TBM支護(hù)工程量，初步設(shè)計的導(dǎo)洞斷面形式有城門洞形、馬蹄形以及圓形，典型設(shè)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(jī)械設(shè)備在導(dǎo)洞開挖作業(yè)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(jìn)行開挖試驗（寬×高=8.18m×7.35m）。

表1 不同預(yù)留深度情況下刀盤參數(shù)表

圖4 導(dǎo)洞斷面設(shè)計形式（A、B）圖

圖5 導(dǎo)洞斷面設(shè)計形式圖

4.2 導(dǎo)洞開挖試驗

在TBM掘進(jìn)過程中TBM操作顯示屏幕上只能顯示出主推進(jìn)油缸的推力，而無法直接顯示刀盤的推力，因此，在導(dǎo)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(jìn)所克服的摩擦力等參數(shù)，最終得到TBM主推進(jìn)油缸的推力，計算過程如下。

4.2.1 刀盤極限推力

根據(jù)上述表1的模擬計算依據(jù)，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(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)上述計算公式（1）計算TBM開挖時刀具的荷載應(yīng)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(jù)前護(hù)盾自身重量，前護(hù)盾對底拱的壓力為1200T，頂護(hù)盾由于脫空不產(chǎn)生壓力，但側(cè)護(hù)盾需要施壓，根據(jù)側(cè)護(hù)盾油缸參數(shù)和側(cè)護(hù)盾面積計算出側(cè)護(hù)盾在120bar（常態(tài)）壓力作用下對巖璧的壓力為235t。因此克服前護(hù)盾的磨擦需要的推力為0.35（預(yù)估摩擦系數(shù)）×(1200+235)×10=5022.5kN。

后配套的牽引阻力一般為500kN。

所以在部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)時刀盤所受極限最大推力控制在9411.55+5022.5+500=14934kN。

結(jié)合設(shè)備商經(jīng)驗，并經(jīng)過現(xiàn)場TBM刀盤空推試驗后最終確定：

現(xiàn)場空推摩擦推力：8500～10000kN

開挖過程中預(yù)計的摩擦推力：8500kN×0.6(預(yù)估系數(shù)，設(shè)備商經(jīng)驗值)=5100kN

刀盤接觸推力：（41把刀×最大200kN）×85%=6970kN（最大）-設(shè)備商估算值也是經(jīng)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(jié)合理論計算和設(shè)備商經(jīng)驗公式，考慮現(xiàn)場空推情況，刀盤推力預(yù)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(wěn)定在某一數(shù)值，并且鉆爆法開挖的導(dǎo)洞斷面并不能完全達(dá)到設(shè)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(xiàn)場采用以刀盤貫入度和轉(zhuǎn)速為主要控制參數(shù)，以主推進(jìn)油缸推力為參照參數(shù)來進(jìn)行導(dǎo)洞開挖，其中刀盤轉(zhuǎn)速為2.5～3轉(zhuǎn)/min，刀盤貫入度控制在8～10mm/轉(zhuǎn)。主推進(jìn)油缸控制在12000kN上下。

4.3 試驗結(jié)論

一是，在控制TBM掘進(jìn)參數(shù)情況下，刀盤開挖工作正常，刀盤未出現(xiàn)異常振動，現(xiàn)場出渣塊度均勻，進(jìn)尺相對合理，正常情況下，TBM開挖進(jìn)尺每天可達(dá)到10～12m；二是，對導(dǎo)洞掘進(jìn)前后的主軸承油樣檢測對比，主軸承處于平穩(wěn)運行狀態(tài)，磨損正常，由于參數(shù)控制得當(dāng)，刀具更換和其他配件消耗統(tǒng)計數(shù)量比全面斷面開挖要少；三是，在合理參數(shù)控制下，TBM導(dǎo)洞開挖試驗成功實施。

5.結(jié)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(tài)下提供了可參考的推力參數(shù)，結(jié)合導(dǎo)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(shù)控制下，TBM在部分?jǐn)嗝娑炊蔚拈_挖是安全的，即刀具、刀盤和主軸承等是安全的，刀盤掘進(jìn)速度合理。二是，TBM導(dǎo)洞開挖試驗的成功實施，為后期的TBM項目進(jìn)行類似開挖提供很有價值的掘進(jìn)參數(shù)。

[1]章希勝,武震,張景春.機(jī)械零件的接觸應(yīng)力計算[J]，機(jī)械,2000.01，26-28.