德羅引水隧洞懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)技術(shù)參數(shù)選擇研究

李 卓，宋 洋

（中國人民武裝警察部隊(duì)水電第三總隊(duì)第九支隊(duì)，610036，成都）

德羅引水隧洞懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)技術(shù)參數(shù)選擇研究

李 卓，宋 洋

（中國人民武裝警察部隊(duì)水電第三總隊(duì)第九支隊(duì)，610036，成都）

懸臂式掘進(jìn)機(jī)正得到廣泛應(yīng)用，截割機(jī)構(gòu)是掘進(jìn)機(jī)的關(guān)鍵部件，合理選擇截割機(jī)構(gòu)的技術(shù)參數(shù)是掘進(jìn)機(jī)實(shí)現(xiàn)節(jié)約能耗、充分發(fā)揮效能的重要環(huán)節(jié)。通過對德羅引水隧洞懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)的分析，比選出更適合實(shí)際操作的方案，并對現(xiàn)階段存在的問題提出思考。

隧洞；懸臂式掘進(jìn)機(jī)；截割；技術(shù)參數(shù)

掘進(jìn)機(jī)是一種安全高效的隧洞掘進(jìn)設(shè)備，相比于鉆爆法有效率高、效益好、對巖層擾動少、有利于安全生產(chǎn)等優(yōu)勢。但其仍有一定的局限性，例如全斷面掘進(jìn)機(jī)（TBM或盾構(gòu)機(jī)）成型斷面只能是固定直徑的圓形，且造價(jià)較高，需要對隧洞掘進(jìn)長度和經(jīng)濟(jì)性比較進(jìn)行詳細(xì)評估；懸臂式掘進(jìn)機(jī)（也稱部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)）適合掘進(jìn)圓形、馬蹄形、門洞形等斷面，且結(jié)構(gòu)緊湊，工作方式靈活，但對巖石硬度、斷面尺寸等有一定要求，正確選擇有關(guān)技術(shù)參數(shù)是發(fā)揮其效率和效益的關(guān)鍵。因此，確定使用掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行隧洞開挖的方案后，合理確定掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)技術(shù)參數(shù)并以此進(jìn)行選型十分必要。

一、工程概況

德羅引水隧洞是西藏拉洛水利樞紐控制性工程之一，該隧洞工期為整個(gè)工程的控制性工期。全長7.52 km，為無壓洞，洞身標(biāo)準(zhǔn)段開挖斷面為寬度5.1 m、高4.85 m的馬蹄形斷面；隧洞圍巖為J2z、J1r鈣質(zhì)頁巖（含泥質(zhì)、炭質(zhì)）、夾薄層狀砂巖、極薄層狀板理化細(xì)晶灰?guī)r，主要為軟巖，巖石強(qiáng)度小于20MPa，存在塑性變形問題，特別是存在地下水的情況下，頁巖易軟化、崩解，圍巖自穩(wěn)時(shí)間短。

二、主要技術(shù)參數(shù)

1.橫軸式和縱軸式

懸臂式掘進(jìn)機(jī)按截割頭的布置方式分為縱軸式和橫軸式。縱軸式掘進(jìn)機(jī)多采用截錐體截割頭，其結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)內(nèi)噴霧進(jìn)行除塵，較易切出光滑輪廓的隧洞斷面。截割頭上既可安裝扁平截齒，也可安裝錐形截齒。一般情況下，縱軸式截割頭破碎的巖渣向兩側(cè)堆積，需用截割頭在工作面下部進(jìn)行輔助裝載作業(yè)，對裝載效率有一定影響。橫軸式截割頭的形狀近似為半橢圓球體，不利于斷面輪廓成型。橫軸式截割頭上多安裝錐形截齒，齒尖的運(yùn)動方向和巖渣的下落方向相同，易將切下的巖渣推到鏟裝板上及時(shí)裝載運(yùn)走，裝載效率較高?？v軸式和橫軸式掘進(jìn)機(jī)各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)結(jié)合地質(zhì)條件和掘進(jìn)機(jī)的性能加以選用。

2.定位截割范圍

掘進(jìn)機(jī)的定位截割范圍，即掘進(jìn)機(jī)在定位截割巖體作業(yè)過程中截割頭擺動的上下左右極限位置所能達(dá)到的最大高度、寬度和面積。目前水工隧洞主要斷面形狀有圓形、馬蹄形、門洞形，掘進(jìn)機(jī)截割軌跡和最大成型斷面受截割部的垂直擺動機(jī)構(gòu)和水平擺動機(jī)構(gòu)控制，成型斷面為腰鼓形。生產(chǎn)實(shí)踐表明，若一個(gè)斷面分塊多次截割成型，掘進(jìn)機(jī)將前后往復(fù)運(yùn)動，會導(dǎo)致設(shè)備單位時(shí)間內(nèi)截割方量明顯降低。選擇合適型號的掘進(jìn)機(jī)，保證合理的定位截割范圍，以使設(shè)備定位后將一個(gè)斷面一次截割成型。

3.截割功率

截割功率是掘進(jìn)機(jī)能力的一個(gè)重要標(biāo)志?？梢哉J(rèn)為，截割功率的大小基本上決定了掘進(jìn)機(jī)的截割能力和適應(yīng)范圍。從理論上講，截割功率應(yīng)按工作過程中所受的截割阻力來計(jì)算。截割阻力取決于巖體性質(zhì)、刀具參數(shù)和截割破碎過程。但由于煤巖性質(zhì)復(fù)雜多變，受煤巖性質(zhì)、組織結(jié)構(gòu)、節(jié)理層理和裂隙狀況以及不同截割過程的影響，要通過理論計(jì)算來確定截割阻力是十分困難的；現(xiàn)場實(shí)測也受不同條件和多種因素的影響，難以獲得可靠而實(shí)用的數(shù)據(jù)。因此，在實(shí)際施工中，截割功率大多按能耗法或類比法來確定。

①能耗法：按試驗(yàn)得到的截割比能耗計(jì)算公式N＝60HwVhLD(Hw比能耗kWh/m3，Vh截割頭擺動速度m/min，L截割深度m，D截割頭平均直徑m)。

②類比法：根據(jù)所截割巖體的硬度、單軸抗壓強(qiáng)度和研磨性系數(shù),參考現(xiàn)有機(jī)型的參數(shù)和現(xiàn)行技術(shù)條件選取截割功率、最大工作坡度、可掘斷面、機(jī)高、機(jī)重等基本參數(shù)。

4.截割巖石硬度和圍巖級別

掘進(jìn)機(jī)的適用條件受多方面因素影響，其中最重要的是巖石的硬度與可鉆性，其次是巖石節(jié)理裂隙發(fā)育程度、巖石的碎脹性、地壓力大小與方向、水文地質(zhì)、巖石含水率、地下水腐蝕性等。巖體在十分軟弱的情況下，雖然有利于切削，但是需要及時(shí)支護(hù)而占用的掘進(jìn)循環(huán)時(shí)間較多，反而不利于提高掘進(jìn)效率。

目前掘進(jìn)機(jī)最大可鑿巖石抗壓強(qiáng)度為150 MPa，經(jīng)濟(jì)可掘巖體抗壓強(qiáng)度為60～100 MPa。若巖石強(qiáng)度太高，則破巖所消耗的截割工具磨損費(fèi)用直線增加，高效連續(xù)作業(yè)的優(yōu)越性得不到充分體現(xiàn)；若巖石強(qiáng)度太低,節(jié)理裂隙發(fā)育，會導(dǎo)致巷道成型困難，施工安全性受到影響，巷道支護(hù)工作量太大。巖石的碎脹性會導(dǎo)致施工后巖層膨脹，造成支護(hù)困難；地應(yīng)力大則會引起巖爆，作業(yè)不安全；水文地質(zhì)復(fù)雜、巖石中含水率高，會導(dǎo)致工作面施工條件惡化，掘進(jìn)難以進(jìn)行。另外，巖石的腐蝕性會降低截割刀具壽命，增加掘進(jìn)成本。

表1 類比法參數(shù)選擇參考表

三、德羅引水隧洞技術(shù)參數(shù)選擇實(shí)例分析

根據(jù)德羅引水隧洞實(shí)際地質(zhì)條件和上文闡述的主要技術(shù)參數(shù)，結(jié)合工程實(shí)例對掘進(jìn)機(jī)技術(shù)參數(shù)選擇進(jìn)行分析。

1.橫軸式與縱軸式比選

主要從質(zhì)量要求、地質(zhì)條件、截割受力情況等方面對橫軸式與縱軸式進(jìn)行比選。

根據(jù)水工隧洞有關(guān)設(shè)計(jì)要求和施工質(zhì)量規(guī)范，對超欠挖和成型輪廓控制要求高?？v軸式截割頭為錐體形狀，懸臂轉(zhuǎn)動走向與隧洞輪廓相匹配。另外，從地質(zhì)條件和截割受力情況看，洞內(nèi)全部為IV、V類圍巖，巖體走向與洞軸線夾角小于30°，掘進(jìn)過程中易產(chǎn)生片幫塌方情況。沿著層理方向進(jìn)行截割巖體將大幅度減小截割落巖的阻力，從而降低能耗和鉆具消耗。因此根據(jù)洞內(nèi)巖體走向選擇縱軸式截割可有效降低能耗和鉆具消耗，且根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)在軟巖掘進(jìn)中縱軸式掘進(jìn)機(jī)工作穩(wěn)定性較橫軸式高。

考慮上述因素，德羅引水隧洞選擇縱軸式掘進(jìn)機(jī)方案較優(yōu)。

2.定位截割范圍選擇

合適的定位截割范圍是提高生產(chǎn)效率的必要條件。斷面與設(shè)備掘進(jìn)截割范圍不匹配將會造成成本增加、資源浪費(fèi)和掘進(jìn)效率降低等問題。懸臂式掘進(jìn)機(jī)可掘斷面取決于懸臂的長度和回轉(zhuǎn)角度。德羅引水隧洞斷面為馬蹄形斷面，最大高度4.85 m，寬度5.10 m。將此斷面套入掘進(jìn)機(jī)截割的腰鼓形斷面，確定掘進(jìn)機(jī)的定位截割參數(shù)為高度大于4.85 m，寬度大于5.5 m，掘進(jìn)斷面面積大于28 m2。

3.截割功率

根據(jù)文中闡述的兩種截割功率選擇方法，結(jié)合工程實(shí)際采用類比法并參考現(xiàn)有機(jī)型的參數(shù)和現(xiàn)行技術(shù)條件，選取截割功率200 kW，見表1。隨著制造工藝的改變，表1中的參考數(shù)據(jù)可進(jìn)行不斷更新和進(jìn)一步完善，為類比法選擇提供更加可靠的依據(jù)。

4.截割巖石硬度

根據(jù)截割巖石的抗壓強(qiáng)度，確定最小截割功率，即確定截割電機(jī)功率。德羅引水隧洞巖石強(qiáng)度不超過30 MPa。因此可以選擇出截割頭的經(jīng)濟(jì)截割尺寸和截齒的型號。本工程選擇截割頭截齒對應(yīng)巖石抗壓強(qiáng)度≤70 MPa，經(jīng)濟(jì)截割硬度50 MPa。

5.截割系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

截割機(jī)構(gòu)由截割頭、截割臂、截割減速機(jī)、電機(jī)箱體及截割電機(jī)組成。截割臂可滿足不同斷面的施工需要。截割頭采用仿真技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，外形為圓錐臺形結(jié)構(gòu)，在其圓周螺旋分布45把截齒，截齒采用美國凱南麥特產(chǎn)品，其布置合理，破巖能力強(qiáng)。截割減速機(jī)為兩級行星齒輪傳動，輸入轉(zhuǎn)速為1487/736 r/min，輸出轉(zhuǎn)速為54/27r/min。

主要參數(shù)：截割范圍為高5.12 m，寬6.03 m，面積30.9 m2。截割頭形狀為圓錐臺形，截割頭轉(zhuǎn)速為54/27 r/ min，截割電機(jī)為YBUD-260/200-4/8，噴霧方式為內(nèi)、外噴霧。

四、結(jié) 語

懸臂式掘進(jìn)機(jī)以其效率高、適應(yīng)性強(qiáng)、對巖層擾動少等優(yōu)點(diǎn)正得到越來越廣泛的應(yīng)用，同時(shí)，機(jī)型多樣化、多種可選部件自由選配等優(yōu)勢為其在使用操作上和經(jīng)濟(jì)上提供了不斷優(yōu)化的可能。

但其仍存在以下問題需要進(jìn)一步研究：掘進(jìn)與支護(hù)相互產(chǎn)生干擾，干擾度對技術(shù)參數(shù)和相關(guān)配套設(shè)備的選擇具有一定的實(shí)際意義；工作可靠性及穩(wěn)定性尚無合適的指標(biāo)和參數(shù)供選擇借鑒，由于掘進(jìn)機(jī)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，涉及的實(shí)際工程問題較多，設(shè)備可靠性和穩(wěn)定性對設(shè)備選型和經(jīng)濟(jì)性分析有十分重要的意義。

[1]李志立.懸臂掘進(jìn)機(jī)截割功率和運(yùn)動參數(shù)的選擇 [J].貴州工學(xué)院院報(bào)，1996（2）.

[2]徐春江，黃世功.懸臂式掘進(jìn)機(jī)工作穩(wěn)定性分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，1993（10）.

[3]侯波，楊奇順.懸臂式掘進(jìn)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)的選擇[J].煤礦機(jī)械，2000（8）.

責(zé)任編輯 安天杭

Selection of parameters for cutting mechanism of cantilever tunneling machine in construction of Deluo Diversion Tunnel

Li Zhuo，Song Yang

Cantilever tunneling machine has been widely used for project construction.Being one of the key part of cantilever tunneling machine,selection of technical parameters for cutting mechanism is essential for energy saving and increase of efficiency.Through comparison of parameters selected during the construction of Deluo Diversion Tunnel,suitable alternatives are selected and existed problems at present are evaluated.

tunnel;cantilever tunneling machine;cutting;technical parameter

TV512

B

1000-1123（2016）20-0066-02

2016-10-18

李卓，工程師，從事水利水電工程項(xiàng)目施工技術(shù)與管理工作。