敞開式TBM主機(jī)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計理論分析

翟國強(qiáng)，陶 磊

（中鐵工程裝備制造有限公司，河南鄭州 450016）

0 引言

硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)，簡稱TBM。主機(jī)關(guān)鍵參數(shù)的確定是影響設(shè)備能否順利完成隧道工程的決定因素。目前，關(guān)于TBM主機(jī)關(guān)鍵參數(shù)，國內(nèi)尚未形成完整系統(tǒng)的理論。國外比較成熟的理論主要有CSM Model、NTH Model，NTNU Model等[1]。雖然上述理論模型提到的滾刀破巖和掘進(jìn)預(yù)測理論在一定程度幫助廠家建立分析模型，但是由于技術(shù)封鎖和地下掘進(jìn)工程無法準(zhǔn)確預(yù)測等原因。國內(nèi)外設(shè)備廠家均沒有對關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計理論進(jìn)行系統(tǒng)闡述[2]。

本文作者利用生產(chǎn)實踐和理論相結(jié)合的方式，探索關(guān)鍵參數(shù)的理論設(shè)計模型。并對應(yīng)用于在引松供水工程總干線施工四標(biāo)段的TBM設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。將理論值與實際值進(jìn)行比較，分析模型與實際差異，提出完善修正理論模型計算方向。為進(jìn)一步的TBM關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計提供參考。

1 輸入地質(zhì)條件

吉林省中部城市引松供水工程總干線施工四標(biāo)段，采用敞開式TBM掘進(jìn)施工。TBM掘進(jìn)段主要穿越石灰?guī)r和花崗巖兩類地層[3]。TBM施工段隧道圍巖地質(zhì)設(shè)計指標(biāo)如表1所示。

表1 TBM施工段隧道圍巖地質(zhì)設(shè)計指標(biāo)

2 理論模型

敞開式TBM主機(jī)關(guān)鍵參數(shù)主要包括刀盤推力、驅(qū)動扭矩、支撐力等?；诳坡辶_拉大學(xué)破巖模型理論（CSM）、工程案例和刀具廠家經(jīng)驗等[4]，建立敞開式TBM刀盤的破巖能力參數(shù)設(shè)計。刀盤刀具采用19英寸（φ483 mm）滾刀刀具。

2.1 刀盤驅(qū)動扭矩T CH

其中：Ft為每把滾刀所受合力；FN為每把滾刀的推力；FR為每把滾刀的扭矩；k為常數(shù)，這里取2.12；T為刀圈的寬度，這里取15 mm；d為刀圈直徑，這里取483 mm；σc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度；σt為巖石單軸抗拉強(qiáng)度；S為滾刀刀間距；φ為切入角；p為貫入度，這里取12 mm；D為刀盤開挖洞徑，這里取7.930 m；N為滾刀刀刃數(shù)量，這里取56；FCH為刀盤推力；vCH為刀盤轉(zhuǎn)速；v為刀圈轉(zhuǎn)速極限值；TCH為刀盤驅(qū)動扭矩。

設(shè)備設(shè)計充分考慮了裕量，按照巖石單軸抗壓強(qiáng)度最大300 MPa設(shè)計，最大推力和脫困扭矩滿足極限工況使用。

2.2 主機(jī)推力F n

2.2.1 盾體摩擦力 fsh

其中： fsh為盾體摩擦力； μ1為盾體與圍巖摩擦因數(shù)；Pv為圍巖垂直載荷；Ph為圍巖水平載荷；GM為主機(jī)重量，取6 000 kN； ρ為巖石重度，這里取27 kN/m3；l為盾體長度，這里取1.900 m。

2.2.2 破碎圍巖摩擦力 fshf

參考文獻(xiàn)[2]中考慮圍巖自身的穩(wěn)定性，破碎巖石在拱頂區(qū)域形成0.5倍開挖洞徑的影響區(qū)域，如圖1所示。

圖1 斷層破碎壓力模型

2.2.3 后配套拉力FB

其中：GB為后配套初步重量； μ2為后配套滾動摩擦因數(shù)。

2.2.4 主機(jī)推力Fn

2.3 刀盤驅(qū)動扭矩T CH

其中：N為滾刀刀刃數(shù)量，這里取56；vCH為刀盤轉(zhuǎn)速[6]；v為滾刀刀圈轉(zhuǎn)速極限值[3]；TCH為刀盤扭矩。

2.4 主機(jī)支撐力F g

其中：Fg為主機(jī)支撐力

文中涉及刀具數(shù)量、刀具參數(shù)、巖石性能參數(shù)均按照加工制造經(jīng)驗來選取。

3 現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析

TBM共計掘進(jìn)長度17 488 m，合計928天。期間遭遇不良地質(zhì)達(dá)27次，塌腔、破碎帶、溶洞、涌水等，停機(jī)約53天?，F(xiàn)在根據(jù)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集情況，進(jìn)行整理分析。這里不在一一分析，取主機(jī)推力和刀盤扭矩為分析對象。統(tǒng)計記錄如表2和3所示。

表2 主機(jī)推力參數(shù)分布區(qū)間統(tǒng)計表

表3 刀盤扭矩參數(shù)分布區(qū)間統(tǒng)計表

4 理論值與實際值分析

如圖2所示，主機(jī)推力的設(shè)計值為23260kN,TBM運(yùn)行期間最大平均值為14870kN。占設(shè)計值比重為63.9%。表明設(shè)備設(shè)計能力足夠，同時具備極限工況下脫困快速前進(jìn)的能力。

如圖3所示，刀盤扭矩的設(shè)計值為3585kNm,TBM運(yùn)行期間最大平均值為2500kN。占設(shè)計值比重為69.7%。設(shè)備設(shè)計能力足夠，同時具備極限工況下脫困的能力。

花崗巖地層理論值與實際值變化趨勢相同，灰?guī)r地層理論值與實際值變化趨勢稍有背離。灰?guī)r地層的破巖模型需要修正，因為灰?guī)r地層掘進(jìn)過程中，存在塌腔、溶洞等不良地質(zhì)情況[7]。模型計算未把該情況進(jìn)行分析。

圖2 刀盤推力理論值與實際值統(tǒng)計圖

圖3 刀盤推力理論值與實際值統(tǒng)計圖

結(jié)果顯示關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計，總體上與現(xiàn)場實際采集一致。證明理論模型合理，但是當(dāng)TBM遭遇不良地址段時，需要修正理論模型。依靠單純的破碎掘進(jìn)性能來設(shè)計掘進(jìn)參數(shù)，無法準(zhǔn)確與現(xiàn)場實際一致。

5 存在的問題及未來研究的方向

通過對TBM主機(jī)關(guān)鍵參數(shù)的模型設(shè)計計算，希望對提高TBM設(shè)計參數(shù)和設(shè)備能力選型等提供支持。但是由于破巖模型單一（花崗巖破碎），所建立的模型有待進(jìn)一步的修正改進(jìn)。提出下一步修正模型的方法和方向。

（1）針對不同圍巖類型進(jìn)行切割實驗，將貫入度、刀具切入角、刀間距等參數(shù)，進(jìn)行設(shè)計計算。這樣才能真實反映不同巖石類型下TBM設(shè)備的不同設(shè)計能力。

（2）基于的破巖模型有待深入研究，不能僅把巖石單軸抗壓強(qiáng)度做為單一因素考慮，需要進(jìn)一步完善優(yōu)化該模型，從而進(jìn)一步指導(dǎo)TBM設(shè)計。

6 結(jié)論

隨著我國重大裝備技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新的發(fā)展，建立準(zhǔn)確可靠的基礎(chǔ)模型理論，成為亟待解決的問題。通過查閱國內(nèi)外理論和實踐，在完善已有破巖模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行改進(jìn)完善設(shè)計。并根據(jù)現(xiàn)場采集反饋的數(shù)據(jù)對理論模型進(jìn)行分析，提出優(yōu)化和改進(jìn)方向。