新疆某引水項目TBM 選型計算與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

何京健

（中國水利水電第四工程局有限公司盾構(gòu)工程公司，湖北 武漢 430014）

0 引言

全斷面硬巖掘進機 （Full Face Rock Tunnel Boring Machine，簡稱TBM）是集成機械、電子、液壓、遙控、激光和信息等技術(shù)為一體的隧洞施工作業(yè)系統(tǒng)。它具有自動化程度高、施工速度快、安全經(jīng)濟、不受外界氣候影響等優(yōu)點， 被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外隧洞工程施工中。為了給TBM 施工作業(yè)面創(chuàng)造良好的操作條件，對于不同的隧洞工程，需要根據(jù)地質(zhì)條件對設(shè)備進行選型設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。趙健將EPB／TBM雙模式轉(zhuǎn)換盾構(gòu)機中心皮帶輸送機出渣方式優(yōu)化為中心螺旋輸送機出渣方式，實現(xiàn)保壓施工［1］。 鐘慶豐根據(jù)小直徑TBM 施工供電特殊需求進行適應(yīng)性設(shè)計，設(shè)計內(nèi)容包含負荷計算、電纜選型、變壓器選型、斷路器選型、配電方式等，保證了施工中供電安全性與可靠性［2］。 王杜鵑優(yōu)化設(shè)計了雙護盾TBM 的刀盤厚板、盾體直徑、單軌梁吊機以及相關(guān)施工工藝［3］。張榮山對TBM 的主控設(shè)備、掘進主機和后配套設(shè)備功率、 刀具配置以及輔助配套設(shè)備等方面提出了改進優(yōu)化措施［4］。 筆者試結(jié)合新疆某引水項目，探討了TBM 的選型計算和結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題，以期供相關(guān)技術(shù)人員參考。

1 工程概況

1.1 隧洞概況

新疆某引水項目隧洞工程處于低山區(qū)內(nèi)， 沿線基巖基本裸露，所在地高程為775～1 005 m。 隧洞總長22.8 km，近東西向（方位角89.2°）直線布置，坡度為1／500 0。隧洞埋深為80～300 m，TBM 開挖直徑為5 530 mm。

1.2 地質(zhì)條件

全洞段內(nèi)主要發(fā)育6 條規(guī)模較大斷層， 斷層傾角較大，屬壓扭性斷層，最大斷層破碎帶寬150 m，其余破碎帶寬30～50 m。 還有較多規(guī)模較小的順層斷層或與層面大致平行的結(jié)構(gòu)面。地勘報告顯示，該段圍巖主要以Ⅱ、Ⅲ類為主，其中Ⅱ類圍巖總長為8 892 m，占總長度的39%；Ⅲ類圍巖總長為10 260 m，占總長度的45%；Ⅳ類圍巖總長為3 420 m，Ⅴ類圍巖總長為228 m，分別占總長度的15%和1%。 隧洞圍巖強度在20～120 MPa 之間，以50～110 MPa 為主。

1.3 不良地質(zhì)對設(shè)備的影響

1.3.1 斷層破碎帶對設(shè)備的影響

TBM 穿越斷層破碎帶時，因刀盤前存在較大石塊，石塊對刀盤的撞擊力大，致使?jié)L刀受力存在變荷載，從而對刀刃和滾刀密封影響較大。當(dāng)破碎石塊通過接渣斗掉落在主機皮帶機上時， 較大的破碎石塊容易砸傷皮帶。刀盤底部碎渣較多，刮渣板背面易磨損，需要經(jīng)常更換。

1.3.2 富水洞段及突涌水對設(shè)備的影響

（1）TBM 在富水洞段及突涌水洞段掘進時，大量的水需要排出洞外。 當(dāng)采用單個污水箱清理污水箱內(nèi)渣石時，需要停止向洞外排水，若出水量大，存在淹機的可能。 （2）當(dāng)富水洞段洞壁上滲流水量大時，TBM 上的配電柜、 變壓器等電氣設(shè)備存在安全風(fēng)險；若用臨時雨布遮擋，又影響散熱。（3）主機皮帶的從動輪位于接渣斗下部， 從動輪調(diào)整螺栓受水侵蝕，容易生銹，繼而影響從動輪的調(diào)節(jié)。（4）富水及突涌水洞段，TBM 的主機皮帶上會有混合大量水的渣石，由于水量大，渣石容易從主機皮帶上滾落，在主梁內(nèi)積渣，從而影響主機皮帶的正常運行。

2 TBM 選型與計算

2.1 TBM 選型

TBM 選型應(yīng)從安全適應(yīng)性、技術(shù)先進性、經(jīng)濟性等方面綜合考慮。該工程TBM 選型主要從地質(zhì)條件、水文條件、工期要求、費用方面進行分析。

（1）地質(zhì)條件。 從圍巖分類、巖石飽和抗壓強度來看，現(xiàn)場整體圍巖較穩(wěn)定，能承受盾構(gòu)機撐靴的水平支撐力，V 類圍巖及斷裂帶可能對TBM 掘進造成較大影響，但占比僅為1%。 所以，適合TBM 掘進，可選擇敞開式或雙護盾TBM 進行掘進。

（2）水文條件。 全洞段總涌水量約為8 779 m3／h，屬于富水洞段， 且在斷層破碎帶產(chǎn)生突涌水的可能性非常大。 從堵水難易程度分析，敞開式TBM 更方便堵水。

（3） 工期要求。 合同要求主洞開挖平均進尺為506 m／月，采用雙護盾及敞開式TBM 掘進均可滿足工期需求。 TBM 洞段有6 條大斷層及較多的小斷層，在掘進過程中存在卡機的可能，而敞開式TBM具有卡機后脫困方便的優(yōu)勢， 脫困時間較雙護盾TBM 短。 因此，敞開式TBM 更能滿足工期要求。

（4）支護費用。采用敞開式TBM 時，Ⅱ類圍巖不支護或隨機支護，Ⅲ類圍巖采用錨桿及網(wǎng)片支護，部分區(qū)段采用拱架支護，支護方式經(jīng)濟方便。采用雙護盾TBM 時，需要修建管片廠，而工地地處戈壁，原材料用量大，運輸不便。另外，工程區(qū)冬季氣溫極低，生產(chǎn)管片加熱保溫養(yǎng)護投入費用高。因此，選擇敞開式TBM 施工更經(jīng)濟。

綜合地質(zhì)、 水文、 工期及支護費用等4 方面條件，該工程最終選擇敞開式TBM 施工。

2.2 關(guān)鍵參數(shù)計算

2.2.1 刀盤

刀盤采用焊接扁平式結(jié)構(gòu)， 刀盤法蘭與主軸承相連接。 刀盤上布置17 英寸（432 mm）中心雙刃滾刀、19 英寸（483 mm）單刃正面滾刀和邊緣滾刀。 所有滾刀均為背裝式。滾刀采用楔塊鎖緊安裝方式，所受載荷能夠均勻傳遞至刀座及刀盤上。

刀轂和刀刃由特殊的優(yōu)質(zhì)工具鋼加工而成，增加了滾刀的耐磨性能和破巖能力。17 英寸（432 mm）中心雙刃滾刀和19 英寸（483 mm）滾刀都是采用加重型軸承， 使得二者最大承載能力高達350 kN。TBM 刀盤及刀具結(jié)構(gòu)形式如圖1 所示。

圖1 TBM 刀盤及滾刀Fig.1 TBM cutter head and hob

（1）刀間距選擇。各類巖石選用刀間距可參考表1。 該項目隧洞圍巖以凝灰?guī)r及凝灰質(zhì)砂巖為主，屬石灰?guī)r與砂巖范圍，根據(jù)刀間距選擇原則，選擇刀間距75 mm。

表1 各類巖石設(shè)計選用刀間距表Tab.1 Selection of knife spacing of all kinds of rock design

（2）刀具數(shù)量計算。 刀具數(shù)量可根據(jù)公式（1）計算［5］。

式中：D理為理論開挖直徑，D理＝5 500 mm；λ 為刀間距，λ 為75 mm；N 為刀具數(shù)量，把。

經(jīng)計算，N＝37 把。

（3）刀盤扭矩復(fù)核計算。 刀盤采用6 臺350 kW變頻電機驅(qū)動，額定扭矩為3 430 kN·m（額定轉(zhuǎn)速為5.3 rpm），最大脫困扭矩為5 150 kN·m（脫困轉(zhuǎn)速為0.5 rpm）。 TBM 刀盤旋轉(zhuǎn)扭矩按公式（2）計算［6］。

式中：T 為TBM 刀盤總回轉(zhuǎn)扭矩，kN·m；f 為滾刀滾動阻力系數(shù)，可取0.15～0.2，此處取0.18；Fi為單把滾刀的最大承載力，為280～315 kN，取300 kN（實際應(yīng)用按280 kN）；Ri為每把刀的回轉(zhuǎn)半徑，m；Tm為摩擦轉(zhuǎn)矩，kN·m，可按常規(guī)方法計算，無法確定時，取20%×f×Fi×Ri。

該工程TBM 刀具回轉(zhuǎn)半徑和刀盤扭矩如表2和表3 所示。

根據(jù)公式（2）和表2、表3 的數(shù)據(jù)可得TBM 刀盤旋轉(zhuǎn)扭矩T＝3 332.4 kN·m，TBM 的設(shè)計額定扭矩為3 430 kN·m， 大于實際計算的3 332.4 kN·m，滿足掘進需求。 當(dāng)TBM 刀盤卡機脫困時，脫困系數(shù)＝5 150／3 430＝1.5，符合行業(yè)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

表2 新疆某引水工程刀具旋轉(zhuǎn)半徑表（m）Tab.2 Cutter rotary radius of a water diversion project in Xinjiang （Unit： m）

表3 新疆某引水工程刀盤扭矩表Tab.3 Cutter head torque of a water diversion project in Xinjiang

2.2.2 推進力復(fù)核計算。

刀盤允許最大推力：TBM 刀盤推力可按公式（3）計算［6］。

式中：T 為TBM 最大總推力，kN；N 為滾刀數(shù)；Fi為單把滾刀的最大承載力，為280～315 kN，取315 kN（考慮脫困）；Fm為摩擦阻力，kN，按30%×N·Fi取值。

根據(jù)以上條件計算，TBM 需要的最大總推力為15 151 kN， 設(shè)計的推進缸額定推進能力為19 083 kN，大于計算結(jié)果，滿足掘進要求。

撐靴摩擦力按公式（4）計算［6］。

式中：F2為撐靴摩擦力，kN；F3為撐靴撐緊力，kN；μ 為撐靴與洞壁摩擦系數(shù)，取值0.6。

經(jīng)計算，F(xiàn)2＝22 902 kN。由于F2＞F1，因此，盾構(gòu)機撐靴提供的撐緊力能夠滿足TBM 掘進需求。 當(dāng)TBM 發(fā)生盾體卡機需要脫困時，需提高液壓系統(tǒng)壓力，脫困推力為22264kN，脫困系數(shù)為22264／19083＝1.17，符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.3 掘進速度計算

TBM 在不同飽和抗壓強度圍巖下的掘進速度如表4 所示［7］。 該工程圍巖強度主要處于50～100MPa 之間，取平均值掘進速度不小于75 mm／min。

表4 新疆某引水工程TBM 掘進能力表Tab.4 TBM tunneling ability of a water diversion project in Xinjiang

TBM 月掘進進尺采用公式（5）計算。

式中：V月為月進尺速度，m／月；Vmax為每小時最大掘進速度，m／h；d 為每月工作天數(shù)， 取25 d；μ 為設(shè)備利用率，一般取0.28～0.41，計算取值0.35。

經(jīng)計算， Ⅱ類圍巖月掘進速度為630 m／月，Ⅲ類圍巖月掘進速度為787.5 m／月， Ⅳ類圍巖月掘進速度為554.4m／月，Ⅴ類圍巖月掘進速度為315 m／月，平均月掘進速度為659.9 m／月， 大于設(shè)計工期需求的掘進速度506 m／月，滿足TBM 設(shè)計需求。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

當(dāng)TBM 選型和關(guān)鍵參數(shù)計算完畢后，需要結(jié)合施工隧洞的具體條件以及以往項目施工經(jīng)驗， 并結(jié)合本標(biāo)段不良地質(zhì)條件對設(shè)備的影響，對TBM 展開部件的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，進一步提升使用效率。

3.1 刀盤與刀具結(jié)構(gòu)

3.1.1 刀盤結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的組焊式刀盤是由不同厚度的鋼板組焊而成的，刀箱安裝面整體加工，將已經(jīng)加工好的滾刀刀座用定位銷定位于刀箱中。此種形式刀盤、刀箱與刀座之間存在焊縫，在超長距離和硬巖、斷層破碎帶掘進過程中，刀盤受到的扭矩和推力很大，加上震動、惡劣地質(zhì)（如掌子面塌方）的作用，刀箱易產(chǎn)生變形開裂，如圖2 所示。

圖2 TBM 組焊式刀盤刀箱開裂圖Fig.2 Cutter box cracking of TBM welding cutter head

為避免該不利情況發(fā)生，該工程采用一種面板式箱形的刀盤結(jié)構(gòu)，其刀座是直接在300 mm 以上的厚鋼板上銑削成型的，結(jié)構(gòu)如圖3 所示。 該結(jié)構(gòu)焊接處少，減少了焊接造成的應(yīng)力不均現(xiàn)象，適應(yīng)性更強。

圖3 面板箱式結(jié)構(gòu)刀盤Fig.3 Panel box-structured cutter head

3.1.2 刀圈中間隔環(huán)

滾刀裝配完成后，要測滾刀刀圈的啟動扭矩，如果啟動扭矩不合適，需要拆卸軸承中間的隔環(huán)，研磨厚度，再進行裝配，并再次復(fù)核刀圈扭矩讀數(shù)。 這個過程一般比較麻煩，為了拆卸軸承中間的隔環(huán)，需要把滾刀重新拆裝一次。為了方便調(diào)整扭矩，國內(nèi)大部分廠家把實心中間隔環(huán)改為彈性隔環(huán)，如圖4 所示。但這樣做的缺點是，滾刀在掘進過程中，受到軸向突變載荷（如斷層破碎帶段）后，細部凸臺易發(fā)生變形，當(dāng)軸向荷載大于細部凸臺屈服強度時， 細部凸臺就會發(fā)生永久變形，從而使軸向各組件間隙發(fā)生變化，受影響最大的是浮動密封。 浮動密封間隙加大會造成漏油，繼而使?jié)櫥?，圓錐滾子軸承破壞。因此，該工程采用原實心隔環(huán)。

圖4 彈性隔環(huán)Fig.4 Elastic retainer

3.1.3 刀盤刮渣板

圖5 是刀盤刮渣板裝配圖。在施工過程中，刮渣板磨損時，螺栓端頭也相應(yīng)磨損。刮渣板磨損到需進行更換時，由于螺栓端頭被磨損擠壓，內(nèi)六角螺栓現(xiàn)場無法拆卸， 需要采用碳弧氣刨把內(nèi)六角圓頭刨掉后拆卸。優(yōu)化方法：內(nèi)六角螺栓端部不與刮渣板背面齊平，將螺栓設(shè)計成縮進結(jié)構(gòu)，縮進距離接近刮渣板的磨損量，刮渣板固定座也進行相應(yīng)優(yōu)化修改。

圖5 刀盤刮渣板裝配圖Fig.5 Assembly drawing of cutter head scum board

3.1.4 刀盤接渣斗

刀盤接渣斗靠近渣子面一側(cè)的斗板分為小傾斜角斗板和大傾斜角斗板，如圖6 和圖7 所示。接渣斗斗板設(shè)計不合理， 皮帶容易損壞。 如在蘭州水源地工程中，遇到斷層破碎帶時，工作人員發(fā)現(xiàn)皮帶非常容易被大塊狀渣石砸傷，砸傷處皮帶橡膠堆起。皮帶經(jīng)過合金刮刀時，刮刀容易把堆起的橡膠拉起撕開，繼而使皮帶發(fā)生縱向撕裂。 該工程接渣斗斗板被設(shè)計為小傾斜角度，使得從刮渣斗鏟落的渣石先掉到傾斜的斗板上，再反彈到主機皮帶機上，可避免渣石對主機皮帶的破壞。

圖6 小傾斜角接渣斗斗板Fig.6 Slag bucket plate with small inclination angle

圖7 大傾斜角接渣斗斗板Fig.7 Slag bucket plate with large inclination angle

3.2 主機皮帶機

3.2.1 主梁段增設(shè)護皮

圖8 是敞開式TBM 主機皮帶機位于主梁內(nèi)部的一段結(jié)構(gòu)。

圖8 主梁段原結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Original structure of main beam section

（1）問題分析。皮帶機常因跑偏或涌水造成渣石滾落到主機皮帶機下托輥下， 由于下托輥下部空間小，清渣困難，有時會因渣石過多造成下托輥無法轉(zhuǎn)動或尖銳的渣石劃傷皮帶表面。為此，需采取措施減少或者避免渣石落入皮帶機下托輥下部。

（2）優(yōu)化方法。 通過增加懸掛的護皮，與主機皮帶、主梁共同形成槽型封閉體，使得主機皮帶上的渣石再無法掉落在下托輥下部。同時，相對于采用螺栓固定在主梁上的護皮方式，懸掛固定的護皮磨損后，更換快速方便。 優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)如圖9 所示。

圖9 主梁段優(yōu)化設(shè)計圖Fig.9 Optimization design of main beam section

3.2.2 從動輪調(diào)整螺栓

主機皮帶機從動輪兩側(cè)調(diào)整螺桿主要用于主機皮帶機的跑偏調(diào)整。由于現(xiàn)場使用工況差，遇水容易銹蝕，并且螺桿過細，易滑絲，需要經(jīng)常更換。為此進行如下優(yōu)化：加大調(diào)整螺桿直徑，采用馬氏體不銹鋼材質(zhì)，并在螺母位置設(shè)置了潤滑油嘴，如圖10 所示。

圖10 主機皮帶機從動輪調(diào)節(jié)螺桿圖Fig.10 Adjusting screw rod of driven wheel of main belt conveyor

3.3 防水優(yōu)化

3.3.1 增加污水箱數(shù)量

富水隧洞TBM 向下坡或近平坡掘進時， 在超前預(yù)注漿或盾體后注漿過程中， 部分水泥漿液會進入到洞底，與已有涌出積水混合。若采用氣動隔膜泵或潛污泵往污水箱抽水，部分水泥漿及石渣會被抽到污水箱中，形成大量沉淀。而當(dāng)污水箱中沉淀物較多需要清理時，無法同時向洞外排水，造成TBM 前部積水增加，存在淹機風(fēng)險。 為解決此問題，進行如下優(yōu)化：污水箱增加到2 個，以滿足洞內(nèi)污水排放要求，避免淹機風(fēng)險。

3.3.2 后配套增加防水簾布

敞開式TBM 在涌水段施工時， 如果前部無法把涌水完全堵住，需要脫出后配套進行堵水。但TBM 后配套在經(jīng)過涌水段時，從洞壁上噴射的水易把后配套設(shè)備噴濕。后配套拖車上有大量的電氣設(shè)備（配電柜、變頻器、高壓柜、變壓器等），一旦沾水易造成安全事故， 以往的辦法是用防雨布把以上電氣設(shè)備遮蓋起來，但這樣會影響電氣設(shè)備散熱。為解決此問題，該工程進行如下優(yōu)化：配置電氣設(shè)備的后配套拖車頂部鋼板，進行全密封焊接，保證不能滲滴水；后配套兩側(cè)，用高強度的防水布制成可收放式的防水簾布，當(dāng)遇到洞壁噴射狀涌水時，放下簾布，保護設(shè)備。

4 結(jié)語

在新疆某引水工程中，通過TBM 選型及主要參數(shù)計算，刀具數(shù)量、刀盤扭矩、推力以及掘進速度等均滿足使用需求。 采用面板式刀盤結(jié)構(gòu)、實心彈性隔環(huán)等方案，并優(yōu)化接渣斗斗板傾斜角度，提高了刀盤裝配效率和使用壽命。 通過增設(shè)主機皮帶機懸掛護皮、從動輪潤滑油嘴的方式，降低了皮帶機積渣故障率和銹蝕程度。 2 個污水箱和防水簾布的應(yīng)用，有效應(yīng)對了富水洞段施工中存在的風(fēng)險。通過以上設(shè)備優(yōu)化改造，現(xiàn)場施工順利進行，掘進速度、隧洞出渣以及快速排水等問題均得到很好的解決。