水刀輔助破巖技術(shù)的搭載及應(yīng)用

齊志沖, 呂 旦, 賀 飛, 徐光億

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司, 河南 鄭州 450016)

0 引言

硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)是鐵路隧道、引水隧洞、抽水蓄能等工程不可缺少的施工設(shè)備,其破巖原理為依靠滾刀產(chǎn)生沖擊壓碎和剪切碾碎的作用達(dá)到破碎巖石的目的[1-3]。該機(jī)械破巖方式受巖石強(qiáng)度和完整性的影響,在巖石強(qiáng)度大于200 MPa且相對(duì)完整的情況下破巖效果很差,成為制約硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)效率的瓶頸[4-5]。很多業(yè)內(nèi)專(zhuān)家學(xué)者探索通過(guò)輔助破巖手段提高掘進(jìn)機(jī)破巖效率,并取得了很多的理論成果。例如: 朱團(tuán)輝等[6]通過(guò)正交試驗(yàn)方法研究水射流壓力、噴嘴直徑、噴嘴移動(dòng)速度對(duì)破巖溝槽深度與溝槽寬度的影響,探索高壓水射流與巖石耦合破巖規(guī)律; 文勇亮等[7]使用比較研究法,利用高壓水、加砂破巖試驗(yàn)裝置開(kāi)展固定狀態(tài)下噴頭定時(shí)間、移動(dòng)狀態(tài)下噴頭定速對(duì)比試驗(yàn),研究不同靜水壓、射距、噴嘴的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)破巖坑槽深度和寬度的影響; 韓偉鋒等[8-9]、雷光宇等[10]采用滾刀巖機(jī)作用綜合試驗(yàn)臺(tái)搭載高壓水射流裝置,采用不同的水射流參數(shù)及掘進(jìn)參數(shù)對(duì)花崗巖試樣開(kāi)展破巖試驗(yàn),研究不同條件下水射流輔助機(jī)械滾刀破巖對(duì)掘進(jìn)參數(shù)及效率的影響。

目前,關(guān)于掘進(jìn)機(jī)搭載輔助破巖技術(shù)的研究還處于理論和試驗(yàn)等起步階段[11-13],且以上文獻(xiàn)很少?gòu)膶?shí)際工程應(yīng)用的角度闡述技術(shù)搭載過(guò)程以及應(yīng)用效果分析。因此,本文以實(shí)際項(xiàng)目為依托,以輔助破巖技術(shù)搭載的硬巖掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)用為研究對(duì)象,解析輔助破巖技術(shù)搭載過(guò)程要點(diǎn)及施工中的應(yīng)用效果和改進(jìn)措施,保證輔助破巖技術(shù)在掘進(jìn)機(jī)上成功搭載,以期為今后類(lèi)似工程建設(shè)提供借鑒。

1 工程概況

萬(wàn)安溪引水隧洞段總長(zhǎng)27.94 km ,其中,TBM開(kāi)挖段總長(zhǎng)14.94 km,開(kāi)挖洞徑3.83 m。TBM采用洞外組裝、步進(jìn)和始發(fā),洞內(nèi)拆機(jī),埋深100～800 m,逆坡掘進(jìn),縱坡坡度為0.233 7%。絕大部分巖石為燕山期黑云母花崗巖和花崗閃長(zhǎng)巖,少部分為泥盆系石英礫巖、石英砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖和砂礫巖等。其中: 黑云母花崗巖飽和抗壓強(qiáng)度為54～226 MPa,平均為114 MPa,石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～35%;花崗閃長(zhǎng)巖飽和抗壓強(qiáng)度為84～90 MPa,平均為85.7 MPa,石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～35%;砂巖飽和抗壓強(qiáng)度為61～129 MPa,平均為90 MPa,石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%～36%,最大為68%;石英礫巖飽和抗壓強(qiáng)度為98～137 MPa,平均為116 MPa,石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～40%,最大為81%。

TBM施工段圍巖以Ⅱ類(lèi)和Ⅲ類(lèi)為主,局部洞段為Ⅳ類(lèi)和Ⅴ類(lèi)。其中: Ⅱ類(lèi)和Ⅲ類(lèi)圍巖洞段長(zhǎng)約11.55 km,占隧洞總長(zhǎng)的82.3%;Ⅳ類(lèi)圍巖長(zhǎng)約2.2 km,占隧洞總長(zhǎng)的15.7%;Ⅴ類(lèi)圍巖主要為斷層帶、強(qiáng)風(fēng)化帶等地層,長(zhǎng)約0.27 km,約占隧洞總長(zhǎng)的2%。

2 水刀輔助破巖系統(tǒng)原理

水刀輔助破巖系統(tǒng)由供水單元、電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)、高壓水泵、高壓水輸送單元和高壓噴嘴構(gòu)成,如圖1所示。供水單元為高壓水系統(tǒng)提供可靠的水源。電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)為高壓水泵的運(yùn)行提供動(dòng)力,是整個(gè)高壓水系統(tǒng)的動(dòng)力源。高壓水泵將電機(jī)輸入的動(dòng)力轉(zhuǎn)化成高壓水壓力能。高壓水輸送單元包含高壓管路、蓄能器、高壓旋轉(zhuǎn)接頭等,是保證高壓水正常輸送的附件。高壓噴嘴將高壓水按照要求的水柱直徑噴出。

輔助破巖系統(tǒng)搭載在掘進(jìn)機(jī)上,在刀盤(pán)結(jié)構(gòu)集成設(shè)計(jì)高壓水噴嘴,噴嘴凸出刀盤(pán)面板直接噴射到掌子面,刀盤(pán)背面安裝高壓旋轉(zhuǎn)接頭,用于向旋轉(zhuǎn)的刀盤(pán)傳輸高壓水,旋轉(zhuǎn)接頭與高壓噴嘴之間用高壓水管連接,并通過(guò)管夾及管路保護(hù)結(jié)構(gòu)固定在刀盤(pán)結(jié)構(gòu)上。

高壓水泵、電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)、供水單元設(shè)置在主機(jī)尾部的后配套臺(tái)車(chē)上。輔助破巖系統(tǒng)搭載原理如圖2所示。后配套臺(tái)車(chē)上的高壓水系統(tǒng)與刀盤(pán)背部的回轉(zhuǎn)接頭通過(guò)高壓水輸送單元連接,高壓水輸送單元的高壓管路盡量短,以減少高壓水輸送時(shí)的壓力損失。高壓水泵輸出高壓水后進(jìn)入蓄能器,蓄能器將波動(dòng)的高壓水進(jìn)行穩(wěn)定后再通過(guò)高壓管路長(zhǎng)距離輸送到刀盤(pán)背部的回轉(zhuǎn)接頭。

1—高壓水噴嘴; 2—高壓回轉(zhuǎn)接頭; 3—高壓水輸送單元; 4—水泵、電機(jī)、供水單元。

輔助破巖系統(tǒng)在掘進(jìn)機(jī)上搭載后,與掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)形成一個(gè)融合的整體。2套系統(tǒng)之間的總體布置和控制綜合考慮,輔助破巖系統(tǒng)及掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)各關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

表1 輔助破巖系統(tǒng)及掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)各關(guān)鍵參數(shù)

3 水刀輔助破巖技術(shù)的搭載

3.1 水射流切割破巖試驗(yàn)

針對(duì)萬(wàn)安溪引水隧洞項(xiàng)目,在現(xiàn)場(chǎng)取巖石試樣,如圖3所示。

圖3 切割巖石試樣

采用不同的高壓水參數(shù)對(duì)巖石試樣進(jìn)行切割,并對(duì)高壓水切割巖石試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行量化,采集試驗(yàn)結(jié)果指標(biāo)參數(shù),分析切割巖石效果指標(biāo)參數(shù)與高壓水射流參數(shù)之間的關(guān)系,為選取適合該工程地質(zhì)條件的高壓水參數(shù)提供數(shù)據(jù)支持。

3.1.1 試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)變量分別為壓力、噴嘴直徑、移動(dòng)速度、噴嘴角度,基于刀具磨損量方面的考慮,為保證噴嘴不被磨損,確定靶距為40 mm。試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。試驗(yàn)?zāi)康氖堑玫讲煌邏核畢?shù)條件下切割巖石的效果,確定最優(yōu)切割參數(shù),切割指標(biāo)包括切槽深度和切槽寬度。在試驗(yàn)過(guò)程中需測(cè)量不同水壓、噴嘴直徑下單個(gè)噴嘴的流量和功率。

表2 試驗(yàn)參數(shù)

3.1.2 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)中共采用2種高壓水發(fā)生設(shè)備,分別為大流量高壓柱塞泵和小流量增壓器。高壓柱塞泵的最大壓力為280 MPa,流量為40 L/min;增壓器的最大壓力為380 MPa,最大流量為20 L/min。水射流試驗(yàn)臺(tái)如圖4所示。

圖4 水射流試驗(yàn)臺(tái)

試驗(yàn)過(guò)程中,采用高壓柱塞泵為高壓水源進(jìn)行140 MPa和280 MPa壓力切割試驗(yàn),380 MPa增壓器高壓水發(fā)生裝置進(jìn)行380 MPa高壓水切割試驗(yàn)。水壓為280 MPa、噴嘴直徑為0.53 mm巖石切割效果和水壓為280 MPa、噴嘴直徑為0.74 mm巖石切割效果分別如圖5和圖6所示。

3.1.3 試驗(yàn)結(jié)果

高壓水輔助破巖試驗(yàn)可以完成不同高壓水參數(shù)條件下大部分巖石試樣的切割工作。在試樣切割過(guò)程中發(fā)現(xiàn): 高壓水系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)要求較高,試驗(yàn)用水需經(jīng)過(guò)軟化處理;切割廢熱較多,切割后的廢水溫度較高;功率高,在切割效果較理想的情況下,單個(gè)噴嘴最大功率可達(dá)90 kW。

圖5 水壓為280 MPa、噴嘴直徑為0.53 mm巖石切割效果

圖6 水壓為280 MPa、噴嘴直徑為0.74 mm巖石切割效果

水壓在380 MPa時(shí),受高壓水泵流量能力限制,只進(jìn)行了噴嘴直徑為0.33 mm的試驗(yàn),在不同切割速度下,均只對(duì)巖石表面產(chǎn)生影響,切割效果不顯著。水壓在140 MPa時(shí),切縫整體呈剝落狀,隨著噴嘴直徑的增大,切割寬度逐漸增大,切割深度變化不明顯。水壓在280 MPa時(shí),切縫整體呈線(xiàn)性,切縫深度大于切縫寬度,隨著噴嘴直徑的增大,切縫寬度變化不明顯,但切縫深度明顯增加。

結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和現(xiàn)有高壓水系統(tǒng)的技術(shù)水平,考慮水射流技術(shù)在掘進(jìn)機(jī)上搭載的可實(shí)現(xiàn)性,最終選擇搭載壓力為280 MPa。

3.2 噴嘴與滾刀空間布置試驗(yàn)

為了驗(yàn)證水射流輔助破巖切縫與滾刀軌跡之間的相對(duì)位置對(duì)破巖效果的影響,開(kāi)展切縫與滾刀相對(duì)位置破巖試驗(yàn)。試驗(yàn)破巖滾刀采用43.18 cm(17英寸)、刃寬為17 mm的常截面盤(pán)形滾刀,貫入度設(shè)定為4 mm,切割速度設(shè)定為20 mm/s(受試驗(yàn)臺(tái)限制)。試驗(yàn)過(guò)程中以100 Hz頻率對(duì)滾刀三向力(法向力、滾動(dòng)力和側(cè)向力)進(jìn)行采集,每個(gè)試驗(yàn)完成后對(duì)巖面進(jìn)行拍照,并收集破巖巖屑。試驗(yàn)主要分為3個(gè)部分: 1)無(wú)切縫滾刀破巖試驗(yàn)。以貫入度為4 mm對(duì)完整巖面進(jìn)行切割試驗(yàn)。2)單切縫滾刀破巖試驗(yàn)。切縫寬度均為2 mm,切縫深度分別為2、4、6 mm,滾刀破巖位置如圖7所示。3)雙切縫滾刀破巖試驗(yàn)。切縫寬度均為2 mm,切縫深度分別為2、4、6 mm,2條切縫間距為81 mm,滾刀破巖位置位于2條切縫中間,如圖8所示。

圖7 單切縫滾刀破巖試驗(yàn)

圖8 雙切縫滾刀破巖試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)過(guò)程

滾刀破巖試驗(yàn)過(guò)程如圖9所示,共分為3步。

1)將巖石試樣裝入試驗(yàn)箱后對(duì)其施加0.5 MPa圍壓,以保證破巖過(guò)程中試樣不發(fā)生抖動(dòng)和滑移。

2)按試驗(yàn)要求對(duì)巖面進(jìn)行切縫,以小于0.5 mm的貫入度對(duì)巖面進(jìn)行切割,使巖面產(chǎn)生均一平面的切割軌跡,而后沿著軌跡中線(xiàn)對(duì)巖面進(jìn)行切縫,切縫深度誤差控制在±0.2 mm。

3)以貫入度為4 mm進(jìn)行單切縫、雙切縫、無(wú)切縫的滾刀破巖試驗(yàn)。為消除邊緣效應(yīng)及滾刀間相互影響,滾刀切割位置距離巖石邊緣及相鄰滾刀不少于200 mm。試驗(yàn)過(guò)程中記錄滾刀三向力,試驗(yàn)完成后收集巖面巖屑。

然而，時(shí)刻保持對(duì)世界的善意，對(duì)每一個(gè)人的理解與包容，幾乎每一天，我都在內(nèi)心進(jìn)行自我教育。也相信，每一個(gè)，尤其是身邊人，也都會(huì)如此。事實(shí)上我錯(cuò)了，我們周邊人心的繁復(fù)與幽深，溫良與狂躁，古老而新鮮的惡，尤其是不自覺(jué)的惡意，就像是隱藏的匕首和投槍?zhuān)瑫r(shí)不時(shí)锃亮出鞘，狠狠地將我們教育一次。由此我也再一次認(rèn)為，其實(shí)善惡原本都是天性中攜帶的，只不過(guò)，有些人因?yàn)楹筇煳幕摒B(yǎng)，特別是在世事洞明之后覺(jué)醒了，進(jìn)而內(nèi)心和精神當(dāng)中，飽含誠(chéng)摯與善意；而另一些人，則在現(xiàn)實(shí)生活中，由于自己的不夠強(qiáng)大，而生怕失去了眼前既有的利益，遭遇對(duì)自己不利的情況，雷光電火，頃刻爆發(fā)。

(a) 切縫定線(xiàn) (b) 切縫深度測(cè)量(雙切縫深6 mm)

(c) 雙切縫間距 (d) 滾刀破巖

3.2.2 試驗(yàn)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。通過(guò)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,獲得滾刀受力的平均值(平均法向力、平均滾動(dòng)力)和破巖比能。其中,平均法向力和平均滾動(dòng)力由力-時(shí)間曲線(xiàn)和X軸所圍面積與底邊長(zhǎng)度的比值計(jì)算得出。

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總

3.2.2.1 平均法向力分析

平均法向力的計(jì)算可對(duì)TBM掘進(jìn)過(guò)程中的刀盤(pán)推力進(jìn)行預(yù)測(cè)。平均法向力與切縫深度的關(guān)系如圖10所示。分析圖10可知,貫入度為4 mm時(shí),無(wú)切縫條件下滾刀破巖時(shí)的平均法向力最大。無(wú)論是單切縫還是雙切縫,滾刀破巖時(shí)的平均法向力均隨著切縫深度的增加迅速降低,但兩者的降低趨勢(shì)有所不同。單切縫滾刀破巖的平均法向力隨切縫深度增加呈線(xiàn)性降低,而雙切縫滾刀破巖的平均法向力呈現(xiàn)先快速降低后緩慢降低的趨勢(shì),且在切縫深度為2 mm時(shí),雙切縫破巖的平均法向力最大。其主要原因?yàn)闈L刀切割單切縫(切縫寬度為2 mm)時(shí),切縫位于滾刀的正下方,使得滾刀下的巖體可向單切縫的間隙變形,滾刀更加容易侵入巖石,且隨著切縫深度的增加,滾刀侵入巖石的難度逐漸降低,破巖的平均法向力下降;滾刀切割雙切縫時(shí),切縫深度較小(切縫深度為2 mm),雙切縫無(wú)法產(chǎn)生邊界面效應(yīng),滾刀侵入巖石極其困難,無(wú)法產(chǎn)生巖屑,此時(shí)滾刀破巖與無(wú)切縫破巖類(lèi)似,破巖的平均法向力極大。切縫深度增加時(shí),雙切縫產(chǎn)生了邊界面效應(yīng),滾刀很容易侵入巖石,滾刀破巖產(chǎn)生的裂紋可有效地?cái)U(kuò)展至切縫,造成巖石沿著切縫邊緣破碎,切縫對(duì)破巖促進(jìn)效果明顯,此時(shí)滾刀破巖的平均法向力較小。

圖10 平均法向力與切縫深度的關(guān)系

3.2.2.2 平均滾動(dòng)力分析

采用平均滾動(dòng)力可對(duì)TBM掘進(jìn)時(shí)的刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行預(yù)測(cè)。平均滾動(dòng)力與切縫深度的關(guān)系如圖11所示。分析圖11可知,平均滾動(dòng)力的變化趨勢(shì)與平均法向力不同,無(wú)切縫破巖的平均滾動(dòng)力最小,單切縫破巖的平均滾動(dòng)力隨著切縫深度的增加而逐漸增加,雙切縫破巖的平均滾動(dòng)力先快速增加后降低。以上現(xiàn)象的主要原因?yàn)闊o(wú)切縫滾刀破巖時(shí)不產(chǎn)生巖屑,巖面平整度較好,滾刀滾動(dòng)時(shí)所需克服的阻力極低,故滾動(dòng)力小;單切縫滾刀破巖時(shí),隨著切縫深度的增加,破巖過(guò)程逐漸有巖屑產(chǎn)生,巖面不平整,滾刀滾動(dòng)所受的阻力增加,平均滾動(dòng)力增加;雙切縫滾刀破巖在切縫深度為2 mm時(shí),破巖過(guò)程與無(wú)切縫破巖相似,巖面平整,滾動(dòng)力較低,切縫深度增加后,巖面產(chǎn)生大量巖屑,巖面平整度相對(duì)單切縫的破巖巖面更差,故平均滾動(dòng)力較大。

圖11 平均滾動(dòng)力與切縫深度的關(guān)系

3.2.2.3 破巖比能分析

圖12 破巖量與切縫深度的關(guān)系

3.2.2.4 試驗(yàn)結(jié)論

以滾刀貫入度均為4 mm的條件下對(duì)無(wú)切縫、單切縫和雙切縫巖面進(jìn)行滾刀破巖試驗(yàn),從破巖現(xiàn)象、破巖滾刀受力、破巖比能等方面分析滾刀的破巖效率,主要結(jié)論如下。

1)對(duì)于貫入度均為4 mm的雙切縫滾刀破巖試驗(yàn),切縫深度為2 mm的雙切縫滾刀破巖與無(wú)切縫破巖相似,滾刀均未能產(chǎn)生有效破巖,說(shuō)明切縫深度為2 mm的雙切縫對(duì)滾刀破巖影響極小,對(duì)破巖幾乎沒(méi)有促進(jìn)作用;隨著切縫深度的增加,巖面破碎程度增加,破碎巖屑量增大,且隨著切縫深度增加至4 mm和6 mm,破巖法向力降低,破巖過(guò)程更加劇烈,但破碎僅發(fā)生在2條切縫之間的區(qū)域,2條切縫各自外側(cè)巖石均無(wú)破碎現(xiàn)象。

2)對(duì)于貫入度均為4 mm的單切縫滾刀破巖試驗(yàn),隨著切縫深度的增加,破巖過(guò)程中滾刀受力變化頻率提高,但波動(dòng)的幅值范圍較小;在切縫深度為4 mm時(shí),巖面破碎程度及破巖量最大,且破巖比能最小。

3)切縫深度的增加對(duì)滾刀破巖具有促進(jìn)作用,切縫深度越大,滾刀越容易侵入巖石,破巖的平均法向力越低。

4)切縫深度大于2 mm時(shí),雙切縫試驗(yàn)的破巖量大于單切縫試驗(yàn)的破巖量,雙切縫對(duì)破巖的促進(jìn)效果遠(yuǎn)大于單切縫。在本切縫破巖試驗(yàn)中,切縫深度為6 mm的雙切縫工況下,取得的破巖比能最小,即滾刀在切縫深度為6 mm的雙切縫破巖試驗(yàn)中的破巖效率最高。

結(jié)合高壓水切割巖石效果和噴嘴與滾刀相對(duì)位置對(duì)破巖效果的影響,綜合考慮高壓水系統(tǒng)的功率等影響搭載的因素,最終選定直徑為0.53 mm和0.74 mm的噴嘴作為輔助破巖系統(tǒng)的關(guān)鍵搭載參數(shù)。

4 水刀輔助破巖技術(shù)應(yīng)用及分析

高壓水耦合破巖生產(chǎn)性試驗(yàn)總體試驗(yàn)流程為:TBM刀盤(pán)推進(jìn)至掌子面—開(kāi)啟高壓水(150 MPa)掘進(jìn)400 mm—開(kāi)啟高壓水(200 MPa)掘進(jìn)400 mm—開(kāi)啟高壓水(240 MPa)掘進(jìn)400 mm—開(kāi)啟高壓水(270 MPa)掘進(jìn)700 mm—刀盤(pán)空載、高壓水(270 MPa)運(yùn)行—停止高壓水和主機(jī)—人員進(jìn)入人孔觀察掌子面切割效果。試驗(yàn)過(guò)程中TBM刀盤(pán)推力保持在6 000～6 500 kN,刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為6 r/min。

試驗(yàn)樁號(hào)范圍內(nèi)地層巖性為石英礫巖,巖體完整,高強(qiáng)回彈儀推測(cè)巖石單軸抗壓強(qiáng)度約為170 MPa(巖芯試驗(yàn)完成后予以更新),圍巖類(lèi)別為Ⅱ類(lèi),如圖13所示。試驗(yàn)中高壓水270 MPa穩(wěn)定運(yùn)行,未發(fā)生異常現(xiàn)象。試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)TBM掘進(jìn)參數(shù)、高壓水開(kāi)啟參數(shù)、1號(hào)和2號(hào)皮帶機(jī)接口區(qū)域環(huán)境溫度、高壓泵組區(qū)域環(huán)境溫度及巖渣溫度等進(jìn)行采集。

(a) 隧道頂部圍巖

(b) 隧道側(cè)部圍巖

4.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù),選取相鄰時(shí)間段純滾刀掘進(jìn)和耦合破巖掘進(jìn)時(shí)的TBM推力、貫入度、轉(zhuǎn)矩等參數(shù),并進(jìn)行對(duì)比分析。不同水壓力下,場(chǎng)切深指數(shù)與轉(zhuǎn)矩切深指數(shù)的關(guān)系如圖14所示?？梢钥闯?高壓水耦合破巖時(shí),TBM貫入度增加較為明顯,刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩略有增加,場(chǎng)切深指數(shù)和轉(zhuǎn)矩切深指數(shù)均出現(xiàn)下降。以270 MPa高壓水耦合破巖為例進(jìn)行分析,相對(duì)于純滾刀破巖,TBM推力基本保持不變(均值增加7.9%),貫入度均值由2.57 mm增加為4.56 mm,增加幅度為77.4%。

圖14 場(chǎng)切深指數(shù)與轉(zhuǎn)矩切深指數(shù)的關(guān)系

場(chǎng)切深指數(shù)代表單滾刀貫入巖石1 mm所需的推力[14-15],純滾刀掘進(jìn)時(shí)場(chǎng)切深指數(shù)均值為84.6 kN/mm,270 MPa水壓耦合掘進(jìn)時(shí)場(chǎng)切深指數(shù)均值為52.4 kN/mm,說(shuō)明貫入巖石1 mm的單刀推力下降約38.1%。轉(zhuǎn)矩切深指數(shù)代表單滾刀貫入巖石1 mm所需的滾動(dòng)力[14-15],270 MPa水壓耦合掘進(jìn)時(shí),轉(zhuǎn)矩切深指數(shù)由純滾刀的6.33 (kN·m)/mm減小為5.26 (kN·m)/mm,下降約16.9%,進(jìn)一步證明了高壓水耦合破巖的效果。

4.2 輔助破巖應(yīng)用環(huán)境溫度分析

在高壓水試驗(yàn)過(guò)程中,對(duì)TBM隧洞環(huán)境溫度、巖渣溫度、噴嘴處高壓水溫度等進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得到不同水壓力條件下隧洞內(nèi)溫度場(chǎng)變化規(guī)律,如表4所示。從溫度變化可知,隨著高壓水壓力的升高,隧洞內(nèi)環(huán)境溫度、巖渣溫度及噴嘴處高壓水溫度均有明顯的增加。

表4 高壓水耦合破巖TBM溫度統(tǒng)計(jì)

1號(hào)和2號(hào)皮帶機(jī)接口處(距離刀盤(pán)約25 m,距離高壓泵組最近約10 m)環(huán)境溫度在未開(kāi)啟高壓水時(shí)為28.6 ℃,在270 MPa高壓水運(yùn)行約20 min后,最高溫度上升至33.3 ℃。隧洞內(nèi)施工環(huán)境最高溫度出現(xiàn)在高壓泵組區(qū)域,高壓水系統(tǒng)在270 MPa壓力運(yùn)行時(shí),泵組區(qū)域最高溫度達(dá)46 ℃。另外,隨著高壓水的運(yùn)行,隧洞內(nèi)濕度顯著增加,1號(hào)和2號(hào)皮帶機(jī)接口區(qū)域濕度達(dá)80%以上,泵組區(qū)域濕度達(dá)95%以上。

隨著高壓水系統(tǒng)壓力的上升,刀盤(pán)噴嘴處出水溫度顯著增加,正常掘進(jìn)(高壓系統(tǒng)采用30～40 MPa運(yùn)行)噴嘴出水溫度約45 ℃,但當(dāng)壓力上升至270 MPa后,泵組出水溫度達(dá)到90 ℃。高壓水系統(tǒng)出水溫度的提升同時(shí)帶來(lái)了巖渣溫度的增加,根據(jù)測(cè)試結(jié)果,1號(hào)和2號(hào)皮帶機(jī)接口處巖渣溫度最高達(dá)57.3 ℃。

4.3 輔助破巖應(yīng)用高壓水系統(tǒng)功率分析

石英礫巖地層圍巖類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)時(shí),TBM正常掘進(jìn),轉(zhuǎn)速為6 r/min,刀盤(pán)功率一般在300～500 kW。高壓水系統(tǒng)正常運(yùn)行需要6臺(tái)柱塞泵同時(shí)工作,不同壓力條件下各泵組功率統(tǒng)計(jì)如表5所示。由測(cè)試數(shù)據(jù)可知,高壓水系統(tǒng)采用270 MPa壓力運(yùn)行時(shí),總功率約745 kW,高于刀盤(pán)正常掘進(jìn)功率。

表5 高壓水耦合破巖泵組功率統(tǒng)計(jì)

4.4 輔助破巖技術(shù)應(yīng)用中存在的問(wèn)題及優(yōu)化

4.4.1 高壓軟管及噴水桿防松問(wèn)題

TBM掘進(jìn)過(guò)程中刀盤(pán)振動(dòng)較大,導(dǎo)致高壓軟管及噴水桿連接件松動(dòng)、漏水,壓力無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)值。針對(duì)此問(wèn)題,具體改進(jìn)措施如下。

1)噴水桿法蘭螺栓防松。將現(xiàn)有的普通六角頭螺栓更換為帶防松功能的螺絲,依靠螺絲面附著的高分子材料,增加螺牙間的摩擦力,提供對(duì)振動(dòng)的絕對(duì)阻力,可有效解決螺絲螺帽松動(dòng)問(wèn)題。將現(xiàn)有的普通彈簧墊圈、平墊圈更換為帶防松功能的不銹鋼雙面疊型墊圈,確保在振動(dòng)條件下仍然保持連接件的夾緊力。

2)噴水桿螺墊螺套防松。在法蘭側(cè)的螺墊螺套之間增加帶開(kāi)槽的錐面壓緊套,在高壓管上被螺墊螺套壓緊后抱緊高壓管。噴水桿頭部的螺套使用螺紋膠,能有效防止螺套松動(dòng)。

3)旋轉(zhuǎn)接頭出水口防松。把螺墊改為帶開(kāi)槽的錐面壓緊套,與高壓管螺紋旋合,同時(shí)螺套內(nèi)孔也帶錐,頂緊螺墊錐面,使螺墊開(kāi)槽的錐面抱緊高壓管。

4.4.2 高壓噴嘴堵塞問(wèn)題

自現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)開(kāi)展以來(lái),共出現(xiàn)2次高壓噴嘴堵塞故障,堵塞原因不易查明。經(jīng)初步分析,主要由于管路維修、更換過(guò)程中接頭泥沙沖洗不徹底,造成泥沙進(jìn)入管路堵塞噴嘴。

高壓水噴嘴拆卸清洗將導(dǎo)致TBM掘進(jìn)暫停,且需要占用3～5 d時(shí)間。因此,后續(xù)將進(jìn)一步分析噴嘴堵塞原因,并制定詳細(xì)的預(yù)防措施,避免高壓水噴嘴堵塞對(duì)TBM正常掘進(jìn)造成影響。

5 結(jié)論與建議

1)本文基于硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)在硬巖地層掘進(jìn)時(shí)遇到的掘不動(dòng)、掘進(jìn)慢的難題,研發(fā)出一種掘進(jìn)機(jī)搭載輔助破巖系統(tǒng),將其搭載在硬巖掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖系統(tǒng)上,并完成工業(yè)性試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)用。基于輔助破巖技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn),提出輔助破巖技術(shù)的優(yōu)化改進(jìn)方向。

2)試驗(yàn)段對(duì)應(yīng)的地層條件為泥盆系石英礫巖夾石英砂巖,石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高。200 MPa壓力以下,高壓水射流耦合效果不明顯;240～270 MPa水壓力耦合作用下,貫入度指標(biāo)有顯著改善,相同推力情況下,最高增加幅度達(dá)77.4%。

3)在高壓水耦合破巖試驗(yàn)過(guò)程中,相同的地層條件下,高壓水耦合破巖相對(duì)于純滾刀掘進(jìn),場(chǎng)切深指數(shù)和轉(zhuǎn)矩切深指數(shù)均出現(xiàn)降低,這表明高壓水射流對(duì)巖體具有一定的劣化作用,使巖石可掘性增強(qiáng)。

4)高壓水在運(yùn)行過(guò)程中,隧洞內(nèi)環(huán)境溫度、刀盤(pán)噴水溫度均有明顯升高,導(dǎo)致刀盤(pán)降溫效果減弱,在一定程度上影響了TBM的施工效率。因此,高壓水長(zhǎng)期運(yùn)行的溫度控制需要進(jìn)一步研究,并制定相應(yīng)的降溫措施。