單護盾隧道掘進機在砂巖、砂質(zhì)泥巖地層中的掘進參數(shù)關(guān)系研究

段志強 王 力 李立功 劉大剛

(1. 中鐵隧道集團有限公司，511458，廣州；2. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，610036,成都//第一作者，工程師)

隨著我國城市化的快速發(fā)展，城市軌道交通的建設(shè)也在高速進行中，適應(yīng)城市軌道交通建設(shè)的TBM(隧道掘進機)法施工被大量使用。從理論上講,在圍巖條件具備一定自穩(wěn)條件的情況下,提高TBM刀盤的推力和轉(zhuǎn)速,可以提高純掘進速度，但刀具、刀盤等掘進設(shè)備承受載荷的能力是有限的,隨推力和轉(zhuǎn)速的增加,掘進設(shè)備的更換和損耗也會增大。因此，既要提高純掘進速度,又要降低掘進設(shè)備損耗,達到施工速度與工程經(jīng)濟性的統(tǒng)一,就需要在不同的圍巖條件下,選擇最佳掘進參數(shù)。

文獻[1]為提高隧道掘進機工作效能和利用率，以采集的秦嶺隧道相關(guān)工作數(shù)據(jù)為對象，研究了不同掘進狀況下工作參數(shù)間的匹配規(guī)律；文獻[2]結(jié)合天津地鐵建國道站—天津站區(qū)間盾構(gòu)施工參數(shù)記錄，針對盾構(gòu)掘進過程中的掘進速度和力學(xué)掘進參數(shù)進行了分析與模糊統(tǒng)計試驗，提出了針對力學(xué)掘進參數(shù)的優(yōu)化控制措施；文獻[3]基于現(xiàn)場大量實際數(shù)據(jù)，利用數(shù)理統(tǒng)計原理和方法，通過SPSS、MATLAB、EXCEL等軟件對這些數(shù)據(jù)進行分析，得到了掘進參數(shù)和地質(zhì)參數(shù)間的相關(guān)規(guī)律，建立了各圍巖類別情況下的TBM掘進性能預(yù)測多元回歸數(shù)學(xué)模型。

1 工程概況與地層特性

重慶軌道交通5號線大竹林停車場—重光站區(qū)間(見圖1)總長9 196.666 m(單線延米)，采用單護盾TBM施工，隧道開挖直徑為6.89 m。根據(jù)地質(zhì)勘測資料顯示，TBM沿線穿越的地層主要包括砂巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖與砂質(zhì)泥巖互層，地下水以基巖裂隙水和孔隙水為主，具體詳述如下：

1) 砂質(zhì)泥巖：紫紅或紫色，粉砂泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，巨厚—中厚層狀構(gòu)造，主要礦物成分為黏土質(zhì)礦物，含灰綠色砂質(zhì)團塊、砂質(zhì)條帶或薄層。中等風(fēng)化巖體裂隙不發(fā)育，巖體較完整。巖石飽和抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值為7.74 MPa，為軟巖，巖體基本質(zhì)量等級為IV級。局部地段由于砂質(zhì)含量的不同而導(dǎo)致力學(xué)強度差異較大。本層為施工場地基巖的主要巖性。

圖1 重慶軌道交通5號線大竹林停車場—重光站區(qū)間縱剖面圖

2) 砂巖：黃灰色、紫灰色，中—細(xì)粒結(jié)構(gòu)，巨厚—中厚層狀構(gòu)造，主要礦物成分為石英和長石，含少量云母及黏土礦物，多為鈣質(zhì)膠結(jié)，局部夾泥質(zhì)薄層條帶，中等風(fēng)化巖體裂隙不發(fā)育，巖體較完整。巖石飽和抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值為27.49 MPa，為較軟巖，本層巖體基本質(zhì)量等級為IV級。局部地段由于泥質(zhì)含量的不同而導(dǎo)致力學(xué)強度差異較大。

根據(jù)工程地質(zhì)條件差異，將整個隧道區(qū)間分為如下3個段，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 大竹林停車場—重光站隧道區(qū)間地質(zhì)分段表

2 單護盾TBM主要掘進參數(shù)

TBM掘進參數(shù)的選擇直接影響著施工速度。單護盾TBM的掘進參數(shù)主要包括油缸總推力、掘進速度、刀盤轉(zhuǎn)速和刀盤扭矩。獲得合理掘進速度是控制掘進參數(shù)的目的，合理的掘進速度可以保障單護盾TBM施工的快速與安全。

1) 掘進速度：掘進速度與總推力、刀盤轉(zhuǎn)速和刀盤扭矩有關(guān)，其計算公式為：掘進速度=貫入度×刀盤轉(zhuǎn)速。

2) 油缸總推力：刀盤上各磨損量不同的盤形滾刀對巖石施加的正壓力之和。

3) 刀盤扭矩：由盤形滾刀旋轉(zhuǎn)切割巖面而形成,刀盤上所有刀具總的滾動阻力決定扭矩的大小。

4) 刀盤轉(zhuǎn)速：是指刀盤每分鐘旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)。

本工程使用的單護盾TBM型號為CTT6820E，刀盤最大轉(zhuǎn)速為7.9 r/min，理論最大推進速度為80 mm/min，刀盤額定扭矩為4 000 kN·m@3.8 r/min時，最大總推力為39 023 kN。

3 掘進參數(shù)對掘進速率的影響

將不同地層條件下的掘進參數(shù)，以掘進速度為y軸，以油缸總推力、刀盤扭矩和刀盤轉(zhuǎn)速分別為x軸繪制散點圖，通過散點圖的趨勢分析油缸總推力、刀盤扭矩和刀盤轉(zhuǎn)速對掘進速度的影響規(guī)律。

3. 1 中等風(fēng)化砂質(zhì)泥巖段

中等風(fēng)化砂質(zhì)泥巖段(簡為“地層1”)單護盾TBM掘進參數(shù)對掘進速度的影響，如圖2～4所示。

圖2 地層1下油缸總推力對掘進速度的影響

圖3 地層1下刀盤扭矩對掘進速度的影響

對圖2～4進行分析，可得到單護盾TBM在地層1中的正常掘進參數(shù)范圍，如表2所示。

圖4 地層1中刀盤轉(zhuǎn)速對掘進速度的影響

掘進參數(shù)取值油缸總推力/kN9 000～10 000刀盤扭矩/(kN·m)1 450～1 700刀盤轉(zhuǎn)速/(r/min)4.1、4.2、4.3最大掘進速度/(mm/min)61

由圖2～4可知：

1) 隨著油缸總推力的增加，掘進速度呈上升趨勢，直到油缸推力達到9 000 kN時，掘進速度達到峰值；然后隨著油缸總推力的增加，掘進速度平均值緩慢增加。

2) 刀盤扭矩與掘進速度成正比，當(dāng)?shù)侗P扭矩達到1 500 kN·m時，掘進速度上升趨勢變緩。

3) 刀盤轉(zhuǎn)速對掘進速度的影響不明確，相同刀盤轉(zhuǎn)速下的掘進速度差別較大。

文獻[4]分析了滾刀破巖時的受力機理。通過理論分析可知，貫入度與油缸總推力呈正相關(guān)，考慮到掘進速度=貫入度×刀盤轉(zhuǎn)速，因此，選擇出現(xiàn)較多的刀盤轉(zhuǎn)速，根據(jù)相同刀盤轉(zhuǎn)速下的油缸總推力與掘進速度繪制散點圖(見圖5～7)，通過散點圖的趨勢分析刀盤轉(zhuǎn)速固定時油缸總推力與掘進速度的關(guān)系。

圖5 地層1中刀盤轉(zhuǎn)速為4.3 r/min時油缸總推力對掘進速度的影響

由圖5～7可以看出：刀盤轉(zhuǎn)速分別為4.3、4.2 r/min時，隨著油缸總推力的增加，掘進速度上升趨勢較快；刀盤轉(zhuǎn)速為4.1 r/min時，隨著油缸總推力的增加，掘進速度上升趨勢較慢。

圖6 地層1中刀盤轉(zhuǎn)速為4.2 r/min時油缸總推力對掘進速度的影響

3. 2 中厚層砂巖、砂質(zhì)泥巖互層(砂質(zhì)泥巖占60%～80%)段

中厚層砂巖、砂質(zhì)泥巖互層(砂質(zhì)泥巖占60%～80%)段(簡為“地層2”)的單護盾TBM掘進參數(shù)對掘進速度的影響，如圖8～10所示。

圖8 地層2中油缸總推力對掘進速度的影響

圖9 地層2中刀盤扭矩對掘進速度的影響

圖10 地層2中刀盤轉(zhuǎn)速對掘進速度的影響

對圖8～10進行分析，可得到此地段單護盾TBM在地層2中的正常掘進參數(shù)(見表3)及掘進參數(shù)間的關(guān)系。

1) 油缸總推力較小時通過增大電缸總推力能夠提高掘進速度；當(dāng)油缸總推力達到8 500 kN時，油缸總推力的增加對掘進速度的影響不明確。

2) 刀盤扭矩與掘進速度成正比，隨著刀盤扭矩增大，掘進速度幾乎呈線性增大。

3) 刀盤轉(zhuǎn)速對掘進速度的影響不是很明確，在相同的刀盤轉(zhuǎn)速下，掘進速度的差別較大。

表3 單護盾TBM在地層2中的正常掘進參數(shù)取值

相同刀盤轉(zhuǎn)速下的油缸總推力與掘進速度的關(guān)系，如圖11～15所示。

圖11 地層2中刀盤轉(zhuǎn)速為5.8 r/min時油缸總推力對掘進速度的影響

圖12 地層2中刀盤轉(zhuǎn)速為5.7 r/min時油缸總推力對掘進速度的影響

圖13 地層2中刀盤轉(zhuǎn)速為5.4 r/min時油缸總推力對掘進速度的影響

圖14 地層2中刀盤轉(zhuǎn)速為5.3 r/min時油缸總推力對掘進速度的影響

圖15 地層2中刀盤轉(zhuǎn)速為5.2 r/min時油缸總推力對掘進速度的影響

由圖11～15可知：刀盤轉(zhuǎn)速相同時，油缸總推力越大，掘進速度越快。

圖16 地層3中油缸總推力對掘進速度的影響

3. 3 中厚層砂巖、砂質(zhì)泥巖互層(砂質(zhì)泥巖占30%～60%)段

中厚層砂巖、砂質(zhì)泥巖互層(砂質(zhì)泥巖占30%～60%)段(簡為“地層3”)的單護盾TBM掘進參數(shù)對掘進速度的影響，如圖16～18所示。

圖17 地層3中刀盤扭矩對掘進速度的影響

圖18 地層3中刀盤轉(zhuǎn)速對掘進速度的影響

對圖16～18進行分析，可得到單護盾TBM在地層3中的正常掘進參數(shù)，如表4所示。

表4 單護盾TBM在地層3中的正常掘進參數(shù)取值

由圖16～18可知：

1) 掘進速度隨油缸總推力的增加先上升再下降，在油缸總推力為9 000～10 000 kN時掘進速度取得峰值；

2) 掘進速度隨刀盤扭矩增加而增加，兩者之間的關(guān)系基本符合線性增長的規(guī)律；

3) 刀盤轉(zhuǎn)速較大時最高掘進速度也較大，當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)速為6.3 mm/min時掘進速度取得最大值，總體而言，相同轉(zhuǎn)速條件下的掘進速度差別較大。

相同刀盤轉(zhuǎn)速下的油缸總推力與掘進速度關(guān)系，如圖19～23所示。

由圖19～23可知：刀盤轉(zhuǎn)速為6.0 r/min、6.1 r/min、6.2 r/min時，隨著油缸總推力的增加，掘進速度增加量較大；當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)速為5.9 r/min、5.8 r/min時，隨油缸總推力的增加掘進速度的變化較小。

圖19 地層3中刀盤轉(zhuǎn)速為6.2 r/min時油缸總推力對掘進速度的影響

圖20 地層3中刀盤轉(zhuǎn)速為6.1 r/min時油缸總推力對掘進速度的影響

圖21 地層3中刀盤轉(zhuǎn)速為6.0 r/min時油缸總推力對掘進速度的影響

圖22 地層3中刀盤轉(zhuǎn)速為5.9 r/min時油缸總推力對掘進速度的影響

圖23 地層3中刀盤轉(zhuǎn)速為5.8 r/min時油缸總推力對掘進速度的影響

4 掘進參數(shù)擬合方程

按照以上3種地層的掘進參數(shù)，可以擬合成3組直線方程。

1) 中等風(fēng)化砂質(zhì)泥巖:

V=0.002 5F+17.783

V=0.009 7T+27.81

2) 中厚層砂巖、砂質(zhì)泥巖互層(砂質(zhì)泥巖占60%～80%):

V=0.000 5F+42.838

V=0.020 5T+27.378

3) 中厚層砂巖、砂質(zhì)泥巖互層(砂質(zhì)泥巖占30%～60%):

V=0.001 6F+40.677

V=0.018 3T+23.816

式中：

V——掘進速度，mm/min；

F——油缸總推力，kN；

T——刀盤扭矩，kN·m。

本文分析的單護盾TBM掘進工程，當(dāng)采用文中給出的掘進參數(shù)取值進行施工時，最高月進尺達到526 m，施工效率和安全性較高，施工經(jīng)濟性較好，隧道成型質(zhì)量較高，未出現(xiàn)長時間卡機等問題。

5 結(jié)語

國內(nèi)外對單護盾TBM在城市軌道交通砂巖、砂質(zhì)泥巖地層掘進參數(shù)的研究未有先例。本文通過對砂巖、砂質(zhì)泥巖地段的單護盾TBM掘進參數(shù)進行統(tǒng)計分析，獲得了3種地層工況中的掘進參數(shù)推薦值，對于類似工程有一定的指導(dǎo)意義；擬合了掘進參數(shù)間的相關(guān)性關(guān)系，明確了以下掘進速度與刀盤總推力和刀盤扭矩間的關(guān)系：

1) 隨著刀盤總推力的增加，掘進速度呈增加趨勢，扭矩與掘進速度均呈正比關(guān)系；

2) 當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)速一定時，大部分情況下刀盤總推力與掘進速度正相關(guān)。

本文研究結(jié)果，對于刀盤轉(zhuǎn)速對掘進速度的直接影響尚不是很明確，后續(xù)可采用理論分析法對此開展進一步研究。