大坡度斜井TBM溜渣試驗(yàn)研究及TBM優(yōu)化設(shè)計(jì)

韓小鳴，潘福營，朱安平，于慶增，梁 飛

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京 100200；2.中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450000；3.中鐵電建重型裝備制造有限公司，云南 昆明 650000）

國內(nèi)抽水蓄能電站斜井施工普遍采用爬罐、反井鉆機(jī)等開挖導(dǎo)井，開挖普遍采用“鉆爆法”施工。近年來，國內(nèi)專家開展了抽水蓄能電站大坡度斜井采用TBM 技術(shù)的研究，徐艷群等以文登電站斜井為例對(duì)反井鉆法和TBM 法施工費(fèi)用進(jìn)行測(cè)算，張軍等進(jìn)行了抽水蓄能電站引水斜井開挖采用TBM 技術(shù)的研究。

國外斜井工程采用斜井TBM 施工的成功案例有近百個(gè)，其中德國維爾特公司提供了超過50%的斜井TBM。大坡度斜井TBM 向上掘進(jìn)施工多設(shè)置溜渣槽，依靠渣片重力采用自溜出渣的排渣方案，國內(nèi)外針對(duì)斜井TBM 技術(shù)的研究中未見針對(duì)自溜出渣方面的研究。

大坡度長斜井TBM 掘進(jìn)多采用自溜出渣的方式，渣片粒徑分布、含水率，溜渣槽設(shè)計(jì)傾角等對(duì)斜井施工溜渣堵塞問題影響很大。TBM 出渣粒徑分布和出渣方式是制約掘進(jìn)效率的關(guān)鍵因素之一，國內(nèi)學(xué)者開展了TBM 掘進(jìn)參數(shù)對(duì)出渣粒徑的影響和使用反井鉆機(jī)開挖導(dǎo)井后導(dǎo)井的溜渣試驗(yàn)方面。龔秋明等分析了滾刀刀間距和貫入度的比值與碴片分布關(guān)系；閆長斌等基于巖碴粒徑分布規(guī)律的TBM 破巖效率分析；宋克志[5～8]等對(duì)TBM 掘進(jìn)渣片進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，服從正態(tài)分布。蒲升陽等建立了導(dǎo)井溜渣時(shí)的臨界傾角預(yù)測(cè)模型，得出利于導(dǎo)井溜渣的最優(yōu)角度；王欣等設(shè)計(jì)模型試驗(yàn)，分析了導(dǎo)井-擴(kuò)挖法施工斜井時(shí)利于出渣的最優(yōu)石渣級(jí)配和石渣含水率。隨著斜井TBM 技術(shù)的研究應(yīng)用，開展大坡度斜井TBM 掘進(jìn)后不同粒徑分布的自溜出渣試驗(yàn)研究具有重要意義。

本文采用山東文登抽水蓄能電站TBM 掘進(jìn)的渣片開展斜井溜渣試驗(yàn)，并對(duì)文登TBM 渣片重新級(jí)配開展試驗(yàn)，得到斜井自溜出渣的最優(yōu)級(jí)配和含水率，通過此最優(yōu)級(jí)配和含水率指導(dǎo)斜井TBM 刀盤、刀具設(shè)計(jì)及掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化。

1 試驗(yàn)材料及方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)渣片采用山東文登抽蓄電站排水廊道TBM 掘進(jìn)巖片，排水廊道沿線地質(zhì)主要類型為Ⅰ、Ⅱ類二長花崗巖和石英二長巖，巖石平均單軸抗壓強(qiáng)度125MPa，石英含量40%左右。試驗(yàn)測(cè)定渣片含水率1.2%～1.5%，粒徑分布統(tǒng)計(jì)情況如表1。

表1 文登TBM渣片粒徑分布

試驗(yàn)在幾何相似條件下，試驗(yàn)臺(tái)按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)。該試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭辛镌坶L約10m、溜渣槽截面呈矩形，截面寬0.4m、高0.2m，試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)采取型鋼焊接措施，試驗(yàn)過程中可方便調(diào)整溜渣槽傾角。斜井自溜出渣試驗(yàn)臺(tái)如圖1 所示，文登TBM 渣片粒徑統(tǒng)計(jì)過程如圖2 所示。

圖1 斜井出渣試驗(yàn)臺(tái)

圖2 文登TBM渣片粒徑統(tǒng)計(jì)

1.2 試驗(yàn)方案

1）利用文登TBM 掘進(jìn)的渣片開展自溜出渣臨界傾角的試驗(yàn)研究。

2）對(duì)試驗(yàn)用的渣片重新級(jí)配，研究利于斜井TBM 自溜出渣的最優(yōu)級(jí)配。設(shè)計(jì)自溜出渣的級(jí)配方案分為A1-A5，方案A1-A5 中大粒徑渣片逐漸增多，同時(shí)小粒徑渣片逐漸減少，A1-A5 級(jí)配粒徑具體方案如表2 所示。

表2 試驗(yàn)渣片級(jí)配分布

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 臨界傾角試驗(yàn)

對(duì)表1 中的文登試驗(yàn)渣片從44°起逐漸減小角度，分不同傾角進(jìn)行自溜出渣試驗(yàn)，尋找渣片不具備自溜出渣的臨界傾角。試驗(yàn)結(jié)果表明，臨界傾角為26°，傾角大于26°時(shí)，表1 渣片具備自溜出渣條件，小于等于26°時(shí)，渣片不具備自溜條件，產(chǎn)生堆積現(xiàn)象，需采取輔助措施溜渣。

2.2 溜渣速度試驗(yàn)

對(duì)表1 中的文登試驗(yàn)渣片從44°起逐漸減小角度，分不同傾角進(jìn)行自溜出渣試驗(yàn)，對(duì)溜渣重量和溜渣時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算溜渣速度。分別進(jìn)行兩種不同試驗(yàn)：①不同傾角下對(duì)固定重量渣片（90kg）的溜渣時(shí)間統(tǒng)計(jì)；②不同傾角下單位時(shí)間內(nèi)溜渣重量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。結(jié)果如圖3 所示，隨著傾角的逐漸減小，單位時(shí)間內(nèi)的自溜出渣重量降低，固定重量渣片（90kg）的自溜出渣時(shí)間增大。說明渣槽傾角減小，渣片重力下滑的分量減少，摩擦力的分量增大，降低了渣片的流動(dòng)速度。

圖3 臨界傾角試驗(yàn)

2.3 級(jí)配對(duì)渣片流動(dòng)性影響

對(duì)表1 中的渣片重新級(jí)配，采用A1-A5 方案進(jìn)行不同傾角下出渣試驗(yàn)。A1、A2 級(jí)配方案在44°～28°時(shí)可正常出渣，溜渣槽內(nèi)壁無積料現(xiàn)象，≤26°時(shí)出現(xiàn)明顯積料現(xiàn)象，積料率大于70%；A4、A5 級(jí)配方案在44°～40°時(shí)可正常出渣，在39°～20°時(shí)，出現(xiàn)＜2mm 粒徑的粉料積料現(xiàn)象，積料率為2%～4%，積料率隨傾斜角度減小而增大；A3 級(jí)配方案在44°～30°時(shí)可正常出渣，在29°～20°時(shí)，出現(xiàn)＜2mm 粒徑的微小粉料積料現(xiàn)象，積料率為1%～2%。

不考慮微細(xì)粉料堆積的情況下，隨著A1-A5級(jí)配方案中大粒徑比例的增加，渣片流動(dòng)速度增大。這是因?yàn)樵降脑龃笫棺灾卦龃罅?，渣片在重力的作用流?dòng)性增強(qiáng)。

如圖4 所示，對(duì)不同粒徑的渣片流動(dòng)性進(jìn)行觀測(cè)，＞20mm 粒徑的渣片自溜的模式為“滾動(dòng)+滑動(dòng)”，流動(dòng)速度快；＜10mm 粒徑的渣片自溜的模式為“滑動(dòng)”，流動(dòng)速度慢。A1、A2、A3 級(jí)配方案中，＞40mm、40～10mm、＜10mm 三種粒徑比例基本均等，＜10mm 粒徑的渣片均勻地填補(bǔ)了＞40mm 粒徑渣片的空隙，使小粒徑的渣片在大粒徑渣片的推動(dòng)作用下共同自溜。A4、A5 級(jí)配方案中＞40mm 粒徑渣片比＜10mm 粒徑的渣片相差多，小粒徑渣片沒有填補(bǔ)大粒徑的空隙，無法推動(dòng)小粒徑渣片共同流動(dòng)，大粒徑渣片快速溜下后，小粒徑渣片形成積料。

圖4 渣片出渣率

隨著渣片級(jí)配中＞20mm 比重的增加、＜2.5mm 比重的減少，在溜渣槽內(nèi)壁滯留的微粉重量反而增多，＞20mm 粒徑的渣片受重力作用大，流動(dòng)性強(qiáng)；＜2.5mm 粒徑細(xì)粉料受重力作用小，受摩擦力影響大，更容易吸附在溜渣槽內(nèi)壁上，形成積料現(xiàn)象。在長距離斜井中，這些細(xì)粉狀的積料吸附在溜渣槽內(nèi)壁后，可能增大溜渣槽的內(nèi)部糙率，阻礙了后續(xù)渣片的流動(dòng)性。

3 基于試驗(yàn)結(jié)果的斜井TBM優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 文登TBM出渣情況

文登排水廊道TBM 刀盤設(shè)計(jì)直徑3530mm，全盤布置26 把滾刀，刀間距布置80mm、75mm，如圖5 所示。滾刀刃寬17mm，貫入度2～3mm，掘進(jìn)速度15～20mm/min，出渣粒徑＞40mm 的占30%，＜2.5mm 的出渣粒徑占比20%，含水率1.5%左右。文登TBM 破巖情況不理想,在滾刀正向推力作用下，貫入度不能有效提高，2 個(gè)相鄰滾刀之間的巖石裂紋不能及時(shí)貫穿形成碎塊而脫落，掘進(jìn)渣片的特征是巖粉多,巖粉主要是刀具研磨作用產(chǎn)生的。

圖5 文登TBM刀間距布置

3.2 TBM參數(shù)優(yōu)化

項(xiàng)目規(guī)劃斜井角度約39°，斜井長度約900m，斜井洞徑斷面?7.1m。圍巖主要以Ⅱ類花崗巖為主，巖石平均單軸抗壓強(qiáng)度90～150MPa，針對(duì)此類圍巖條件開展利于斜井出渣的TBM 溜渣槽、刀盤刀具設(shè)計(jì)及掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化。

基于斜井TBM 自溜出渣效率方面考慮，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，渣片粒徑級(jí)配方案中A4、A5 出現(xiàn)微粉積料現(xiàn)象，刀盤刀具的設(shè)計(jì)和掘進(jìn)參數(shù)需確保斜井TBM 掘進(jìn)渣片粒徑的分布與A1、A2、A3 的級(jí)配方案吻合。即＞40mm 粒徑的渣片要多，增加渣片的流動(dòng)性；同時(shí)保證＜2.5mm 粒徑的渣片比例＜14%，減少細(xì)粉料的堆積；渣片含水率在小于4%，避免出現(xiàn)“泥漿”。優(yōu)化現(xiàn)有文登TBM 刀盤刀具和掘進(jìn)參數(shù)，使＞40mm 的渣片增加10%左右，＜2.5mm 粒徑的渣片減少10%左右。

1）優(yōu)化刀間距設(shè)計(jì) 斜井TBM 刀盤開挖直徑?7 130mm，設(shè)計(jì)50 個(gè)刀具軌跡，采用19 英寸滾刀，滾刀刀間距75～80mm，在Ⅱ類花崗巖下破巖時(shí)相鄰滾刀之間圍巖裂紋適度貫穿，避免過度破碎，以此來提高滾刀破巖效率。優(yōu)化后的刀間距不但利于破巖，不過渡破碎的渣片可增加斜井自溜出渣能力。

2）優(yōu)化滾刀刀圈刃型設(shè)計(jì) 在硬巖地層掘進(jìn)，當(dāng)滾刀貫入度較小時(shí)，產(chǎn)生的巖粉較多，貿(mào)然的加大推力，提高貫入度，容易造成滾刀磨損加劇，特別是刀圈斷裂等異常損壞。此時(shí)需針對(duì)性的使用高韌性刀圈，在大推力下避免刀圈斷裂；適當(dāng)增大刀圈刃寬至22mm 左右，減少刀刃下方應(yīng)力，避免滾刀刀圈正下方壓碎區(qū)產(chǎn)生過多巖粉。在大推力和合適刃寬的作用下，巖石裂紋更容易向深度方面發(fā)展，進(jìn)一步形成裂紋，利于較大粒徑巖塊的形成。而貫入度不能太大，貫入度太大滾刀與巖石的作用強(qiáng)烈，一部分能量反而形成大量的巖粉，不利于斜井TBM 出渣。

4 結(jié)論

國內(nèi)抽水蓄能電站領(lǐng)域引水斜井采用斜井TBM 工法施工是大勢(shì)所趨，多個(gè)抽水蓄能電站主動(dòng)與斜井TBM 設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)聯(lián)合進(jìn)行工法研究。通過建立的大坡度斜井自溜出渣試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)山東文登抽蓄電站TBM 渣片進(jìn)行溜渣試驗(yàn)，得到以下結(jié)論。

1）斜井傾角大于26°時(shí)具備自溜出渣的能力。

2）渣片粒徑分布、含水率是影響斜井TBM自溜出渣的關(guān)鍵因素。

3）試驗(yàn)臺(tái)僅能模擬短距離的流動(dòng)性情況，微細(xì)粉料已經(jīng)對(duì)流動(dòng)性產(chǎn)生不利影響；考慮到深長斜井距離在800m 左右，斜井TBM 采用自溜出渣方式時(shí)，盡量控制渣片中微細(xì)粉料的比率，特別是微細(xì)粉料要保持合理的含水率，避免發(fā)生堵渣現(xiàn)象。

對(duì)于長距離斜井工程，需進(jìn)一步開展堵渣情況下的輔助溜渣技術(shù)研究。