新街臺格廟礦區(qū)斜井隧道雙模式盾構(gòu)關(guān)鍵掘進(jìn)參數(shù)配置研究

管會生，張 瑀，楊延棟

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都 610031)

0 引言

新街臺格廟礦區(qū)擬采用雙模式盾構(gòu)來開挖一條便于煤礦開采運(yùn)輸?shù)男本淼?，該盾?gòu)具有土壓平衡(EPB)盾構(gòu)和單護(hù)盾TBM 2種掘進(jìn)模式，通過2種模式之間的快速轉(zhuǎn)換，既能快速穿過中硬地層，又能安全通過軟弱、富水或含破碎帶等不良地層。

掘進(jìn)參數(shù)配置是盾構(gòu)施工中的重要環(huán)節(jié)，配置不當(dāng)將嚴(yán)重影響盾構(gòu)的高效掘進(jìn)。盾構(gòu)法應(yīng)用于煤礦斜井隧道在國內(nèi)尚屬首次，相關(guān)研究較少。為保證斜井隧道施工能夠安全、快速、高效地進(jìn)行，有必要對雙模盾構(gòu)關(guān)鍵掘進(jìn)參數(shù)的配置進(jìn)行分析研究。

盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)主要包括盾構(gòu)推力、刀盤扭矩、土艙壓力、刀盤轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度和切深等。目前對于掘進(jìn)參數(shù)的相關(guān)研究有:呂強(qiáng)［1］建立了盾構(gòu)總推力、刀盤扭矩、螺旋輸送機(jī)參數(shù)的數(shù)學(xué)模型及計(jì)算公式，并與室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場掘進(jìn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對照分析;崔國華等［2］論述了盾構(gòu)推力、刀盤扭矩、驅(qū)動功率等關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算方法，并進(jìn)行了實(shí)例計(jì)算;鄭志敏［3］研究了復(fù)合式盾構(gòu)在閉式和開式2種模式下推力的計(jì)算方法，針對廣州的風(fēng)化巖地層進(jìn)行了計(jì)算;張厚美［4］利用廣州地鐵3號線的盾構(gòu)掘進(jìn)數(shù)據(jù)，建立了掘進(jìn)速度、刀盤扭矩與盾構(gòu)推力、土艙壓力、刀盤轉(zhuǎn)速的數(shù)學(xué)模型。以上研究多集中在參數(shù)計(jì)算模型和基于掘進(jìn)數(shù)據(jù)的參數(shù)分析上，針對盾構(gòu)隧道工程施工條件給出關(guān)鍵掘進(jìn)參數(shù)配置的研究卻很少。

本文以新街臺格廟煤礦斜井隧道工程為研究對象，從2種掘進(jìn)模式下關(guān)鍵掘進(jìn)參數(shù)的計(jì)算入手，對雙模盾構(gòu)整個掘進(jìn)過程中關(guān)鍵參數(shù)的配置要求展開研究。

1 工程概況

新街礦區(qū)煤礦斜井隧道最大埋深達(dá)到660 m，采用雙模式盾構(gòu)6°下坡連續(xù)掘進(jìn)，隧道長度超過6 km。斜井穿過風(fēng)積沙、砂巖、砂卵石地層、砂質(zhì)泥巖、煤層等地層。巖石抗壓強(qiáng)度多在20～60 MPa，普遍在30 MPa以下，軟弱至中等硬度［5］。由于隧道埋深大于400 m的地層穩(wěn)定性好，從模式轉(zhuǎn)換的時間周期和安全性角度考慮，建議減少轉(zhuǎn)換次數(shù)，在埋深400 m附近轉(zhuǎn)換一次，由EPB模式轉(zhuǎn)換為單護(hù)盾TBM模式。

2 斜井盾構(gòu)關(guān)鍵掘進(jìn)參數(shù)配置原則

煤礦斜井雙模盾構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)配置的目標(biāo)是保證掘進(jìn)過程安全、快速、高效。對于能夠自穩(wěn)且含水量少的地層，應(yīng)充分發(fā)揮機(jī)器的能力，使盾構(gòu)在最大推進(jìn)速度下快速掘進(jìn)。對于軟弱、富水或含破碎帶等不良地層，應(yīng)適當(dāng)減小刀盤轉(zhuǎn)速和切深，做好支護(hù)、防水等防護(hù)措施;EPB模式下還應(yīng)特別注意控制土艙壓力，以確保盾構(gòu)掘進(jìn)安全。對于刀盤易結(jié)泥餅、刀具易磨損等地層，應(yīng)適當(dāng)減小刀盤切深，注重高效掘進(jìn)，避免刀盤因堵轉(zhuǎn)或停機(jī)換刀等因素帶來的施工停滯。

斜井地層條件復(fù)雜多變，雙模盾構(gòu)在不同特征的地層條件下，掘進(jìn)參數(shù)配置也不同。根據(jù)工程地質(zhì)特點(diǎn)，將煤礦斜井盾構(gòu)隧道地層分成6個，主要地層依次為:a細(xì)粒砂巖地層，b細(xì)砂巖泥巖交互地層，c含水砂卵石地層，d細(xì)、中、粗粒砂巖地層，e灰綠色泥巖地層，f煤層。該6段地層的埋深、地層特點(diǎn)與掘進(jìn)模式如表1所示。

雙模盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中依次經(jīng)過a—f號地層。本文先對a—f地層下的掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，得到a—f地層下的掘進(jìn)參數(shù)配置情況;然后以此為基礎(chǔ)，結(jié)合地質(zhì)特征，依據(jù)參數(shù)配置原則，對每個地層區(qū)間的掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行配置分析，進(jìn)而完成整個掘進(jìn)過程的參數(shù)配置。

3 雙模盾構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)確定

盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的正確計(jì)算是進(jìn)行參數(shù)配置的基礎(chǔ)。首先對2種掘進(jìn)模式下的最大切深、土艙壓力(EPB模式下)、盾構(gòu)推力和刀盤扭矩進(jìn)行分析計(jì)算。雙模盾構(gòu)在斜井掘進(jìn)中的狀態(tài)示意圖如圖1所示。

3.1 EPB模式下關(guān)鍵掘進(jìn)參數(shù)

3.1.1 最大切深

EPB模式下螺旋輸送機(jī)出碴量和刀盤的進(jìn)碴量是動態(tài)平衡的過程，刀盤的進(jìn)碴量又與盾構(gòu)推進(jìn)速度密切相關(guān)。因此，可根據(jù)螺旋輸送機(jī)的出碴能力來確定EPB模式的最大切深。

螺旋輸送機(jī)的最大出碴量

式中:D1為螺旋輸送機(jī)葉片直徑，mm;d1為螺旋輸送機(jī)的軸徑，mm;S1為螺旋輸送機(jī)節(jié)距，mm;n1為螺旋輸送機(jī)的最大轉(zhuǎn)速，r/min;φ1為螺旋輸送機(jī)充填系數(shù)，取0.7。

圖1 雙模盾構(gòu)掘進(jìn)狀態(tài)示意圖Fig.1 Driving state of dual-mode

刀盤的最大進(jìn)碴量

式中:D為盾構(gòu)開挖直徑;vmax為盾構(gòu)最大推進(jìn)速度;K1為巖土松散系數(shù)，取1.35。

根據(jù)QO=QI，推算EPB模式盾構(gòu)的最大推進(jìn)速度

EPB模式下，刀盤轉(zhuǎn)速n為額定轉(zhuǎn)速2.9 r/min，則EPB模式最大切深

3.1.2 土艙壓力

根據(jù)太沙基理論對開挖面土壓力進(jìn)行分析可知，盾構(gòu)從始發(fā)井開始掘進(jìn)后，開挖面前方豎向土壓力σv在210 kPa上下波動。

3.1.2.1 開挖面平均土壓力

開挖面土壓力按線性分布，則平均土壓力(盾構(gòu)軸線處的土壓力)

式中:K為側(cè)向土壓力系數(shù)，取0.27;γ為巖土容重，取24 kN/m3。

3.1.2.2 開挖面平均水、土壓力

新街斜井隧道擬定每50 m做一道隔水環(huán)，開挖面水壓力按線性分布，則開挖面的平均水壓力(盾構(gòu)軸線處的水壓力)

式中:D為盾構(gòu)開挖直徑，mm;γw為水的容重，取9.8 kN/m3。

在EPB模式下，開挖面到土艙隔板，再由土艙隔板到螺旋輸送機(jī)出口，整個過程土壓力是一個逐漸衰減的過程［6］。在刀盤開口率為35% 時，土艙壓力傳遞系數(shù)為 0.5［7－8］。則土艙隔板的土壓力

3.1.3 盾構(gòu)推力與刀盤扭矩

雙模盾構(gòu)切口環(huán)未凸出刀盤且直線掘進(jìn)，推進(jìn)阻力不包含切口環(huán)貫入阻力和盾構(gòu)變向阻力。EPB模式下刀盤不安裝鏟斗，無鏟斗刮渣阻力矩。

盾構(gòu)推進(jìn)阻力［9－10］主要包括:刀具破巖阻力F1、刀盤正面阻力F2、盾構(gòu)殼體由于土壓力產(chǎn)生的摩擦阻力F3、盾尾與管片的摩擦力F4、主機(jī)和后配套自重的摩擦阻力F5、盾構(gòu)主機(jī)和后配套重力產(chǎn)生的下滑力F6。

刀盤阻力矩［9－10］主要包括:刀具破巖的切削阻力矩T1，刀盤正面的摩擦阻力矩T2，刀盤背面與碴土的摩擦阻力矩T3，刀盤側(cè)面的摩擦阻力矩T4，刀盤構(gòu)造柱和攪拌臂的攪拌阻力矩T5，盾構(gòu)設(shè)備自身摩擦阻力矩(包括軸承密封的摩擦阻力矩T6、軸承滾柱的摩擦阻力矩T7)。

雙模盾構(gòu)在a—d地層下工作于EPB模式，則在a—d地層下盾構(gòu)推力F和刀盤扭矩T的計(jì)算模型為:

3.2 單護(hù)盾TBM模式下關(guān)鍵掘進(jìn)參數(shù)計(jì)算

3.2.1 最大切深

在單護(hù)盾TBM模式下，巖碴只能由鏟刀從刀盤周邊的鏟斗口刮入刀盤，刀盤每轉(zhuǎn)排出的巖碴體積與刀盤切深有關(guān)。因此鏟斗的進(jìn)碴能力限制了盾構(gòu)的切深。

刀盤每轉(zhuǎn)排出巖碴的體積

式中:D為盾構(gòu)開挖直徑，mm;K1為巖土的松散系數(shù)，取1.35;h為刀盤切深，mm。

每轉(zhuǎn)鏟斗刮入巖碴的體積

式中:a為鏟斗長度，mm;b鏟斗到刀盤面板的距離，mm;l為鏟斗寬度，mm;K2為鏟斗的裝滿系數(shù)，取0.85;nc為鏟斗個數(shù)。

根據(jù)V1=V2，由于鏟斗進(jìn)碴能力限制，允許的最大切深

刀盤轉(zhuǎn)速n為最高轉(zhuǎn)速6.4 r/min時，盾構(gòu)能達(dá)到的最大推進(jìn)速度

3.2.2 盾構(gòu)推力與刀盤扭矩

相比于EPB模式，單護(hù)盾TBM模式下刀盤安裝有鏟斗，還包括鏟斗刮碴阻力矩T8，不包括刀盤正面阻力F2、刀盤正面的摩擦阻力矩T2、刀盤背面與碴土的摩擦阻力矩T3、刀盤構(gòu)造柱和攪拌臂的攪拌阻力矩T5。雙模盾構(gòu)在e，f地層下工作于單護(hù)盾TBM模式，則在e，f地層下盾構(gòu)推力和刀盤扭矩的計(jì)算模型如表2所示。

表2 e，f地層下的盾構(gòu)推力和刀盤扭矩的計(jì)算模型Table 2 Calculation formulas of thrusting force and cutter head torque of shield in e and f strata

3.3 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算中涉及的盾構(gòu)主要機(jī)器參數(shù)如表3所示。根據(jù)工程地質(zhì)選取的a—f地層的參數(shù)條件如表4所示。根據(jù)式(1)—(4)、(10)—(13)可得:在EPB模式下，刀盤為額定轉(zhuǎn)速2.9 r/min時，盾構(gòu)的最大推進(jìn)速度為82 mm/min，最大切深為28 mm/r;在單護(hù)盾TBM模式下，刀盤轉(zhuǎn)速為高速檔6.4 r/min時，盾構(gòu)的最大推進(jìn)速度為122 mm/min，最大切深為19 mm/r。對應(yīng)表4中a—f地層下的土艙壓力、盾構(gòu)推力、刀盤扭矩配置結(jié)果見表5。

表3 盾構(gòu)主要機(jī)器參數(shù)Table 3 Main parameters of shield

4 掘進(jìn)參數(shù)配置建議

以a—f地層下的掘進(jìn)參數(shù)配置情況為基礎(chǔ)，結(jié)合地質(zhì)特征，依據(jù)參數(shù)配置原則，對掘進(jìn)過程的參數(shù)配置建議如下。

1)埋深16～40 m。盾構(gòu)從埋深16 m處地層始發(fā)，采用EPB模式掘進(jìn)。該段以細(xì)粒砂巖地層為主，基巖受風(fēng)化剝蝕作用影響明顯，巖石強(qiáng)度指標(biāo)低，穩(wěn)定性差，但含水較少。由于盾構(gòu)剛始發(fā)不久，盾構(gòu)的推力大部分由始發(fā)架反力提供，因此切深不能太大，要盡量將盾構(gòu)推力控制在15 000 kN以下，選擇15 mm/r切深較合適，刀盤轉(zhuǎn)速在2.9 r/min低速檔工作;當(dāng)掘進(jìn)100環(huán)以后，始發(fā)架基本不再受力，由管片來提供推進(jìn)反力，切深可以提高到20 mm/r。

表4 a—f地層的參數(shù)條件Table 4 Parameters of different strata(from a to f)

表5 a—f地層下盾構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)配置Table 5 Configuration of key parameters of shield in different strata(from a to f)

2)埋深40～90 m。該段以細(xì)砂巖泥巖互交地層為主，致密且比較細(xì)膩，完整性較好，但黏土質(zhì)礦物較多，而且含水量較大。雖然EPB模式下的刀盤開口率達(dá)35%，但在刀盤的擠壓、摩擦、離子吸附下還是容易結(jié)泥餅，該段配置20 mm/r的切深，刀盤轉(zhuǎn)速為低速檔2.9 r/min。期間要特別關(guān)注刀盤扭矩的變化，如果扭矩迅速增加可能是結(jié)泥餅導(dǎo)致。為了預(yù)防刀盤結(jié)泥餅，要加大渣土改良的力度;一旦發(fā)生結(jié)泥餅，除了要鏟除泥餅外，還要檢查滾刀狀態(tài)，該情況下滾刀極易因?yàn)椴荒茏赞D(zhuǎn)而偏磨損壞。

3)埋深90～110 m。該段以砂卵石地層為主，地層穩(wěn)定性差，容易坍塌，且富水，可以說是工程的最大難點(diǎn)，通過該段后地層較穩(wěn)定。降低切深(10 mm/r)和刀盤轉(zhuǎn)速(2.0 r/min)，有助于減小地層的擾動，降低刀具磨損速度，提高設(shè)備輸出扭矩;將土艙設(shè)定的平均壓力提高到84.1 kPa左右，以穩(wěn)定開挖面的水土壓力;加泡沫或膨潤土，做好渣土改良。另外建議在進(jìn)入砂卵石地層之前進(jìn)行一次換刀，因?yàn)橐坏┰谏奥咽貙拥毒吣p嚴(yán)重需要換刀的時候，若帶壓進(jìn)倉換刀，風(fēng)險(xiǎn)很大。

4)埋深110～400 m。該段以細(xì)、中、粗粒砂巖地層為主，過了砂卵石地層之后，地層基本能夠自穩(wěn)，而且掘進(jìn)超過埋深120 m之后，地層含水也很小。因此，可以逐漸增大切深，減小土艙壓力，直到切深達(dá)到EPB模式下的最大值28 mm/r，刀盤轉(zhuǎn)速為低速檔2.9 r/min，盾構(gòu)達(dá)到最大推進(jìn)速度82 mm/min。

該段地層石英含量高達(dá)50%，刀具磨損速度勢必加快，因此需要關(guān)注盾構(gòu)推力變化，一旦推力迅速增大，很可能是刀具磨損嚴(yán)重，需要及時換刀，此時可以常壓開倉換刀，技術(shù)難度小，耗時也少。該段主要是砂巖，除了磨蝕性高外，還存在黏土質(zhì)礦物，刀具破巖時很難產(chǎn)生脆性破壞，破巖效率不會太高;同時該段地層涌水量大，且埋深200，300，370 m附近伴隨有破碎帶，應(yīng)特別注意施工安全。因此，建議將刀盤轉(zhuǎn)速控制在低速檔位2.9 r/min，切深盡量控制在15 mm/r以下。通過埋深400 m處的富水地層之后，尋找地層穩(wěn)定性好且不含水段進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換，盾構(gòu)由EPB模式轉(zhuǎn)換為單護(hù)盾TBM模式，出碴裝置由螺旋輸送機(jī)換成皮帶運(yùn)輸機(jī)，刀盤拆除切刀，封閉面板。

5)埋深400～600 m。該段基本都是灰綠色泥巖，圍巖穩(wěn)定，石英含量較低，屬于脆性巖石，且不含水。滾刀在該段脆性滾壓破巖效率高，因此，設(shè)備可以最大功率進(jìn)行快速掘進(jìn)。切深達(dá)到單護(hù)盾TBM模式的最大值19 mm/r，刀盤轉(zhuǎn)速高速檔6.4 r/min，盾構(gòu)達(dá)到最大推進(jìn)速度122 mm/min。

掘進(jìn)過程中要做好超前地質(zhì)鉆探和可燃、有毒氣體檢測，一旦鉆探到破碎層，立即進(jìn)行支護(hù);一旦發(fā)現(xiàn)可燃?xì)怏w含量較高，馬上停機(jī)，防止由于刀具摩擦熱較大導(dǎo)致爆炸;一旦檢測到有毒氣體，應(yīng)立即通風(fēng)，提高換氣量。

6)埋深600 m以下。600 m附近有4層1～2 m厚的煤層，穩(wěn)定性差，易坍塌，該段是單護(hù)盾TBM模式掘進(jìn)的一大難題。由于此時離洞口距離遠(yuǎn)，要想將盾構(gòu)轉(zhuǎn)換成EPB模式是不現(xiàn)實(shí)的，因此在該地層需要提高超前鉆探的頻率，做好圍巖支護(hù)工作;將切深降低到15 mm/r以下，另外將刀盤轉(zhuǎn)速調(diào)至低速檔2.9 r/min，待盾構(gòu)穿越幾個煤層，再提高掘進(jìn)參數(shù)。

5 結(jié)論與建議

1)對于圍巖穩(wěn)定且含水量少的地層，盾構(gòu)在最大推進(jìn)速度下快速掘進(jìn);對于軟弱、富水或含破碎帶等不良地層，應(yīng)適當(dāng)減小刀盤轉(zhuǎn)速和切深，保證盾構(gòu)掘進(jìn)安全;對于刀盤易結(jié)泥餅、刀具易磨損等地層，應(yīng)適當(dāng)減小刀盤切深，注重盾構(gòu)破巖高效性。

2)在EPB模式下，盾構(gòu)的最大切深為28 r/min;在單護(hù)盾TBM模式下，盾構(gòu)的最大切深為19 r/min。盾構(gòu)在a—f地層下關(guān)鍵參數(shù)配置如表5所示。

3)將雙模盾構(gòu)掘進(jìn)全過程分為埋深16～40 m，40～90 m，90～110 m，110～400 m，400～600 m 和600 m以下6個區(qū)間，分別對每個區(qū)間的地質(zhì)特點(diǎn)展開分析，提出了有價值的參數(shù)配置建議。

本文研究成果對新街煤礦斜井隧道施工具有指導(dǎo)意義，對今后盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)相關(guān)研究具有一定參考價值。下一步可結(jié)合斜井隧道施工數(shù)據(jù)對本文研究成果進(jìn)行驗(yàn)證和完善。

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