單護(hù)盾TBM在含水疏松砂巖洞段下的掘進(jìn)研究

周 波，甄樹鋒

(山東黃河工程集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250013)

單護(hù)盾TBM掘進(jìn)機(jī)在國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)建設(shè)過程中起到了重要的促進(jìn)作用[1- 3]。其融入了電、機(jī)、光、液四種特定元素，能依次完成隧道的掘進(jìn)工作、支護(hù)工作以及出渣工作，具有高效、安全等特點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)掘進(jìn)方法的不足，并在國(guó)外得到了廣泛的運(yùn)用。而國(guó)內(nèi)對(duì)單護(hù)盾TBM方面的研究并不多，同時(shí)其在不良地質(zhì)洞段中的掘進(jìn)會(huì)出現(xiàn)較多的問題，如涌沙涌泥、卡機(jī)以及載頭等?；诖?，本文針對(duì)不良地質(zhì)中的含水疏松巖洞段，對(duì)單護(hù)盾TBM的掘進(jìn)參數(shù)方面進(jìn)行研究，望通過此研究來發(fā)現(xiàn)單護(hù)盾TBM在不良地質(zhì)中的掘進(jìn)規(guī)律，為后續(xù)采用單護(hù)盾TBM進(jìn)行隧洞掘進(jìn)工作提供一定的參考。

1 單護(hù)盾TBM工作原理

1.1 單護(hù)盾TBM開挖原理

掘進(jìn)機(jī)刀盤上會(huì)安置著盤形滾刀，在掘進(jìn)機(jī)推力和扭矩的作用下，盤形滾刀會(huì)對(duì)掌子面巖體進(jìn)行滾動(dòng)式切割，當(dāng)掌子面巖體的抗壓強(qiáng)度小于盤形滾刀的壓力時(shí)，那么掌子面巖體表面就會(huì)產(chǎn)生大量的裂縫，隨著掘進(jìn)機(jī)的不斷推進(jìn)，盤形滾刀對(duì)掌子面巖體的壓力會(huì)越來越大，掌子面巖體表面的裂縫也會(huì)逐漸向內(nèi)延伸擴(kuò)散，當(dāng)裂縫達(dá)到一定程度時(shí)，掌子面巖體就會(huì)被擊破掉落，經(jīng)過此完整階段后其開挖的目的才算達(dá)成[4- 5]。此外，在掘進(jìn)的過程中，TBM主機(jī)會(huì)被推進(jìn)油缸禁錮起來，旨在抵抗掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)時(shí)的反作用力和刀盤的扭矩[6- 7]。同時(shí)，推進(jìn)油缸為能有效地將推力輸送到刀盤上，會(huì)以支撐系統(tǒng)作為支點(diǎn)，進(jìn)而進(jìn)行傳輸，達(dá)到破巖掘進(jìn)的目的[8- 9]。盤形滾刀在破巖過程中會(huì)伴隨著破碎巖石的掉落，對(duì)于掉落的破碎巖石首先會(huì)通過刀盤上的鏟斗進(jìn)行均勻分配處理；其次會(huì)在刮板的作用下進(jìn)行收集，并通過主機(jī)內(nèi)的皮帶機(jī)將其運(yùn)輸?shù)胶笈涮灼C(jī)上；最后，借助編組列出運(yùn)輸?shù)蕉赐狻?/p>

1.2 單護(hù)盾TBM掘進(jìn)原理

在軟弱的巖體中，單護(hù)盾TBM的刀盤在掘進(jìn)過程中，其盾殼會(huì)與巖體觸碰產(chǎn)生反扭矩，此時(shí)，掘進(jìn)機(jī)為了進(jìn)一步掘進(jìn)，會(huì)通過以管片為支點(diǎn)的推進(jìn)油缸向刀盤輸送推力，但管片的安裝與單護(hù)盾TBM掘進(jìn)工作又不能同時(shí)進(jìn)行，因此會(huì)采取循環(huán)作業(yè)的方式進(jìn)行掘進(jìn)[10]。具體流程如圖1所示。

圖1 單護(hù)盾TBM掘進(jìn)作業(yè)流程圖

2 單護(hù)盾TBM在干燥圍巖洞段的掘進(jìn)情況

以某干燥圍巖洞段為例，對(duì)其刀盤轉(zhuǎn)速、掘進(jìn)速度、掘進(jìn)推力以及刀盤扭矩的參數(shù)變化情況進(jìn)行了隨機(jī)收集統(tǒng)計(jì)，具體如圖2—圖5所示。

圖2 TBM刀盤轉(zhuǎn)速的波動(dòng)情況

圖3 TBM掘進(jìn)速度的波動(dòng)情況

圖4 TBM掘進(jìn)推力的波動(dòng)情況

圖5 TBM刀盤扭矩的波動(dòng)情況

由此可以看出，單護(hù)盾TMB在該洞段掘進(jìn)時(shí)的刀盤轉(zhuǎn)速基本上保持在6～8r/min之間，掘進(jìn)速度基本在40～80mm/min之間，掘進(jìn)推力基本保持在4000～10000kN之間，刀盤扭矩基本保持在500～1500kN·m之間。此外，掘進(jìn)推力的最大值為12154kN，最小值為830kN；刀盤扭矩的最大值為2724kN·m，最小值為141kN·m，存在較大的落差。

3 單護(hù)盾TBM在含水疏松砂巖地質(zhì)洞段的掘進(jìn)情況

3.1 含水疏松巖層地質(zhì)情況

含水疏松砂巖洞段的主要構(gòu)成成分：細(xì)砂巖、疏松粉以及礫砂巖，含水疏松巖層段的含水量較大，屬于極軟巖，NW310°SW20°～25°的產(chǎn)狀，該圍巖的密度、飽和抗壓強(qiáng)度、變形模量以及滲透系數(shù)依次為2.19g/cm3、0.99MPa、75MPa以及6.5×10-5～3.2×10-4cm/s，天然抗壓強(qiáng)度、天然彈性模量、飽和彈性模量以及泊松比依次為1.45～2.3MPa、72.3～130MPa、12.9～44.45MPa、0.35～0.4，因此對(duì)此洞段進(jìn)行挖掘時(shí)，會(huì)伴隨著大量的渣土出現(xiàn)，出渣量會(huì)比平常的出渣量高出10～20倍，同時(shí)具有不穩(wěn)定性和無規(guī)律性的特點(diǎn)。此外，主機(jī)內(nèi)的皮帶容易受到掌子面瞬間坍塌的影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致皮帶無法使用，同時(shí)在地下水的作用下，掌子面的泥化現(xiàn)象會(huì)不斷加劇，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致“載頭”現(xiàn)象的出現(xiàn)。同時(shí)，泥沙也會(huì)順著刀盤進(jìn)入倉(cāng)內(nèi)，進(jìn)一步加重主機(jī)內(nèi)的皮帶壓死，泥土和水也會(huì)順著皮帶流向前盾和后盾，給盾體設(shè)備安全造成威脅，在其進(jìn)一步侵蝕下，管片的安裝工作將無法進(jìn)行，此工作中斷，那么就說明單護(hù)盾TBM掘進(jìn)作業(yè)會(huì)終止，對(duì)整體的施工進(jìn)度和經(jīng)濟(jì)效益都會(huì)造成負(fù)面的影響。

3.2 出渣量的控制

TBM在含水疏松巖地質(zhì)洞段施工時(shí)的出渣量應(yīng)確保不超出正常出渣量的1.5倍。假如出渣量超出了正常的1.5倍之多，那么就會(huì)導(dǎo)致這些渣土無法得到及時(shí)有效的外運(yùn)，極易造成TMB的皮帶負(fù)荷過重或者被渣土壓死，中斷了TMB的掘進(jìn)工作。針對(duì)此問題，可在刀盤刮渣口處焊接寬度約為2.9cm的鋼板條，抑制出渣土的數(shù)量，攔截體積較大的渣土掉入機(jī)內(nèi)。但此優(yōu)化操作需要注意的是鋼板焊接的間距問題，不能過于集中，否則會(huì)導(dǎo)致潮粉狀渣土不易排出，增大了TBM掘進(jìn)的阻力，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)卡機(jī)的現(xiàn)象。最佳間距可設(shè)置在11～14cm之間。

3.3 掘進(jìn)參數(shù)的優(yōu)化

TBM在含水疏松巖地質(zhì)洞段施工時(shí)應(yīng)注意刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和切入的面積，降低其對(duì)掌子面的擾動(dòng)范圍，進(jìn)而減少渣土塌落的面積和數(shù)量，故需要對(duì)TBM掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行合理的優(yōu)化，如掘進(jìn)速度、轉(zhuǎn)速、掘進(jìn)推力以及扭矩?；诖耍疚囊浴敖M”的形式，結(jié)合洞段的實(shí)際情況對(duì)TBM在掘進(jìn)新增2#斜井附近洞段時(shí)的參數(shù)進(jìn)行了采集，旨在便于采集密度的調(diào)整，為其他參數(shù)的變化規(guī)律提供參考。具體采集情況如圖6—圖9所示。可見，掘進(jìn)速度基本保持在30～80mm/min之間，刀盤正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速應(yīng)在3～6r/min之間，反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速應(yīng)在2～4r/min之間。

圖6 TBM掘進(jìn)速度變化情況

圖7 TBM刀盤轉(zhuǎn)速變化情況

圖8 TBM掘進(jìn)推力變化情況

圖9 TBM掘進(jìn)扭矩變化情況

由此可以看出，TBM處于圖6的掘進(jìn)速度時(shí)，其對(duì)應(yīng)的掘進(jìn)推力主要的波動(dòng)范圍在10000～18280kN之間，且最大掘進(jìn)推力為18666.7kN，最小掘進(jìn)推力為5333.3kN。刀盤扭矩主要的波動(dòng)范圍在490～3396kN·m之間，最大掘進(jìn)扭矩為3396.2kN·m，最小掘進(jìn)扭矩為377.4kN·m。

4 小結(jié)

本文通過對(duì)單護(hù)盾TBM在干燥圍巖洞段的掘進(jìn)情況與在含水疏松砂巖地質(zhì)洞段的掘進(jìn)情況的對(duì)比分析，得到以下結(jié)論：?jiǎn)巫o(hù)盾TBM在干燥洞段的掘進(jìn)參數(shù)變化情況均比在含水疏松砂巖洞段的小，說明單護(hù)盾TBM在含水疏松砂巖洞段掘進(jìn)時(shí)，容易因?yàn)楦黜?xiàng)參數(shù)規(guī)律的不明朗而導(dǎo)致卡機(jī)、載頭等現(xiàn)象的出現(xiàn)，所以在實(shí)際施工中應(yīng)注重單護(hù)盾TBM掘進(jìn)參數(shù)的取值范圍。本研究對(duì)單護(hù)盾TBM在不良地質(zhì)條件下選取掘進(jìn)參數(shù)范圍具有一定的參考意義，但由于研究時(shí)間較短，且個(gè)人水平有限，因此在經(jīng)濟(jì)效率方面和實(shí)際應(yīng)用方面仍存在一些的不足之處，望后續(xù)類似工程加以完善。