TBM掘进参数的设计和优化

TBM掘进参数的设计和优化

李建伟

李建伟

中铁二十四局集团上海铁建工程有限公司200070

摘要：TBM施工时选择合理的掘进参数对TBM掘进效率有着至关重要的作用。本文通过对不同直径敞开式TBM掘进参数的分析，找出各种围岩类别下合适的掘进参数，能有效指导掘进机施工，提高设备利用率，对掘进机参数的设计和优化起到借鉴作用。

关键词：敞开式TBM；施工数据；掘进参数；设备利用率

0前言

TBM(tunnelboringmachine)隧洞（道）施工具有进度快、方向准和安全性高等特点，已在国内外铁路、水电、交通、矿山、市政等隧洞（道）工程中得到广泛应用，与传统的钻爆施工法相比，正常情况下其施工速度是钻爆法的3-5倍[1]。随着TBM的不断发展，人们对TBM的施工安全和掘进效率也提出了更高的要求，掘进参数的合理选择对提高TBM掘进效率和设备利用率起着至关重要的作用。因此展开对掘进参数的设计与研究对今后TBM隧洞施工技术的发展具有十分重要的意义。

国内外学者和工程技术人员在长期的TBM掘进施工探索过程中，对掘进效率影响因素问题的研究提出了宝贵的经验。Hassanpour[2]等以伊朗Zagros引水隧洞为背景，通过现场实测数据建立了3种地层条件下TBM掘进速度预测模型；Delisio[3]等基于多元回归分析方法，分析了TBM性能参数和围岩地质参数与掘进速度的关系；EGhasemi[4]等基于模糊逻辑理论，对Queens3#引水隧洞的现场施工数据展开分析，建立了单轴抗压强度、岩石脆性等参数与掘进速度的关系；黄俊阁[5]以引汉济渭秦岭隧洞TBM施工段岭南工程为例，对TBM在高磨蚀性硬岩地段掘进中的参数进行分析与评价，得出TBM掘进参数宜采用高转速、低贯入度、高推力、低扭矩的“两高两低”模式；卢瑾[6]等基于南水北调西线工程中泥曲-杜柯河引水线路围岩地质数据，利用三维离散元方法对滚刀对滚刀破岩过程进行三维模拟，分析了岩石力学参数对掘进速率的影响等。目前对掘进效率问题的研究大多集中在基于某一特定TBM工程建立掘进参数与掘进速度数学模型上，而对确切的掘进参数未作更进一步的说明。本文基于多个敞开式TBM工程实测数据，对4-8m级敞开式TBM掘进参数展开分析，找出各种围岩类别下合适的掘进参数，能有效指导掘进机施工，提高设备利用率，对掘进机参数的设计和优化起到借鉴作用。

1工程概况

本文的对多个敞开式TBM施工数据进行分析，分析方法基本一致，为避免重复，仅选取直径为5m的敞开式TBM隧洞工程为代表展开分析。

选取案例的隧洞总长26.395m，开挖直径为为5.53m，位于低山区内，岩石基本裸露，沿线地面海拔高程775～1000m，地形起伏不大，相对高差5～35mm，总地势东高西低，隧洞近东西方向直线布置，埋深65～300mm，为戈壁滩地带。隧洞主要穿过石炭系（C）、泥盆系（D）和华力西期三大地层，以II、III、IV类围岩为主，V类围岩极少。

2掘进参数的选取与理论设计

2.1参数选取

TBM有关的掘进参数比较多，并且各个参数受到很多方面的影响，掘进参数的选取应当体现不同影响因素的作用，并且还应该考虑具体的施工条件。一般说来，TBM掘进涉及到的工作参数分为：总推力、撑紧压力、刀盘扭矩、刀盘转速、贯入度、推进速度[7]。根据现有研究成果，为了探寻TBM掘进效率与掘进参数之间关系，以下将主要选取总推力、刀盘扭矩、刀盘转速和贯入度等4个掘进参数进行理论计算和统计分析。

2.2参数理论设计

(1)总推力

总推力（FJ）主要由刀盘的掘进推力（FT）、护盾和后配套掘进阻力（FZ）提供，具体计算如下：

（1）

式中：N1—17英寸中心滚刀刀刃数量；

F1—17英寸中心滚刀最大载荷；

N2—19英寸滚刀刀数量；

F2—19英寸滚刀最大载荷；

G1—底护盾以及后配套承受的重量；

μ1—底护盾与隧道壁摩擦系数（钢铁对岩面的摩擦系数为0.4）；

(2)贯入度与刀盘转速

TBM掘进速度等于贯入度P与刀盘转速N的乘积。刀盘贯入度P是指刀盘每转一转盘形滚刀的切削深度，与盘形滚刀的半径及刀具与岩石的摩擦角有关，其计算公式为：

（2）

（3）

式中：R—滚刀半径；phi-刀具与岩石的摩擦角。

(3)刀盘扭矩

科罗拉多矿业学院通过大量不同结构参数的刀具对多种岩石进行切削实验，综合考虑了各种参数如岩石抗压抗拉强度、硬度、刀具的结构尺寸等对滚刀切削受力的影响，釆用回归的方法得出一个广泛应用的切削力综合预测模型——CSM模型[8]。具体公式如下:

（4）

式中：Ft是滚刀合力；P0是刀圈讨论破碎区压应力，与岩石的单轴抗压强度、滚刀结构尺寸、刃形有关；T是滚刀刀圈顶刃宽度；pesai是压力分布函数常数，取0.2。

（5）

式中：S是刀间距；C是无量纲系数，约为2.12；sigmat是岩石抗剪强度；sigmac是岩石单轴抗压强度。

因此，克服刀盘掘进时旋转所需的扭矩力和扭矩为：

（6）

（7）

式中：Fr—单把滚刀滚动力；D—刀盘直径；n—滚刀总数量；Tq—刀盘扭矩。

所述的四个掘进参数，若掘进总推力过低，则滚刀无法贯入岩石，推力过高时，滚刀存在被破坏的风险，而且由于贯入度增大造成出渣量增加，易造成掘进速度慢以及卡机事故；若扭矩过小，则掘进速率慢，若扭矩过大，则容易造成刀具偏磨加大、掌子面塌方等灾害事故[9]。故根据现场大量实测掘进数据进行统计分析，寻找合适的掘进参数，为掘进机关键参数（如滚刀类型的选取及刀间距的布置）的设计提供借鉴。

3典型地质条件下掘进参数统计分析

3.1工程典型地质条件

本文所选隧洞穿越石炭系（C）、泥盆系（D）和华力西期三大地层。岩性主要为硅质砾岩、安山岩、局部夹凝灰质砂岩、砂岩、沉凝灰岩、石英闪长斑岩、砂砾岩等，石英含量一般1～15%；饱和抗压强度40～130MPa。隧洞埋深65～300m，其围岩分布情况如图1所示，绝大部分均为II、III、IV类围岩，极少为V围岩，下面主要对II、III、IV类围岩条件下的掘进参数进行统计分析。

3.2不同围岩类别下掘进参数统计分析

(1)II类围岩地层段

由于隧洞施工尚未完成，该类围岩地层施工长度约为1km，沿线为低山地貌，地形较平坦，岩性主要为下石炭统(C1na)凝灰质砂岩夹凝灰质粉砂岩、沉凝灰岩或泥质粉砂岩，岩石单轴抗压强度为60～130MPa，岩石中石英含量一般小于5%，主要为II类围岩，选取此典型地质区间段100个掘进行程的TBM施工参数进行统计分析。

图1、隧洞各类围岩比例

总推力、刀盘扭矩、刀盘转速、贯入度和掘进速度是评价掘进机工作性能的重要指标，一般在掘进过程中呈动态变化。II类围岩地层中施工时掘进参数变化曲线见图2。

图2、II类围岩地层段掘进参数变化曲线

由图2可以看出，TBM在II类围岩地层段掘进时，总推力、刀盘扭矩和刀盘转速波动较小，说明II类围岩地层稳定，总推力和刀盘扭矩容易控制；贯入度和掘进速度离散性较大，说明此类围岩对贯入度和掘进速度的影响较大。对II类围岩地层段TBM掘进参数进行统计，得到各参数的取值范围，如表1所示。

(2)III类围岩地层段

该类围岩地层施工长度约为900m，岩石岩性主要为中泥盆统凝灰质砂岩、凝灰质粉砂岩，局部

表1：II类围岩地层段掘进参数统计结果

掘进参数取值范围

总推力FJ/kN9377-11000

刀盘扭矩Tq/kNm1100-1510

刀盘转速N/rpm3-7.6

贯入度P/mm3-10

掘进速度V/(mm.min-1)20-45

夹安山玄武岩，岩石单轴抗压强度为50～85MPa，层面结构发育，主要为III类围岩，选取此典型地质区间段100个掘进行程的TBM施工参数，各参数变化曲线如图3所示。

图3、III类围岩地层段掘进参数变化曲线

表2：III类围岩地层段掘进参数统计结果

掘进参数取值范围

总推力FJ/kN6939-8140

刀盘扭矩Tq/kNm860-1890

刀盘转速N/rpm6-7.6

贯入度P/mm4.6-12

掘进速度V/(mm.min-1)40-91

由图3可以看出，在III类围岩地层段掘进时，总推力和刀盘转速波动较小，其他参数都有一定的波动。统计III类围岩地层段的TBM掘进参数，得到各参数的取值范围，如表2所示。

(3)IV类围岩地层段

该类围岩地层施工长度约为400m，为断层影响带，岩石岩性为砾岩夹炭质页岩、凝灰质砂岩、安山岩，岩石单轴抗压强度为40～50MPa，稳定性一般，主要为IV类围岩，选取此典型地质区间段50个掘进行程的TBM施工参数进行统计，各参数变化曲线如图4所示。

图4、IV类围岩地层段掘进参数变化曲线

由图4可以看出，由于该地层含断层影响带，各掘进参数波动较明显，说明此类围岩下各掘进参数均难以控制。统计IV类围岩地层段的TBM掘进参数，得到各参数的取值范围，如表3所示。

表3：IV类围岩地层段掘进参数统计结果

掘进参数取值范围

总推力FJ/kN4480-8500

刀盘扭矩Tq/kNm570-1015

刀盘转速N/rpm4.5-6.7

贯入度P/mm7.6-13.5

掘进速度V/(mm.min-1)25.3-52.1

综合II、III、IV类围岩下各掘进参数的统计结果可发现：总推力和刀盘扭矩随着围岩强度的增加呈现变大的趋势；贯入度随着围岩强度的增加呈现减小的趋势；刀盘转速较难控制，但由于IV类围岩中含断层影响带，需谨慎通过，刀盘转速相对较小。

3.3不同直径敞开式TBM掘进参数统计

参照上述方法，分别对4m级、6m级、7m、8m级敞开式TBM在不同围岩条件下的掘进参数进行统计，结果如表4所示。

表4：不同直径敞开式TBM掘进参数统计结果

直径围岩类别总推力

FJ/kN刀盘扭矩Tq/kNm刀盘转速N/rpm贯入度P/mm掘进速度V/(mm.min-1)

6mII9500-165001690-37004.5-6.51-720-70

III7000-118001120-25005.5-75-9.535-95

IV5500-9250450-23003.5-6.56.5-1838-90

7mII11000-165001500-29005.5-83.5-8.217.5-56

III9000-135001680-31305.5-85-1027.5-80

IV4850-10500340-20005-78-1740-120

8mII11800-169701440-33903-7.12-7.512-56

III9250-142001520-35003-7.12.1-1110-76

3.4设计参数与实际掘进参数值对比验证

通过TBM掘进参数设计值与比实际施工掘进参数值对比，TBM施工掘进参数均在设计范围内取值，并留有一定的余量来应对施工中可能遇到的不良地质或满足下一段工程改造需要，各隧洞工程TBM掘进参数设计合理。

表5：TBM设计参数与实际使用参数对比统计

参数

直径实际掘进最大

总推力FJ/kN设计掘进

额定推力FJ/kN实际掘进刀盘

最大扭矩Tq/kNm设计刀盘

最大扭矩Tq/kNm实际掘进最大

刀盘转速N/rpm实际掘进最大

刀盘转速N/rpm

4m85001136068013858.912.5

5m1100019083189034307.610.6

6m16500200403700451079.8

7m165002356231304410810.9

8m1697023562350068307.18.8

4待研究问题

由于各隧洞工程掘进工作尚未完成，仅采集已施工段比较具有代表性的掘进施工参数数据，数据样本不够全面，在今后的研究中，将随着施工的进行，不断增加与完善掘进施工参数数据样本，进一步优化掘进参数。

5结论

本文基于多个敞开式TBM工程实测数据对4-8m级敞开式TBM掘进参数展开统计分析，得到主要结论如下：

（1）通过5m级敞开式TBM掘进施工参数统计发现，总推力和刀盘扭矩随着围岩强度的增加呈现变大的趋势；贯入度随着围岩强度的增加呈现减小的趋势；刀盘转速较难控制，由于IV类围岩中含断层影响带，需谨慎通过，所需刀盘转速相对较小。

（2）获得了4-8m级敞开式TBM在不同围岩条件下的掘进参数取值，参考掘进参数取值并结合式（1）-（7）的理论公式，可指导不同直径敞开式TBM参数（如滚刀类型的选取及刀间距的布置）的设计。

作者简介：李建伟（1984—）男，沪，本科，一级建造师，工程师，主要从事工程管理工作。