一、隧道工程概況

　　中天山特長(zhǎng)隧道位于托克遜、和碩間中天山東段的嶺脊地區(qū)。穿越中天山北支博爾托烏山中山山地，平均海拔1100~2950m，最高海拔為2951.6m。是南疆鐵路增建二線吐魯番至庫(kù)爾勒段的控制性工程。隧道起訖里程為DK141+593～DK164+042(左線)、DyK141+573～DK164+040(右線)，左線全長(zhǎng)22449m，右線全長(zhǎng)22467m，全隧道為單面上坡，除出口308m，位于曲線上外，其余均位于直線上，左右線線間距36m。本次依托工程為左線隧道，全長(zhǎng)22467m，設(shè)計(jì)坡度11‰，通過(guò)地層巖性以變質(zhì)砂巖、變質(zhì)角斑巖、花崗巖、片巖夾大理巖為主。

　　二、TBM掘進(jìn)效率主要影響參數(shù)

　　1、機(jī)械參數(shù)

　　TBM法隧道施工中，在相同的機(jī)況及地質(zhì)情況下，對(duì)掘進(jìn)參數(shù)的正確選擇是決定掘進(jìn)安全、快速、經(jīng)濟(jì)的主要因素。

　　TBM掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)主要有8個(gè)：刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、刀盤(pán)扭矩、電機(jī)電流值、推進(jìn)力、推進(jìn)缸壓力、實(shí)際掘進(jìn)速度、貫入度(每轉(zhuǎn)進(jìn)尺)和推進(jìn)速度電位器選擇值。其中電機(jī)電流值與刀盤(pán)扭矩、推進(jìn)缸壓力與推進(jìn)力成正比，實(shí)際掘進(jìn)速度=刀盤(pán)轉(zhuǎn)速×貫入度。

　　在選定刀盤(pán)轉(zhuǎn)速后，唯一能直接控制的就是選擇推進(jìn)速度。通過(guò)調(diào)節(jié)推進(jìn)速度來(lái)控制掘進(jìn)。由于巖石情況不同，掘進(jìn)所需的扭矩和推進(jìn)力也不同，實(shí)際達(dá)到的掘進(jìn)速度也不盡相同。在相同掘進(jìn)速度情況下，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速高速時(shí)的貫入度是低速時(shí)的一半，與貫入度成正比的刀盤(pán)扭矩、推進(jìn)力相對(duì)較小。但是當(dāng)?shù)侗P(pán)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)軟弱圍巖的擾動(dòng)較大，有可能造成圍巖的失穩(wěn)坍塌，同時(shí)高速時(shí)出碴會(huì)加快，相應(yīng)的增加膠帶機(jī)的工作負(fù)荷。因此在軟弱圍巖的地質(zhì)情況下，刀盤(pán)的轉(zhuǎn)速主要選擇是低速。

　　1掘進(jìn)機(jī)的總推進(jìn)力

　　掘進(jìn)機(jī)向前開(kāi)挖掘進(jìn)時(shí)所需總推力為各刀具推力之和加上機(jī)器與洞壁及內(nèi)、外大梁之間摩擦力之和。

　　式中：F刀---破巖時(shí)所需刀具總推力-即各刀具沿洞軸方向的分力之和

　　F1---機(jī)器推進(jìn)時(shí)-刀盤(pán)下部浮動(dòng)支撐與洞壁之間的滑動(dòng)摩擦力

　　F2---頂護(hù)盾與洞壁之間滑動(dòng)摩擦力

　　F3---刀盤(pán)側(cè)支撐與洞壁之間滑動(dòng)摩擦力

　　F4---大梁水平導(dǎo)軌間滑動(dòng)摩擦力

　　F5---掘進(jìn)時(shí)隨刀盤(pán)向前移動(dòng)部分的后配套裝置對(duì)機(jī)器的拖動(dòng)阻力

　　機(jī)器的總推力為需要的總推力乘以一個(gè)大于1的安全貯備系數(shù)。

　　2刀盤(pán)回轉(zhuǎn)功率與扭矩

　　刀盤(pán)回轉(zhuǎn)破巖時(shí)，要克服刀具破巖的總阻力矩M刀、鏟斗裝渣阻力矩M1及鏟斗與洞壁之間的摩擦阻力矩M2。

　　機(jī)器回轉(zhuǎn)所需總力矩 M總=f×(M刀+M1+M2)/η

　　式中：f---大于1的安全儲(chǔ)備系數(shù)

　　η---刀盤(pán)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率

　　機(jī)器回轉(zhuǎn)總功率 N=M總×n/716.2(馬力)

　　式中：n---刀盤(pán)轉(zhuǎn)速(r/min)

　　3掘進(jìn)機(jī)的貫入度

　　貫入度(Net Penetration，又稱為凈切深)，也就是我們通常所說(shuō)的切深，即定義為刀盤(pán)每旋轉(zhuǎn)一圈的前進(jìn)距離，是研究掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)力與掘進(jìn)速度之間關(guān)系的主要參數(shù)。

　　4掘進(jìn)機(jī)工作參數(shù)之間的相互關(guān)系

　　通常認(rèn)為影響掘進(jìn)機(jī)性能的機(jī)器因素包括每把刀具的推進(jìn)力、刀具的磨損程度、刀間距、刀具直徑、扭矩、轉(zhuǎn)速、刀盤(pán)直徑和曲率、TBM推進(jìn)力、后配套設(shè)備、機(jī)器處理大塊巖石的能力以及抗沖擊和振動(dòng)的穩(wěn)定性等。由于刀盤(pán)及刀具的幾何尺寸在機(jī)器制造后已經(jīng)確定，不能更改。所以對(duì)于掘進(jìn)機(jī)工作性能影響可控的主要因素只能為推進(jìn)力、轉(zhuǎn)速，或者為由以上兩者影響的掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)速度和扭矩。

　　掘進(jìn)機(jī)在開(kāi)挖隧道時(shí)其刀間距保持不變，同時(shí)掘進(jìn)機(jī)可提供的刀盤(pán)推進(jìn)力和扭矩能力是有一定限值，所以其開(kāi)挖能力受到一定的限制。首先是刀盤(pán)推進(jìn)力對(duì)掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)速度的限制作用。在一定的切深范圍內(nèi)，掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)的切深隨著推進(jìn)力的增大，將不斷增大。但是對(duì)特定的掘進(jìn)機(jī)其推進(jìn)力是有限的定值，所以，切深必將受到最大推進(jìn)力的限制。其次在軟巖中開(kāi)挖時(shí)，開(kāi)挖性能將受到掘進(jìn)機(jī)扭矩的限制;當(dāng)在硬巖中開(kāi)挖時(shí)，開(kāi)挖性能將受到掘進(jìn)機(jī)推力的限制。

　　(1)每轉(zhuǎn)切深與刀盤(pán)推力的關(guān)系

　　刀盤(pán)推力是產(chǎn)生刀盤(pán)切深和一定掘進(jìn)速率的主要因素之一。根據(jù)掘進(jìn)試驗(yàn)結(jié)果[1]，由刀盤(pán)每轉(zhuǎn)切深與刀盤(pán)推力關(guān)系的散點(diǎn)圖和回歸分析曲線(如圖2-1所示)可知：①刀盤(pán)每轉(zhuǎn)切深隨刀盤(pán)推力的提高而逐漸增大，且切深增大率高于推力的提高率;②刀盤(pán)轉(zhuǎn)速較大時(shí)的每轉(zhuǎn)切深明顯低于低轉(zhuǎn)速時(shí)的刀盤(pán)切深。

　　掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)速率等于刀盤(pán)每轉(zhuǎn)切深與刀盤(pán)轉(zhuǎn)速之積，即掘進(jìn)速率與切深成正比。因此，掘進(jìn)速率與巖石強(qiáng)度及刀盤(pán)推力的關(guān)系與每轉(zhuǎn)切深的關(guān)系是相同的。

　　(2)刀盤(pán)扭矩與切深的關(guān)系

　　刀盤(pán)扭矩是在刀盤(pán)施加推力后產(chǎn)生的，一開(kāi)始主要是摩擦產(chǎn)生的扭矩，隨切深的增大，滾刀對(duì)巖石產(chǎn)生切割壓碎作用，扭矩逐漸增大。根據(jù)刀盤(pán)扭矩與每轉(zhuǎn)切深關(guān)系的散點(diǎn)圖和回歸分析曲線(如圖2-2所示)可知：

　　①刀盤(pán)扭矩與切深呈線性增長(zhǎng)關(guān)系[2];

　　②當(dāng)巖石強(qiáng)度低時(shí)，刀具切深較大，掘進(jìn)時(shí)表現(xiàn)出的刀盤(pán)扭矩總體高于巖石強(qiáng)度高的地層[3]。是由于，巖石強(qiáng)度較低，刀具易切入巖石獲得較大的切深，刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)阻力增大，因而需要較大的扭矩。

　　2、地質(zhì)參數(shù)

　　1巖石的強(qiáng)度

　　TBM是利用巖石的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度明顯小于抗壓強(qiáng)度這一特征而設(shè)計(jì)的，抗壓強(qiáng)度的高低是影響TBM掘進(jìn)效率的關(guān)鍵地質(zhì)因素之一。一般常采用巖石的單軸抗壓強(qiáng)度(Rc)來(lái)判斷TBM工作條件下隧道圍巖開(kāi)挖的難易程度。一定范圍內(nèi)Rc越低，TBM的掘進(jìn)速度越高，則掘進(jìn)越快;Rc越高，TBM的掘進(jìn)速度越低，則掘進(jìn)越慢。但是，Rc太小，圍巖穩(wěn)定性差，嚴(yán)重影響掘進(jìn)速度; Rc太大，TBM掘進(jìn)困難，效率低下[4]。

　　2巖石的耐磨性

　　國(guó)內(nèi)外大量TBM施工隧道的工程實(shí)踐表明，滾刀的磨損情況對(duì)TBM掘進(jìn)效率以及掘進(jìn)的經(jīng)濟(jì)性影響很大。而對(duì)刀具的磨損判斷和預(yù)測(cè)，僅根據(jù)巖石抗壓強(qiáng)度是不夠的。主要應(yīng)結(jié)合巖石的硬度以及巖石所含石英顆粒的大小、數(shù)量來(lái)決定。

　　一般情況下，巖石的耐磨性越高，對(duì)TBM刀具、刀圈和軸承的磨損程度也越嚴(yán)重，刀具消耗和施工成本就越高，并造成停機(jī)換刀次數(shù)增加，影響TBM正常掘進(jìn)，相應(yīng)的TBM掘進(jìn)效率也就越低[5]。

　　3巖石的完整性

　　巖體的結(jié)構(gòu)面(節(jié)理、層理、片理、小斷層)發(fā)育程度，即巖體的裂隙化程度或巖體的完整性與掘進(jìn)效率有很大關(guān)系，是影響TBM工作效率的又一重要的地質(zhì)因素。各表征巖體完整程度的指標(biāo)，較普遍選用的有巖體完整性系數(shù)Kv、巖體體積節(jié)理數(shù)Jv、節(jié)理平均間距pd等。

　　巖石的抗壓強(qiáng)度、硬度、耐磨性相同或相近的巖體，結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度不同，TBM的凈掘進(jìn)速度會(huì)產(chǎn)生明顯差異。巖體結(jié)構(gòu)面越發(fā)育，密度越大，節(jié)理間距越小，完整性系數(shù)越小，TBM掘進(jìn)速度就越高。但當(dāng)結(jié)構(gòu)面極為發(fā)育，即節(jié)理密度極大，巖體完整性很小時(shí)，巖體已呈碎裂狀或松散狀，其整體強(qiáng)度很低，作為工程圍巖已不具有自穩(wěn)性，此時(shí)TBM掘進(jìn)的速度非但不會(huì)提高，反會(huì)因?qū)Σ环€(wěn)定圍巖進(jìn)行的大量加固處理而大大降低。因此，巖體的結(jié)構(gòu)面特別發(fā)育和極不發(fā)育時(shí)往往都不利于TBM掘進(jìn)。在這里，主要論述巖體完整性系數(shù)Kv的影響。

　　3、其他因素

　　除以上影響TBM效率的主要地質(zhì)因素外，巖體主要結(jié)構(gòu)面或稱優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀與隧道軸線間的組合關(guān)系、圍巖的應(yīng)力狀態(tài)、含水和出水情況對(duì)TBM掘進(jìn)速度和利用率也有一定的影響。

　　當(dāng)巖體主要結(jié)構(gòu)面與隧道軸線夾角50~70°時(shí)，有利于掘進(jìn)速度的提高;如果與洞軸線平行或小于45°，則上部圍巖容易坍塌或掉塊，不利于TBM掘進(jìn)。當(dāng)圍巖處于高地應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，對(duì)堅(jiān)硬的較完整或完整巖體，極可能發(fā)生巖爆危及TBM機(jī)具和人員的安全;對(duì)軟弱巖體，則可能發(fā)生大的擠壓變形，給TBM推進(jìn)造成困難。圍巖含水和出水狀態(tài)對(duì)TBM掘進(jìn)的影響程度則視含水量及出水量的大小和范圍，同時(shí)決定于圍巖是硬巖還是軟質(zhì)巖。一般富水段和涌水段，圍巖的強(qiáng)度和穩(wěn)定性會(huì)有不同程度的降低，同時(shí)有可能惡化TBM的工作條件和環(huán)境，影響掘進(jìn)速度。

　　據(jù)已有資料顯示，TBM施工中出現(xiàn)的主要工程地質(zhì)問(wèn)題包括：圍巖大變形、突(涌)水、巖爆以及瓦斯突出等，尤以軟巖大變形、巖爆和突(涌)水問(wèn)題最為嚴(yán)重[6][7]，據(jù)尚彥軍等對(duì)國(guó)內(nèi)外已發(fā)生的98次TBM重大工程事故的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，約有72%是由這兩者引起的(圖2-6)，在TBM施工過(guò)程中必須給予足夠的重視[8]。

　　三、結(jié)語(yǔ)

　　通過(guò)TBM在中天山隧道中的應(yīng)用，研究分析總結(jié)出了影響TBM掘進(jìn)效率的關(guān)鍵參數(shù)，包括機(jī)械參數(shù)和地質(zhì)參數(shù)，并且簡(jiǎn)要的分析了相關(guān)參數(shù)之間的關(guān)系。地質(zhì)因素對(duì)TBM的影響主要表現(xiàn)在宏觀、微觀兩大方面。宏觀方面主要是指隧道圍巖的總體地質(zhì)環(huán)境是否適宜采用掘進(jìn)機(jī)施工;微觀方面要考慮巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、硬度、耐磨性和整體性等主要地質(zhì)因素對(duì)TBM掘進(jìn)速度、利用率、刀具磨損等機(jī)器性能指標(biāo)的影響程度。只有充分考慮這些影響關(guān)系，才能更好的發(fā)揮掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)效率，合理安排施工，提高掘進(jìn)機(jī)利用率。

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