TBM的原理和效能預測

李 俊

(四川二灘國際工程咨詢有限責任公司,四川 成都 610072)

1 前 言

TBM由于具有較高的開挖速度、可連續操作、較少的巖石破壞和支護、巖渣均勻、安全以及自動控制性等優勢,已在越來越多的隧道工程中采用。但TBM也具有一些不足,比如限于圓形、對極端地質情況的適應性有限、需要很長的準備時間以及成本較高等。一項工程是否應用以及如何合理應用TBM,不僅需要了解 TBM的原理和效能,還需要從各方面進行大量深入細致的調查、研究和評估,在此基礎上才能做出正確合理的決策。

美國得克薩斯大學(UT)建立了包含 630個TBM工程(1963～1994)的數據庫,其中北美 231個工程、歐洲的 347個工程,以及其他地區的 52個工程。主要運行參數的匯總信息見表1。

表1 TBM的主要運行參數

2 TBM原理和主要參數

2.1 盤形滾刀的工作原理

盤形滾刀(簡稱“滾刀”)在刀盤面上按一定的力學和幾何學規律布置(盡可能使滾刀及刀盤受力均勻,使作用在大軸承上的徑向荷載為零;使前面的滾刀能夠為后面的滾刀提供破巖臨空面,形成前后滾刀順次破碎和切割巖石;滾刀在刀盤上一般呈單螺旋線或雙螺旋線模式,相鄰滾刀按一定相位差布置),通過刀盤傳遞的壓力及旋轉,各滾刀在巖石面上沿不同半徑作同心圓軌跡的壓滾運動,通過非彈性碾壓滾刀下的巖石形成與相鄰溝槽貫通的裂隙,由此產生條狀巖塊。圖 1為滾刀破巖的情況。在這個過程中產生的巖渣包括由于碾壓而形成的細渣和由于裂隙切割而形成的條狀巖塊。細渣是造成刀盤磨損的主要成分。條狀巖塊的典型尺寸為 15～25mm(厚和寬),隨溝槽間距大小變化,長度為寬度的 2～4倍。要使滾刀有效破巖,以下 3點很重要:

(1)滾刀的壓切程度、推力及貫入度必須足夠,才能形成溝槽和條形巖塊;

(2)相鄰溝槽的間距必須合適,使裂隙能夠貫穿并形成條狀巖塊;

(3)必須有足夠的滾動切割力以保持滾刀滾動,該力要克服滾動阻力以及掘進過程中的拖曳阻力。

2.2 推力 Fn和滾動切割力 Fr

滾刀對巖石的貫入受 TBM提供的推力影響,平均推力(額定推力)由下式計算:

其中 NC——推力油缸數量;

pc′——工作液壓 ;

dc——油缸活塞直徑;

n——刀具數量。

圖1 滾刀受力和溝槽

從上式計算出的推力要減去后配套牽引力(如果有的話)以及機器和巖石之間的摩阻力。對于全護盾的機器,這種摩阻力損失有時會非常大,甚至達到難以克服,使平均的滾刀推力可能減低至計算量的 40%。對非常堅硬的巖石,如果推力受到限制,可能會嚴重阻礙掘進。

滾刀的滾動切割力由刀盤驅動電機動力和刀盤旋轉提供,每個滾刀的平均滾動切割力由下式計算:

其中 P′——刀盤安裝功率;

r——刀盤轉速;

n——滾刀數量;

RC——滾刀離旋轉中心的加權平均距離。

刀盤功率損失有可能很大,通常總的扭矩效率約為 75%。所獲得的 Fr還會進一步由于電機故障臨時性減小,在轉動過程中巖渣對刀盤和鏟斗的阻滯以及軸承問題都會造成扭矩的減少。實際上,對許多在軟弱～中等巖石中的 TBM,扭矩的不足會限制掘進。但這種影響隨著可變刀盤轉速和大功率電機的使用逐漸減小。

邊墻支撐系統的承載水平也能顯著影響推力和扭矩。在軟弱巖石中,撐靴可能會打滑或者邊墻支撐失效,這在從軟巖到硬巖的過渡過程中(刀盤位在硬巖而支撐位于軟巖)更加嚴重,軟巖中的撐靴難以提供硬巖掘進需要的更大推力。另外,在護盾TBM的情況下,襯砌的強度也會限制推力和扭矩。

2.3 刀具系數和貫入指標

由于 TBM的運行工況并不統一,滾刀的實際受力很有可能不同于上述計算。以上只是一種根據平均受力、平均滾刀間距和貫入度對滾刀受力進行估計的簡便模式。Fn、Fr及 PRev(每轉的貫入度)的關系見圖2。圖中斜率改變表示碾壓和裂縫貫穿形成巖塊的狀態改變,這時候的推力叫“臨界推力”。除非達到臨界推力,否則相鄰溝槽間由于裂縫貫穿形成巖塊的破巖方式不會出現。臨界推力與巖石的強度、硬度、滾刀間距、刃寬直接相關。盡管滾刀的受力和貫入度不是線性關系,但仍可以根據滾刀受力和貫入度的關系圖定義幾個參數:

式中 CC——刀具系數;

Rf——貫入指標。

圖2 貫入度與滾刀力的關系

在對 TBM的研究中有以下重要發現:

(1)PRev主要受 Fn影響,在刀盤功率足夠的情況下,刀盤轉速不會明顯影響 PRev。

(2)對于很大范圍的巖石情況,滾刀間距 s與PRev的比值(s/p)在 8～20之間可以使掘進效果達到優化。在軟弱巖石中,較小的力也可以獲得較高的貫入度,此時更小的 s/p也可以達到滿意程度。

(3)對堅硬巖石,高的臨界推力會導致貫入度的減小以及增加 s/p值,難以獲得滿意的掘進速度。

(4)對多孔隙的巖石,推力會產生大量的碾壓碎渣,增加刀具磨損以及減少條狀巖塊的形成。

3 TBM貫入度預測

TBM的最重要的參數包括刀盤安裝功率、刀盤轉速、推力和滾刀間距。每一個參數都會影響貫入度。實際上,平均滾刀間距因受滾刀轉速和滾刀裝卸的限制,通常在 60～90mm(比如錦屏Ⅱ級的12.4m TBM的 19英寸滾刀的平均間距約 89mm)。在這些給定的限制條件以及實際的 s/p取值范圍,可以預計 Fn、Fr與 PRev的關系,并由此確定為達到預期的貫入度或掘進速率所需的功率和推力。

3.1 預測方法

許多專業機構和人員為建立試驗指標與貫入度的關系作了大量工作,并提出了預測公式,這些公式大多是經驗的或者是在一些力平衡或能量守恒的基礎上導出的。對滾刀受力情況作了一些簡單假設,并使用了根據歷史信息導出的參數,大多數預測方法在趨勢上吻合。但經驗方法的數據是在特定地質和機器條件下的特例,而且大多預測方法沒有考慮推力和扭矩的工況在不同工程中的不同應用,因而在使用時應予以注意。滾刀的狀況也會對運行情況產生很大影響,因為磨損或鈍化增加了壓切的接觸面積,為獲得同樣的貫入度需要更大的力。一些數據在單刃、雙刃或三刃滾刀下的差異也會對滾刀的荷載水平和 s/p值有較大影響。還有,在較差巖石狀況下或曲線段的掘進時采用較小的推力和扭矩也會影響掘進速率。

3.2 指標試驗

一些預測方法采用受約束下的巖石靜壓試驗,另一些則是指標試驗如‘“硬度”測試,包括肖氏硬度、回跳硬度、泰伯抗刮硬度、施密特回彈硬度 HR、總硬度 HT(HR與泰伯抗刮硬度的平方根的乘積)。此外,動態沖擊試驗指標也用于預測,包括巖石沖擊硬度(RIH)、巖石強度系數(CRS)以及挪威工學院(NTH)預測方法采用的瑞典脆性試驗(S20)。其它的還有“鉆掘性”、“磨蝕性”等指標試驗,每一種試驗都要求特殊的設備。CERCHAR(法國采煤研究中心)試驗已被用于評估磨蝕性。礦物磨蝕指標包括石英含量和莫氏硬度等也被采用。

3.3 巖石性能試驗

經驗預測公式也包含了常規的巖石強度試驗指標,包括大量采用單軸抗壓強度(UCS),因該指標容易獲得。但是,UCS可能不是對 TBM效能進行預測的最理想參數,除非 UCS的原位情況能被如實地反映。

巖石抗拉強度經常通過劈裂試驗獲得,也可以用于效能預測。試驗結果可以用于軟弱巖石,評價滾刀壓切時是否發生脆裂以及評價巖石強度的非均質性。

巖石斷裂韌度和其他斷裂材料特性(如臨界能量釋放率和臨界裂縫驅動力)對 TBM效能預測有著很大的潛在應用價值,但是在隧洞工程中很少進行這樣的試驗,因此到目前為止這方面的預測關系還只是初步的。

許多經驗關系式已通過線性回歸分析包含了其他一些指標,如密度、孔隙率、含水量、地震波速。在現場勘測時,對軟弱巖石還應盡量獲得流限和黏土礦物等特性,并通過更多的一些對膨脹、擠壓和固結特性的專門試驗,為指標體系提供更多的依據。

對隧洞工程建議的整套巖石性能試驗,主要包括抗拉和抗壓強度、孔隙程度、膨脹與擠壓性能以及巖石磨蝕性能。應該注意在巖芯試驗時,要盡可能減少應力釋放和含水量損失。還應該避免取樣的偏差,即最軟或硬的巖石試驗的缺失,因為這往往關系到 TBM的成功或失敗。在一些特別的預測辦法中,還需要進行一些特別的試驗,比如不同的硬度試驗或根據 NTH方法進行的系列試驗。為了作出合理的估計和決策,還應該從 TBM設計者和咨詢者那里獲得指標試驗的進一步指導。

3.4 經驗公式

根據巖石試驗指標預測貫入度的三個常用的經驗公式列舉如下,其中 PRev以 mm/r計,Fn以 kN計,UCS(抗壓強度)和σtB(劈裂抗拉強度)以 kPa或 MPa計(根據說明)。

(1)Farmer和 Glossop(1980),通過分析大多數沉積巖的數據后,導出了以下公式:

(2)Graham(1976)主要研究了硬巖數據(UCS140～200MPa),得出了以下公式:

(3)Hughes(1986)根據煤礦掘進提出了公式:

其中 D——滾刀直徑,以 mm計,并且假定每一溝槽只有一把刀。

表2的三個沉積巖隧洞的巖石特性和效能數據可以用來評估上述公式的預測能力。巖石試驗結果、TBM效能以及預測的 TBM貫入度參見表中數據。實際上,平均刀盤受力隨 UCS變化而變化,但最大荷載遠低于建議值,并且在每一種情況下,TBM的貫入度和推力受扭矩或者出渣能力限制。

從表2可以看出,預測值小于 TBM的實際效能。參見 Grimsby砂巖的有關數據,可知巖石試驗的不同狀態的影響。類似這種不確定性會給貫入度預測帶來很大影響。

不同的公式結果不同,帶來了 PRev預測的不確定,這主要與經驗公式的基礎數據有限有關,在應用時不能一概而論。總的來說,不單獨推薦某一種方法。但是,應用這些公式可以為設備選擇和根據不同的重要相關因素進行敏感性分析提供有益的幫助。有一條原則是,在任何情況下決定 TBM的設計容量時,對推力應增加 15%～20%的富裕度。

類似的預測 Fr的公式并不多見,這主要是因為驅動電機運行的電氣特征和刀盤轉速的變化沒有被系統記錄。替代方法是預測刀具系數 CC(Fr/Fn),該系數通常在 0.1～0.25之間,巖石越軟、PRev越高、Fn越大時 CC越高,因為 Fr隨著 PRev增加比Fn增加得更快。CC僅是 PRev和滾刀直徑的函數,是可以被預測的,并且巖石強度對其的影響也通過PRev得以間接反映。

常用的計算 CC的公式如下:

(1)Roxborough和 Philips(1975)假設 PRev等于壓切深度并由此推導出如下公式:

表2 TBM實際效能與預測數據對比

(2)另外一個是被科羅拉多礦業學校(CSM)采用的公式(Ozdemir和 Wang 1979),該公式實際上是 Roxborough和 Philips公式的不同形式:

(3)Hughes(1986)提出的公式:

在上述公式中,D和 R是滾刀的直徑和半徑。

這些公式的計算結果很相近,都可以用來預測CC,從而預測 Fr以及選定刀盤轉速下的功率。

3.5 通過線性刀具試驗進行 TBM效能預測

確定刀具受力的另一個直接辦法是進行室內線性刀具試驗,將旋轉刀具的運動過程以直線方式代替。線性刀具試驗得出的刀具力和貫入度關系可以直接用于實物預測,但所用的巖石與現場的區別,包括巖塊與 TBM之間的相對剛度,必須被考慮。

科羅拉多礦業學校(CSM)的地球力學研究所(EM I)擁有這樣的線性刀具試驗設備。CSM也提出了一整套 TBM效能預測方法,使用現場的工作推力、扭矩、刀具形式以及間距,其預測結果與實際情況較為一致,但不能直接應用于結構面復雜的巖體狀況。應注意試驗采用的滾刀的刃寬和直徑與現場的一致性,否則對滾刀受力和貫入度預測結果的準確性影響很大。

4 巖體特征和地應力的影響

巖體特征對貫入度的影響有以下 3個方面:

(1)在不同強度巖石混合的情況下,TBM的貫入度更典型地表現為高強巖石內的特征。

(2)對較好巖石,貫入度將隨著結構面的增多而提高,當結構面的走向與巖石面平行時,還會更高。

(3)當巖石由于地質構造或風化變差時,推力和扭矩可能會減少以維持開挖面穩定。

這些因素可以用來指導現場勘探。例如,在通常的水平沉積巖中,通過垂直鉆孔獲得的RQD值不能提供垂直結構面的頻度信息,而這種狀況有利于條狀巖塊的形成,因此對貫入度預測非常重要。

類似的因素,如原巖的各向異性,對提高貫入度也會有很大影響,取決于其走向與隧洞面的關系。各向異性效果可以在試驗時通過控制試樣的走向獲得。可用劈裂抗拉試驗、點荷載試驗達到這個目的。節理裂隙的增加會使 PRev增加并同時降低 Fn,甚至當裂隙間距達到滾刀間距的水平時,PRev將成倍增加。這種效果在強度很高的巖石中掘進而推力有限的情況下顯得很重要。

由于巖體特征對 PRev會產生進一步的影響,為了評估這些影響,不少研究者提出了修正系數,對根據 UCS和 Fn經驗公式計算的“基本”貫入度進行修正。主要有:

(1)Eusebio et al.(1991)根據巖石 RMR類別提出的修正系數,RMR類別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ時對應的修正系數 F1分別為 1.0、1.1、1.1～1.2、1.3～1.4、0.7。

(2)CSM的 EMI建立了一個公式,根據 RQD大小確定 F1來修正基本 PRev(基本 PRev相當于RQD=100的理想情況)。當 UCS＜110MPa時,F1=1.0+(100-RQD)/150;當 UCS≥110MPa時,F1=1.0+(100-RQD)/75。由此可以看出,裂隙的增加對 PRev的影響。

當地應力與巖石強度相比很高的話,會使巖石面產生片狀剝落。在正常的掘進中,這種現象會導致 PRev的增加,如果巖石不是處在很大的過應力或者巖爆狀態。但是在這種情況下,巖石面變差可能發生超挖,有必要通過護盾保護或者調整刀盤運行來進行控制。實際上,TBM操作者通常降低 Fn和刀盤轉速來提高穩定性。

總的來說,如果不對巖石支護要求有很大的改變,巖體中的裂隙增加會造成貫入度的提高。如果這種情況存在于非常堅硬的巖石中,適度的貫入度增加對工程具有重大意義。除此之外,巖體特性對TBM效能的主要影響在應用上,包括設備選型、支護時間和方法、因出渣或磨損等造成延誤、安全問題、方向控制、撐靴支撐問題等。

5 刀具對 TBM效能的影響

刀具磨損的最主要影響是成本和時間。UT的數據顯示,更換單個刀具約需要 1.5h,如果幾個刀具同時更換,每一個需要 30～40min。在地下水嚴重的情況下,會更加耗時。刀盤上滾刀的更換率各不相同。中心滾刀,因轉動、磨擦和振動比較劇烈,會減少軸承壽命和增加磨損,因此滾動距離壽命較小。對于相對不磨損巖石,面刀和邊刀的滾動距離壽命相近。但是,邊刀更換率更高,因為滾動距離更長,以及累積巖渣的“洗刷”作用。邊刀滾動距離壽命在高磨蝕性巖石中會明顯降低。經驗數據顯示,TBM的貫入度在滾刀磨損達到 40mm前不會有明顯影響。在更多的磨損情況下,要保持貫入度,必須提高 Fn。如果推力不能再增加,貫入度會降低 15%～20%。因此,日常刀盤維護應該檢查并預防這種情況發生,避免刀具的過度磨損,因為磨損后的刀具會增加刀具荷載并導致滾刀和軸承產生高溫,乃至更高的軸承受力和密封失效。

經驗數據顯示,刀具更換對時間的影響,以占總工時的百分比表示,對非磨損巖石約為 3%,對高磨損巖石可能達到 20%;以每米開挖的耗時表示,對非磨損巖石,平均值在 0.02～0.05h/m,對更高磨蝕性巖石,可能超過 0.2h/m。另外,急曲線段的掘進會明顯降低滾刀壽命。CSM推薦了修正系數 F2=1.0-23/R,用于修正在半徑為 R的曲線情況下的“正常”滾刀壽命。

近來,隨著大直徑重型滾刀和后置楔塊鎖定式刀座的大量采用,刀具更加耐久和容易更換,加上合理有效的組織管理,刀具對 TBM效能的影響還在逐漸減少。

6 其它方面的影響

其它方面的影響不直接控制 PRev,主要表現在工作的各階段和工序方面,對 TBM效能的影響主要在時間延誤方面,比如 TBM運行初期需要一個學習階段、TBM換步、設備的日常維護(刀盤檢查和TBM潤滑等),測量、排水、出渣、安裝臨時支護、勞工延誤(換班、安全會議、就餐)等。對此,CSM建立了一套方法用于這些方面的估計或預測。

7 NTH方法

NTH(1988)方法是目前公開發布的最徹底和最系統的方法,幾乎涵蓋 TBM設計和運行的所有方面,包括推力、扭矩、轉速、刀盤輪廓、滾刀間距和直徑及鈍頭度。

NTH方法要求巖石原位試驗包括三方面的專門試驗,磨蝕值(AV)、脆性試驗(瑞典脆性試驗 S20)和鉆掘性(Siever's J值)。從巖石參數導出的指標包括鉆速指標(DRI)、刀具壽命指標(CLI)。Fn與PRev的關系為非線性,“臨界推力”的概念也被引入作為一個校正參數。根據不同的刀具直徑和溝槽間距,引入不同的系數用于修正 PRev、推力、扭矩。

NTH方法來自于北歐地區的巖石經驗,被認為更適合應用于火成巖和變質巖。根據這些經驗,NTH方法包含一些“規則”或假設,并提供了經驗數據(參見表3),如最大刀具荷載取決于滾刀直徑、刀盤轉速由最大邊刀速度控制。NTH假設一個溝槽一個滾刀,滾刀溝槽平均間距(TBM半徑/滾刀數量)大約為 65mm。

表3 NTH方法與滾刀直徑有關的部分經驗數據

PRev的預測取決于 DRI值(可以通過 NTH試驗獲得),某些巖石的 DRI與 UCS(32mm直徑巖芯)存在一定的關系(如石英巖的 UCS范圍是大于400～100MPa,相應的 DRI為 20～55)。低的 DRI對應著鉆進困難,因此總的來說,DRI越低 UCS就越高。

NTH方法使用刀具壽命指標(CLI)來估計刀具更換率。CLI與巖石類別有關,如石英巖的 CLI范圍為 0～8,頁巖的 CLI范圍為 40～ ＞100。

NTH關于 PRev的公式如下:

式中 M1——臨界推力(PRev=1mm時的推力);

b ——貫入系數。

M1可以從 NTH報告中的系列數據中獲得,它是 DRI、滾刀直徑系數 kd、溝槽間距系數 ka、巖體裂縫系數 ks的函數。

貫入系數 b是 M1、滾刀間距和直徑的函數,取值范圍在 1.0～＞4.0。M1值和滾刀直徑越大、溝槽間距越小;或者巖石越堅硬,b值越大。正確選擇b值對采用 NTH方法很重要,因為它是建立最基本的力/貫入度關系采用的指數。應根據NTH建議進行合適的巖石試驗并根據特定的應用條件選取 M1和 b。當所有參數已確定,就可以估計 PRev和 PR(每小時的掘進速率)。

為了評估扭矩要求,NTH給出了如下公式:

其中 C——刀具常數,與滾刀直徑、Ks以及刀具銳度有關。

由于室內試驗與現場存在差異,NTH方法有時候預測的貫入度比實際小。

NTH對平均滾刀壽命 Lh(TBM掘進小時/每刀具)的估計公式如下:

其中 N是滾刀數量,DL是滾刀壽命(以小時計,與滾刀直徑和 CLI有關,如 483mm滾刀為 26.3CLI),Kφ是 TBM直徑和刀盤類型(球面或平面,平面比球面壽命長)修正系數,Krpm是刀盤轉速修正系數(轉速越高,壽命越短),KN是滾刀間距修正系數(NTH對滾刀間距的初始假設是 65mm),Kmin是磨蝕性礦物含量(石英、云母、閃石)修正系數。也可用刀具滾動距離或巖石開挖量/每刀具來表示壽命。

根據 NTH的數據庫,394mm滾刀的滾動距離在 200～1000km(對磨蝕性高的巖石),5000～10000km(非磨蝕性巖石);對 356mm滾刀減少30%,對 432mm增加 50%～65%;平面刀盤比球面刀盤高 10%;同樣鋼材含量的刀圈,常規斷面滾刀比尖形斷面滾刀高 10%～15%;另外急曲線使壽命減少約 75%。

NTH方法也提供了不同工作或工序的時間估計,包括換步、換刀具、TBM維護、后配套維修時間、雜項停機時間(等待出渣車、測量、電氣安裝)等,與CSM方法類似。根據工序時間和工作時間,就可以估算掘進速率。NTH方法還包括項目成本估算、支護要求、停機時間、現場調查、地質解釋等方面的其他信息。

8 結束語

總的來說,這些對 PRev、受力情況、刀具壽命和其它方面的估計或預測方法并不是萬能的,使用這些方法和經驗數據主要是為選擇設備或用于施工組織規劃的評估。這些方法或其它方法,還需要隨著更多工程的實施和對更多的數據分析進一步完善。

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[2]U.S.Army Corps of Engineers.Engineering and Design_TUNNELS AND SHAFTS IN ROCK[M].Engineer ManualEM 1110-2-2901,1997:C-1-C-14.