敞開式TBM主機關鍵參數設計理論分析

翟國強，陶 磊

（中鐵工程裝備制造有限公司，河南鄭州 450016）

0 引言

硬巖隧道掘進機，簡稱TBM。主機關鍵參數的確定是影響設備能否順利完成隧道工程的決定因素。目前，關于TBM主機關鍵參數，國內尚未形成完整系統的理論。國外比較成熟的理論主要有CSM Model、NTH Model，NTNU Model等[1]。雖然上述理論模型提到的滾刀破巖和掘進預測理論在一定程度幫助廠家建立分析模型，但是由于技術封鎖和地下掘進工程無法準確預測等原因。國內外設備廠家均沒有對關鍵參數的設計理論進行系統闡述[2]。

本文作者利用生產實踐和理論相結合的方式，探索關鍵參數的理論設計模型。并對應用于在引松供水工程總干線施工四標段的TBM設備關鍵參數進行統計分析。將理論值與實際值進行比較，分析模型與實際差異，提出完善修正理論模型計算方向。為進一步的TBM關鍵參數設計提供參考。

1 輸入地質條件

吉林省中部城市引松供水工程總干線施工四標段，采用敞開式TBM掘進施工。TBM掘進段主要穿越石灰巖和花崗巖兩類地層[3]。TBM施工段隧道圍巖地質設計指標如表1所示。

表1 TBM施工段隧道圍巖地質設計指標

2 理論模型

敞開式TBM主機關鍵參數主要包括刀盤推力、驅動扭矩、支撐力等。基于科洛羅拉大學破巖模型理論（CSM）、工程案例和刀具廠家經驗等[4]，建立敞開式TBM刀盤的破巖能力參數設計。刀盤刀具采用19英寸（φ483 mm）滾刀刀具。

2.1 刀盤驅動扭矩T CH

其中：Ft為每把滾刀所受合力；FN為每把滾刀的推力；FR為每把滾刀的扭矩；k為常數，這里取2.12；T為刀圈的寬度，這里取15 mm；d為刀圈直徑，這里取483 mm；σc為巖石單軸抗壓強度；σt為巖石單軸抗拉強度；S為滾刀刀間距；φ為切入角；p為貫入度，這里取12 mm；D為刀盤開挖洞徑，這里取7.930 m；N為滾刀刀刃數量，這里取56；FCH為刀盤推力；vCH為刀盤轉速；v為刀圈轉速極限值；TCH為刀盤驅動扭矩。

設備設計充分考慮了裕量，按照巖石單軸抗壓強度最大300 MPa設計，最大推力和脫困扭矩滿足極限工況使用。

2.2 主機推力F n

2.2.1 盾體摩擦力 fsh

其中： fsh為盾體摩擦力； μ1為盾體與圍巖摩擦因數；Pv為圍巖垂直載荷；Ph為圍巖水平載荷；GM為主機重量，取6 000 kN； ρ為巖石重度，這里取27 kN/m3；l為盾體長度，這里取1.900 m。

2.2.2 破碎圍巖摩擦力 fshf

參考文獻[2]中考慮圍巖自身的穩定性，破碎巖石在拱頂區域形成0.5倍開挖洞徑的影響區域，如圖1所示。

圖1 斷層破碎壓力模型

2.2.3 后配套拉力FB

其中：GB為后配套初步重量； μ2為后配套滾動摩擦因數。

2.2.4 主機推力Fn

2.3 刀盤驅動扭矩T CH

其中：N為滾刀刀刃數量，這里取56；vCH為刀盤轉速[6]；v為滾刀刀圈轉速極限值[3]；TCH為刀盤扭矩。

2.4 主機支撐力F g

其中：Fg為主機支撐力

文中涉及刀具數量、刀具參數、巖石性能參數均按照加工制造經驗來選取。

3 現場數據分析

TBM共計掘進長度17 488 m，合計928天。期間遭遇不良地質達27次，塌腔、破碎帶、溶洞、涌水等，停機約53天。現在根據現場的數據采集情況，進行整理分析。這里不在一一分析，取主機推力和刀盤扭矩為分析對象。統計記錄如表2和3所示。

表2 主機推力參數分布區間統計表

表3 刀盤扭矩參數分布區間統計表

4 理論值與實際值分析

如圖2所示，主機推力的設計值為23260kN,TBM運行期間最大平均值為14870kN。占設計值比重為63.9%。表明設備設計能力足夠，同時具備極限工況下脫困快速前進的能力。

如圖3所示，刀盤扭矩的設計值為3585kNm,TBM運行期間最大平均值為2500kN。占設計值比重為69.7%。設備設計能力足夠，同時具備極限工況下脫困的能力。

花崗巖地層理論值與實際值變化趨勢相同，灰巖地層理論值與實際值變化趨勢稍有背離。灰巖地層的破巖模型需要修正，因為灰巖地層掘進過程中，存在塌腔、溶洞等不良地質情況[7]。模型計算未把該情況進行分析。

圖2 刀盤推力理論值與實際值統計圖

圖3 刀盤推力理論值與實際值統計圖

結果顯示關鍵參數的設計，總體上與現場實際采集一致。證明理論模型合理，但是當TBM遭遇不良地址段時，需要修正理論模型。依靠單純的破碎掘進性能來設計掘進參數，無法準確與現場實際一致。

5 存在的問題及未來研究的方向

通過對TBM主機關鍵參數的模型設計計算，希望對提高TBM設計參數和設備能力選型等提供支持。但是由于破巖模型單一（花崗巖破碎），所建立的模型有待進一步的修正改進。提出下一步修正模型的方法和方向。

（1）針對不同圍巖類型進行切割實驗，將貫入度、刀具切入角、刀間距等參數，進行設計計算。這樣才能真實反映不同巖石類型下TBM設備的不同設計能力。

（2）基于的破巖模型有待深入研究，不能僅把巖石單軸抗壓強度做為單一因素考慮，需要進一步完善優化該模型，從而進一步指導TBM設計。

6 結論

隨著我國重大裝備技術研發和創新的發展，建立準確可靠的基礎模型理論，成為亟待解決的問題。通過查閱國內外理論和實踐，在完善已有破巖模型的基礎上，進行改進完善設計。并根據現場采集反饋的數據對理論模型進行分析，提出優化和改進方向。