單護盾隧道掘進機在砂巖、砂質泥巖地層中的掘進參數關系研究

段志強 王 力 李立功 劉大剛

(1. 中鐵隧道集團有限公司，511458，廣州；2. 西南交通大學土木工程學院，610036,成都//第一作者，工程師)

隨著我國城市化的快速發展，城市軌道交通的建設也在高速進行中，適應城市軌道交通建設的TBM(隧道掘進機)法施工被大量使用。從理論上講,在圍巖條件具備一定自穩條件的情況下,提高TBM刀盤的推力和轉速,可以提高純掘進速度，但刀具、刀盤等掘進設備承受載荷的能力是有限的,隨推力和轉速的增加,掘進設備的更換和損耗也會增大。因此，既要提高純掘進速度,又要降低掘進設備損耗,達到施工速度與工程經濟性的統一,就需要在不同的圍巖條件下,選擇最佳掘進參數。

文獻[1]為提高隧道掘進機工作效能和利用率，以采集的秦嶺隧道相關工作數據為對象，研究了不同掘進狀況下工作參數間的匹配規律；文獻[2]結合天津地鐵建國道站—天津站區間盾構施工參數記錄，針對盾構掘進過程中的掘進速度和力學掘進參數進行了分析與模糊統計試驗，提出了針對力學掘進參數的優化控制措施；文獻[3]基于現場大量實際數據，利用數理統計原理和方法，通過SPSS、MATLAB、EXCEL等軟件對這些數據進行分析，得到了掘進參數和地質參數間的相關規律，建立了各圍巖類別情況下的TBM掘進性能預測多元回歸數學模型。

1 工程概況與地層特性

重慶軌道交通5號線大竹林停車場—重光站區間(見圖1)總長9 196.666 m(單線延米)，采用單護盾TBM施工，隧道開挖直徑為6.89 m。根據地質勘測資料顯示，TBM沿線穿越的地層主要包括砂巖、砂質泥巖、砂巖與砂質泥巖互層，地下水以基巖裂隙水和孔隙水為主，具體詳述如下：

1) 砂質泥巖：紫紅或紫色，粉砂泥質結構，巨厚—中厚層狀構造，主要礦物成分為黏土質礦物，含灰綠色砂質團塊、砂質條帶或薄層。中等風化巖體裂隙不發育，巖體較完整。巖石飽和抗壓強度標準值為7.74 MPa，為軟巖，巖體基本質量等級為IV級。局部地段由于砂質含量的不同而導致力學強度差異較大。本層為施工場地基巖的主要巖性。

圖1 重慶軌道交通5號線大竹林停車場—重光站區間縱剖面圖

2) 砂巖：黃灰色、紫灰色，中—細粒結構，巨厚—中厚層狀構造，主要礦物成分為石英和長石，含少量云母及黏土礦物，多為鈣質膠結，局部夾泥質薄層條帶，中等風化巖體裂隙不發育，巖體較完整。巖石飽和抗壓強度標準值為27.49 MPa，為較軟巖，本層巖體基本質量等級為IV級。局部地段由于泥質含量的不同而導致力學強度差異較大。

根據工程地質條件差異，將整個隧道區間分為如下3個段，其主要參數如表1所示。

表1 大竹林停車場—重光站隧道區間地質分段表

2 單護盾TBM主要掘進參數

TBM掘進參數的選擇直接影響著施工速度。單護盾TBM的掘進參數主要包括油缸總推力、掘進速度、刀盤轉速和刀盤扭矩。獲得合理掘進速度是控制掘進參數的目的，合理的掘進速度可以保障單護盾TBM施工的快速與安全。

1) 掘進速度：掘進速度與總推力、刀盤轉速和刀盤扭矩有關，其計算公式為：掘進速度=貫入度×刀盤轉速。

2) 油缸總推力：刀盤上各磨損量不同的盤形滾刀對巖石施加的正壓力之和。

3) 刀盤扭矩：由盤形滾刀旋轉切割巖面而形成,刀盤上所有刀具總的滾動阻力決定扭矩的大小。

4) 刀盤轉速：是指刀盤每分鐘旋轉的圈數。

本工程使用的單護盾TBM型號為CTT6820E，刀盤最大轉速為7.9 r/min，理論最大推進速度為80 mm/min，刀盤額定扭矩為4 000 kN·m@3.8 r/min時，最大總推力為39 023 kN。

3 掘進參數對掘進速率的影響

將不同地層條件下的掘進參數，以掘進速度為y軸，以油缸總推力、刀盤扭矩和刀盤轉速分別為x軸繪制散點圖，通過散點圖的趨勢分析油缸總推力、刀盤扭矩和刀盤轉速對掘進速度的影響規律。

3. 1 中等風化砂質泥巖段

中等風化砂質泥巖段(簡為“地層1”)單護盾TBM掘進參數對掘進速度的影響，如圖2～4所示。

圖2 地層1下油缸總推力對掘進速度的影響

圖3 地層1下刀盤扭矩對掘進速度的影響

對圖2～4進行分析，可得到單護盾TBM在地層1中的正常掘進參數范圍，如表2所示。

圖4 地層1中刀盤轉速對掘進速度的影響

掘進參數取值油缸總推力/kN9 000～10 000刀盤扭矩/(kN·m)1 450～1 700刀盤轉速/(r/min)4.1、4.2、4.3最大掘進速度/(mm/min)61

由圖2～4可知：

1) 隨著油缸總推力的增加，掘進速度呈上升趨勢，直到油缸推力達到9 000 kN時，掘進速度達到峰值；然后隨著油缸總推力的增加，掘進速度平均值緩慢增加。

2) 刀盤扭矩與掘進速度成正比，當刀盤扭矩達到1 500 kN·m時，掘進速度上升趨勢變緩。

3) 刀盤轉速對掘進速度的影響不明確，相同刀盤轉速下的掘進速度差別較大。

文獻[4]分析了滾刀破巖時的受力機理。通過理論分析可知，貫入度與油缸總推力呈正相關，考慮到掘進速度=貫入度×刀盤轉速，因此，選擇出現較多的刀盤轉速，根據相同刀盤轉速下的油缸總推力與掘進速度繪制散點圖(見圖5～7)，通過散點圖的趨勢分析刀盤轉速固定時油缸總推力與掘進速度的關系。

圖5 地層1中刀盤轉速為4.3 r/min時油缸總推力對掘進速度的影響

由圖5～7可以看出：刀盤轉速分別為4.3、4.2 r/min時，隨著油缸總推力的增加，掘進速度上升趨勢較快；刀盤轉速為4.1 r/min時，隨著油缸總推力的增加，掘進速度上升趨勢較慢。

圖6 地層1中刀盤轉速為4.2 r/min時油缸總推力對掘進速度的影響

3. 2 中厚層砂巖、砂質泥巖互層(砂質泥巖占60%～80%)段

中厚層砂巖、砂質泥巖互層(砂質泥巖占60%～80%)段(簡為“地層2”)的單護盾TBM掘進參數對掘進速度的影響，如圖8～10所示。

圖8 地層2中油缸總推力對掘進速度的影響

圖9 地層2中刀盤扭矩對掘進速度的影響

圖10 地層2中刀盤轉速對掘進速度的影響

對圖8～10進行分析，可得到此地段單護盾TBM在地層2中的正常掘進參數(見表3)及掘進參數間的關系。

1) 油缸總推力較小時通過增大電缸總推力能夠提高掘進速度；當油缸總推力達到8 500 kN時，油缸總推力的增加對掘進速度的影響不明確。

2) 刀盤扭矩與掘進速度成正比，隨著刀盤扭矩增大，掘進速度幾乎呈線性增大。

3) 刀盤轉速對掘進速度的影響不是很明確，在相同的刀盤轉速下，掘進速度的差別較大。

表3 單護盾TBM在地層2中的正常掘進參數取值

相同刀盤轉速下的油缸總推力與掘進速度的關系，如圖11～15所示。

圖11 地層2中刀盤轉速為5.8 r/min時油缸總推力對掘進速度的影響

圖12 地層2中刀盤轉速為5.7 r/min時油缸總推力對掘進速度的影響

圖13 地層2中刀盤轉速為5.4 r/min時油缸總推力對掘進速度的影響

圖14 地層2中刀盤轉速為5.3 r/min時油缸總推力對掘進速度的影響

圖15 地層2中刀盤轉速為5.2 r/min時油缸總推力對掘進速度的影響

由圖11～15可知：刀盤轉速相同時，油缸總推力越大，掘進速度越快。

圖16 地層3中油缸總推力對掘進速度的影響

3. 3 中厚層砂巖、砂質泥巖互層(砂質泥巖占30%～60%)段

中厚層砂巖、砂質泥巖互層(砂質泥巖占30%～60%)段(簡為“地層3”)的單護盾TBM掘進參數對掘進速度的影響，如圖16～18所示。

圖17 地層3中刀盤扭矩對掘進速度的影響

圖18 地層3中刀盤轉速對掘進速度的影響

對圖16～18進行分析，可得到單護盾TBM在地層3中的正常掘進參數，如表4所示。

表4 單護盾TBM在地層3中的正常掘進參數取值

由圖16～18可知：

1) 掘進速度隨油缸總推力的增加先上升再下降，在油缸總推力為9 000～10 000 kN時掘進速度取得峰值；

2) 掘進速度隨刀盤扭矩增加而增加，兩者之間的關系基本符合線性增長的規律；

3) 刀盤轉速較大時最高掘進速度也較大，當刀盤轉速為6.3 mm/min時掘進速度取得最大值，總體而言，相同轉速條件下的掘進速度差別較大。

相同刀盤轉速下的油缸總推力與掘進速度關系，如圖19～23所示。

由圖19～23可知：刀盤轉速為6.0 r/min、6.1 r/min、6.2 r/min時，隨著油缸總推力的增加，掘進速度增加量較大；當刀盤轉速為5.9 r/min、5.8 r/min時，隨油缸總推力的增加掘進速度的變化較小。

圖19 地層3中刀盤轉速為6.2 r/min時油缸總推力對掘進速度的影響

圖20 地層3中刀盤轉速為6.1 r/min時油缸總推力對掘進速度的影響

圖21 地層3中刀盤轉速為6.0 r/min時油缸總推力對掘進速度的影響

圖22 地層3中刀盤轉速為5.9 r/min時油缸總推力對掘進速度的影響

圖23 地層3中刀盤轉速為5.8 r/min時油缸總推力對掘進速度的影響

4 掘進參數擬合方程

按照以上3種地層的掘進參數，可以擬合成3組直線方程。

1) 中等風化砂質泥巖:

V=0.002 5F+17.783

V=0.009 7T+27.81

2) 中厚層砂巖、砂質泥巖互層(砂質泥巖占60%～80%):

V=0.000 5F+42.838

V=0.020 5T+27.378

3) 中厚層砂巖、砂質泥巖互層(砂質泥巖占30%～60%):

V=0.001 6F+40.677

V=0.018 3T+23.816

式中：

V——掘進速度，mm/min；

F——油缸總推力，kN；

T——刀盤扭矩，kN·m。

本文分析的單護盾TBM掘進工程，當采用文中給出的掘進參數取值進行施工時，最高月進尺達到526 m，施工效率和安全性較高，施工經濟性較好，隧道成型質量較高，未出現長時間卡機等問題。

5 結語

國內外對單護盾TBM在城市軌道交通砂巖、砂質泥巖地層掘進參數的研究未有先例。本文通過對砂巖、砂質泥巖地段的單護盾TBM掘進參數進行統計分析，獲得了3種地層工況中的掘進參數推薦值，對于類似工程有一定的指導意義；擬合了掘進參數間的相關性關系，明確了以下掘進速度與刀盤總推力和刀盤扭矩間的關系：

1) 隨著刀盤總推力的增加，掘進速度呈增加趨勢，扭矩與掘進速度均呈正比關系；

2) 當刀盤轉速一定時，大部分情況下刀盤總推力與掘進速度正相關。

本文研究結果，對于刀盤轉速對掘進速度的直接影響尚不是很明確，后續可采用理論分析法對此開展進一步研究。