大坡度斜井TBM溜渣試驗研究及TBM優化設計

韓小鳴，潘福營，朱安平，于慶增，梁 飛

（1.國網新源控股有限公司，北京 100200；2.中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450000；3.中鐵電建重型裝備制造有限公司，云南 昆明 650000）

國內抽水蓄能電站斜井施工普遍采用爬罐、反井鉆機等開挖導井，開挖普遍采用“鉆爆法”施工。近年來，國內專家開展了抽水蓄能電站大坡度斜井采用TBM 技術的研究，徐艷群等以文登電站斜井為例對反井鉆法和TBM 法施工費用進行測算，張軍等進行了抽水蓄能電站引水斜井開挖采用TBM 技術的研究。

國外斜井工程采用斜井TBM 施工的成功案例有近百個，其中德國維爾特公司提供了超過50%的斜井TBM。大坡度斜井TBM 向上掘進施工多設置溜渣槽，依靠渣片重力采用自溜出渣的排渣方案，國內外針對斜井TBM 技術的研究中未見針對自溜出渣方面的研究。

大坡度長斜井TBM 掘進多采用自溜出渣的方式，渣片粒徑分布、含水率，溜渣槽設計傾角等對斜井施工溜渣堵塞問題影響很大。TBM 出渣粒徑分布和出渣方式是制約掘進效率的關鍵因素之一，國內學者開展了TBM 掘進參數對出渣粒徑的影響和使用反井鉆機開挖導井后導井的溜渣試驗方面。龔秋明等分析了滾刀刀間距和貫入度的比值與碴片分布關系；閆長斌等基于巖碴粒徑分布規律的TBM 破巖效率分析；宋克志[5～8]等對TBM 掘進渣片進行統計，服從正態分布。蒲升陽等建立了導井溜渣時的臨界傾角預測模型，得出利于導井溜渣的最優角度；王欣等設計模型試驗，分析了導井-擴挖法施工斜井時利于出渣的最優石渣級配和石渣含水率。隨著斜井TBM 技術的研究應用，開展大坡度斜井TBM 掘進后不同粒徑分布的自溜出渣試驗研究具有重要意義。

本文采用山東文登抽水蓄能電站TBM 掘進的渣片開展斜井溜渣試驗，并對文登TBM 渣片重新級配開展試驗，得到斜井自溜出渣的最優級配和含水率，通過此最優級配和含水率指導斜井TBM 刀盤、刀具設計及掘進參數優化。

1 試驗材料及方案

1.1 試驗材料

試驗渣片采用山東文登抽蓄電站排水廊道TBM 掘進巖片，排水廊道沿線地質主要類型為Ⅰ、Ⅱ類二長花崗巖和石英二長巖，巖石平均單軸抗壓強度125MPa，石英含量40%左右。試驗測定渣片含水率1.2%～1.5%，粒徑分布統計情況如表1。

表1 文登TBM渣片粒徑分布

試驗在幾何相似條件下，試驗臺按重力相似準則設計。該試驗模型中溜渣槽長約10m、溜渣槽截面呈矩形，截面寬0.4m、高0.2m，試驗臺結構采取型鋼焊接措施，試驗過程中可方便調整溜渣槽傾角。斜井自溜出渣試驗臺如圖1 所示，文登TBM 渣片粒徑統計過程如圖2 所示。

圖1 斜井出渣試驗臺

圖2 文登TBM渣片粒徑統計

1.2 試驗方案

1）利用文登TBM 掘進的渣片開展自溜出渣臨界傾角的試驗研究。

2）對試驗用的渣片重新級配，研究利于斜井TBM 自溜出渣的最優級配。設計自溜出渣的級配方案分為A1-A5，方案A1-A5 中大粒徑渣片逐漸增多，同時小粒徑渣片逐漸減少，A1-A5 級配粒徑具體方案如表2 所示。

表2 試驗渣片級配分布

2 試驗結果分析

2.1 臨界傾角試驗

對表1 中的文登試驗渣片從44°起逐漸減小角度，分不同傾角進行自溜出渣試驗，尋找渣片不具備自溜出渣的臨界傾角。試驗結果表明，臨界傾角為26°，傾角大于26°時，表1 渣片具備自溜出渣條件，小于等于26°時，渣片不具備自溜條件，產生堆積現象，需采取輔助措施溜渣。

2.2 溜渣速度試驗

對表1 中的文登試驗渣片從44°起逐漸減小角度，分不同傾角進行自溜出渣試驗，對溜渣重量和溜渣時間進行統計，并計算溜渣速度。分別進行兩種不同試驗：①不同傾角下對固定重量渣片（90kg）的溜渣時間統計；②不同傾角下單位時間內溜渣重量進行統計。結果如圖3 所示，隨著傾角的逐漸減小，單位時間內的自溜出渣重量降低，固定重量渣片（90kg）的自溜出渣時間增大。說明渣槽傾角減小，渣片重力下滑的分量減少，摩擦力的分量增大，降低了渣片的流動速度。

圖3 臨界傾角試驗

2.3 級配對渣片流動性影響

對表1 中的渣片重新級配，采用A1-A5 方案進行不同傾角下出渣試驗。A1、A2 級配方案在44°～28°時可正常出渣，溜渣槽內壁無積料現象，≤26°時出現明顯積料現象，積料率大于70%；A4、A5 級配方案在44°～40°時可正常出渣，在39°～20°時，出現＜2mm 粒徑的粉料積料現象，積料率為2%～4%，積料率隨傾斜角度減小而增大；A3 級配方案在44°～30°時可正常出渣，在29°～20°時，出現＜2mm 粒徑的微小粉料積料現象，積料率為1%～2%。

不考慮微細粉料堆積的情況下，隨著A1-A5級配方案中大粒徑比例的增加，渣片流動速度增大。這是因為渣片粒徑的增大使自重增大了，渣片在重力的作用流動性增強。

如圖4 所示，對不同粒徑的渣片流動性進行觀測，＞20mm 粒徑的渣片自溜的模式為“滾動+滑動”，流動速度快；＜10mm 粒徑的渣片自溜的模式為“滑動”，流動速度慢。A1、A2、A3 級配方案中，＞40mm、40～10mm、＜10mm 三種粒徑比例基本均等，＜10mm 粒徑的渣片均勻地填補了＞40mm 粒徑渣片的空隙，使小粒徑的渣片在大粒徑渣片的推動作用下共同自溜。A4、A5 級配方案中＞40mm 粒徑渣片比＜10mm 粒徑的渣片相差多，小粒徑渣片沒有填補大粒徑的空隙，無法推動小粒徑渣片共同流動，大粒徑渣片快速溜下后，小粒徑渣片形成積料。

圖4 渣片出渣率

隨著渣片級配中＞20mm 比重的增加、＜2.5mm 比重的減少，在溜渣槽內壁滯留的微粉重量反而增多，＞20mm 粒徑的渣片受重力作用大，流動性強；＜2.5mm 粒徑細粉料受重力作用小，受摩擦力影響大，更容易吸附在溜渣槽內壁上，形成積料現象。在長距離斜井中，這些細粉狀的積料吸附在溜渣槽內壁后，可能增大溜渣槽的內部糙率，阻礙了后續渣片的流動性。

3 基于試驗結果的斜井TBM優化設計

3.1 文登TBM出渣情況

文登排水廊道TBM 刀盤設計直徑3530mm，全盤布置26 把滾刀，刀間距布置80mm、75mm，如圖5 所示。滾刀刃寬17mm，貫入度2～3mm，掘進速度15～20mm/min，出渣粒徑＞40mm 的占30%，＜2.5mm 的出渣粒徑占比20%，含水率1.5%左右。文登TBM 破巖情況不理想,在滾刀正向推力作用下，貫入度不能有效提高，2 個相鄰滾刀之間的巖石裂紋不能及時貫穿形成碎塊而脫落，掘進渣片的特征是巖粉多,巖粉主要是刀具研磨作用產生的。

圖5 文登TBM刀間距布置

3.2 TBM參數優化

項目規劃斜井角度約39°，斜井長度約900m，斜井洞徑斷面?7.1m。圍巖主要以Ⅱ類花崗巖為主，巖石平均單軸抗壓強度90～150MPa，針對此類圍巖條件開展利于斜井出渣的TBM 溜渣槽、刀盤刀具設計及掘進參數優化。

基于斜井TBM 自溜出渣效率方面考慮，根據試驗結果，渣片粒徑級配方案中A4、A5 出現微粉積料現象，刀盤刀具的設計和掘進參數需確保斜井TBM 掘進渣片粒徑的分布與A1、A2、A3 的級配方案吻合。即＞40mm 粒徑的渣片要多，增加渣片的流動性；同時保證＜2.5mm 粒徑的渣片比例＜14%，減少細粉料的堆積；渣片含水率在小于4%，避免出現“泥漿”。優化現有文登TBM 刀盤刀具和掘進參數，使＞40mm 的渣片增加10%左右，＜2.5mm 粒徑的渣片減少10%左右。

1）優化刀間距設計 斜井TBM 刀盤開挖直徑?7 130mm，設計50 個刀具軌跡，采用19 英寸滾刀，滾刀刀間距75～80mm，在Ⅱ類花崗巖下破巖時相鄰滾刀之間圍巖裂紋適度貫穿，避免過度破碎，以此來提高滾刀破巖效率。優化后的刀間距不但利于破巖，不過渡破碎的渣片可增加斜井自溜出渣能力。

2）優化滾刀刀圈刃型設計 在硬巖地層掘進，當滾刀貫入度較小時，產生的巖粉較多，貿然的加大推力，提高貫入度，容易造成滾刀磨損加劇，特別是刀圈斷裂等異常損壞。此時需針對性的使用高韌性刀圈，在大推力下避免刀圈斷裂；適當增大刀圈刃寬至22mm 左右，減少刀刃下方應力，避免滾刀刀圈正下方壓碎區產生過多巖粉。在大推力和合適刃寬的作用下，巖石裂紋更容易向深度方面發展，進一步形成裂紋，利于較大粒徑巖塊的形成。而貫入度不能太大，貫入度太大滾刀與巖石的作用強烈，一部分能量反而形成大量的巖粉，不利于斜井TBM 出渣。

4 結論

國內抽水蓄能電站領域引水斜井采用斜井TBM 工法施工是大勢所趨，多個抽水蓄能電站主動與斜井TBM 設備生產企業聯合進行工法研究。通過建立的大坡度斜井自溜出渣試驗臺，對山東文登抽蓄電站TBM 渣片進行溜渣試驗，得到以下結論。

1）斜井傾角大于26°時具備自溜出渣的能力。

2）渣片粒徑分布、含水率是影響斜井TBM自溜出渣的關鍵因素。

3）試驗臺僅能模擬短距離的流動性情況，微細粉料已經對流動性產生不利影響；考慮到深長斜井距離在800m 左右，斜井TBM 采用自溜出渣方式時，盡量控制渣片中微細粉料的比率，特別是微細粉料要保持合理的含水率，避免發生堵渣現象。

對于長距離斜井工程，需進一步開展堵渣情況下的輔助溜渣技術研究。