新疆某輸水工程TBM連續(xù)皮帶機(jī)出渣速度研究

冉建西，李文新，李 鵬

(1.水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 83000；2. 中鐵十八局集團(tuán)隧道工程有限公司，重慶 400700)

我國(guó)大型調(diào)水工程中，特長(zhǎng)隧洞多采用全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)(TBM)施工。早期特長(zhǎng)隧洞TBM施工主要采用內(nèi)燃機(jī)牽引有軌運(yùn)輸出渣方式，至遼寧大伙房水庫(kù)輸水工程首次引進(jìn)連續(xù)皮帶機(jī)出渣系統(tǒng)[1]，充分發(fā)揮運(yùn)量大、出渣迅速、TBM設(shè)備利用率高等優(yōu)點(diǎn)，得到了逐漸關(guān)注和推廣，現(xiàn)在連續(xù)皮帶機(jī)系統(tǒng)已成為T(mén)BM施工標(biāo)配。由于我國(guó)連續(xù)皮帶出渣技術(shù)起步較晚，皮帶機(jī)的性能、壽命、控制系統(tǒng)與美日德等國(guó)還存在差距。因此，本文就新疆某輸水工程無(wú)壓隧洞連續(xù)皮帶機(jī)實(shí)測(cè)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速角度，研究TBM渣料對(duì)出渣速度影響，探討連續(xù)皮帶機(jī)系統(tǒng)根據(jù)渣料特征智能控制驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速可能性，從而提高設(shè)備性能，拿出基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)，希望為我國(guó)皮帶機(jī)制造提供些許啟發(fā)和幫助。

1 工程概況

新疆某輸水工程無(wú)壓隧洞總長(zhǎng)92.35km，該工程共分為3個(gè)標(biāo)段，本文結(jié)合SSⅡ標(biāo)TBM1- 2施工段具體情況，對(duì)TBM連續(xù)皮帶機(jī)出渣速度與掘進(jìn)效率關(guān)系作研究分析。該洞段位于樁號(hào)SD10+245.307～SD21+031.160范圍內(nèi)，其中主洞段長(zhǎng)10.79km，縱坡1/5000，主要采用開(kāi)敞式TBM開(kāi)挖；1#支洞段長(zhǎng)1.06km，綜合縱坡11.6%，采用鉆爆法開(kāi)挖。TBM開(kāi)挖洞徑5.5m圓形斷面，過(guò)流洞徑4.4～5.5m，主要襯砌形式為噴錨支護(hù)，局部采用噴錨支護(hù)和鋼筋混凝土襯砌的復(fù)合襯砌型式。 該標(biāo)段TBM掘進(jìn)距離長(zhǎng)、速度快，為了掘進(jìn)速度與出渣速度相互匹配，因此采用長(zhǎng)距離連續(xù)皮帶機(jī)出渣方案，皮帶機(jī)沿主洞掘進(jìn)方向布置，在1#支洞交匯處向洞皮帶機(jī)的轉(zhuǎn)渣，再由支洞皮帶機(jī)向洞外出渣。

該標(biāo)段隧洞主要為泥盆系和石炭系凝灰質(zhì)砂巖、凝灰質(zhì)粉砂巖、凝灰角礫巖，局部夾砂巖、炭質(zhì)頁(yè)巖、炭質(zhì)泥巖，巖體呈巨厚層狀，屬中～堅(jiān)硬巖。巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度主要在50MPa～110MPa之間，主要以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主，Ⅳ、Ⅴ類圍巖占比較低，以碎裂巖和斷層角礫巖、炭化巖為主。沿線地下水以基巖裂隙水為主，地下水主要貯存于斷層破碎帶、裂隙密集帶與不同地層或巖性的接觸帶，隧洞穿過(guò)這些地段時(shí)大多以滲水、滴水為主，局部為線狀流水。

2 連續(xù)皮帶機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

連續(xù)皮帶機(jī)的輸送量應(yīng)與TBM掘進(jìn)速度、出渣量等相匹配，輸送量應(yīng)根據(jù)渣料的粒徑、堆積密度、帶速等綜合考慮設(shè)計(jì)[2]。本研究以新疆某輸水工程SSⅡ標(biāo)TBM1- 2施工段為背景，其使用連續(xù)皮帶機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 連續(xù)皮帶機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

本工程TBM開(kāi)挖斷面為24m2，按照最大掘進(jìn)速度6m/h計(jì)算，每小時(shí)最大出渣量約為403t，連續(xù)皮帶機(jī)額定輸送能力為600t/h，其輸送能力滿足TBM大出渣量的需要。

3 TBM渣料特征對(duì)出渣速度影響

3.1 渣料構(gòu)成

開(kāi)敞式TBM渣料主要有片狀和塊狀巖渣、巖粉及構(gòu)造填充物構(gòu)成。TBM依靠刀盤(pán)上分布的滾刀進(jìn)行破巖，滾刀在推力作用下對(duì)掌子面擠壓破碎，破碎面主要沿巖體節(jié)理面、風(fēng)化面等軟弱結(jié)構(gòu)面形成，造成不同圍巖類別渣料構(gòu)成也不相同，工程渣樣如圖1所示。

圖1 TBM渣料巖樣

從圖1可以看出，堅(jiān)硬的Ⅱ類圍巖：巖渣中巖石部分主要呈薄片狀，內(nèi)含少量粒狀結(jié)構(gòu)，粒徑一般為1～5cm，且較為均勻,少見(jiàn)節(jié)理面，巖粉主要由刀具切割后的研磨物，呈粉末狀或細(xì)粒狀黏結(jié)團(tuán)；較完整的Ⅲa類圍巖：塊狀巖渣占40%～70%，厚片狀巖渣占10%～20%，并有少量刀具切割巖粉填充，粒徑一般為3～10cm，常見(jiàn)大塊，塊狀巖塊粒度不均，巖渣中一般可見(jiàn)節(jié)理面；完整性較差的Ⅲb類圍巖：塊狀巖渣占60%～90%，厚片狀巖渣占10%～40%，粒徑一般為3～20cm，巖塊粒度不均勻，偶有30cm左右的大塊出現(xiàn)，常見(jiàn)未切割巖塊，巖渣中多見(jiàn)節(jié)理面，巖粉有刀具切割和構(gòu)造巖粉組成；較為破碎的Ⅳ類圍巖：基本均為塊狀巖渣，巖塊粒徑一般為5～30cm，巖塊粒度相差較大，常見(jiàn)未切割巖塊，巖渣常見(jiàn)棱角狀為切割巖塊，渣料中可見(jiàn)明顯糜棱巖、斷層泥等填充物。本標(biāo)段Ⅴ類圍巖僅有10m，由于樣本過(guò)少本文不作討論。

隨圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育、圍巖破碎程度提高，TBM渣料由片狀結(jié)構(gòu)向塊狀結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)換，巖塊粒徑增大并伴隨均勻性變差，由此可根據(jù)皮帶機(jī)上塊狀巖渣出現(xiàn)不連續(xù)頻率計(jì)算不良地質(zhì)連續(xù)面組數(shù)，渣料組成判斷圍巖的破碎程度，大致評(píng)估圍巖地質(zhì)情況[3]。

3.2 皮帶驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速分析

驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速是反映連續(xù)皮帶機(jī)出渣速度的重要指標(biāo)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集連續(xù)皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，并按照不同圍巖類別做出歸納統(tǒng)計(jì)，從而關(guān)聯(lián)分析TBM渣料特征對(duì)出渣速度影響。Ⅱ～Ⅳ圍巖類別對(duì)應(yīng)的皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速頻數(shù)分布如圖2所示。

從圖2分析可知，在Ⅱ～Ⅳ類圍巖中皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速基本在750～850r/min 之間，占比依次為97%、98%、91%、83%，Ⅱ、Ⅲa類圍巖出渣快且速度相似。不同圍巖類別對(duì)應(yīng)的高驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速區(qū)間占比排序?yàn)棰骲>Ⅱ>Ⅲa>Ⅳ，Ⅱ、Ⅲ類圍巖的高轉(zhuǎn)速差距不大，Ⅳ類圍巖轉(zhuǎn)速明顯變慢。在各類圍巖中，700～750r/min低驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速區(qū)間對(duì)反映TBM渣料特征對(duì)出渣速度影響具有代表性，其轉(zhuǎn)速占比排序?yàn)棰?Ⅲa)<Ⅲb<Ⅳ，說(shuō)明隨著圍巖越來(lái)越差，TBM渣料粒徑均勻性和連續(xù)性也會(huì)變差，從而影響皮帶機(jī)出渣效率，出渣速度隨之變慢。

圖2 皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速頻數(shù)分布

4 出渣速度與掘進(jìn)效率分析

基于該輸水工程SSⅡ標(biāo)TBM1- 2施工段實(shí)測(cè)掘進(jìn)數(shù)據(jù)，通過(guò)連續(xù)皮帶機(jī)出渣速度與掘進(jìn)效率之間的研究中，主要是驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速與巖石強(qiáng)度、日進(jìn)尺參數(shù)之間繪制散點(diǎn)圖進(jìn)行趨勢(shì)擬合，得出擬合關(guān)系式。

整理連續(xù)皮帶機(jī)實(shí)際測(cè)量的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速、巖石抗壓強(qiáng)度試塊檢測(cè)成果以及與之對(duì)應(yīng)的日進(jìn)尺，建立驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速RPM與巖石強(qiáng)度UCS、日進(jìn)尺FTG的擬合關(guān)系式及回歸系數(shù)見(jiàn)表2，如圖3所示。

表2 RPM與TBM掘進(jìn)參數(shù)擬合關(guān)系式

圖3 RPM與TBM掘進(jìn)參數(shù)擬合關(guān)系圖

由圖3分析可知，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速RPM與巖石強(qiáng)度UCS、日進(jìn)尺FTG回歸系數(shù)R2相關(guān)性FTG>UCS，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速與日進(jìn)尺相關(guān)度較高，即可通過(guò)RPM擬合式預(yù)估TBM掘進(jìn)速度，而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速與巖石強(qiáng)度相關(guān)度一般。

5 結(jié)論

根據(jù)新疆某輸水工程SSⅡ標(biāo)TBM1- 2施工段采集到的開(kāi)敞式TBM掘進(jìn)數(shù)據(jù)，通過(guò)連續(xù)皮帶機(jī)出渣速度與TBM渣料特征、掘進(jìn)效率分析研究，得到主要結(jié)論如下：

(1)隨圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育、圍巖破碎程度提高，TBM渣料由片狀結(jié)構(gòu)向塊狀結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)換，巖塊粒徑增大并伴隨均勻性變差。

(2)低驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速區(qū)間占比情況最能說(shuō)明TBM渣料特征對(duì)出渣速度的影響。隨著圍巖越來(lái)越差，TBM渣料粒徑均勻性和連續(xù)性也會(huì)變差，從而影響皮帶機(jī)出渣效率，出渣速度隨之變慢。

(3)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速RPM與日進(jìn)尺FTG之間呈線性關(guān)系，擬合關(guān)系式為：FTG=0215RPM-1408，回歸系數(shù)R2=0.797，相關(guān)度較高。

通過(guò)連續(xù)皮帶機(jī)出渣速度與掘進(jìn)效率之間的研究，希望能為今后TBM連續(xù)皮帶機(jī)設(shè)計(jì)、圍巖地質(zhì)預(yù)測(cè)以及TBM掘進(jìn)施工等方面提供些許幫助和參考。