敞开式隧洞掘进机（TBM）开挖掘进速度控制及执行情况

2015-07-25王鹏飞

山西水利科技 2015年3期

关键词：刀盘围岩速度

王鹏飞

（山西省水利建筑工程局山西太原 030006）

某隧洞工程，埋深超过200 m，主洞TMB施工段面为圆形，开挖洞径为8.5 m。本文通过具体施工安排，记录在不同围岩条件下TBM掘进的参数从而进行开挖速度分析。

1 设计班组及劳动力的配置

TBM施工组织按掘进、维护、运输、保障四部分进行设置。TBM考虑设置掘进队（2个掘进工班）、维护队（1个维护工班）和1个综合保障队。TBM掘进一段时间后，根据现场具体情况可考虑是否设3个掘进工班。

掘进工班负责洞内的掘进作业和设备清理；维护工班负责设备的维护保养；运输工班负责进料和运输人员；保障工班负责备件和材料准备、洞外风水电设施保障等任务。

每个掘进班工作10 h,其中前后各0.5 h的设备清理和交接准备。掘进班中也设机电工程师跟班巡查处理故障。维护工班进行洞内4 h维护保养，与掘进班交接重叠时间0.5 h，其他工作时间为洞外维修、查阅操作维修手册、制定维修方案、撰写报告等工作。2个运输工班分别跟随掘进工班进料运输，另1运输班在维护作业期间运输人员、材料。2个保障工班倒班作业保障供给。

2 TBM掘进作业程序和方法

TBM施工主要是掘进、支护、出渣三大作业，以及轨道延伸、通风、供电、供水等其他辅助作业，一切作业以掘进作业为核心。在掘进作业的同时，锚杆作业和混凝土喷射等支护作业，以及进料、通风、供电、供水、轨道铺设等辅助作业同时进行，以降低延误掘进作业为一般原则。软弱围岩地段，根据实际情况，同时或停机进行钢拱架安装作业、挂网作业。不良地质洞段停机进行超前地质探测预报和地质处理。掘进中，随着刀盘旋转，刀盘上的铲斗将石渣从隧洞底部铲起，通过溜渣槽和装渣斗，卸在主机皮带机上，运至后配套皮带机上，最后渣料转入连续皮带机运出洞外。TBM掘进施工工序流程见图1。

图1 TBM掘进施工工序流程图

3 TBM掘进模式和掘进参数设计

TBM设置有自动控制模式和手动控制模式，自动控制模式又有推力控制模式和扭矩控制模式。岩石均匀较好时采取自动控制模式，较硬的均匀岩石采用推力控制模式，软弱岩石采用扭矩控制模式。各类围岩，均可采取手动控制模式，特别是不均匀的软弱破碎围岩。

根据不同围岩，采取不同的掘进参数匹配，达到安全、高效掘进。TBM掘进中主要需调整的掘进参数为：推进行程、刀盘转速、推进速度（相应推进力、刀盘扭矩不同）、撑靴支撑力，控制驱动电机电流不超过额定值或一定限值。

（1）Ⅱ、Ⅲ类围岩：岩石比较稳定均匀，以较大的贯入度和掘进速度进行掘进。并采取全行程掘进，支撑力与推进力采取比例控制。

（2）Ⅳ、Ⅴ围岩软弱破碎，岩石稳定性差，采取低转速、较小推力、大扭矩的模式掘进，减少围岩扰动，避免刀盘被卡和撑靴撑不住的问题。此外，断层破碎带需短行程掘进，及时加密支立钢拱架。

本工程不同围岩计划采取的掘进参数和纯掘进速度如表1所示。

表1 不同围岩掘进参数和纯掘进速度

4 TBM掘进作业循环分析

（1）Ⅱ类围岩

Ⅱ类围岩岩石稳定完整，可以较高刀盘转速、4.0 m/h掘进速度掘进，掘进一个行程1.8 m,计算所需25 min；换步5 min。随机锚杆、320°范围内需要喷射50 mm厚的混凝土，支护量小，一般不会延误掘进作业，出渣采用胶带输送机，出渣能力满足最大掘进速度要求。所以，正常Ⅱ类围岩循环时间约为30 min。实际Ⅱ类围岩掘进作业循环时间见图2。

图2 Ⅱ类围岩TBM掘进作业循环时间图

（2）Ⅲ类围岩

Ⅲ类围岩岩石稳定，有一定裂隙节理利于破岩，可以较高刀盘转速和4.2 m/h掘进速度掘进，掘进一个行程1.8 m，计算需要20 min；换步5 min。进行锚杆作业和喷混作业，初期支护量小，一般不会延误掘进作业。所以，正常Ⅲ类围岩循环时间约为31 min。实际Ⅲ类围岩掘进作业循环时间见图3。

图3 Ⅲ类围岩TBM掘进作业循环时间图

（3）Ⅳ类围岩

Ⅳ类围岩岩石基本稳定，裂隙节理较为密集，容易破岩，但局部破碎掉块，有时会产生较大岩块，造成刀盘转矩变化幅度加大，所以以较低刀盘转速和3 m/h掘进速度掘进，掘进一个行程1.8 m，计算需要31 min；换步5 min。

需要施作系统锚杆Φ22，间距1000mm×1000mm，深2 500 mm。挂钢筋网Φ8,150 mm×150 mm，挂网可与锚杆作业时间同步进行。320°范围内需要喷射160 mm厚的C20混凝土，每个行程约需6.2 m3的混凝土，混凝土罐车按每罐6.5 m3，每次两罐配置，较远距离掘进时运行时间约30 min,混凝土喷射系统按两套配置，每套20 m3/h的喷射能力，所以从配套设备能力考虑，一般喷混作业不会延误掘进作业。考虑到特殊情况下混凝土运输、罐车转移或设备故障的可能延误，喷混延误时间按15 min考虑。

具体施工中实际Ⅳ类围岩掘进作业循环时间见图4。

图4 Ⅳ类围岩TBM掘进作业循环时间图

（4）Ⅴ类围岩

Ⅴ类围岩,节理密集，软弱破碎，容易破岩，但可能会出现塌方或撑靴撑不住的情况，因此对掘进速度需要进行控制，同时需要支立拱架，有些洞段需要加密拱架或立模灌注混凝土。初步设计以较低刀盘转速和1.4 m/h低掘进速度掘进，以减少扰动，降低所需撑靴支撑力。掘进一个行程1.8 m，需要35 min；换步5 min。加密拱架掘进0.8 m，需要45 min。

需要施作系统锚杆Φ25，间距1 000 mm×1 000 mm，深3 000 mm。挂钢筋网Φ8,150 mm×150 mm,320°范围。0.8 m型钢支撑,320°范围内需要喷射160 mm厚的C20混凝土。

对于Ⅴ类围岩，掘进期间可以做支护或清渣等项工作，但掘进完毕后，还需花大量时间进行支护，主要是前部支护延误时间较多，后部机械手喷射混凝土有足够时间。支立加密拱架、大量清渣、应急喷混和立模灌注混凝土的情况对掘进延误较多。综合考虑，1.8 m掘进循环时间约150 min；Ⅴ类围岩掘进作业循环时间见图5。