单护盾隧道掘进机在砂岩、砂质泥岩地层中的掘进参数关系研究

段志强 王 力 李立功 刘大刚

(1. 中铁隧道集团有限公司，511458，广州；2. 西南交通大学土木工程学院，610036,成都//第一作者，工程师)

随着我国城市化的快速发展，城市轨道交通的建设也在高速进行中，适应城市轨道交通建设的TBM(隧道掘进机)法施工被大量使用。从理论上讲,在围岩条件具备一定自稳条件的情况下,提高TBM刀盘的推力和转速,可以提高纯掘进速度，但刀具、刀盘等掘进设备承受载荷的能力是有限的,随推力和转速的增加,掘进设备的更换和损耗也会增大。因此，既要提高纯掘进速度,又要降低掘进设备损耗,达到施工速度与工程经济性的统一,就需要在不同的围岩条件下,选择最佳掘进参数。

文献[1]为提高隧道掘进机工作效能和利用率，以采集的秦岭隧道相关工作数据为对象，研究了不同掘进状况下工作参数间的匹配规律；文献[2]结合天津地铁建国道站—天津站区间盾构施工参数记录，针对盾构掘进过程中的掘进速度和力学掘进参数进行了分析与模糊统计试验，提出了针对力学掘进参数的优化控制措施；文献[3]基于现场大量实际数据，利用数理统计原理和方法，通过SPSS、MATLAB、EXCEL等软件对这些数据进行分析，得到了掘进参数和地质参数间的相关规律，建立了各围岩类别情况下的TBM掘进性能预测多元回归数学模型。

1 工程概况与地层特性

重庆轨道交通5号线大竹林停车场—重光站区间(见图1)总长9 196.666 m(单线延米)，采用单护盾TBM施工，隧道开挖直径为6.89 m。根据地质勘测资料显示，TBM沿线穿越的地层主要包括砂岩、砂质泥岩、砂岩与砂质泥岩互层，地下水以基岩裂隙水和孔隙水为主，具体详述如下：

1) 砂质泥岩：紫红或紫色，粉砂泥质结构，巨厚—中厚层状构造，主要矿物成分为黏土质矿物，含灰绿色砂质团块、砂质条带或薄层。中等风化岩体裂隙不发育，岩体较完整。岩石饱和抗压强度标准值为7.74 MPa，为软岩，岩体基本质量等级为IV级。局部地段由于砂质含量的不同而导致力学强度差异较大。本层为施工场地基岩的主要岩性。

图1 重庆轨道交通5号线大竹林停车场—重光站区间纵剖面图

2) 砂岩：黄灰色、紫灰色，中—细粒结构，巨厚—中厚层状构造，主要矿物成分为石英和长石，含少量云母及黏土矿物，多为钙质胶结，局部夹泥质薄层条带，中等风化岩体裂隙不发育，岩体较完整。岩石饱和抗压强度标准值为27.49 MPa，为较软岩，本层岩体基本质量等级为IV级。局部地段由于泥质含量的不同而导致力学强度差异较大。

根据工程地质条件差异，将整个隧道区间分为如下3个段，其主要参数如表1所示。

表1 大竹林停车场—重光站隧道区间地质分段表

2 单护盾TBM主要掘进参数

TBM掘进参数的选择直接影响着施工速度。单护盾TBM的掘进参数主要包括油缸总推力、掘进速度、刀盘转速和刀盘扭矩。获得合理掘进速度是控制掘进参数的目的，合理的掘进速度可以保障单护盾TBM施工的快速与安全。

1) 掘进速度：掘进速度与总推力、刀盘转速和刀盘扭矩有关，其计算公式为：掘进速度=贯入度×刀盘转速。

2) 油缸总推力：刀盘上各磨损量不同的盘形滚刀对岩石施加的正压力之和。

3) 刀盘扭矩：由盘形滚刀旋转切割岩面而形成,刀盘上所有刀具总的滚动阻力决定扭矩的大小。

4) 刀盘转速：是指刀盘每分钟旋转的圈数。

本工程使用的单护盾TBM型号为CTT6820E，刀盘最大转速为7.9 r/min，理论最大推进速度为80 mm/min，刀盘额定扭矩为4 000 kN·m@3.8 r/min时，最大总推力为39 023 kN。

3 掘进参数对掘进速率的影响

将不同地层条件下的掘进参数，以掘进速度为y轴，以油缸总推力、刀盘扭矩和刀盘转速分别为x轴绘制散点图，通过散点图的趋势分析油缸总推力、刀盘扭矩和刀盘转速对掘进速度的影响规律。

3. 1 中等风化砂质泥岩段

中等风化砂质泥岩段(简为“地层1”)单护盾TBM掘进参数对掘进速度的影响，如图2～4所示。

图2 地层1下油缸总推力对掘进速度的影响

图3 地层1下刀盘扭矩对掘进速度的影响

对图2～4进行分析，可得到单护盾TBM在地层1中的正常掘进参数范围，如表2所示。

图4 地层1中刀盘转速对掘进速度的影响

掘进参数取值油缸总推力/kN9 000～10 000刀盘扭矩/(kN·m)1 450～1 700刀盘转速/(r/min)4.1、4.2、4.3最大掘进速度/(mm/min)61

由图2～4可知：

1) 随着油缸总推力的增加，掘进速度呈上升趋势，直到油缸推力达到9 000 kN时，掘进速度达到峰值；然后随着油缸总推力的增加，掘进速度平均值缓慢增加。

2) 刀盘扭矩与掘进速度成正比，当刀盘扭矩达到1 500 kN·m时，掘进速度上升趋势变缓。

3) 刀盘转速对掘进速度的影响不明确，相同刀盘转速下的掘进速度差别较大。

文献[4]分析了滚刀破岩时的受力机理。通过理论分析可知，贯入度与油缸总推力呈正相关，考虑到掘进速度=贯入度×刀盘转速，因此，选择出现较多的刀盘转速，根据相同刀盘转速下的油缸总推力与掘进速度绘制散点图(见图5～7)，通过散点图的趋势分析刀盘转速固定时油缸总推力与掘进速度的关系。

图5 地层1中刀盘转速为4.3 r/min时油缸总推力对掘进速度的影响

由图5～7可以看出：刀盘转速分别为4.3、4.2 r/min时，随着油缸总推力的增加，掘进速度上升趋势较快；刀盘转速为4.1 r/min时，随着油缸总推力的增加，掘进速度上升趋势较慢。

图6 地层1中刀盘转速为4.2 r/min时油缸总推力对掘进速度的影响

3. 2 中厚层砂岩、砂质泥岩互层(砂质泥岩占60%～80%)段

中厚层砂岩、砂质泥岩互层(砂质泥岩占60%～80%)段(简为“地层2”)的单护盾TBM掘进参数对掘进速度的影响，如图8～10所示。

图8 地层2中油缸总推力对掘进速度的影响

图9 地层2中刀盘扭矩对掘进速度的影响

图10 地层2中刀盘转速对掘进速度的影响

对图8～10进行分析，可得到此地段单护盾TBM在地层2中的正常掘进参数(见表3)及掘进参数间的关系。

1) 油缸总推力较小时通过增大电缸总推力能够提高掘进速度；当油缸总推力达到8 500 kN时，油缸总推力的增加对掘进速度的影响不明确。

2) 刀盘扭矩与掘进速度成正比，随着刀盘扭矩增大，掘进速度几乎呈线性增大。

3) 刀盘转速对掘进速度的影响不是很明确，在相同的刀盘转速下，掘进速度的差别较大。

表3 单护盾TBM在地层2中的正常掘进参数取值

相同刀盘转速下的油缸总推力与掘进速度的关系，如图11～15所示。

图11 地层2中刀盘转速为5.8 r/min时油缸总推力对掘进速度的影响

图12 地层2中刀盘转速为5.7 r/min时油缸总推力对掘进速度的影响

图13 地层2中刀盘转速为5.4 r/min时油缸总推力对掘进速度的影响

图14 地层2中刀盘转速为5.3 r/min时油缸总推力对掘进速度的影响

图15 地层2中刀盘转速为5.2 r/min时油缸总推力对掘进速度的影响

由图11～15可知：刀盘转速相同时，油缸总推力越大，掘进速度越快。

图16 地层3中油缸总推力对掘进速度的影响

3. 3 中厚层砂岩、砂质泥岩互层(砂质泥岩占30%～60%)段

中厚层砂岩、砂质泥岩互层(砂质泥岩占30%～60%)段(简为“地层3”)的单护盾TBM掘进参数对掘进速度的影响，如图16～18所示。

图17 地层3中刀盘扭矩对掘进速度的影响

图18 地层3中刀盘转速对掘进速度的影响

对图16～18进行分析，可得到单护盾TBM在地层3中的正常掘进参数，如表4所示。

表4 单护盾TBM在地层3中的正常掘进参数取值

由图16～18可知：

1) 掘进速度随油缸总推力的增加先上升再下降，在油缸总推力为9 000～10 000 kN时掘进速度取得峰值；

2) 掘进速度随刀盘扭矩增加而增加，两者之间的关系基本符合线性增长的规律；

3) 刀盘转速较大时最高掘进速度也较大，当刀盘转速为6.3 mm/min时掘进速度取得最大值，总体而言，相同转速条件下的掘进速度差别较大。

相同刀盘转速下的油缸总推力与掘进速度关系，如图19～23所示。

由图19～23可知：刀盘转速为6.0 r/min、6.1 r/min、6.2 r/min时，随着油缸总推力的增加，掘进速度增加量较大；当刀盘转速为5.9 r/min、5.8 r/min时，随油缸总推力的增加掘进速度的变化较小。

图19 地层3中刀盘转速为6.2 r/min时油缸总推力对掘进速度的影响

图20 地层3中刀盘转速为6.1 r/min时油缸总推力对掘进速度的影响

图21 地层3中刀盘转速为6.0 r/min时油缸总推力对掘进速度的影响

图22 地层3中刀盘转速为5.9 r/min时油缸总推力对掘进速度的影响

图23 地层3中刀盘转速为5.8 r/min时油缸总推力对掘进速度的影响

4 掘进参数拟合方程

按照以上3种地层的掘进参数，可以拟合成3组直线方程。

1) 中等风化砂质泥岩:

V=0.002 5F+17.783

V=0.009 7T+27.81

2) 中厚层砂岩、砂质泥岩互层(砂质泥岩占60%～80%):

V=0.000 5F+42.838

V=0.020 5T+27.378

3) 中厚层砂岩、砂质泥岩互层(砂质泥岩占30%～60%):

V=0.001 6F+40.677

V=0.018 3T+23.816

式中：

V——掘进速度，mm/min；

F——油缸总推力，kN；

T——刀盘扭矩，kN·m。

本文分析的单护盾TBM掘进工程，当采用文中给出的掘进参数取值进行施工时，最高月进尺达到526 m，施工效率和安全性较高，施工经济性较好，隧道成型质量较高，未出现长时间卡机等问题。

5 结语

国内外对单护盾TBM在城市轨道交通砂岩、砂质泥岩地层掘进参数的研究未有先例。本文通过对砂岩、砂质泥岩地段的单护盾TBM掘进参数进行统计分析，获得了3种地层工况中的掘进参数推荐值，对于类似工程有一定的指导意义；拟合了掘进参数间的相关性关系，明确了以下掘进速度与刀盘总推力和刀盘扭矩间的关系：

1) 随着刀盘总推力的增加，掘进速度呈增加趋势，扭矩与掘进速度均呈正比关系；

2) 当刀盘转速一定时，大部分情况下刀盘总推力与掘进速度正相关。

本文研究结果，对于刀盘转速对掘进速度的直接影响尚不是很明确，后续可采用理论分析法对此开展进一步研究。