论文部分内容阅读
摘 要：撑靴式掘进机是用于硬岩隧道项目中中等到硬的强岩层中进行隧道开挖的隧道掘进机（TBM：Tunnel Boring Machine），本文以巴基斯坦N-J项目为实例，就海瑞克公司TBM设备掘进系统的设计、基本技术参数的确定等做简要介绍。
关键词：TBM；设计；参数
1、工程概况
巴基斯坦N-J项目为长隧洞引水式水电站，该工程在NEELUM河上建拦水坝和取水口，开挖一条穿过JHELUM河的引水隧洞，利用其间河水天然落差发电。引水隧洞总长28.6km（单线洞和双线洞交错布置），共设置5条施工支洞（分别为A1～A5），其中A1、A2支洞间的引水隧洞长13，577m，在此段引水隧洞采用TBM进行掘进施工。TBM施工段为双线洞，采用两台TBM自下向上逆坡掘进，单台TBM掘进长度约为11.5km，左侧洞设计纵坡为0.7787%，右侧洞设计纵坡为0.007875%，设计开挖直径为8.5m。TBM施工段沿线地质条件复杂，具有埋深大（300m-2000m之间）、洞线长的特点，存在高压外水、泥页岩遇水软化及膨胀、高埋深洞段大收敛变形、涌（突）水、围岩稳定性差及隧洞穿越断层破碎带等主要工程地质问题。根据勘测资料，Q1围岩占0%，Q2围岩占8%，Q3围岩占40%，Q4围岩占43%，Q5围岩占9%；地质条件较差，因此TBM选型除要满足长距离快速掘进的需要，同时要求TBM具有在该地层段很强的施工能力。
2、TBM 掘进系统的设计
TBM 掘进系统主要包括主机系统、撑靴系统、推进系统、出渣系统（皮带机系统）以及后配套系统等多个系统构成，这些系统的设计要相互匹配，才能最大限度的满足施工安全，并发挥TBM的挖掘效率，因此对TBM系统的设计尤其重要。
（1）TBM主机系统：
1）刀盘：刀盘设计分成中心块和四个边块，便于运输和组装。通过刮渣斗的设计来限制石渣进入运渣系统的量，从而防止堵塞。刀盘上负有高荷载刀具，在本工程设计中，地质为山体硬岩，均采用标准17双刃滚刀。
2）主轴承：三轴滚柱轴承与掘进机具有的大推进力相匹配。主轴承由一个专门的密封系统进行保护。
3）主驱动：刀盘驱动方式有电动和液压两种，本工程为大功率，大扭矩运行，采用12台水冷式电机，用变频驱动连同行星齿轮减速器驱动一个内部大齿轮带动刀盘转动。并在4#电机处设有液压制动装置。
4）刀盘护盾：使用液压油缸在主机顶部、下部及两侧支撑护盾，可以在开挖时稳定撑靴掘进机。顶部支护装有指形护盾以保护从事隧洞支护操作的人员。
（2）撑靴系统：
1）撑靴及撑靴油缸：浮动撑靴油缸在掘进时撑出抵住隧道壁，用以抵挡推进油缸产生的反作用力和刀盘旋转产生的扭矩的反作用力；并且允许掘进机在掘进过程中进行调向。
2）后部支撑：在重新定位过程中支撑机器后面部分的重量。
（3） 推进系统：推进系统的尺寸依据刀盘设计和预计的盾体摩擦而设计。
（4） 围岩支护设备：进行必要围岩安全支护的设备，如钢拱架安装机、L1区锚杆钻机、L1区喷护机、超前钻机、伞状钻机等。由于本工程地质较复杂，地质条件较差，所以设计有超前钻机作为超前地质勘探或者局部扩挖；在盾体后面设计有L1区锚杆钻机及喷护机，顶部的支护直接在撑靴护盾后面的L1区域、在指形护盾内进行；这样来保证TBM操作人员的安全。用于锚杆和挂网支护的区域较大；并且，通过选择的较大的工作范围，支护工作可以在掘进过程中同时进行；在Q3、Q4、Q5类围岩安装钢拱架，防止坍塌。
（5）后配套系统：
后配套系统就是装于主机后平台车上，为主机开挖提供支持的所有设备。它包括运输系统，二次通风、除尘和降温系统、出渣系统（皮带机出渣系统）、支护系统、供配电系统、液压动力系统以及激光导向系统等等。
1）运输系统：包括1#、2#材料吊机：主要用于调运钢拱架等材料；
轨道吊机：主要用于后配套前进的轨道铺设；
翻渣吊机：主要用于清理废渣，翻运至皮带机出渣；
1#、2#砂浆罐吊机：主要用于吊运喷护浆液罐；
风管吊机、皮带机吊机：用于延伸通风管和延伸皮带；
2） 二次通风、除尘和降温系统：为TBM提供适合的通风效果，通风流速为800m3/h，通过两套降温系统使得通风温度约为25°左右。
3） 出渣系统（皮带机出渣系统）：分为机器皮带机和后配套皮带机两部分，机器皮带机位于主梁内，从刀盘刮渣斗到后支撑，此节可以移动，便于换刀；后配套皮带机从后支撑到机器尾，与隧道皮带相交。
4） 支护系统：锚杆设备可以使用下面几种类型的锚杆：注浆或双液注浆钢制锚杆，摩擦式（膨胀）锚杆或自锚式锚杆。每种锚杆都有其专门的安装方式。本工程采用注浆式锚杆的方式。
5） 供配电系统：动力部分：本工程中高压电为20KV，经高压开关柜及三台变压器变为400V和690V。两台20KV/690V变压器总容量为5400KVA专供主电机，通过PI-调节器变频控制。一台20KV/400V变压器供其他用电设备，总容量为2000KVA。控制部分：掘进机的所有主要控制操作都在控制室内进行，控制室内的程序控制系统、数据采集系统、测量和数据卡等设计在一起便于故障排查。控制系统的核心部件为西门子S7 PLC 控制系统，用它来控制掘进机的主要功能。在配电柜里装有它的远程接口单元。在控制台内PLC系统通过接口与一台工业计算机相连。所有系统都有误操作安全保护功能，有一些互锁功能避免在错误的条件下失误地启动设备。全部电气设备采用水冷方式冷却。
5）液压动力系统：分为L1区、L2区、和其他液压系统三个单独泵站提供动力，最大操作压力为350 bar。
6）激光导向系统：TBM 激光导向系统的基本组成主要由激光测量单元、后视棱镜和前视棱镜（激光靶）单元、测倾仪单元、控制单元、数据传输等单元组成。TBM 激光导向系统具有数据的输入与输出功能、数据处理与存储功能、自动监测功能、数据传输抗强电干扰功能。 3、TBM的参数计算与选择
3.1 TBM的参数计算：
（1）基本参数：本工程隧道切削直径 d=8500mm；隧道内径di=8200mm一个行程长度It=1800mm；平均掘进速度Ss=50mm/min。
（2）开挖面积：A=π*（d/4）2=3.14*85002/4=56.7m2
（3）每个行程土体开挖量：V=A*It=56.7*1.8=102m3
（4）每个行程掘进时间：Ts=1800/50=36min
（5）混凝土喷射灌浆面积：Ar=π*（d/4）2 -π*（di/4）2=3.14*（85002-82002）/4=2.8m2
（6）混凝土喷射量净值：Vr=Ar*It=2.8*1.8=5.1m3
（7）混凝土回弹损失=20%，混凝土喷射量：VR=Vr*/（1-20%）=5.1/0.8=6.3m3
（8）混凝土泵注浆=VR/Ts=6.3/36=0.175m3/min=10.5m3/h
皮带机输送能力计算：
（1）渣土密度：2.7T/m3T，最大掘进速度：Vmax=90 mm/min=5.4m/h
（2）每个循环输送重量：T=V*2.7T/m3=102*2.7=276T
（3）最大输送能力=A*Vmax=56.7*5.4=306m3/h，即：306*2.7=827T/h
3.2 TBM参数选择
最终根据计算，所选用的TBM掘进油缸选用4根，每循环行程1800mm，油缸压力在350bars时推力约为27500KN；撑靴油缸选用2组，行程3585mm，油缸压力在350bars时推力约为55000KN。
主驱动选用12台水冷电机每台350KW，变频调速，转速为0-6.7r/min，最大脱困扭矩15600KNm。
冷却水流量最小为160m3/h，最大进水温度控制在25°，二次通风选用两台75KW通风机，除尘系统选用两台45KW风机，流速为800m3/h。
机器皮带机和后配套皮带机选择皮带速度均为3.5m/s，输送能力为1000T/h；
3.3TBM的选择
TBM的性能及其对地质条件和工程施工特点的适应性是隧洞施工成败的关键，所以采用TBM掘进法施工，就必须选择最佳的掘进施工方法和选择最适宜的TBM。选型应遵循下列原则：
a、安全性、可靠性、先进性、经济性相统一
b、满足隧道外径、长度、埋深和地质条件、沿线地形以及洞口条件等环境条件；
c、满足安全、质量、工期、造价及环保要求；
d、后配套设备与主机配套，满足生产能力与主机掘进速度的要求，工作状态相适应，且能耗小、效率高，同时应具有施工安全、结构简单、布置合理和易于维护保养的特点。
4、结束语
TBM法与钻爆法相比较具有快速、优质、经济、安全及环保等优点，一般长隧洞施工如条件许可应优选TBM法。利用 TBM 法开挖隧洞，要实现其优越性，对 TBM 系统的选型、设计相当重要。首先根据不同类型 TBM 的特点，结合隧洞的地质情况，选择合理的 TBM 类型；其次是合理确定 TBM 主机系统中的支撑系统，刀盘直径、滚刀、刀间距、转速以及刀盘的驱动方式和扭矩；第三要根据隧洞的地质情况和主机开挖的速率，科学合理确定后配套系统，这样能够使 TBM 在开挖过程中各个工序有条不紊地进行，最大限度的发挥 TBM 开挖高效率。（作者单位：中国葛洲坝集团第五工程有限公司）
关键词：TBM；设计；参数
1、工程概况
巴基斯坦N-J项目为长隧洞引水式水电站，该工程在NEELUM河上建拦水坝和取水口，开挖一条穿过JHELUM河的引水隧洞，利用其间河水天然落差发电。引水隧洞总长28.6km（单线洞和双线洞交错布置），共设置5条施工支洞（分别为A1～A5），其中A1、A2支洞间的引水隧洞长13，577m，在此段引水隧洞采用TBM进行掘进施工。TBM施工段为双线洞，采用两台TBM自下向上逆坡掘进，单台TBM掘进长度约为11.5km，左侧洞设计纵坡为0.7787%，右侧洞设计纵坡为0.007875%，设计开挖直径为8.5m。TBM施工段沿线地质条件复杂，具有埋深大（300m-2000m之间）、洞线长的特点，存在高压外水、泥页岩遇水软化及膨胀、高埋深洞段大收敛变形、涌（突）水、围岩稳定性差及隧洞穿越断层破碎带等主要工程地质问题。根据勘测资料，Q1围岩占0%，Q2围岩占8%，Q3围岩占40%，Q4围岩占43%，Q5围岩占9%；地质条件较差，因此TBM选型除要满足长距离快速掘进的需要，同时要求TBM具有在该地层段很强的施工能力。
2、TBM 掘进系统的设计
TBM 掘进系统主要包括主机系统、撑靴系统、推进系统、出渣系统（皮带机系统）以及后配套系统等多个系统构成，这些系统的设计要相互匹配，才能最大限度的满足施工安全，并发挥TBM的挖掘效率，因此对TBM系统的设计尤其重要。
（1）TBM主机系统：
1）刀盘：刀盘设计分成中心块和四个边块，便于运输和组装。通过刮渣斗的设计来限制石渣进入运渣系统的量，从而防止堵塞。刀盘上负有高荷载刀具，在本工程设计中，地质为山体硬岩，均采用标准17双刃滚刀。
2）主轴承：三轴滚柱轴承与掘进机具有的大推进力相匹配。主轴承由一个专门的密封系统进行保护。
3）主驱动：刀盘驱动方式有电动和液压两种，本工程为大功率，大扭矩运行，采用12台水冷式电机，用变频驱动连同行星齿轮减速器驱动一个内部大齿轮带动刀盘转动。并在4#电机处设有液压制动装置。
4）刀盘护盾：使用液压油缸在主机顶部、下部及两侧支撑护盾，可以在开挖时稳定撑靴掘进机。顶部支护装有指形护盾以保护从事隧洞支护操作的人员。
（2）撑靴系统：
1）撑靴及撑靴油缸：浮动撑靴油缸在掘进时撑出抵住隧道壁，用以抵挡推进油缸产生的反作用力和刀盘旋转产生的扭矩的反作用力；并且允许掘进机在掘进过程中进行调向。
2）后部支撑：在重新定位过程中支撑机器后面部分的重量。
（3） 推进系统：推进系统的尺寸依据刀盘设计和预计的盾体摩擦而设计。
（4） 围岩支护设备：进行必要围岩安全支护的设备，如钢拱架安装机、L1区锚杆钻机、L1区喷护机、超前钻机、伞状钻机等。由于本工程地质较复杂，地质条件较差，所以设计有超前钻机作为超前地质勘探或者局部扩挖；在盾体后面设计有L1区锚杆钻机及喷护机，顶部的支护直接在撑靴护盾后面的L1区域、在指形护盾内进行；这样来保证TBM操作人员的安全。用于锚杆和挂网支护的区域较大；并且，通过选择的较大的工作范围，支护工作可以在掘进过程中同时进行；在Q3、Q4、Q5类围岩安装钢拱架，防止坍塌。
（5）后配套系统：
后配套系统就是装于主机后平台车上，为主机开挖提供支持的所有设备。它包括运输系统，二次通风、除尘和降温系统、出渣系统（皮带机出渣系统）、支护系统、供配电系统、液压动力系统以及激光导向系统等等。
1）运输系统：包括1#、2#材料吊机：主要用于调运钢拱架等材料；
轨道吊机：主要用于后配套前进的轨道铺设；
翻渣吊机：主要用于清理废渣，翻运至皮带机出渣；
1#、2#砂浆罐吊机：主要用于吊运喷护浆液罐；
风管吊机、皮带机吊机：用于延伸通风管和延伸皮带；
2） 二次通风、除尘和降温系统：为TBM提供适合的通风效果，通风流速为800m3/h，通过两套降温系统使得通风温度约为25°左右。
3） 出渣系统（皮带机出渣系统）：分为机器皮带机和后配套皮带机两部分，机器皮带机位于主梁内，从刀盘刮渣斗到后支撑，此节可以移动，便于换刀；后配套皮带机从后支撑到机器尾，与隧道皮带相交。
4） 支护系统：锚杆设备可以使用下面几种类型的锚杆：注浆或双液注浆钢制锚杆，摩擦式（膨胀）锚杆或自锚式锚杆。每种锚杆都有其专门的安装方式。本工程采用注浆式锚杆的方式。
5） 供配电系统：动力部分：本工程中高压电为20KV，经高压开关柜及三台变压器变为400V和690V。两台20KV/690V变压器总容量为5400KVA专供主电机，通过PI-调节器变频控制。一台20KV/400V变压器供其他用电设备，总容量为2000KVA。控制部分：掘进机的所有主要控制操作都在控制室内进行，控制室内的程序控制系统、数据采集系统、测量和数据卡等设计在一起便于故障排查。控制系统的核心部件为西门子S7 PLC 控制系统，用它来控制掘进机的主要功能。在配电柜里装有它的远程接口单元。在控制台内PLC系统通过接口与一台工业计算机相连。所有系统都有误操作安全保护功能，有一些互锁功能避免在错误的条件下失误地启动设备。全部电气设备采用水冷方式冷却。
5）液压动力系统：分为L1区、L2区、和其他液压系统三个单独泵站提供动力，最大操作压力为350 bar。
6）激光导向系统：TBM 激光导向系统的基本组成主要由激光测量单元、后视棱镜和前视棱镜（激光靶）单元、测倾仪单元、控制单元、数据传输等单元组成。TBM 激光导向系统具有数据的输入与输出功能、数据处理与存储功能、自动监测功能、数据传输抗强电干扰功能。 3、TBM的参数计算与选择
3.1 TBM的参数计算：
（1）基本参数：本工程隧道切削直径 d=8500mm；隧道内径di=8200mm一个行程长度It=1800mm；平均掘进速度Ss=50mm/min。
（2）开挖面积：A=π*（d/4）2=3.14*85002/4=56.7m2
（3）每个行程土体开挖量：V=A*It=56.7*1.8=102m3
（4）每个行程掘进时间：Ts=1800/50=36min
（5）混凝土喷射灌浆面积：Ar=π*（d/4）2 -π*（di/4）2=3.14*（85002-82002）/4=2.8m2
（6）混凝土喷射量净值：Vr=Ar*It=2.8*1.8=5.1m3
（7）混凝土回弹损失=20%，混凝土喷射量：VR=Vr*/（1-20%）=5.1/0.8=6.3m3
（8）混凝土泵注浆=VR/Ts=6.3/36=0.175m3/min=10.5m3/h
皮带机输送能力计算：
（1）渣土密度：2.7T/m3T，最大掘进速度：Vmax=90 mm/min=5.4m/h
（2）每个循环输送重量：T=V*2.7T/m3=102*2.7=276T
（3）最大输送能力=A*Vmax=56.7*5.4=306m3/h，即：306*2.7=827T/h
3.2 TBM参数选择
最终根据计算，所选用的TBM掘进油缸选用4根，每循环行程1800mm，油缸压力在350bars时推力约为27500KN；撑靴油缸选用2组，行程3585mm，油缸压力在350bars时推力约为55000KN。
主驱动选用12台水冷电机每台350KW，变频调速，转速为0-6.7r/min，最大脱困扭矩15600KNm。
冷却水流量最小为160m3/h，最大进水温度控制在25°，二次通风选用两台75KW通风机，除尘系统选用两台45KW风机，流速为800m3/h。
机器皮带机和后配套皮带机选择皮带速度均为3.5m/s，输送能力为1000T/h；
3.3TBM的选择
TBM的性能及其对地质条件和工程施工特点的适应性是隧洞施工成败的关键，所以采用TBM掘进法施工，就必须选择最佳的掘进施工方法和选择最适宜的TBM。选型应遵循下列原则：
a、安全性、可靠性、先进性、经济性相统一
b、满足隧道外径、长度、埋深和地质条件、沿线地形以及洞口条件等环境条件；
c、满足安全、质量、工期、造价及环保要求；
d、后配套设备与主机配套，满足生产能力与主机掘进速度的要求，工作状态相适应，且能耗小、效率高，同时应具有施工安全、结构简单、布置合理和易于维护保养的特点。
4、结束语
TBM法与钻爆法相比较具有快速、优质、经济、安全及环保等优点，一般长隧洞施工如条件许可应优选TBM法。利用 TBM 法开挖隧洞，要实现其优越性，对 TBM 系统的选型、设计相当重要。首先根据不同类型 TBM 的特点，结合隧洞的地质情况，选择合理的 TBM 类型；其次是合理确定 TBM 主机系统中的支撑系统，刀盘直径、滚刀、刀间距、转速以及刀盘的驱动方式和扭矩；第三要根据隧洞的地质情况和主机开挖的速率，科学合理确定后配套系统，这样能够使 TBM 在开挖过程中各个工序有条不紊地进行，最大限度的发挥 TBM 开挖高效率。（作者单位：中国葛洲坝集团第五工程有限公司）