管會生，張 瑀，楊延棟

(西南交通大學機械工程學院，四川成都 610031)

0 引言

新街臺格廟礦區(qū)擬采用雙模式盾構來開挖一條便于煤礦開采運輸?shù)男本淼?，該盾構具有土壓平?EPB)盾構和單護盾TBM 2種掘進模式，通過2種模式之間的快速轉換，既能快速穿過中硬地層，又能安全通過軟弱、富水或含破碎帶等不良地層。

掘進參數(shù)配置是盾構施工中的重要環(huán)節(jié)，配置不當將嚴重影響盾構的高效掘進。盾構法應用于煤礦斜井隧道在國內尚屬首次，相關研究較少。為保證斜井隧道施工能夠安全、快速、高效地進行，有必要對雙模盾構關鍵掘進參數(shù)的配置進行分析研究。

盾構掘進參數(shù)主要包括盾構推力、刀盤扭矩、土艙壓力、刀盤轉速、推進速度和切深等。目前對于掘進參數(shù)的相關研究有:呂強［1］建立了盾構總推力、刀盤扭矩、螺旋輸送機參數(shù)的數(shù)學模型及計算公式，并與室內試驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)場掘進數(shù)據(jù)進行了對照分析;崔國華等［2］論述了盾構推力、刀盤扭矩、驅動功率等關鍵參數(shù)的計算方法，并進行了實例計算;鄭志敏［3］研究了復合式盾構在閉式和開式2種模式下推力的計算方法，針對廣州的風化巖地層進行了計算;張厚美［4］利用廣州地鐵3號線的盾構掘進數(shù)據(jù)，建立了掘進速度、刀盤扭矩與盾構推力、土艙壓力、刀盤轉速的數(shù)學模型。以上研究多集中在參數(shù)計算模型和基于掘進數(shù)據(jù)的參數(shù)分析上，針對盾構隧道工程施工條件給出關鍵掘進參數(shù)配置的研究卻很少。

本文以新街臺格廟煤礦斜井隧道工程為研究對象，從2種掘進模式下關鍵掘進參數(shù)的計算入手，對雙模盾構整個掘進過程中關鍵參數(shù)的配置要求展開研究。

1 工程概況

新街礦區(qū)煤礦斜井隧道最大埋深達到660 m，采用雙模式盾構6°下坡連續(xù)掘進，隧道長度超過6 km。斜井穿過風積沙、砂巖、砂卵石地層、砂質泥巖、煤層等地層。巖石抗壓強度多在20～60 MPa，普遍在30 MPa以下，軟弱至中等硬度［5］。由于隧道埋深大于400 m的地層穩(wěn)定性好，從模式轉換的時間周期和安全性角度考慮，建議減少轉換次數(shù)，在埋深400 m附近轉換一次，由EPB模式轉換為單護盾TBM模式。

2 斜井盾構關鍵掘進參數(shù)配置原則

煤礦斜井雙模盾構關鍵參數(shù)配置的目標是保證掘進過程安全、快速、高效。對于能夠自穩(wěn)且含水量少的地層，應充分發(fā)揮機器的能力，使盾構在最大推進速度下快速掘進。對于軟弱、富水或含破碎帶等不良地層，應適當減小刀盤轉速和切深，做好支護、防水等防護措施;EPB模式下還應特別注意控制土艙壓力，以確保盾構掘進安全。對于刀盤易結泥餅、刀具易磨損等地層，應適當減小刀盤切深，注重高效掘進，避免刀盤因堵轉或停機換刀等因素帶來的施工停滯。

斜井地層條件復雜多變，雙模盾構在不同特征的地層條件下，掘進參數(shù)配置也不同。根據(jù)工程地質特點，將煤礦斜井盾構隧道地層分成6個，主要地層依次為:a細粒砂巖地層，b細砂巖泥巖交互地層，c含水砂卵石地層，d細、中、粗粒砂巖地層，e灰綠色泥巖地層，f煤層。該6段地層的埋深、地層特點與掘進模式如表1所示。

雙模盾構在掘進過程中依次經過a—f號地層。本文先對a—f地層下的掘進參數(shù)進行計算分析，得到a—f地層下的掘進參數(shù)配置情況;然后以此為基礎，結合地質特征，依據(jù)參數(shù)配置原則，對每個地層區(qū)間的掘進參數(shù)進行配置分析，進而完成整個掘進過程的參數(shù)配置。

3 雙模盾構關鍵參數(shù)確定

盾構掘進參數(shù)的正確計算是進行參數(shù)配置的基礎。首先對2種掘進模式下的最大切深、土艙壓力(EPB模式下)、盾構推力和刀盤扭矩進行分析計算。雙模盾構在斜井掘進中的狀態(tài)示意圖如圖1所示。

3.1 EPB模式下關鍵掘進參數(shù)

3.1.1 最大切深

EPB模式下螺旋輸送機出碴量和刀盤的進碴量是動態(tài)平衡的過程，刀盤的進碴量又與盾構推進速度密切相關。因此，可根據(jù)螺旋輸送機的出碴能力來確定EPB模式的最大切深。

螺旋輸送機的最大出碴量

式中:D1為螺旋輸送機葉片直徑，mm;d1為螺旋輸送機的軸徑，mm;S1為螺旋輸送機節(jié)距，mm;n1為螺旋輸送機的最大轉速，r/min;φ1為螺旋輸送機充填系數(shù)，取0.7。

圖1 雙模盾構掘進狀態(tài)示意圖Fig.1 Driving state of dual-mode

刀盤的最大進碴量

式中:D為盾構開挖直徑;vmax為盾構最大推進速度;K1為巖土松散系數(shù)，取1.35。

根據(jù)QO=QI，推算EPB模式盾構的最大推進速度

EPB模式下，刀盤轉速n為額定轉速2.9 r/min，則EPB模式最大切深

3.1.2 土艙壓力

根據(jù)太沙基理論對開挖面土壓力進行分析可知，盾構從始發(fā)井開始掘進后，開挖面前方豎向土壓力σv在210 kPa上下波動。

3.1.2.1 開挖面平均土壓力

開挖面土壓力按線性分布，則平均土壓力(盾構軸線處的土壓力)

式中:K為側向土壓力系數(shù)，取0.27;γ為巖土容重，取24 kN/m3。

3.1.2.2 開挖面平均水、土壓力

新街斜井隧道擬定每50 m做一道隔水環(huán)，開挖面水壓力按線性分布，則開挖面的平均水壓力(盾構軸線處的水壓力)

式中:D為盾構開挖直徑，mm;γw為水的容重，取9.8 kN/m3。

在EPB模式下，開挖面到土艙隔板，再由土艙隔板到螺旋輸送機出口，整個過程土壓力是一個逐漸衰減的過程［6］。在刀盤開口率為35% 時，土艙壓力傳遞系數(shù)為 0.5［7－8］。則土艙隔板的土壓力

3.1.3 盾構推力與刀盤扭矩

雙模盾構切口環(huán)未凸出刀盤且直線掘進，推進阻力不包含切口環(huán)貫入阻力和盾構變向阻力。EPB模式下刀盤不安裝鏟斗，無鏟斗刮渣阻力矩。

盾構推進阻力［9－10］主要包括:刀具破巖阻力F1、刀盤正面阻力F2、盾構殼體由于土壓力產生的摩擦阻力F3、盾尾與管片的摩擦力F4、主機和后配套自重的摩擦阻力F5、盾構主機和后配套重力產生的下滑力F6。

刀盤阻力矩［9－10］主要包括:刀具破巖的切削阻力矩T1，刀盤正面的摩擦阻力矩T2，刀盤背面與碴土的摩擦阻力矩T3，刀盤側面的摩擦阻力矩T4，刀盤構造柱和攪拌臂的攪拌阻力矩T5，盾構設備自身摩擦阻力矩(包括軸承密封的摩擦阻力矩T6、軸承滾柱的摩擦阻力矩T7)。

雙模盾構在a—d地層下工作于EPB模式，則在a—d地層下盾構推力F和刀盤扭矩T的計算模型為:

3.2 單護盾TBM模式下關鍵掘進參數(shù)計算

3.2.1 最大切深

在單護盾TBM模式下，巖碴只能由鏟刀從刀盤周邊的鏟斗口刮入刀盤，刀盤每轉排出的巖碴體積與刀盤切深有關。因此鏟斗的進碴能力限制了盾構的切深。

刀盤每轉排出巖碴的體積

式中:D為盾構開挖直徑，mm;K1為巖土的松散系數(shù)，取1.35;h為刀盤切深，mm。

每轉鏟斗刮入巖碴的體積

式中:a為鏟斗長度，mm;b鏟斗到刀盤面板的距離，mm;l為鏟斗寬度，mm;K2為鏟斗的裝滿系數(shù)，取0.85;nc為鏟斗個數(shù)。

根據(jù)V1=V2，由于鏟斗進碴能力限制，允許的最大切深

刀盤轉速n為最高轉速6.4 r/min時，盾構能達到的最大推進速度

3.2.2 盾構推力與刀盤扭矩

相比于EPB模式，單護盾TBM模式下刀盤安裝有鏟斗，還包括鏟斗刮碴阻力矩T8，不包括刀盤正面阻力F2、刀盤正面的摩擦阻力矩T2、刀盤背面與碴土的摩擦阻力矩T3、刀盤構造柱和攪拌臂的攪拌阻力矩T5。雙模盾構在e，f地層下工作于單護盾TBM模式，則在e，f地層下盾構推力和刀盤扭矩的計算模型如表2所示。

表2 e，f地層下的盾構推力和刀盤扭矩的計算模型Table 2 Calculation formulas of thrusting force and cutter head torque of shield in e and f strata

3.3 計算結果

計算中涉及的盾構主要機器參數(shù)如表3所示。根據(jù)工程地質選取的a—f地層的參數(shù)條件如表4所示。根據(jù)式(1)—(4)、(10)—(13)可得:在EPB模式下，刀盤為額定轉速2.9 r/min時，盾構的最大推進速度為82 mm/min，最大切深為28 mm/r;在單護盾TBM模式下，刀盤轉速為高速檔6.4 r/min時，盾構的最大推進速度為122 mm/min，最大切深為19 mm/r。對應表4中a—f地層下的土艙壓力、盾構推力、刀盤扭矩配置結果見表5。

表3 盾構主要機器參數(shù)Table 3 Main parameters of shield

4 掘進參數(shù)配置建議

以a—f地層下的掘進參數(shù)配置情況為基礎，結合地質特征，依據(jù)參數(shù)配置原則，對掘進過程的參數(shù)配置建議如下。

1)埋深16～40 m。盾構從埋深16 m處地層始發(fā)，采用EPB模式掘進。該段以細粒砂巖地層為主，基巖受風化剝蝕作用影響明顯，巖石強度指標低，穩(wěn)定性差，但含水較少。由于盾構剛始發(fā)不久，盾構的推力大部分由始發(fā)架反力提供，因此切深不能太大，要盡量將盾構推力控制在15 000 kN以下，選擇15 mm/r切深較合適，刀盤轉速在2.9 r/min低速檔工作;當掘進100環(huán)以后，始發(fā)架基本不再受力，由管片來提供推進反力，切深可以提高到20 mm/r。

表4 a—f地層的參數(shù)條件Table 4 Parameters of different strata(from a to f)

表5 a—f地層下盾構關鍵參數(shù)配置Table 5 Configuration of key parameters of shield in different strata(from a to f)

2)埋深40～90 m。該段以細砂巖泥巖互交地層為主，致密且比較細膩，完整性較好，但黏土質礦物較多，而且含水量較大。雖然EPB模式下的刀盤開口率達35%，但在刀盤的擠壓、摩擦、離子吸附下還是容易結泥餅，該段配置20 mm/r的切深，刀盤轉速為低速檔2.9 r/min。期間要特別關注刀盤扭矩的變化，如果扭矩迅速增加可能是結泥餅導致。為了預防刀盤結泥餅，要加大渣土改良的力度;一旦發(fā)生結泥餅，除了要鏟除泥餅外，還要檢查滾刀狀態(tài)，該情況下滾刀極易因為不能自轉而偏磨損壞。

3)埋深90～110 m。該段以砂卵石地層為主，地層穩(wěn)定性差，容易坍塌，且富水，可以說是工程的最大難點，通過該段后地層較穩(wěn)定。降低切深(10 mm/r)和刀盤轉速(2.0 r/min)，有助于減小地層的擾動，降低刀具磨損速度，提高設備輸出扭矩;將土艙設定的平均壓力提高到84.1 kPa左右，以穩(wěn)定開挖面的水土壓力;加泡沫或膨潤土，做好渣土改良。另外建議在進入砂卵石地層之前進行一次換刀，因為一旦在砂卵石地層刀具磨損嚴重需要換刀的時候，若帶壓進倉換刀，風險很大。

4)埋深110～400 m。該段以細、中、粗粒砂巖地層為主，過了砂卵石地層之后，地層基本能夠自穩(wěn)，而且掘進超過埋深120 m之后，地層含水也很小。因此，可以逐漸增大切深，減小土艙壓力，直到切深達到EPB模式下的最大值28 mm/r，刀盤轉速為低速檔2.9 r/min，盾構達到最大推進速度82 mm/min。

該段地層石英含量高達50%，刀具磨損速度勢必加快，因此需要關注盾構推力變化，一旦推力迅速增大，很可能是刀具磨損嚴重，需要及時換刀，此時可以常壓開倉換刀，技術難度小，耗時也少。該段主要是砂巖，除了磨蝕性高外，還存在黏土質礦物，刀具破巖時很難產生脆性破壞，破巖效率不會太高;同時該段地層涌水量大，且埋深200，300，370 m附近伴隨有破碎帶，應特別注意施工安全。因此，建議將刀盤轉速控制在低速檔位2.9 r/min，切深盡量控制在15 mm/r以下。通過埋深400 m處的富水地層之后，尋找地層穩(wěn)定性好且不含水段進行模式轉換，盾構由EPB模式轉換為單護盾TBM模式，出碴裝置由螺旋輸送機換成皮帶運輸機，刀盤拆除切刀，封閉面板。

5)埋深400～600 m。該段基本都是灰綠色泥巖，圍巖穩(wěn)定，石英含量較低，屬于脆性巖石，且不含水。滾刀在該段脆性滾壓破巖效率高，因此，設備可以最大功率進行快速掘進。切深達到單護盾TBM模式的最大值19 mm/r，刀盤轉速高速檔6.4 r/min，盾構達到最大推進速度122 mm/min。

掘進過程中要做好超前地質鉆探和可燃、有毒氣體檢測，一旦鉆探到破碎層，立即進行支護;一旦發(fā)現(xiàn)可燃氣體含量較高，馬上停機，防止由于刀具摩擦熱較大導致爆炸;一旦檢測到有毒氣體，應立即通風，提高換氣量。

6)埋深600 m以下。600 m附近有4層1～2 m厚的煤層，穩(wěn)定性差，易坍塌，該段是單護盾TBM模式掘進的一大難題。由于此時離洞口距離遠，要想將盾構轉換成EPB模式是不現(xiàn)實的，因此在該地層需要提高超前鉆探的頻率，做好圍巖支護工作;將切深降低到15 mm/r以下，另外將刀盤轉速調至低速檔2.9 r/min，待盾構穿越幾個煤層，再提高掘進參數(shù)。

5 結論與建議

1)對于圍巖穩(wěn)定且含水量少的地層，盾構在最大推進速度下快速掘進;對于軟弱、富水或含破碎帶等不良地層，應適當減小刀盤轉速和切深，保證盾構掘進安全;對于刀盤易結泥餅、刀具易磨損等地層，應適當減小刀盤切深，注重盾構破巖高效性。

2)在EPB模式下，盾構的最大切深為28 r/min;在單護盾TBM模式下，盾構的最大切深為19 r/min。盾構在a—f地層下關鍵參數(shù)配置如表5所示。

3)將雙模盾構掘進全過程分為埋深16～40 m，40～90 m，90～110 m，110～400 m，400～600 m 和600 m以下6個區(qū)間，分別對每個區(qū)間的地質特點展開分析，提出了有價值的參數(shù)配置建議。

本文研究成果對新街煤礦斜井隧道施工具有指導意義，對今后盾構掘進參數(shù)相關研究具有一定參考價值。下一步可結合斜井隧道施工數(shù)據(jù)對本文研究成果進行驗證和完善。

［1］ 呂強.盾構掘進機主要參數(shù)的分析與試驗研究［D］.上海:同濟大學機械與能源工程學院，2005.(lV Qiang.The analysis and experimental study on the main parameters of shield machine［D］.Shanghai:College of Mechanical and Energy Engineering，Tongji University，2005.(in Chinese))

［2］ 崔國華，王國強，何恩光，等.盾構掘進機主要技術參數(shù)的計算分析［J］.礦山機械，2006，34(12):11 －14.(CUI Guohua，WANG Guoqiang， HE Enguang， et al. The analysis of main technical parameters of shield machine［J］.Mining ＆ Processing Equipment，2006，34(12):11 － 14.(in Chinese))

［3］ 鄭志敏.盾構推進系統(tǒng)設計［J］.隧道建設，2006，26(4):84 －87.(ZHENG Zhiming.Design of trust system of shield machine［J］.Tunnel Construction，2006，26(4):84 － 87.(in Chinese))

［4］ 張厚美.地鐵盾構工程設計與施工過程的若干問題研究［D］.上海:上海交通大學土木工程學院，2004.(ZHANG Houmei.A study on problems of the design and construction process in shield construction of Metro［D］.Shanghai:School of Civil Engineering，Shanghai Jiaotong University，2004.(in Chinese))

［5］ 雷升祥.斜井TBM法施工技術［M］.北京:中國鐵道出版社，2012:21.(LEI Shengxiang.Inclined shaft TBM construction technology［J］.Beijing:Railway Publishing House of China，2012:21.(in Chinese))

［6］ 李守巨，曹麗娟，孫偉，等.盾構機土倉壓力控制技術［M］.大連:大連理工大學出版社，2011:72－95.(LI Shouju，CAO Lijuan，SUN Wei，et al.Soil pressure control technology of shield machine［M］.Dalian:Dalian University of Technology Press，2011:72 －95.(in Chinese))

［7］ 武力.基于離散元仿真的盾構密封艙壓力平衡機理研究［D］.大連:大連理工大學機械設計及理論學院，2009.(WU Li.Study on balance mechanism of chamber soil pressure of shield machine by discrete element method［D］.Dalian:College of Mechanical Design and Theory，Dalian University of Technology，2009.(in Chinese))

［8］ 王洪新.土壓平衡盾構刀盤開口率對土倉壓力的影響［J］.地下空間與工程學報，2012，8(1):89 － 93，104.(WANG Hongxin.Influence of aperture ratio of cutterhead of EPB shield on earth pressure in the chamber［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2012，8(1):89 －93，104.(in Chinese))

［9］ 管會生.土壓平衡盾構機關鍵參數(shù)與力學行為的計算模型研究［D］.成都:西南交通大學機械工程學院，2008.(GUAN Huisheng.Study on the calculating models of key parameter＆mechanical behavior of the EPB shield machine［D］.Chengdu:School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，2008.(in Chinese))

［10］ 管會生，楊延棟，郭立昌，等.煤礦斜井雙模盾構推力計算［J］.礦山機械，2013(7):123 －127.(GUAN Huisheng，YANG Yandong， GUO Lichang， etal.Calculation on thrust force of dual-mode shield machine used in colliery inclined shaft［J］.Mining ＆ Processing Equipment，2013(7):123 －127.(in Chinese))