王雅文

（盾構及掘進技術國家重點實驗室，鄭州 450001）

1 引言

隨著我國經(jīng)濟快速持續(xù)發(fā)展，出現(xiàn)了大量深埋隧道工程，涉及鐵路、公路、引水、采礦、國防等各個領域，如大瑞鐵路高黎貢山隧道、川藏鐵路色季拉山隧道、引漢濟渭供水隧洞等工程，巖石硬度高達200 MPa，隧道埋深最大超過2 000 m，工程技術難度世界罕見[1-4]。隨著埋深的增加，地應力也將逐步增加，開挖卸荷引發(fā)的動力災害頻發(fā)，造成大量的人員傷亡、機械損害、工期延誤和重大經(jīng)濟損失，且動力災害的危害性隨著埋深和應力的增加而顯著增大，錦屏隧洞巖爆造成7人死亡，上億元的設備報廢[5-7]。

目前，國內(nèi)外研究隧道動力災害的方式主要有室內(nèi)巖石力學實驗，數(shù)值模擬實驗等方法。巖石力學實驗只是針對巖石本身的力學特性進行研究，不能真實有效地反映TBM掘進動態(tài)邊界條件。數(shù)值模擬隧道可對TBM施工邊界條件進行模擬，但是受分析方法和計算內(nèi)核的準確性制約，分析結果的可靠性較低。因此，針對深埋隧道施工有必要開展工程前TBM掘進物理實驗。

目前，我國盾構及掘進技術國家重點實驗室、北京工業(yè)大學、中南大學等單位都開發(fā)了針對刀具破巖研究的物理實驗臺，主要研究如何實現(xiàn)刀具高效破巖問題，而不能模擬TBM掘進狀態(tài)[8-11]。因此，有必要研發(fā)一套能夠模擬工程TBM掘進的物理實驗設備，研究掘進過程中掘進參數(shù)對刀盤、撐靴、護盾應力的影響。本文主要針對實驗用微型巖石掘進機設計相關技術進行詳細介紹。

2 設備綜述

微型巖石掘進機包含刀盤系統(tǒng)、護盾系統(tǒng)、推進系統(tǒng)、水平支撐及撐靴、刀盤動力系統(tǒng)、巖渣處理裝置、機架、計算機控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，用于室內(nèi)模擬TBM開挖過程，監(jiān)測刀盤推力、扭矩、轉速、貫入度、護盾接觸力、撐靴壓力等因素對巖爆的影響。實驗臺主要參數(shù)見表1。

表1 實驗臺總體參數(shù)

3 試驗臺結構設計

試驗臺結構部分主要由刀盤、護盾、二級推進油缸、旋轉驅(qū)動、撐靴、減速機、后推進油缸等關鍵部件組成，如圖1所示。

圖1 微型巖石掘進機結構圖

3.1 刀盤系統(tǒng)

刀盤設計開挖直徑為200 mm，采用鑲嵌硬質(zhì)合金頭或者碳化鎢材料的刀具，對巖樣進行切削代替滾刀滾動破巖。TBM刀盤結構采用三受力臂結構，硬質(zhì)合金柱焊接在每根臂上，刀具軌跡如圖2所示。采用三臂結構出渣非常方便，最大限度地避免了二次磨損。刀盤中間部位留有噴水孔（見圖3）。刀盤采用模塊化設計，為獨立構件，與旋轉軸連接采用螺紋，便于刀盤更換與維修。

3.2 護盾系統(tǒng)

護盾位于刀盤后面，為圓筒體結構，用于保護微型TBM內(nèi)部設備及維持巖壁穩(wěn)定，與刀盤一起向前移動，如圖4所示。護盾通過一對圓錐滾子軸承安裝在推進軸上。工作過程中，刀盤旋轉切削巖層，切下的巖粉通過護盾下凹槽流出。為方便測試巖爆情況下護盾受到的沖擊情況，在護盾內(nèi)壁布置4個應力應變監(jiān)測點。

圖2 刀具軌跡圖

圖3 刀盤結構圖

圖4 護盾及推進系統(tǒng)結構圖

3.3 推進系統(tǒng)

微型TBM實驗臺采用液壓推進形式。推進油缸為圓柱空心油缸，油缸活塞環(huán)與護盾連接，缸體與水平支撐系統(tǒng)連接，如圖4所示。系統(tǒng)推進力可以根據(jù)要求進行調(diào)整，目前結構推力配置最大可達20 t。

3.4 刀盤驅(qū)動旋轉系統(tǒng)

刀盤驅(qū)動旋轉系統(tǒng)由伺服電機、減速機、旋轉軸、軸承、聯(lián)軸器、導向柱、機架、控制系統(tǒng)等組成。控制系統(tǒng)能夠?qū)﹄姍C的轉速進行精確控制，對轉速、扭矩可以實時監(jiān)控與控制，如圖5所示。

圖5 實驗臺刀盤驅(qū)動系統(tǒng)

3.5 水平支撐、撐靴及后支撐

水平支撐由4根微型油缸組成，分為上下2組，每組2根油缸（見圖4）。水平支撐將撐靴推壓到隧洞巖壁上，為推進系統(tǒng)提供摩擦力。支撐力根據(jù)撐靴支撐面情況確定，初步按巖塊可承壓3 MPa計算。撐靴為左右水平對稱布置，其外圓弧直徑與開挖直徑一致，撐靴板設置增加摩擦的環(huán)形突起。兩個撐靴內(nèi)側布置多個應力應變監(jiān)測點，以便監(jiān)測掘進過程中撐靴應力應變狀況實驗臺工作時，3個滾輪壓在隧道壁上，TBM換步時后支撐起支撐TBM主梁的作用，采用固定式結構。

4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

微型巖石掘進機狀態(tài)數(shù)據(jù)采集包含推進速度、推力、刀盤扭矩、刀盤轉速和推進距離。刀盤驅(qū)動系統(tǒng)由伺服電機實現(xiàn)，伺服電機與驅(qū)動器、編碼器組成精確可控的、閉環(huán)伺服系統(tǒng)。

微型巖石掘進機掘進過程中，上位機通過向驅(qū)動器發(fā)送設定的脈沖信號，驅(qū)動器控制電機的轉速，同時編碼器檢測電機的轉速作為反饋信號反饋到驅(qū)動器，驅(qū)動器將驅(qū)動電機的信號與編碼器反饋的信號比較，來調(diào)整驅(qū)動電機的驅(qū)動電流，從而精確控制電機的轉速和推進速度。

應力應變采集包含護盾應力應變采集和撐靴應力應變采集。應力應變測試采用電阻應變測試方法，將應變轉換成電信號進行測試。將電阻應變片粘貼在被測構件（護盾和支撐盾內(nèi)表面）表面，試驗時，由于護盾受力發(fā)生變形，應變片隨著護盾一起變形，應變片的阻值發(fā)生變化，通過電阻應變儀，可測試出應變片的阻值變化，并換算成應變值或輸出與應變成正比的模擬電信號（電壓或電流）。工作過程為：應變—阻值變化—電壓（或電流）變化—放大—記錄—數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括：INV1861A動態(tài)應變儀、應變片、INV3060A數(shù)據(jù)采集儀和計算機。測試時，將應變片貼附在護盾、撐靴表面。粘貼應變片時注意應變片阻值的檢測、應變片定位。

5 結語

本文系統(tǒng)闡述了室內(nèi)微型巖石掘進機各關鍵系統(tǒng)的結構空間組成，實現(xiàn)了與真實TBM掘進工作模式相近的掘進工藝，可以采集TBM推力、扭矩、轉速、掘進速度和掘進距離等掘進狀態(tài)指標。同時，應用了動態(tài)應力應變監(jiān)測和傳輸技術，實現(xiàn)了護盾外圍壓力和撐靴壓力實時動態(tài)監(jiān)測功能，可開展高地應力各種復雜地質(zhì)環(huán)境下TBM掘進性能測試、高地應力巖爆作用下TBM與圍巖之間的力學響應和相似材料軟巖大變形TBM開挖測試等工作，可為TBM實際掘進性能和卡機狀態(tài)的評估提供充分的科學依據(jù)。