管会生，张 瑀，杨延栋

(西南交通大学机械工程学院，四川成都 610031)

0 引言

新街台格庙矿区拟采用双模式盾构来开挖一条便于煤矿开采运输的斜井隧道，该盾构具有土压平衡(EPB)盾构和单护盾TBM 2种掘进模式，通过2种模式之间的快速转换，既能快速穿过中硬地层，又能安全通过软弱、富水或含破碎带等不良地层。

掘进参数配置是盾构施工中的重要环节，配置不当将严重影响盾构的高效掘进。盾构法应用于煤矿斜井隧道在国内尚属首次，相关研究较少。为保证斜井隧道施工能够安全、快速、高效地进行，有必要对双模盾构关键掘进参数的配置进行分析研究。

盾构掘进参数主要包括盾构推力、刀盘扭矩、土舱压力、刀盘转速、推进速度和切深等。目前对于掘进参数的相关研究有:吕强［1］建立了盾构总推力、刀盘扭矩、螺旋输送机参数的数学模型及计算公式，并与室内试验数据和现场掘进数据进行了对照分析;崔国华等［2］论述了盾构推力、刀盘扭矩、驱动功率等关键参数的计算方法，并进行了实例计算;郑志敏［3］研究了复合式盾构在闭式和开式2种模式下推力的计算方法，针对广州的风化岩地层进行了计算;张厚美［4］利用广州地铁3号线的盾构掘进数据，建立了掘进速度、刀盘扭矩与盾构推力、土舱压力、刀盘转速的数学模型。以上研究多集中在参数计算模型和基于掘进数据的参数分析上，针对盾构隧道工程施工条件给出关键掘进参数配置的研究却很少。

本文以新街台格庙煤矿斜井隧道工程为研究对象，从2种掘进模式下关键掘进参数的计算入手，对双模盾构整个掘进过程中关键参数的配置要求展开研究。

1 工程概况

新街矿区煤矿斜井隧道最大埋深达到660 m，采用双模式盾构6°下坡连续掘进，隧道长度超过6 km。斜井穿过风积沙、砂岩、砂卵石地层、砂质泥岩、煤层等地层。岩石抗压强度多在20～60 MPa，普遍在30 MPa以下，软弱至中等硬度［5］。由于隧道埋深大于400 m的地层稳定性好，从模式转换的时间周期和安全性角度考虑，建议减少转换次数，在埋深400 m附近转换一次，由EPB模式转换为单护盾TBM模式。

2 斜井盾构关键掘进参数配置原则

煤矿斜井双模盾构关键参数配置的目标是保证掘进过程安全、快速、高效。对于能够自稳且含水量少的地层，应充分发挥机器的能力，使盾构在最大推进速度下快速掘进。对于软弱、富水或含破碎带等不良地层，应适当减小刀盘转速和切深，做好支护、防水等防护措施;EPB模式下还应特别注意控制土舱压力，以确保盾构掘进安全。对于刀盘易结泥饼、刀具易磨损等地层，应适当减小刀盘切深，注重高效掘进，避免刀盘因堵转或停机换刀等因素带来的施工停滞。

斜井地层条件复杂多变，双模盾构在不同特征的地层条件下，掘进参数配置也不同。根据工程地质特点，将煤矿斜井盾构隧道地层分成6个，主要地层依次为:a细粒砂岩地层，b细砂岩泥岩交互地层，c含水砂卵石地层，d细、中、粗粒砂岩地层，e灰绿色泥岩地层，f煤层。该6段地层的埋深、地层特点与掘进模式如表1所示。

双模盾构在掘进过程中依次经过a—f号地层。本文先对a—f地层下的掘进参数进行计算分析，得到a—f地层下的掘进参数配置情况;然后以此为基础，结合地质特征，依据参数配置原则，对每个地层区间的掘进参数进行配置分析，进而完成整个掘进过程的参数配置。

3 双模盾构关键参数确定

盾构掘进参数的正确计算是进行参数配置的基础。首先对2种掘进模式下的最大切深、土舱压力(EPB模式下)、盾构推力和刀盘扭矩进行分析计算。双模盾构在斜井掘进中的状态示意图如图1所示。

3.1 EPB模式下关键掘进参数

3.1.1 最大切深

EPB模式下螺旋输送机出碴量和刀盘的进碴量是动态平衡的过程，刀盘的进碴量又与盾构推进速度密切相关。因此，可根据螺旋输送机的出碴能力来确定EPB模式的最大切深。

螺旋输送机的最大出碴量

式中:D1为螺旋输送机叶片直径，mm;d1为螺旋输送机的轴径，mm;S1为螺旋输送机节距，mm;n1为螺旋输送机的最大转速，r/min;φ1为螺旋输送机充填系数，取0.7。

图1 双模盾构掘进状态示意图Fig.1 Driving state of dual-mode

刀盘的最大进碴量

式中:D为盾构开挖直径;vmax为盾构最大推进速度;K1为岩土松散系数，取1.35。

根据QO=QI，推算EPB模式盾构的最大推进速度

EPB模式下，刀盘转速n为额定转速2.9 r/min，则EPB模式最大切深

3.1.2 土舱压力

根据太沙基理论对开挖面土压力进行分析可知，盾构从始发井开始掘进后，开挖面前方竖向土压力σv在210 kPa上下波动。

3.1.2.1 开挖面平均土压力

开挖面土压力按线性分布，则平均土压力(盾构轴线处的土压力)

式中:K为侧向土压力系数，取0.27;γ为岩土容重，取24 kN/m3。

3.1.2.2 开挖面平均水、土压力

新街斜井隧道拟定每50 m做一道隔水环，开挖面水压力按线性分布，则开挖面的平均水压力(盾构轴线处的水压力)

式中:D为盾构开挖直径，mm;γw为水的容重，取9.8 kN/m3。

在EPB模式下，开挖面到土舱隔板，再由土舱隔板到螺旋输送机出口，整个过程土压力是一个逐渐衰减的过程［6］。在刀盘开口率为35% 时，土舱压力传递系数为 0.5［7－8］。则土舱隔板的土压力

3.1.3 盾构推力与刀盘扭矩

双模盾构切口环未凸出刀盘且直线掘进，推进阻力不包含切口环贯入阻力和盾构变向阻力。EPB模式下刀盘不安装铲斗，无铲斗刮渣阻力矩。

盾构推进阻力［9－10］主要包括:刀具破岩阻力F1、刀盘正面阻力F2、盾构壳体由于土压力产生的摩擦阻力F3、盾尾与管片的摩擦力F4、主机和后配套自重的摩擦阻力F5、盾构主机和后配套重力产生的下滑力F6。

刀盘阻力矩［9－10］主要包括:刀具破岩的切削阻力矩T1，刀盘正面的摩擦阻力矩T2，刀盘背面与碴土的摩擦阻力矩T3，刀盘侧面的摩擦阻力矩T4，刀盘构造柱和搅拌臂的搅拌阻力矩T5，盾构设备自身摩擦阻力矩(包括轴承密封的摩擦阻力矩T6、轴承滚柱的摩擦阻力矩T7)。

双模盾构在a—d地层下工作于EPB模式，则在a—d地层下盾构推力F和刀盘扭矩T的计算模型为:

3.2 单护盾TBM模式下关键掘进参数计算

3.2.1 最大切深

在单护盾TBM模式下，岩碴只能由铲刀从刀盘周边的铲斗口刮入刀盘，刀盘每转排出的岩碴体积与刀盘切深有关。因此铲斗的进碴能力限制了盾构的切深。

刀盘每转排出岩碴的体积

式中:D为盾构开挖直径，mm;K1为岩土的松散系数，取1.35;h为刀盘切深，mm。

每转铲斗刮入岩碴的体积

式中:a为铲斗长度，mm;b铲斗到刀盘面板的距离，mm;l为铲斗宽度，mm;K2为铲斗的装满系数，取0.85;nc为铲斗个数。

根据V1=V2，由于铲斗进碴能力限制，允许的最大切深

刀盘转速n为最高转速6.4 r/min时，盾构能达到的最大推进速度

3.2.2 盾构推力与刀盘扭矩

相比于EPB模式，单护盾TBM模式下刀盘安装有铲斗，还包括铲斗刮碴阻力矩T8，不包括刀盘正面阻力F2、刀盘正面的摩擦阻力矩T2、刀盘背面与碴土的摩擦阻力矩T3、刀盘构造柱和搅拌臂的搅拌阻力矩T5。双模盾构在e，f地层下工作于单护盾TBM模式，则在e，f地层下盾构推力和刀盘扭矩的计算模型如表2所示。

表2 e，f地层下的盾构推力和刀盘扭矩的计算模型Table 2 Calculation formulas of thrusting force and cutter head torque of shield in e and f strata

3.3 计算结果

计算中涉及的盾构主要机器参数如表3所示。根据工程地质选取的a—f地层的参数条件如表4所示。根据式(1)—(4)、(10)—(13)可得:在EPB模式下，刀盘为额定转速2.9 r/min时，盾构的最大推进速度为82 mm/min，最大切深为28 mm/r;在单护盾TBM模式下，刀盘转速为高速档6.4 r/min时，盾构的最大推进速度为122 mm/min，最大切深为19 mm/r。对应表4中a—f地层下的土舱压力、盾构推力、刀盘扭矩配置结果见表5。

表3 盾构主要机器参数Table 3 Main parameters of shield

4 掘进参数配置建议

以a—f地层下的掘进参数配置情况为基础，结合地质特征，依据参数配置原则，对掘进过程的参数配置建议如下。

1)埋深16～40 m。盾构从埋深16 m处地层始发，采用EPB模式掘进。该段以细粒砂岩地层为主，基岩受风化剥蚀作用影响明显，岩石强度指标低，稳定性差，但含水较少。由于盾构刚始发不久，盾构的推力大部分由始发架反力提供，因此切深不能太大，要尽量将盾构推力控制在15 000 kN以下，选择15 mm/r切深较合适，刀盘转速在2.9 r/min低速档工作;当掘进100环以后，始发架基本不再受力，由管片来提供推进反力，切深可以提高到20 mm/r。

表4 a—f地层的参数条件Table 4 Parameters of different strata(from a to f)

表5 a—f地层下盾构关键参数配置Table 5 Configuration of key parameters of shield in different strata(from a to f)

2)埋深40～90 m。该段以细砂岩泥岩互交地层为主，致密且比较细腻，完整性较好，但黏土质矿物较多，而且含水量较大。虽然EPB模式下的刀盘开口率达35%，但在刀盘的挤压、摩擦、离子吸附下还是容易结泥饼，该段配置20 mm/r的切深，刀盘转速为低速档2.9 r/min。期间要特别关注刀盘扭矩的变化，如果扭矩迅速增加可能是结泥饼导致。为了预防刀盘结泥饼，要加大渣土改良的力度;一旦发生结泥饼，除了要铲除泥饼外，还要检查滚刀状态，该情况下滚刀极易因为不能自转而偏磨损坏。

3)埋深90～110 m。该段以砂卵石地层为主，地层稳定性差，容易坍塌，且富水，可以说是工程的最大难点，通过该段后地层较稳定。降低切深(10 mm/r)和刀盘转速(2.0 r/min)，有助于减小地层的扰动，降低刀具磨损速度，提高设备输出扭矩;将土舱设定的平均压力提高到84.1 kPa左右，以稳定开挖面的水土压力;加泡沫或膨润土，做好渣土改良。另外建议在进入砂卵石地层之前进行一次换刀，因为一旦在砂卵石地层刀具磨损严重需要换刀的时候，若带压进仓换刀，风险很大。

4)埋深110～400 m。该段以细、中、粗粒砂岩地层为主，过了砂卵石地层之后，地层基本能够自稳，而且掘进超过埋深120 m之后，地层含水也很小。因此，可以逐渐增大切深，减小土舱压力，直到切深达到EPB模式下的最大值28 mm/r，刀盘转速为低速档2.9 r/min，盾构达到最大推进速度82 mm/min。

该段地层石英含量高达50%，刀具磨损速度势必加快，因此需要关注盾构推力变化，一旦推力迅速增大，很可能是刀具磨损严重，需要及时换刀，此时可以常压开仓换刀，技术难度小，耗时也少。该段主要是砂岩，除了磨蚀性高外，还存在黏土质矿物，刀具破岩时很难产生脆性破坏，破岩效率不会太高;同时该段地层涌水量大，且埋深200，300，370 m附近伴随有破碎带，应特别注意施工安全。因此，建议将刀盘转速控制在低速档位2.9 r/min，切深尽量控制在15 mm/r以下。通过埋深400 m处的富水地层之后，寻找地层稳定性好且不含水段进行模式转换，盾构由EPB模式转换为单护盾TBM模式，出碴装置由螺旋输送机换成皮带运输机，刀盘拆除切刀，封闭面板。

5)埋深400～600 m。该段基本都是灰绿色泥岩，围岩稳定，石英含量较低，属于脆性岩石，且不含水。滚刀在该段脆性滚压破岩效率高，因此，设备可以最大功率进行快速掘进。切深达到单护盾TBM模式的最大值19 mm/r，刀盘转速高速档6.4 r/min，盾构达到最大推进速度122 mm/min。

掘进过程中要做好超前地质钻探和可燃、有毒气体检测，一旦钻探到破碎层，立即进行支护;一旦发现可燃气体含量较高，马上停机，防止由于刀具摩擦热较大导致爆炸;一旦检测到有毒气体，应立即通风，提高换气量。

6)埋深600 m以下。600 m附近有4层1～2 m厚的煤层，稳定性差，易坍塌，该段是单护盾TBM模式掘进的一大难题。由于此时离洞口距离远，要想将盾构转换成EPB模式是不现实的，因此在该地层需要提高超前钻探的频率，做好围岩支护工作;将切深降低到15 mm/r以下，另外将刀盘转速调至低速档2.9 r/min，待盾构穿越几个煤层，再提高掘进参数。

5 结论与建议

1)对于围岩稳定且含水量少的地层，盾构在最大推进速度下快速掘进;对于软弱、富水或含破碎带等不良地层，应适当减小刀盘转速和切深，保证盾构掘进安全;对于刀盘易结泥饼、刀具易磨损等地层，应适当减小刀盘切深，注重盾构破岩高效性。

2)在EPB模式下，盾构的最大切深为28 r/min;在单护盾TBM模式下，盾构的最大切深为19 r/min。盾构在a—f地层下关键参数配置如表5所示。

3)将双模盾构掘进全过程分为埋深16～40 m，40～90 m，90～110 m，110～400 m，400～600 m 和600 m以下6个区间，分别对每个区间的地质特点展开分析，提出了有价值的参数配置建议。

本文研究成果对新街煤矿斜井隧道施工具有指导意义，对今后盾构掘进参数相关研究具有一定参考价值。下一步可结合斜井隧道施工数据对本文研究成果进行验证和完善。

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