翟国强，陶 磊

（中铁工程装备制造有限公司，河南郑州 450016）

0 引言

硬岩隧道掘进机，简称TBM。主机关键参数的确定是影响设备能否顺利完成隧道工程的决定因素。目前，关于TBM主机关键参数，国内尚未形成完整系统的理论。国外比较成熟的理论主要有CSM Model、NTH Model，NTNU Model等[1]。虽然上述理论模型提到的滚刀破岩和掘进预测理论在一定程度帮助厂家建立分析模型，但是由于技术封锁和地下掘进工程无法准确预测等原因。国内外设备厂家均没有对关键参数的设计理论进行系统阐述[2]。

本文作者利用生产实践和理论相结合的方式，探索关键参数的理论设计模型。并对应用于在引松供水工程总干线施工四标段的TBM设备关键参数进行统计分析。将理论值与实际值进行比较，分析模型与实际差异，提出完善修正理论模型计算方向。为进一步的TBM关键参数设计提供参考。

1 输入地质条件

吉林省中部城市引松供水工程总干线施工四标段，采用敞开式TBM掘进施工。TBM掘进段主要穿越石灰岩和花岗岩两类地层[3]。TBM施工段隧道围岩地质设计指标如表1所示。

表1 TBM施工段隧道围岩地质设计指标

2 理论模型

敞开式TBM主机关键参数主要包括刀盘推力、驱动扭矩、支撑力等。基于科洛罗拉大学破岩模型理论（CSM）、工程案例和刀具厂家经验等[4]，建立敞开式TBM刀盘的破岩能力参数设计。刀盘刀具采用19英寸（φ483 mm）滚刀刀具。

2.1 刀盘驱动扭矩T CH

其中：Ft为每把滚刀所受合力；FN为每把滚刀的推力；FR为每把滚刀的扭矩；k为常数，这里取2.12；T为刀圈的宽度，这里取15 mm；d为刀圈直径，这里取483 mm；σc为岩石单轴抗压强度；σt为岩石单轴抗拉强度；S为滚刀刀间距；φ为切入角；p为贯入度，这里取12 mm；D为刀盘开挖洞径，这里取7.930 m；N为滚刀刀刃数量，这里取56；FCH为刀盘推力；vCH为刀盘转速；v为刀圈转速极限值；TCH为刀盘驱动扭矩。

设备设计充分考虑了裕量，按照岩石单轴抗压强度最大300 MPa设计，最大推力和脱困扭矩满足极限工况使用。

2.2 主机推力F n

2.2.1 盾体摩擦力 fsh

其中： fsh为盾体摩擦力； μ1为盾体与围岩摩擦因数；Pv为围岩垂直载荷；Ph为围岩水平载荷；GM为主机重量，取6 000 kN； ρ为岩石重度，这里取27 kN/m3；l为盾体长度，这里取1.900 m。

2.2.2 破碎围岩摩擦力 fshf

参考文献[2]中考虑围岩自身的稳定性，破碎岩石在拱顶区域形成0.5倍开挖洞径的影响区域，如图1所示。

图1 断层破碎压力模型

2.2.3 后配套拉力FB

其中：GB为后配套初步重量； μ2为后配套滚动摩擦因数。

2.2.4 主机推力Fn

2.3 刀盘驱动扭矩T CH

其中：N为滚刀刀刃数量，这里取56；vCH为刀盘转速[6]；v为滚刀刀圈转速极限值[3]；TCH为刀盘扭矩。

2.4 主机支撑力F g

其中：Fg为主机支撑力

文中涉及刀具数量、刀具参数、岩石性能参数均按照加工制造经验来选取。

3 现场数据分析

TBM共计掘进长度17 488 m，合计928天。期间遭遇不良地质达27次，塌腔、破碎带、溶洞、涌水等，停机约53天。现在根据现场的数据采集情况，进行整理分析。这里不在一一分析，取主机推力和刀盘扭矩为分析对象。统计记录如表2和3所示。

表2 主机推力参数分布区间统计表

表3 刀盘扭矩参数分布区间统计表

4 理论值与实际值分析

如图2所示，主机推力的设计值为23260kN,TBM运行期间最大平均值为14870kN。占设计值比重为63.9%。表明设备设计能力足够，同时具备极限工况下脱困快速前进的能力。

如图3所示，刀盘扭矩的设计值为3585kNm,TBM运行期间最大平均值为2500kN。占设计值比重为69.7%。设备设计能力足够，同时具备极限工况下脱困的能力。

花岗岩地层理论值与实际值变化趋势相同，灰岩地层理论值与实际值变化趋势稍有背离。灰岩地层的破岩模型需要修正，因为灰岩地层掘进过程中，存在塌腔、溶洞等不良地质情况[7]。模型计算未把该情况进行分析。

图2 刀盘推力理论值与实际值统计图

图3 刀盘推力理论值与实际值统计图

结果显示关键参数的设计，总体上与现场实际采集一致。证明理论模型合理，但是当TBM遭遇不良地址段时，需要修正理论模型。依靠单纯的破碎掘进性能来设计掘进参数，无法准确与现场实际一致。

5 存在的问题及未来研究的方向

通过对TBM主机关键参数的模型设计计算，希望对提高TBM设计参数和设备能力选型等提供支持。但是由于破岩模型单一（花岗岩破碎），所建立的模型有待进一步的修正改进。提出下一步修正模型的方法和方向。

（1）针对不同围岩类型进行切割实验，将贯入度、刀具切入角、刀间距等参数，进行设计计算。这样才能真实反映不同岩石类型下TBM设备的不同设计能力。

（2）基于的破岩模型有待深入研究，不能仅把岩石单轴抗压强度做为单一因素考虑，需要进一步完善优化该模型，从而进一步指导TBM设计。

6 结论

随着我国重大装备技术研发和创新的发展，建立准确可靠的基础模型理论，成为亟待解决的问题。通过查阅国内外理论和实践，在完善已有破岩模型的基础上，进行改进完善设计。并根据现场采集反馈的数据对理论模型进行分析，提出优化和改进方向。