硬岩掘进机在软岩隧道施工中的应用

德国WIRTH公司生产的TB880E型掘进机已成功地用于西康线秦岭Ⅰ线隧道的施工中。由于该设备价值高达3亿多元人民币，为了充分发挥其作用，应当积极地探索其在软弱围岩地质隧道中的应用，以提高设备利用率。

1. 软弱围岩地带施工的特点

软弱围岩有云母石英片岩、蚀变闪长岩、闪长玢岩及断层破碎带。其中，秦岭隧道局部不良地质段为蚀变闪长岩、闪长玢岩及断层破碎带；而磨沟岭隧道整体则以围岩强度更低的云母石英片岩及断层破碎带为主。这类围岩尽管因强度低而对刀具的磨损较小，但其完整性差，断层节理裂隙发育、自稳性差，易产生塌方，从而加大了操作使用和施工的难度。如果掘进参数选择不当，会使坍塌程度加剧或造成掘进机损坏事故。大量的塌方也会影响掘进机的通过性能而无法正常掘进。同时，软弱围岩容易使掘进机的掘进姿态产生变动，掘进方向易产生偏差。

2. 掘进参数的选择

（1）工作模式

TB880E掘进机有三种工作模式：自动推力控制、自动扭矩控制和手动控制。自动推力控制适用于均质硬岩，自动扭矩控制适用于均质软岩。而软弱围岩的不良地质情况较为复杂多变，且多为不均质围岩。所以手动控制尽管对操作人员的要求有所增加，但它能适应复杂多变的地质情况，有经验的操作人员可通过各种反馈信息判断出刀盘前方地质的最新状况，及时地调整掘进参数以适应多变的地质状况，这对没有进行过准确可靠的地质预测，或是地质预测有偏差时，其优点更为突出。

（2）胶带机的防滑与防断

刀盘前方的围岩若出现坍塌时，胶带机的负荷就很大，当负荷超过一定程度后会使胶带机打滑或停止运转，由于3＃ 胶带机比1＃ 、2＃ 胶带机长得多，此现象更有可能发生。特别是在3＃ 胶带机向溜碴槽传送时，因为是由水平输送变为斜坡输送，石碴过多会落入3＃ 胶带机的内侧，有可能导致3＃ 胶带机胶带撕裂或扯断的事故。这种现象在3＃ 胶带机压力超过12 MPa时就有可能发生。由于围岩的坍塌具有一定的突发性，胶带机的运行速度为2 m／s，而主控室监视器对胶带机输送系统的观察仅限于1＃ 、2＃ 胶带机的交接部位和2＃ 、3＃ 胶带机的交接部位以及溜碴槽的卸碴情况，当发现胶带机有问题并作出反应时，胶带可能已经撕裂二三十米了，所以不应通过直接观察3＃ 胶带机的压力来进行控制，否则将会滞后。而应在1＃ 、2＃ 胶带机的压力特别是1＃ 胶带机的压力由12 MPa上升到14 MPa时，就降低推进速度；在1＃ 胶带机的压力变动范围较大时，应停止推进甚至退后，由旋转刀盘进行出碴，以确保胶带机的安全。

（3）刀盘转速的选择

刀盘有两种驱动方式：电驱动和液压辅助驱动。电驱动有高低两种转速：5．4 r／min和2．7 r／min；液压辅助驱动转速则在0～1 r／min范围内，可根据需要进行控制调节，用于刀盘脱困。

对掘进机本身而言，高速较为有利，这是因为：掘进速度＝刀盘转速×贯入度。在相同的掘进速度情况下，刀盘转速高速时的贯入度是低速时的一半，与贯入度成正比的刀盘扭矩、推进力相对较小；因此，主电机的工作电流和刀具的承载负荷也就相应地较小，在掘进机反馈参数信息允许的前提下可提高掘进速度。

但刀盘转速在高速时对软弱围岩的扰动较大，有可能造成围岩失稳而坍塌，同时高速时出碴较快，会增大胶带机的工作负载。因此，在软弱围岩的地质情况下，刀盘转速主要选用低速。但为使掘进机充分地发挥效能，在条件允许的情况下还应尽量地选用高速，这应作为对刀盘转速的选用原则，可通过刀盘推进力和出碴情况来进行判断。经验表明，在低速时，60 ％掘进速度的工况下，若推进力上升到10 MN且出碴量稳定均匀时，可改用高速；而当高速时，60 ％掘进速度的工况下，推进力下降至5MN以下或出碴量不稳定时，则应改用低速。

在刀盘被卡或低速时因塌方出碴量仍然较大时，可选用液压辅助驱动，在0～1 r／min的范围内调整其转速。

（4）刀盘推进力的选择

推进力在满负荷时为17．7 MN，为保护刀具应将其控制在15 MN以下。低速时，当推进力超过10 MN时，则可选用高速。刀盘推进力一定时，推进缸的推进压力为一定值，故不作考虑。

（5）刀盘扭矩和主电机电流的选择

刀盘扭矩由主电机产生，应控制在80 ％以下。主电机最大允许电流为410 A，故主电机工作电流应控制在320 A以下。

（6）撑靴压力的控制

撑靴为刀盘提供支撑力。撑靴压力越高，摩擦力越大，支撑越稳固。但在软弱围岩状态下，如果撑靴压力过高，会将围岩撑垮而造成支撑不良，故撑靴压力受围岩条件的限制，但同时软弱围岩对刀盘产生的反作用力（即刀盘推力）也不会太大，也就是说所需的撑靴压力不必太高，一般选用20～22 MPa即可。如果撑靴部位条件不好，8对撑靴无法全部撑出，这时，不能盲目地提高撑靴压力。如此时刀盘推力较大，可通过降低掘进速度来减小推力，使之不会出现因超过撑靴提供的支撑反力而造成撑靴打滑。

3. 掘进方向的控制

由于软弱围岩为刀盘护盾及撑靴提供的支撑反力较小，掘进过程中掘进机的姿态容易发生变动，其方向控制与硬岩隧道施工时相比容易产生偏差，可通过下面的方法来进行控制：

首先，应避免撑靴打滑，由于软弱围岩为撑靴提供的支撑反力本身就不大，撑靴打滑更会使形势恶化，大幅度的方向变化往往是由于撑靴打滑引起的，所以应绝对避免撑靴打滑。当撑靴位置的条件允许时，可提高撑靴压力来提高摩擦力；当撑靴位置的条件不允许时，可通过降低掘进速度来控制（在前面已经提到）；另外，对因撑靴位置的围岩出现坍塌而使个别撑靴无法撑出时，应喷射和灌注混凝土，待混凝土凝固后再将撑靴撑出。

其次，由于刀盘区域由刀盘、主轴承、护盾和刀具以及液压组件所构成的自重可达数百吨，将使实际掘进方向比预测掘进方向有偏下的趋势，且围岩强度不同造成的方向偏差也不相同。对这种现象，我们采用称之为“预修正控制”的方法，即根据前几个掘进循环所表现出的偏差量来相应增大轴向仰角，使主机预先有一个向上掘进的趋势，来抵消其自重所造成的方向偏差。

再者，与上述情况相似，掘进方向X轴（即左右方向）的偏差，往往是由于局部围岩强度较弱而造成的，我们仍然可以采用上述的“预修正控制法”，调整相应的导向角来加以控制，这里不再赘述。

需要指出的是，为避免围岩对刀具的损伤，掘进机的调向每次不可过大，轴向仰角或导向角每次调整量不应超过3°；尽管软弱围岩整体强度较弱，但由于掌子面石质往往为不均质的，局部仍有硬岩，故除非特殊情况每次调整量不宜超过3°，在需要作较大调整时，可分数个循环分次加以调整。

实践证明，只要能依照上述的原则和方法来加以控制和调整，就可以很好地控制掘进方向。

（作者地址：陕西省商南县清油河镇中铁隧道TBM公司　726309）

责任编辑：Daisy