硬岩地层TBM关键参数设计及应用

柯文浩、李鹏、谭威

中国建筑第八工程局有限公司，上海，200135

摘要：随着城市地下工程建设和市域联通工程的不断拓展，不同地层盾构施工得到了前所未有的开发。针对隧道工程穿越硬岩地层的传统方法即钻爆法速度慢，施工安全得不到保证，而TBM施工安全性高、应对硬岩地层的能力强、施工进度快、隧道成型质量好且运营成本低，所以利用TBM在硬岩地层进行隧洞建设在市政工程建设中已屡见不鲜。

关键词：盾构选型；参数计算；TBM；硬岩地层；

引言

随着隧道工程的不断发展和进步，很多曾经仅用山岭隧道的施工技术在市政工程中都得到了应用。在此背景下，TBM掘进施工技术也得到了相应发展和应用，相关技术的融合促进了工程建设的多维发展。而市区TBM掘进参数的设计，关乎安全生产和顺利掘进。其参数的设计及计算，相比传统盾构需增加对通风防尘、豆砾石填充等内容的计算。基于深惠城际铁路建设项目，对9130mmTBM相关参数进行计算，结合应用效果进行分析。

1工程概况

五坂区段由坂李工作井始发，五和站接收，区段洞身地质基本位于中微风化花岗岩地层，区段围岩分级主要为Ⅱ~Ⅲ级围岩。隧道平面最小转弯半径850m，纵向最大坡度为28.5‰，区间隧道埋深约42.64～110.42m。其中微风化花岗岩(24.80～131.12MPa）占比超过96%。

2参数设计

2.1推力设计计算书

（一）推进系统最大推力

主推油缸最大工作压力为31.5MPa。

1)单根油缸推力为：

其中：D—液压缸缸径；

P—液压缸最大工作压力。

2）推进系统最大推进力为

F=n*Fc=14*3570.6=49988.4kN

其中：n—推进缸数量。

（二）推进系统额定推力

开挖直径：D=9.13m；

滚刀最大荷载：N=350kN；

滚刀数量：n=567；

主机重量：W1=9000kN；

后配套重量：W2=6000kN；

主机长度：L=13m；

推进油缸缸径：dB=380mm；

推进油缸数量：n=14；

盾体与围岩摩擦系数：μ1=0.5；

岩层内摩擦角：β=23.5°；

后配套聚氨酯轮与仰拱面摩擦系数：μ2=0.15；

围岩自稳性较好时，推进力取决于滚刀最大荷载FA1、盾体滑行的摩擦力FA2、后配套滑行的摩擦力FA3。

滚刀最大荷载：FA1=n×N=1960950kN

盾体滑行的摩擦力：FA2=μ1W1=0.5×9000=4500kN

后配套滑行的摩擦力： FA3=μ2W2 =0.15×6000=900 kN

在围岩情况好的情况下，掘进所需的推力为：

FA=FA1+FA2+ FA3=1960950+4500+900=25004450kN

TBM配备的最大推力49988.4kN远大于掘进机掘进所需的最大推力25004450kN，安全系数为2。

2.2刀盘扭矩设计计算书

根据CSM模型，单把滚刀破岩垂直力和滚动力计算如下：

式中：Ft为滚刀受到的合力；为滚刀半径；为滚刀刀尖宽度；为滚刀与岩石接触角，；为刀尖压力分布系数，；为两滚刀刀尖间距；为切割岩石的抗压强度；为切割岩石的抗剪强度；为无量纲系数，。

按照岩抗压强度160MPa、贯入度为5mm由以上公式计算可得刀盘破岩所产生的扭矩为5264kNm，TBM主驱动装机功率4000kW，额定扭矩为11906.259525kNm，脱困扭矩为17859.8814287.9kNm，最大推力49988.4kN(315bar),满足掘进需求。

2.3皮带出渣系统计算说明书

（一）主机皮带机计算书

1）输送能力

开挖直径9130mm，最大掘进速度按照L=0.1m/min计算，物料岩石的松散密度ρ=1.7t/m³，松散系数为1.6，富余系数1.2。

选取额定输送能力：

2）参数选取

基本参数：带速V=3m/s，带宽B=1000mm，机长20m，提升高度1.3m

传动滚筒轴功率

传动滚筒轴功率PA和轴扭矩T

功率经验公式：PA=(k1Lnv+k2LnQ+0.00273QH)k3k4+ΣP

=（0.04*20×3+0.0001089×20×1300+0.00273×1300×1.3）×1.55×1

=15.2Kw

轴扭矩：T=1000PAR/V=1297N/m

轴转速：

式中：k1=0.04,k2=0.0001089,k3=1.55,k4=1,传动滚筒半径R=0.255m

3）电机功率

驱动电机所需功率PM

PM=Kd·PA/η=1.5×15.2÷0.8=28.6kW

式中：备用系数Kd=1.5；传动效率η=0.8；

选取液压泵站电机功率为55kW。

（二）后配套皮带机计算书

1）基本参数：

基本参数：带速V=3m/s，带宽B=1000mm，机长93m，提升高度2m，倾斜角度1°。

承载分支每米托辊旋转部分质量qRO=12.2kg/m

回程分支每米托辊旋转部分质量qRU=5.89kg/m

每米输送物料的质量:

输送带型号EP200-4*(6+3)，每米输送带质量qB=16.6kg/m

输送量：Iv=Q/3.6/ρ=0.132m3/s

2）各种阻力的计算

主要阻力FH

FH=fLg[qR0+qRU+(2qB+qG)cosδ]

=0.03×93×9.81×[12.2+5.89+(2×16.6+120.4)×cos1°]=4698

式中：模拟摩擦系数f=0.03

倾斜阻力FSt

FSt=qG·H·g=120.4×2×9.81=2362N

主要特种阻力FS1

承载分支托辊阻力：

Fε=CrμOL(qB+qG)g·cosδ·Sinε

=0.43×0.3×(16.6+120.4)×93×9.81×cos1°×Sin1.5°

=562N

式中：槽形系数Cr=0.43；摩擦系数μO=0.3；前倾角度ε=1.5°

输送物料与导料栏板的摩擦阻力Fgl

式中：摩擦系数μ2=0.6；导料栏板间宽度b1=0.495m；导料栏板长度l=4m

所以：Fs1=Fε+Fgl=562N+316N=878N

附加特种阻力Fs2

输送带清扫器的摩擦阻力Fr(按单个清扫器计算)

Fr=Aρμ3=0.008×7×104×0.6=336N

式中：接触面积A=0.008m2；压力p=7×104N/m2；摩擦系数μ3=0.6

FS2=4Fr=4×336=1344N(3个清扫器和1个空段清扫器)

圆周力FU

FU=CFH+FSt+FS1+FS2=1.9×4698+2362+878+1344=13510N

式中：系数C=1.9

传动滚筒轴功率PA和轴扭矩T

PA=FU·V=13510×3/1000=40.53kW

T=FU·R=13510×0.255=3445N.m

轴转速：

式中：驱动滚筒半径R=0.255mm。

3）驱动电机所需功率PM

PM=Kd·PA/η=1.2×40.53÷0.8=60.8kW

式中：备用系数Kd=1.2；传动效率η=0.9；

选取电机减速机功率为75kW

2.4通风除尘计算说明书

（一）计算参数

管片内径8000mm，二次风管直径1000mm，长度93m，除尘风管直径8900mm，长度40m。

（二）二次通风计算

1）二次通风风量计算

按最小回风速度进行计算

掘进巷道允许最小风速V为0.5m/s，按照8000mm管片内径，断面积S为50㎡。

m³/s

2）二次通风风压计算

风管摩擦阻力

式中

――摩阻系数；取0.0027；

d――风管直径，d=1m；

――气体密度，取1.2kg/m³；

L――二次通风管长度，L=93m；

局部阻力

式中：

ξ――局部阻力系数，取ξ=1（包括局部弯头及进出口压损）；

A――风管截面积，取A=0.785㎡

3）二次风机风压

4）二次风机功率

取二次风机功率为55kw。

（三）除尘系统计算

1）除尘风机风量

根据隧道直径，选取除尘风机能力为m³/min

2）除尘风机风压

①风管摩擦阻力

式中：

――摩阻系数；取0.0027；

d――风管直径，d=0.89m；

――气体密度，取1.2kg/m³；

L――二次通风管长度，L=40m；

②局部阻力：

式中：

ξ――局部阻力系数，取ξ=3（包括局部弯头及进出口压损）；

A――风管截面积，取A=0.5㎡

除尘器风阻为3000Pa，即；

③除尘风机风压ht：

3）除尘风机功率

取除尘风机功率为2×45kw。风机风量13.33m³/s，风压5200Pa。

2.5豆砾石和水泥浆回填的设计计算书

（一）豆砾石填充计算

1）已知条件：

隧道开挖直径：D1=9.13m

管片外径：D2=8.8m，内径8m。

环宽：B=1.8m

掘进速度取：V=100mm/min=0.1m/min

豆砾石填充率：f=75%

每循环掘进时间为1.8/0.1=18min

2）每环管片间隙体积：Q=8.36m3

每环管片所需豆砾石体积：Q1=Q75%=6.27m3

最小填充速度：V=6.27×60/20=20.9m3/h

3）两台豆砾石泵实际能力：V1=2×15=30m3/h＞20.9m3/h

能够匹配最大掘进速度。

豆砾石罐容积10m3，大于每环管片所需豆砾石体积6.27m³。TBM上配置两个豆砾石罐。可满足2环管片所需豆砾石填充量。

（二）水泥浆回填灌浆的设计计算书

每环管片间隙体积：Q=8.36m3，豆砾石填充率：f=75%。

豆砾石填充后，水泥浆填充体积按照环间隙体积的30%计算，每环管片所需水泥浆体积：Q3=Q×30%=2.51m3。

每循环掘进时间为1.8/0.1=18min，最小填充速率：v2=Q3×60/18=8.36m³/h，选取注浆泵排量：V3=3*10m³/h＞8.36m³/h，能够匹配最大掘进速度。

选取搅拌罐容积15m³水泥浆干粉罐容积3.5m3，可满足要求。

3应用分析

深惠城际铁路五坂区段岩石以Ⅱ、Ⅲ类为主，岩石类型基本为中~微分化花岗岩，单轴抗压强度较高，局部区域强分化花岗岩段围岩完整性稳定性较差，推荐选择开挖直径为9.13m的双护盾TBM用于本工程施工。本方案TBM选型按照区间地质水文特点进行设计，同时兼顾了耐磨硬岩掘进、破碎带掘进、针对突涌水要求措施等，设备性能和参数完全能够满足本标段施工。

结束语

近年来，我国在城市里掀起了一股基础设施的热潮，城市里的地铁隧道也在不断地发展着。TBM盾构法在硬岩地层具有施工快捷、安全等优点，已经成为了现代城市中，隧洞建设盾构选型之一。基于深惠城际铁路五坂区段TBM施工参数的设计计算思路及应用分析，可为后续硬岩地层TBM盾构选型分析提供参考。

参考文献：