TBM刀具设计中围岩力学参数的选择

第20卷第2期岩石力学与工程学报20(2):230~234 2001年3月Chine se Jour nal of Rock Mechanics and Engineer ing Mar ch,2001

TBM刀具设计中围岩力学参数的选择*

徐则民黄润秋张倬元

(成都理工学院工程地质研究所成都610059)

摘要围岩力学特性是隧道掘进机)))TBM刀具设计中必须考虑的重要因素,而且这一因素也直接关系到TBM的总体设计及选用TBM施工的可行性。选择以单轴抗压强度为核心的参数系统作为刀具设计依据是不完善的。TBM 掘进过程中,刀具正下方因承受纵向压力而下陷,刀具两侧附近岩石由于受到平行掌子面的挤压而隆起。岩石下陷和隆起的同时,其内部出现张性或张剪性破裂面。当相临刀具诱发的隆起区重叠时,岩石便以碎块的形式脱离掌子面。在刀具荷载作用下,掌子面上两点之间的相对位移越大,对掘进越有利,而不同点之间的相对位移受岩石泊松比L和弹性模量E的控制。较大的L、较小的E对TBM掘进是有利的。除了单轴抗压强度外,刀具设计还应综合考虑变形参数L和E。

关键词TBM,刀具设计,围岩力学参数,单轴抗压强度,泊松比,弹性模量

分类号TU451文献标识码A文章编号100026915(2001)022*******

1引言

由装有刀具的刀盘、刀盘旋转驱动装置和刀盘纵向推进装置组成的掘进系统是庞大的工厂化TBM 综合体中最重要的部分,而掘进系统中的刀具,也称为盘形(碟形)刀具(刀圈、滚刀),作为TBM的破岩工具,则是TBM中最重要、最关键的部件。TBM是否可以充分发挥其高效能、低成本的优势,很大程度上取决于刀具的质量以及其是否符合所掘进的隧道。

目前的TBM一般都由厂商根据甲方提供或由厂商亲自测定的围岩参数为甲方特制,设计中考虑的围岩参数包括岩石强度(抗压、抗拉和剪切强度)和耐摩性能等。尽管有多个指标,但在刀具设计中,甚至是在比较T BM的掘进业绩或在T BM与钻爆法之间作出选择时,最常考虑的因素一般都是单轴抗压强度[1~3],有时加上一个反映岩石耐磨性能的石英含量[4~6]。

单轴抗压强度(UCS)是在无围压(R2=R3=0)而单向加压(R1)情况下获得的一个岩石强度参数,岩石的破坏方式为张裂、剪裂或张2剪复合型破裂。如果以岩石的单轴抗压强度为依据设计刀具,那么刀具破岩的理想条件是掌子面上有走向平行隧道轴向的节理发育,即隧道轴线方向存在由节理构成的一系列临空面。节理之间的岩块,在刀具荷载的作用下,形成张性或张剪性裂隙,并向临空面方向膨胀。所有刀具共同作用的结果是在刀具以下一定深度范围内的岩石,在既有节理的基础上,形成密集的裂隙带,并逐渐脱离掌子面。

掌子面上发育与隧道轴线走向一致的节理系统的情况是存在的,但几率却是不大的。如果既有节理系统与隧道轴线大角度相交、无节理或节理的开度很差,那么靠单轴压缩来破岩就很困难了,而这种情况在大埋深特长隧道中又是很常见的。因此,以岩石单轴抗压强度作为TBM刀具设计的主要依据是不完善的。

西康铁路秦岭特长隧道所用的TB880E型TBM 是德国Wirth公司专门为秦岭隧道特制的,TBM及刀具设计的主要依据是UCS和石英含量。根据设计和招标文件,秦岭北口第一段,即4.2km的片麻岩段岩石的抗压强度为78~137MPa、石英含量为20%~30%;Wirth公司保证在该区段内刀具的使用寿命达到180h,刀具消耗控制在439把以内。同时,中德T BM采购合同还规定,当岩石抗压强度为100 ~180MPa时,掘进速度为3.5m/h,在325MPa 时,掘进速度不小于1m/h。

1999年11月29日收到初稿,2000年2月17日收到修改稿。

*国家杰出青年科学基金(49525204)资助项目。

作者徐则民简介:男,37岁,博士,1988年毕业于长春地质学院水工系水文地质工程地质专业,现为教授,主要从事交通工程病害方面的研究工作。

T BM 于1998年1月19日进入北口,截至1998年6月25日,北口累计掘进长度为1.416km,平均月进度为236m,掘进速度一度降到0.36m/h;消耗刀具385把,比预计消耗多200把,是正常消耗的2.5倍[5,7]。显然,无论是刀具寿命还是掘进速度都远未达到合同要求,秦岭隧道北口TBM 施工是不正常的。

秦岭特长隧道北口施工中遇到的问题与T BM 刀具设计中过分依赖岩石的U CS 有关。图1表明T BM 掘进速度与岩石的干抗压强度并没有直接关系。掘进速度受到节理发育程度和节理发育方向的显著影响[5]。

秦岭隧道在T BM 施工中所遇到的问题表明,仅

仅依靠单轴抗压强度来设计刀具是不完善的。

图1 秦岭隧道TBM 掘进速度与UCS 的关系[5]

Fig.1 T he relation between face advance of TBM and UCS [5]

2 TBM 的破岩机理及刀具设计参数选

择

T BM 启动后,在强大的纵向推力作用下,刀具荷载将岩石挤压变形。随着刀盘的转动,逐渐形成以掌子面中心为圆心的一系列同心/刀辙0,如图2(a)

。

(a) (b)

图2 掘进过程中掌子面上的刀辙F ig.2 The cutter rut on the face

当岩石强度较高时,这些刀辙可能主要表现为

纵向位移,刀刃附近产生的粉渣很少,即刀圈几乎

没有真正切入岩石;当岩石强度较低时,刀刃附近岩石被粉碎,形成粉渣,这时刀圈切进到岩石中,如图2(b)。无论那一种情况,随着刀盘的不断转动,刀辙会越来越深。随着刀辙的加深,刀具两侧岩石中出现裂纹,而且裂纹数量越来越多,破裂范围也越来越大;当两把相临刀具之间的裂纹区重合时,它们之间的岩石就会以碎块的形式散落下来,如图3(b),刀盘上的铲斗会自动将石渣收集到主机皮带机上运出洞外。随着相临刀具间岩石碎块的连续散落,TBM 不断推进。

(a)理想的破岩状态

(b)最差的掘进状态

图3 TBM 的破岩机理Fig.3 The bor ing mechanism of TBM

上面讨论的是刀具破岩的理想状态,如图3(a)。当破岩情况不理想时,两个相临刀具之间的岩石不能及时形成碎块而脱落,刀具切入岩石内,掘出废渣的特征是岩粉多,岩块少。岩粉主要是刀具研磨作用产生的,因此,不仅掘进速度慢,而且刀具磨损也十分严重。秦岭北口就属于这种情况,当时的废渣中,粉渣含量竟高达40%[5]。

当TBM 处于掘进状态时,刀具除了对掌子面有垂直压力作用外,还有切向力,并伴有动力作用。刀具对掌子面垂直压力的大小取决于TBM 的最大推力和刀具数量,秦岭隧道所用T BM 的设计其最大推力为21000kN,刀具73把,每把刀具对掌子面的最大垂直推力约为288kN 。刀具与掌子面的接触面形状近似于椭圆形。

由于常用刀具最大厚度仅有80mm,刀口厚度仅有8mm,因此,可以假定刀具压力是以集中荷载的形式作用于掌子面。鉴于开挖断面一般都比较大,如秦岭隧道达60.8m 2,这种概化是合理的。

刀具对掌子面的切向力(Q )的大小与垂直压力p 和刀具与掌子面之间的附着系数k 有关。一般情况

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