硬巖掘進(jìn)機(jī)在軟巖隧道施工中的應(yīng)用

德國WIRTH公司生產(chǎn)的TB880E型掘進(jìn)機(jī)已成功地用于西康線秦嶺I線隧道的施工中。由于該設(shè)備價(jià)值高達(dá)3億多遠(yuǎn)人民幣，為了充分發(fā)揮其作用，應(yīng)當(dāng)積極地探索其要軟弱圍巖地質(zhì)隧道中的應(yīng)用，以提高設(shè)備利用率。

1、 軟弱圍巖地帶施工的特點(diǎn)

軟弱圍巖有云母石英片巖、蝕變閃長巖、閃長玢巖及斷層破碎帶。其中，秦嶺隧道局部不良地段為蝕變閃長巖、閃長玢巖及斷層破碎帶；而磨溝嶺隧道局部不良地質(zhì)段為蝕變閃長巖、閃長玢巖及斷層破碎帶；而磨溝嶺隧道整體則以圍巖強(qiáng)度更低的云母石英片巖及斷層破碎帶為主。這類圍巖盡管因強(qiáng)度低而對刀具的磨損較小，但其完整性差，斷層節(jié)理裂隙發(fā)育、自穩(wěn)性差，易產(chǎn)生塌方，從而加大了操作使用和施工的難度。如果掘進(jìn)參數(shù)選擇不當(dāng)，會使坍塌程度加劇或造成掘進(jìn)機(jī)損壞事故。大量的塌方也會影響掘進(jìn)機(jī)的通過性能而無法正常掘進(jìn)。同時(shí)，軟弱圍巖容易使掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)姿態(tài)產(chǎn)生變動，掘進(jìn)方向易產(chǎn)生偏差。

2、 掘進(jìn)參數(shù)的選擇

（1）工作模式

TB880E掘進(jìn)機(jī)有三種工作模式：自動推力控制、自動扭矩控制和手動控制。自動推力控制知用于均質(zhì)硬巖，自動扭矩控制適用于均質(zhì)軟巖。而軟弱圍巖的不良地質(zhì)情況較為復(fù)雜多變，且多為不均質(zhì)圍巖。所以手動控制盡管對操作人員的要求有所增加，但它能適應(yīng)復(fù)雜多變的地質(zhì)情況，有經(jīng)驗(yàn)的操作人員可通過各種反饋信息判斷出刀盤前方地質(zhì)的最新狀況，及時(shí)地調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)以適應(yīng)多變的地質(zhì)狀況，這對沒有進(jìn)行過準(zhǔn)確可靠的地質(zhì)預(yù)測，或是地質(zhì)預(yù)測有偏差時(shí)，其優(yōu)點(diǎn)更為突出。

（2）膠帶機(jī)的防滑與防斷

刀盤前方的圍巖若出現(xiàn)坍時(shí)，膠帶機(jī)的負(fù)荷就很大，當(dāng)負(fù)荷超過一定程度后會使膠帶機(jī)打滑或停止運(yùn)轉(zhuǎn)，由于3#膠帶機(jī)比1#、2#膠帶機(jī)長得多，引現(xiàn)象更有可能發(fā)生。特別是在3#膠帶機(jī)向溜碴槽傳送時(shí)，因?yàn)槭怯伤捷斔妥優(yōu)樾逼螺斔停赀^多會落入3#膠帶機(jī)的內(nèi)側(cè)，有可能導(dǎo)致3#膠帶機(jī)膠帶撕裂或扯斷的事故。這種現(xiàn)象在3#膠帶機(jī)壓力超過12Mpa時(shí)就有可能發(fā)生。由于圍巖的坍塌具有一定的突發(fā)性，膠帶機(jī)的運(yùn)行速度為2m/s，而主控室監(jiān)視器對膠帶機(jī)輸送系統(tǒng)的觀察僅限于1#、2#膠帶機(jī)的交接部位和2#、3#膠帶機(jī)的交接部位以及溜碴槽的卸碴情況，當(dāng)了現(xiàn)膠帶機(jī)有問題并作出反應(yīng)時(shí)，膠帶可能已經(jīng)撕裂二三十米了，所以不應(yīng)通過直接觀察3#膠帶機(jī)的壓力來進(jìn)行控制，否則將會滯后。而應(yīng)在1#、3#膠帶機(jī)的壓力特別是1#膠帶機(jī)的壓力由12Mpa上升到14Mpa時(shí)，就降低推進(jìn)速度；在1#膠帶機(jī)的壓力變動范圍較大時(shí)，應(yīng)停止推進(jìn)甚至至退后，上旋轉(zhuǎn)刀盤進(jìn)行出碴，以確保膠帶機(jī)的安全。

（3）刀盤轉(zhuǎn)速的選擇

刀盤有兩種驅(qū)動方式：電驅(qū)動和液壓輔助驅(qū)動。電驅(qū)動有高低兩種轉(zhuǎn)速：5.4r/min和2.7r/min；液壓輔助驅(qū)動轉(zhuǎn)速則在0~1r/min范圍內(nèi)，可根據(jù)需要進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，用于刀盤脫困。

對掘進(jìn)機(jī)本身而言，高速較為有利，這是因?yàn)椋壕蜻M(jìn)速度=刀盤轉(zhuǎn)速×貫入度。在相同的掘進(jìn)速度情況下，刀盤轉(zhuǎn)速高速時(shí)的貫入度是低速時(shí)的一半，與貫入度成正比的刀盤扭矩、推進(jìn)力相對較??；因此，主電機(jī)的工作電流和刀具的承載負(fù)荷也就相應(yīng)地較小，在掘進(jìn)機(jī)反饋參數(shù)信息允許的前提下可提高掘進(jìn)速度。

但刀盤轉(zhuǎn)速在高速時(shí)對軟弱圍巖的擾動較大，有可能造成圍巖失穩(wěn)而坍塌，同時(shí)高速時(shí)出碴較快，會增大膠帶機(jī)的工作負(fù)載。因此，在軟弱圍巖的地質(zhì)情況下，刀盤轉(zhuǎn)速主要選用低速。但為使掘進(jìn)機(jī)充分地發(fā)揮效能，在條件允許的情況下還應(yīng)盡量地選用高速，這應(yīng)作為對刀盤推進(jìn)力和出碴情況來進(jìn)行判斷。經(jīng)驗(yàn)表時(shí)，在低速時(shí)，60%掘進(jìn)速度的工況下，若推進(jìn)力上升到10MN且出碴量穩(wěn)定均勻時(shí)，可改用高速；而當(dāng)高速時(shí)，60%掘進(jìn)速度的工況下，推進(jìn)力下降至5MN以下或出碴量不穩(wěn)定時(shí)，則應(yīng)改用低速。

在刀盤被卡或低速時(shí)因塌方出碴量仍然較大時(shí)，可選用液壓輔助驅(qū)動，在0~1r/min的范圍內(nèi)調(diào)整其轉(zhuǎn)速。

（4）刀盤推進(jìn)力的選擇

推進(jìn)力在滿負(fù)荷時(shí)為17.7MN，為保護(hù)刀具應(yīng)將其控制在15MN以下，低速時(shí)，當(dāng)推進(jìn)力超過10MN時(shí)，則可選用高速。刀盤推進(jìn)力一定時(shí)，推進(jìn)缸的推進(jìn)壓力為一定值，故不作考慮。

（5）刀盤扭矩和主電機(jī)電流的選擇

刀盤扭矩由主電機(jī)產(chǎn)生，應(yīng)控制在80%以下。主電機(jī)最大允許電流為410A，故主電機(jī)工作電流應(yīng)控制在320A以下。

（6）撐靴壓力的控制

撐靴為刀盤提供支撐力。撐靴壓力越高，摩擦力越大，支撐越穩(wěn)固。但在軟弱圍巖狀態(tài)下，如果撐靴壓力過高，會將圍巖撐垮而造成支撐不良，故撐靴壓力受圍巖條伯的限制，但同時(shí)軟弱圍巖對刀盤產(chǎn)生的反作用力（即刀盤推力）也不會太大，也就是說所需的撐靴壓力不必太高，一般選用20-22 MPa即可。如果撐靴部位條件不好，8對撐靴無法全部撐出，這時(shí)，不能盲目地提高撐靴壓力。如此時(shí)刀盤推力較大，可通過降低掘進(jìn)速度來減少推力，使之不會出現(xiàn)因超過撐靴提供的支撐反力而造成撐靴打滑。

（3）掘進(jìn)方向的控制

由于軟弱圍巖為刀盤護(hù)盾及撐靴提供的支撐反力較小，掘進(jìn)過程中掘進(jìn)機(jī)的姿態(tài)容易發(fā)生變動，其方向控制與硬巖隧道施工時(shí)相比容易產(chǎn)生偏差，可通過下面的方法來進(jìn)行控制：

首選，應(yīng)避免撐靴打滑，由于軟弱圍巖為撐靴提供的支撐反力本身就不大，撐靴打滑更會使開勢惡化，大幅度的方向變化往往是由于撐靴打滑引起的，所以應(yīng)絕對避免撐靴打滑。當(dāng)撐靴位置的條件允許時(shí)，可提高撐靴壓力來提高摩擦力；當(dāng)撐靴位置的條件不允許時(shí)，可通過降低掘旱災(zāi)速度來控制（在前面已經(jīng)提到）；另外，對因撐靴位置的圍巖出現(xiàn)坍塌而使個(gè)別撐靴無法撐出時(shí)，應(yīng)噴身和灌注混凝土，待混凝土凝固后再將撐靴撐出。

其次，由于刀盤區(qū)域由刀盤、主軸承、護(hù)盾和刀具以及液壓組件所構(gòu)成的自重可達(dá)數(shù)百噸，將使實(shí)際掘進(jìn)方向比預(yù)測掘進(jìn)方面有偏下的趨勢，且圍巖強(qiáng)度不同造成的方向偏差也不相同。對這種現(xiàn)象，我們采用稱之為“預(yù)修正控制”的方法，即根據(jù)前幾個(gè)掘進(jìn)循環(huán)所表現(xiàn)出的偏差量來相應(yīng)增大軸向仰角，使主機(jī)預(yù)先有一個(gè)向上掘進(jìn)的趨勢，來低消其自重所造成的方向偏差。

再者，與上述情況相似，掘進(jìn)方向X軸（即左右方向）的偏差，往往是由于局部圍巖強(qiáng)度較弱而造成的，我們?nèi)匀豢梢圆捎蒙鲜龅摹邦A(yù)修正控制法”，調(diào)整相應(yīng)的導(dǎo)向角來加以控制，這里不同贅述。
需要指出的是，為避免圍巖對刀具的損傷，掘進(jìn)機(jī)的調(diào)向每次不可過大，軸向仰角或?qū)蚪敲看握{(diào)整量不應(yīng)超過3°；盡管軟習(xí)圍巖整體強(qiáng)度較弱，但由于掌子面石質(zhì)往往為不均質(zhì)的，局部仍有硬巖，故除非特殊情況每次調(diào)整量不宜超過3°，在需要作較大調(diào)整時(shí)，可分?jǐn)?shù)個(gè)循環(huán)分次加以調(diào)整。

實(shí)踐證明，只要能依照上述的原則和方法來加以控制和調(diào)整，就可以很好的控制掘進(jìn)方向。