硬巖掘進機在軟巖隧道施工中的應用

德國WIRTH公司生產的TB880E型掘進機已成功地用于西康線秦嶺I線隧道的施工中。由于該設備價值高達3億多遠人民幣，為了充分發揮其作用，應當積極地探索其要軟弱圍巖地質隧道中的應用，以提高設備利用率。

1、 軟弱圍巖地帶施工的特點

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。這類圍巖盡管因強度低而對刀具的磨損較小，但其完整性差，斷層節理裂隙發育、自穩性差，易產生塌方，從而加大了操作使用和施工的難度。如果掘進參數選擇不當，會使坍塌程度加劇或造成掘進機損壞事故。大量的塌方也會影響掘進機的通過性能而無法正常掘進。同時，軟弱圍巖容易使掘進機的掘進姿態產生變動，掘進方向易產生偏差。

2、 掘進參數的選擇

（1）工作模式

TB880E掘進機有三種工作模式：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硬巖，自動扭矩控制適用于均質軟巖。而軟弱圍巖的不良地質情況較為復雜多變，且多為不均質圍巖。所以手動控制盡管對操作人員的要求有所增加，但它能適應復雜多變的地質情況，有經驗的操作人員可通過各種反饋信息判斷出刀盤前方地質的最新狀況，及時地調整掘進參數以適應多變的地質狀況，這對沒有進行過準確可靠的地質預測，或是地質預測有偏差時，其優點更為突出。

（2）膠帶機的防滑與防斷

刀盤前方的圍巖若出現坍時，膠帶機的負荷就很大，當負荷超過一定程度后會使膠帶機打滑或停止運轉，由于3#膠帶機比1#、2#膠帶機長得多，引現象更有可能發生。特別是在3#膠帶機向溜碴槽傳送時，因為是由水平輸送變為斜坡輸送，石碴過多會落入3#膠帶機的內側，有可能導致3#膠帶機膠帶撕裂或扯斷的事故。這種現象在3#膠帶機壓力超過12Mpa時就有可能發生。由于圍巖的坍塌具有一定的突發性，膠帶機的運行速度為2m/s，而主控室監視器對膠帶機輸送系統的觀察僅限于1#、2#膠帶機的交接部位和2#、3#膠帶機的交接部位以及溜碴槽的卸碴情況，當了現膠帶機有問題并作出反應時，膠帶可能已經撕裂二三十米了，所以不應通過直接觀察3#膠帶機的壓力來進行控制，否則將會滯后。而應在1#、3#膠帶機的壓力特別是1#膠帶機的壓力由12Mpa上升到14Mpa時，就降低推進速度；在1#膠帶機的壓力變動范圍較大時，應停止推進甚至至退后，上旋轉刀盤進行出碴，以確保膠帶機的安全。

（3）刀盤轉速的選擇

刀盤有兩種驅動方式：電驅動和液壓輔助驅動。電驅動有高低兩種轉速：5.4r/min和2.7r/min；液壓輔助驅動轉速則在0~1r/min范圍內，可根據需要進行控制調節，用于刀盤脫困。

對掘進機本身而言，高速較為有利，這是因為：掘進速度=刀盤轉速×貫入度。在相同的掘進速度情況下，刀盤轉速高速時的貫入度是低速時的一半，與貫入度成正比的刀盤扭矩、推進力相對較小；因此，主電機的工作電流和刀具的承載負荷也就相應地較小，在掘進機反饋參數信息允許的前提下可提高掘進速度。

但刀盤轉速在高速時對軟弱圍巖的擾動較大，有可能造成圍巖失穩而坍塌，同時高速時出碴較快，會增大膠帶機的工作負載。因此，在軟弱圍巖的地質情況下，刀盤轉速主要選用低速。但為使掘進機充分地發揮效能，在條件允許的情況下還應盡量地選用高速，這應作為對刀盤推進力和出碴情況來進行判斷。經驗表時，在低速時，60%掘進速度的工況下，若推進力上升到10MN且出碴量穩定均勻時，可改用高速；而當高速時，60%掘進速度的工況下，推進力下降至5MN以下或出碴量不穩定時，則應改用低速。

在刀盤被卡或低速時因塌方出碴量仍然較大時，可選用液壓輔助驅動，在0~1r/min的范圍內調整其轉速。

（4）刀盤推進力的選擇

推進力在滿負荷時為17.7MN，為保護刀具應將其控制在15MN以下，低速時，當推進力超過10MN時，則可選用高速。刀盤推進力一定時，推進缸的推進壓力為一定值，故不作考慮。

（5）刀盤扭矩和主電機電流的選擇

刀盤扭矩由主電機產生，應控制在80%以下。主電機最大允許電流為410A，故主電機工作電流應控制在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，支撐越穩固。但在軟弱圍巖狀態下，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，但同時軟弱圍巖對刀盤產生的反作用力（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，不能盲目地提高撐靴壓力。如此時刀盤推力較大，可通過降低掘進速度來減少推力，使之不會出現因超過撐靴提供的支撐反力而造成撐靴打滑。

（3）掘進方向的控制

由于軟弱圍巖為刀盤護盾及撐靴提供的支撐反力較小，掘進過程中掘進機的姿態容易發生變動，其方向控制與硬巖隧道施工時相比容易產生偏差，可通過下面的方法來進行控制：

首選，應避免撐靴打滑，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，所以應絕對避免撐靴打滑。當撐靴位置的條件允許時，可提高撐靴壓力來提高摩擦力；當撐靴位置的條件不允許時，可通過降低掘旱災速度來控制（在前面已經提到）；另外，對因撐靴位置的圍巖出現坍塌而使個別撐靴無法撐出時，應噴身和灌注混凝土，待混凝土凝固后再將撐靴撐出。

其次，由于刀盤區域由刀盤、主軸承、護盾和刀具以及液壓組件所構成的自重可達數百噸，將使實際掘進方向比預測掘進方面有偏下的趨勢，且圍巖強度不同造成的方向偏差也不相同。對這種現象，我們采用稱之為“預修正控制”的方法，即根據前幾個掘進循環所表現出的偏差量來相應增大軸向仰角，使主機預先有一個向上掘進的趨勢，來低消其自重所造成的方向偏差。

再者，與上述情況相似，掘進方向X軸（即左右方向）的偏差，往往是由于局部圍巖強度較弱而造成的，我們仍然可以采用上述的“預修正控制法”，調整相應的導向角來加以控制，這里不同贅述。
需要指出的是，為避免圍巖對刀具的損傷，掘進機的調向每次不可過大，軸向仰角或導向角每次調整量不應超過3°；盡管軟習圍巖整體強度較弱，但由于掌子面石質往往為不均質的，局部仍有硬巖，故除非特殊情況每次調整量不宜超過3°，在需要作較大調整時，可分數個循環分次加以調整。

實踐證明，只要能依照上述的原則和方法來加以控制和調整，就可以很好的控制掘進方向。