敞开式全断面岩石掘进机连续掘进原理的研究.pdf

试 验 研 究 试 验 研 究 T e s t a n dR e s e a r c h工程机械第3 8卷2 0 0 7年4月 全断面岩石掘进机施工与传统的钻爆法施工相 比 由于优点明显 在我们国家的地下工程施工中越 来越受到政府和相关企业的重视 特别是秦岭隧道 引大入秦 等隧道 洞 工程采用全断面岩石掘进 机施工的成功实践 使地下工程施工单位受到了极 大鼓舞 从而使隧道工程 引输水隧洞工程等的工程 施工采用全断面岩石掘进机已经成为首选 如目前 正在施工的辽宁大伙房引水隧洞工程采用3台敞开 式全断面岩石掘进机 拟议中的四川锦屏水电站隧 洞工程 要改建的青藏铁路线上的关角隧道工程及 南水北调工程等采用全断面岩石掘进机施工已列入 日程 全断面岩石掘进机一般分为护盾式和敞开式 两种 其中应用比较多的是敞开式全断面岩石掘进 机 O p e n T y p e F u l l F a c e R o c k T u n n e l B o r i n g M a c h i n e 简称敞开式T B M 敞开式全断面岩石掘进机主要 用于围岩完整性相对较好的地层施工 如秦岭隧道 工程 大伙房隧洞工程等使用的就是敞开式全断面 岩石掘进机 敞开式全断面岩石掘进机又称支撑式全断面岩 石掘进机 是全断面岩石掘进机的最早机型 也是最 基本的机型 这种类型掘进机的作业特点是 开挖岩 石的作业是循环作业式 在每个工作循环中存在换 步 换步过程不切削岩石 因此 敞开式T B M是间歇 式循环作业机械 对其循环作业的间歇性进行分析 可以发现 敞开式T B M工作的间歇性是由于其换步 不连续产生的 因此 考虑将敞开式T B M的换步方 式改为连续换步机构 且该机构又能对刀盘提供持 续稳定的推进力 则刀具就可以省去在换步时的不 开挖时间 从而实现敞开式全断面岩石掘进机的连 续掘进作业 实现刀盘连续掘进的关键是有一套提 供持续推力的推进装置及相应机构 经过我们深入 研究 提出了敞开式全断面岩石掘进机实现连续掘 进的支撑推进机构的方案 并就其作业时实现对刀 盘的推力恒定进行了推进机构的位移分析 推进机 构和支撑机构的协调性分析 结合具体实例 给出了 敞开式全断面岩石掘进机实现连续掘进的相应技术 参数 并就其效益进行了对比分析 得出了敞开式全 断面岩石掘进机实现连续掘进是值得认真深入探讨 的课题的结论 以期能为我们国家全断面岩石掘进 机实现跨越式发展提供理论基础 1敞开式全断面岩石掘进机连续掘进原理 敞开式全断面岩石掘进机要实现连续掘进 就 必须实现换步的连续性 这样就需要两套支撑推进 装置交替工作 对于只具有一套支撑推进装置的敞 开式全断面岩石掘进机而言 只需增加一套支撑推 进装置即可 如图1 a 所示 但在设计理念上还要 作重大改进 那就是要保证当任一套支撑推进装置 工作时 整机的重心位置相对于支撑而言不能变化 太大 当一台敞开式全断面岩石掘进机具有两套支 撑推进装置时 要实现其掘进的连续性 就需要再增 加两套支撑推进装置 显然这样改进的优点是可保 证整机的重心相对于支撑位置的变化基本不变 如 图1 b 所示 但整机的长度和重量都会增加很多 因此 无论是对只有一套支撑推进装置还是具有两 套支撑推进装置的敞开式全断面岩石掘进机 要实 敞开式全断面岩石掘进机连续掘进原理的研究 华北电力大学能源与动力工程学院张照煌王浩 摘要 敞开式全断面岩石掘进机主要用于围岩相对较好的地质地层的施工 由于其作业的不连续性 从而 影响了其掘进效率的发挥 阐述了敞开式全断面岩石掘进机连续掘进原理 我们从步行式作业机械的特点出发 给出了实现敞开式全断面岩石掘进机连续掘进的支撑推进机构图 并就机器作业时换步的协调性 连续性及对刀 盘推力的均匀性等性能参数指标进行了分析 结合具体实例 给出了实现连续掘进时的时间参数 并对原机型和 实现连续掘进机型的相应经济效益进行了对比分析 一般情况 掘进机的换步时间为工作时间的5 1 5 若把 机器换步时间转化为掘进时间 会有效提高机器的利用率 缩短工程工期 提高效益 指出了实现掘进机连续掘进 有待解决的一些技术问题及其施工方案选择 关键词 敞开式全断面岩石掘进机连续掘进推进机构支撑机构 2 8 试 验 研 究 试 验 研 究 T e s t a n dR e s e a r c h第3 8卷2 0 0 7年4月工程机械 现换步的连续性 即持续掘进 都面临设计理念 机 器长度和重量及其复杂性的急剧增加 这是到目前 为止 敞开式全断面岩石掘进机还不能实现持续掘 进的实际原因 但是随着科学技术的进步 特别是控 制技术的不断发展 这些难题都将会逐步得到解决 因此 目前对敞开式全断面岩石掘进机连续掘进的 原理进行研究 就具有非常重要的理论价值和实际 意义 实现敞开式全断面岩石掘进机连续掘进的关 键理论问题是怎样实现作用在刀盘上的推力恒定不 变 在敞开式全断面岩石掘进机工作时 要实现刀 盘上的作用力恒定不变 关键是两套支撑推进机构 的交替过程要连续平稳 且一套支撑推进机构对刀 盘作用力的增加值应等于另一套支撑推进机构对刀 盘作用力的减小值 考虑实际实现方式 连续掘进敞 开式全断面岩石掘进机两套支撑推进装置在工作过 程和交替过程中推力的变化可用图2表示 图2中 L 1为推进液压缸起始或退出出力时的空行程 所谓 空行程 是指推进液压缸开始伸出至该推进液压缸 所对应的支撑机构撑紧洞壁时所伸出的长度 或推 图1敞开式全新面岩石掘进机连续掘进机构图 F 1 第一套支撑推进机构作用在刀盘上的力F 2 第二套支撑推进机构作用在刀盘上的力F 刀盘正常工作时的推力 S 1 每一套支撑推进机构的推进行程S 2 第二套支撑推进机构的推进行程L 1 推进液压缸起始或退出出力时的空行 程L 2 推进液压缸退出正常工作或经过起始阶段后到进入正常所经历的行程L 推进液压缸正常工作行程 图2两套支撑推进装置的行程及对刀盘的作用力 2 9 试 验 研 究 试 验 研 究 T e s t a n dR e s e a r c h工程机械第3 8卷2 0 0 7年4月 进液压缸推进一定行程时 该推进液压缸所对应的 支撑机构收缩 撑靴离开洞壁后所伸出的长度 这一空行程是为避免支撑靴撑紧或脱离洞壁时与洞 壁发生摩擦而设置的 即通过这一空行程 使投入工 作的支撑推进机构或将退出工作的支撑推进机构 其支撑靴相对于洞壁沿洞轴线的运动速度都为零 若设敞开式全断面岩石掘进机的掘进速度为V 则 可得到下面3个时间参数 t 1 L 1 V 1 t 2 L 2 V 2 t L V 3 式中 t 1 推进液压缸起始或退出出力时所经历的 时间 t 2 推进液压缸退出正常工作或经过起始阶 段后到进入正常工作所经历的时间 t 推进液压缸正常工作时间 支撑推进装置推进液压缸的行程不仅应互相协 调 如图2所示 还应与支撑液压缸的行程相协调 若设支撑液压缸收缩状态时与洞壁的间隙为h 支 撑靴板的运动速度为v 则 支撑靴由收缩状态进入 工作状态 撑紧洞壁 的时间t c为 t c h v 4 为保证在支撑靴撑紧洞壁的条件下 推进液压 缸实现推进 显然应有t 1 tc 根据以上计算公式可 给出两套支撑推进机构的支撑液压缸位移 推进液 压缸位移分别与时间的关系及相互间的协调关系 见图3所示 2实例分析 某型号敞开式全断面岩石掘进机部分技术参数 如表1所示 2 1时间参数计算及分析 图3两套支撑推进装置的位移及时间关系 表1某型号敞开式全断面岩石掘进机部分技术参数 序号名称速度 m m s 缸径 m m 杆径 m m 行程 m m 数量 1支撑液压缸1 22 7 52 0 08 0 01 6 2 2推进液压缸3 63 2 02 4 01 8 0 04 2 3最大掘进速度1 6 7 3 0 试 验 研 究 试 验 研 究 T e s t a n dR e s e a r c h第3 8卷2 0 0 7年4月工程机械 根据以上公式 时间参数的计算结果如表2所示 如果以第一套支撑推进装置支撑液压缸开始伸 出的时刻为0 则第一套支撑推进装置的推进机构退 出正常工作所经历的时间为 t c t1 t2 t t2 1 1 2 0 s 第 二套支撑推进装置推进机构完全退出推进行程的时 刻为 1 1 2 0 7 t t 1 t2 2 1 1 4 7 s 其历程图如图4所示 从图4可以看出 两套支撑推进装置协调比较好 2 2效益分析 以秦岭隧道南口为例 其施工用敞开式全断面 岩石掘进机为WI R T HT B 8 8 0 E型 刀盘直径8 8 m 改为连续掘进型时 机身将增长8 m左右 通过估 算 机器成本将增加1 6 0万美元 但机器原利用率为 2 1 换步时间占工作时间的百分比为5 若采用 连续掘进 换步时间理论上可完全转换成掘进时间 从而其机器利用率可提高到2 3 8 换算成施工时 间 可缩短工期7 2 8 1 h 若每天工作1 6 h 相当于缩 短工期4 6 d 一般情况下 敞开式全断面岩石掘进机的换步 时间约为其工作时间的5 1 5 而机器的利用率 一般也只有2 0 5 0 因此 若把机器的换步时间 转化为其掘进时间 将会有效提高机器的利用率 从 而显著缩短工程工期 较好地提高工程的经济效益 和社会效益 3结论 1 敞开式全断面岩石掘进机实现连续掘进在 理论上是可行的 针对具体工程其效益会较显著 在 具体实施上还有大量的理论工作需要探讨 2 就目前而言 敞开式全断面岩石掘进机实 现连续掘进 尚需解决的主要问题是 洞径大小 开 挖长度对实施连续掘进方案的经济性 技术性影响 3 敞开式全断面岩石掘进机实现连续掘进的 关键是控制技术 因此 应对这方面的理论和相应技 术问题进行深入研究 参考文献 1 王浩 敞开式全断面岩石掘进机连续掘进原理的研究 D 北京 华北电力大学 2 0 0 6 2 张照煌 全断面岩石掘进机及其刀具破岩理论 M 北 京 中国铁道出版社 2 0 0 3 3 张照煌 李福田 全断面隧道掘进机施工技术 M 北京 中国水利水电出版社 2 0 0 6 4 王浩 张照煌 敞开式T B M连续掘进方案的研究 J 矿山 机械 2 0 0 6 5 通信地址 北京海淀育新花园6 4号1 3 0 4信箱 1 0 0 0 9 6 收稿日期 2 0 0 6 1 2 2 5 表2时间参数的计算 图4两套支撑推进装置工作及其换步历程图 序号参数设定值已知值计算公式计算量及结果 1L 1 4 0 m m 1 t 1 2 4 s 2L 2 1 0 0 m m 2 t 2 6 0 s 3L1 5 2 0 m m 3 t 9 1 0 s 4h8 0 0 m m 4 t c 6 6 7 s 5v1 2 m m s 6V1 6 7 m m s 3 1 C o n s t r u c t i o nMa c h i n e r ya n dE q u i p me n t V o l 3 8N o 4 A b s t r a c t s i nE n g l i s h S t a t i c s t r e n g t ht h e o r y i s m o s t l y a d o p t e di nd r i v e s y s t e md e s i g no f c r a w l e r v e h i c l e s w h i c hc a n t e x a c t l y r e f l e c t t h e d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s o f d i f f e r e n t m i s s i o np r o f i l e T h e r e s t r i c t i o n s o f t r a d i t i o n a l m e a s u r e m e n t a n dt e s t m e t h o d s r e s u l t i nd i f f i c u l t i e s t o o b t a i nd y n a m i c l o a d s o ne v e r y p a r t a n dc o m p o n e n t i nd r i v e s y s t e m w h i c h c a u s e s t h e b i g d i f f e r e n c e b e t w e e np r a c t i c a l o p e r a t i o nl i f e a n dd e s i g nl i f e o f t h e d r i v e s y s t e m s a n dg r e a t l y i n f l u e n c e s t h e r e l i a b i l i t y w h e nc r a w l e r v e h i c l e s a r e o p e r a t e d As i m u l a t i o nt r a v e l t e s t p l a t f o r mi s e s t a b l i s h e db a s e do nA T Va n df l o wc h a r t f o r s i m u l a t i o n a n a l y s i s o f c r a w l e r v e h i c l e d r i v e s y s t e mi s w o r k e d o u t b a s e d o n t h e s i m u l a t i o nt e s t Av i r t u a l p r o t o t y p eo f t h es y s t e mi ss e t u pa n d m o d e l v e r i f i c a t i o ni s c o n d u c t e dt o e n s u r e t h e a c c u r a c y o f s i m u l a t i o nr e s u l t D y n a m i c s i m u l a t i o na n a l y s i s t o t h e v i r t u a l p r o t o t y p e o f t h e s y s t e mi s p e r f o r m e d o n t h e b a s i s o f s i m u l a t i o nt r a v e l t e s t D y n a m i c l o a d s o n o u t p u t e n d o f t h e s y s t e ma r e o b t a i n e d f o r a c e r t a i n m i s s i o np r o f i l e T a k i n gt h ep l a n e t a r yc a r r i e r i nt h es y s t e ma s a n e x a m p l e d y n a m i ca n a l y s i s a n df i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sa r ec o n d u c t e da n di t s o p e r a t i o nl i f e i s p r e d i c t e d w h i c hp r o v i d e s a ni m p o r t a n t b a s i s f o r f u r t h e r f a t i g u e l i f e p r e d i c t i o na n dd y n a m i c o p t i m i z a t i o n o f p a r t s a n d c o m p o n e n t s i n t h e s y s t e m K e y w o r d s S i mu l a t i o nC r a w l e r v e h i c l eD r i v e s y s t e m V i r t u a l p r o t o t y p e A n a l y s i st oV i b r a t i o nC h a r a c t e r i s t i c so fV i b r a t o r yC o m p a c t o r F r a me Am a t h e m a t i c a l m o d e l w i t ht w o d e g r e e f r e e d o mi s e s t a b l i s h e df o r t h e c o m p a c t o r f r a m e w h e nf r o n t a n dr e a r w h e e l s v i b r a t e s i m u l t a n e o u s l y a n di t i s s t u d i e dw i t ht h e m o d a l a n a l y s i s m e t h o di nm e c h a n i c a l v i b r a t i o nt h e o r y Ag e n e r a l e q u a t i o nd e s c r i b i n g t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o m p a c t o rf r a m ev i b r a t i o na n df r o n t a n dr e a r w h e e l v i b r a t i o n i s o b t a i n e d I t i s v e r i f i e d t h a t t h e v i b r a t i o n b e t w e e n f r o n t a n d r e a r w h e e l s i n f l u e n c e s e a c h o t h e r I n o r d e r t o r e m o v e t h e i n f l u e n c e s f o l l o w i n gc o n d i t i o n sm u s t b ec o m p l i e dw i t h 1 f o r s i n g l e d r u mv i b r a t o r y c o m p a c t o r t h e p r o d u c t o f d i s t a n c e s o f f r o n t a n dr e a r w h e e l s t om a s s c e n t e r o f f r a m es h o u l db ee q u a l t ot h e s q u a r e o f i n e r t i a r a d i u s o f t h e f r a m e 2 f o r d u a l d r i v e a n d d u a l v i b r a t o r y c o m p a c t o r d i s t a n c e s o f t w o v i b r a t o r y d r u m s t o m a s s c e n t e r o f f r a m e s h o u l db e e q u a l t o i n e r t i a r a d i u s o f t h e f r a m e T h e c o n c l u s i o n p r o v i d e s a r e f e r e n c e t o c o m p a c t o r d e s i g n e r s K e y w o r d s C o mp a c t o rF r a meV i b r a t i o nmo d a lA n a l y s i s P a r a me t e rE s t i ma t i o no fR o t a t i o nS y s t e m o nR o t a r yP i l e D r i l l B a s e do nA u x i l i a r yV a r i a b l e Me t h o d D e s i g n o f a c o n t r o l s y s t e mi s b a s e d o n t h e e s t a b l i s h m e n t o f a s y s t e mm a t h e m a t i c a l m o d e l P a r a m e t e r e s t i m a t i o ni s t oe s t i m a t et h e m o d e l p a r a m e t e r sa c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r eo f ak n o w ns y s t e m m a t h e m a t i c a lm o d e l A u x i l i a r yv a r i a b l ea l g o r i t h m i sam a i n m e t h o di np a r a m e t e re s t i m a t i o n C o n s i s t e n c yw i t h o u t d e v i a t i o n w h e nu s i n ga u x i l i a r yv a r i a b l ea l g o r i t h m t oe s t i m a t ei sv e r i f i e d t h r o u g ht h ea n a l y s i su n d e r s y s t e mn o i s ei n t e r f e r e n c ec o n d i t i o n R o t a r yp i l ed r i l l i sak i n do f l a r g e s i z ec o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y u s e d i n d r i l l i n g o p e r a t i o n i n i n f r a s t r u c t u r e c o n s t r u c t i o n I n t h e o p e r a t i o n a r o t a r y p i l e d r i l l m u s t e x a c t l y a l i g n t o a p i l e h o l e p o s i t i o n t h r o u g ht h e c o n t r o l o f i t s r o t a r y s y s t e mf o r m a c h i n e b o d y i no r d e r t o e n s u r e d r i l l i n g q u a l i t y T h e r o t a r y m e c h a n i s mi s s i m u l a t e dw i t h t h e e s t a b l i s h m e n t o f a t e s t d e v i c e M o d e l p a r a m e t e r s o f r o t a r y s y s t e mo f t h ep i l ed r i l l a r er e c o g n i z e dw i t ha u x i l i a r yv a r i a b l ea l g o r i t h m T h ea l g o r i t h mi ss i m u l a t e dw i t hM A T L A Bs o f t w a r e T h e s i m u l a t i o nr e s u l t s h o w s t h a t t h ea u x i l i a r yv a r i a b l ea l g o r i t h mf e a t u r e s h i g ha c c u r a c y a n dm o r e e x a c t s y s t e mp a r a m e t e r m o d e l c a n b e o b t a i n e d T h i s s h o w s t h e a l g o r i t h mp l a y s a ni m p o r t a n t r o l ei n t h e d e s i g no f c o n t r o l s y s t e m s a n dp r e s e n t s a na p p l i c a b l e v a l u e f o r a c t u a l e n g i n e e r i n g K e y w o r d s A u x i l i a r yv a r i a b l eR o t a r yp i l e d r i l l P a r a me t e r e s t i ma t i o nMA T L A B S t u d yo nC o n t i n u o u sT u n n e l i n gP r i n c i p l eo fO p e nT y p e Wh o l e S e c t i o nR o c kT u n n e l e r O p e n t y p e w h o l e s e c t i o n r o c k t u n n e l e r i s m a i n l y u s e d i n t h e c o n s t r u c t i o n o f s o u n d i n g r o c k s w i t h r e l a t i v e l y b e t t e r g e o l o g i c a l s t r a t u m c o n d i t i o n s D u e t o i t s u n c o n t i n u i t y o f o p e r a t i o n i t s t u n n e l i n g e f f i c i e n c yi s g r e a t l yi n f l u e n c e d O nt h eb a s i so f w o r kc h a r a c t e r so f w a l k t y p e m a c h i n e r y a s u p p o r t p r o p e l l i n g m e c h a n i s md r a f t t o r e a l i z ec o n t i n u o u st u n n e l i n go f a no p e nt y p e w h o l es e c t i o nr o c k t u n n e l e r i s s u g g e s t e d I t s c o o r d i n a t i o na n dc o n t i n u i t yw h e ns t e p c h a n g e s e v e n n e s s o f p r o p e l l i n g f o r c e o n c u t t e r d i s c a n d o t h e r p e r f o r m a n c e p a r a m e t e r s