不同地质情况下掘进参数的选择标准及经验

1、不同地质情况下掘进参数的选择标准及经验刘瑞庆 TBM法隧道施工中，在相同的机况及地质情况下，主司机换步方式的合理运用和对掘进参数的正确选择是决定掘进安全、快速、经济的主要因素。本将主要讨论掘进中在不同情况下对于掘进参数的选择。1 工作模式 TBM的设计提供了三种工作模式：自动扭矩控制、自动推力控制和手动控制模式。自动扭矩控制只适用于均质较岩，自动推力控制只适用于均质硬岩，手动控制模式操作方便、反应灵活，适用于各种地质情况。 自动扭矩和自动推力控制模式是通过改变自动档设定值电位器阻值的大小，由PllC系统自动根据机器相关参数进行自动反被调整来实现自动控制。以自动推力控制模式为例，其闭环控制回路如

2、图1所示： 摘录相关PLC程序如图2。 IW35取值范围为0100，对应推进压力为0275 Mpa，若我们设定自动档设定电位器的值为100，即设定最大推进压力为275 Mpa，则由程序分析可知，实际推进压力将在26.5-28.5 Mpa之间波动。实际推进压力低于 26.5 Mpa时，PLC控制双向伺服马达转动推进速度电位器，井通过比例电子放大板与比例阀芯位置的反馈调节，使电校比例间流量增大，刀盘推力增加，当PLC实时检测到推进压力反馈信号26.5 Mpa时，则停止调节，反之亦然。同时Pde也检测主电机电流（即对应于刀盘扭矩），超过额定电流值时，则降低推进速度，以保护电机及传动机构。自动扭矩控制

3、模式原理与此相似，其闭环控制回路如图3所示。 由上述两种自动控制模式的原理分析可以看出，为保证系统的稳定性，H兀系统对设定值的反应不会也不允许太灵敏，允许实际值的波动范围较大（范围为-1010），并且只能对整个刀盘的平均值作出反应，而不能对实际掘进中多变的岩石情况作出灵活迅速的反应。因此在实践操作过程中最常用的还是采用手动控制模式，其控制回路如图4，其实质是以主司机替代PLC系统，根据掘进情况，手动改变推进速度电位器的开环控制系统。 2 掘进多数的选择标准 掘进参数主要有以下8个：刀盘转速、刀盘扭矩、电机电流值、推进力、推进缸压力、实际掘进速度、贯人度（每转进尺）和推进速度电位器选择值。其中电

4、机电流值与刀盘扭矩、推进缸压力与推进力成正比，实际掘进速度二刀盘转速对贯入度。在选定刀盘转速后，主司机唯一能直接控制的就是选择推进速度电位器的值。由于岩石情况不同，掘进所需的扭矩和推力不同，实际达到的掘进速度也不尽相同，主司机根据扭矩、推力的情况及刀盘振动、出碴情况选择推进速度电位器选择值的大小。 图5为刀盘推进液压系统图。掘进时，PLC系统控制电液比例阀2114及换向阀212.2一1分处于左位及下位，P3高压泵向推进缸大腔供油。阀2112为定压差减压阀，使比例问211-4进出袖口形成定压差P，由QsqarPAr（阀开口面积） 即流量与阀开度有确定的线形关系，而困开度对应于推进速度电位器的选值

5、，巨掘进速度VQ，故知理论上，推进速度电位器值与实际推进速度成线形关系。由p3泵Qmax=59L/min,8个推进油缸内径D=320mm，可计算得出：Vmax=Qmax/（D2)8=5.5m/h 由此可得实际推进速度与推进速度电位器选择值的线形关系图，图6中线段OA为理论上线形关系，但由于溢流阀211l的作用，如果岩石太硬，在推进速度电位器未调至lbo时已达到溢流压力，则其关系图应为图6中折线OBC. 由设计参数知，直径4313一的盘形滚刀其最大承载力为 250 kN，则可算出推进油缸工作压力；P=N总（D2)8=27.5MPa 实际掘进中溢流阀2lll已设定为 27.0MPa，由此可得不同硬

6、度岩石条件下的掘进速度与推进速度电位器选定值的关系图，如图7。 掘进中对参数的选择有两个原则，其一不能使溢流阀211l处于常开位置，此时的推进压力流经说流阀直接回油箱，系统发热急剧上升，工作环境温度和湿度升高，不但液压系统性能下降，电气系统绝缘性能恶化，而且对工人的劳动效率也有较大影响，不但浪费能源也不利于掘进；其二是尽量以较高的推进压力向前掘进，因为推进力越大，贯人度越高，掘进速度越快，在扭矩的限值下应尽可能采用高推进力，这样才能提高掘进效率获得良好的经济效益。3 实际经验 两年的秦岭隧道掘进经验得出，采用低于溢流阀211一1设定压力值0.5 Mpa左右的推进压力掘是合适的。以溢流阀压力设定

7、为 27.0 Mpa为例，可选择以 265 Mpa为推进压力，此时岩石的硬度波动反映为推进压力随之波动如图8。 此时根据推进压力的波动可看出掌子面岩石的硬度变化情况，如果一段时间内，推进压力平均值偏高（如图8所示），则说明岩石变硬须降低掘进速度选择值以减小推进压力如果平均值偏低，则可适当提速以保持推进压力在265 Mpa左右，如此可随时根据岩石硬度变化来选择掘进速度。而如果一味以溢流压力掘进，则无法从推进压力的变化得知岩石的变化情况岩石变硬时，依然保持较高速度掘进，导致溢流阀常开。虽然由于图ZI4C程序对推进压力的监控，不会在溢流问万一失效的情况下造成刀具和液压系统的损坏但由于溢流阀长时间处于

8、溢流状态会造成其调定弹簧倔强系数的改变，从而降低溢流阀的调定值人为减小推进速度。这在掘进唇期得到验证推进压力开始为 27.0 Mpa，到后期只能达到 255 MP左右。 以上为在较均质硬岩情况下手动控制模式对掘进参数的选择（此情况掘进中常见），在较均质较岩情况时原理相同，只是参考标准为电机电流亦即扭矩。而在掌子面岩石硬度不均时即使扭矩和推力均未达到额定值，部分刀具也可能遇到局部硬岩而过载失效，同时对主轴承和内凯产生偏载。此时应根据扭矩和推力的变化情况和刀盘的振动来判断并采取降低掘进速度的措施，尤其是在掌子面局部坍塌时，刀盘振动加剧应停机进人掌子面确认岩石访况必耍时采用半速掘进模式，将刀盘转速由

9、 5.4 rmin降为 2.7 r/min，减小对周围岩石的扰动，但此时应注意掘进速度也应减半，否则贯人度增加一倍更易导致刀具的过载和刀盘的偏载。 此外，除了合理的换步和正确地选择掘进参数，换步完毕到开始正常掘进的过渡时间内的提速过程也是节约时间、快速掘进的一个因素。在这里有一个误区即认为在换步以后应以很低速度掘进至每把刀与掌子面均匀接触，否则一开始就以高速掘进会造成很大推进力，而且全部由先接触掌子面的部分刀具承受而导致过载。如果缓慢提速的话这个过程会长达1015min，严重影响掘进速度，其实经过仔细分析，完全可以找出解决的办法，可称之为最硬岩提速原则。从图6可以看出，对于特定的溢流压力不同硬

10、度岩石情况对应不同的最大掘进速度因此，如果我们能知道掌于面上最硬岩石的硬度那么以小于其对应的最大掘进速度的速度来掘进均不会引起刀具过载。由于无法准确知道岩石最大硬度，通常在掌子面完整的情况下换步后将上一循环结束时掘进速度档位减小10个百分点，这样既节约了掘进时间，也减小了可能导致部分刀具切削局部硬岩而过载的概率，从而寻求到一个在提速和防止过载之间的最佳点。另外为避免刀盘接触掌子面瞬间推进速度过高而对电机传动系统产生冲击及刀盘的偏载，可在刀盘接触掌子面前（可由刀盘位移传感器判断），再适当降低速度，待推力L升后逐步提速进人正常掘进操作，如此操作一般在35min，实际掘进中因此导致刀具过载漏油的事例