中天山特長隧道位于托克遜、和碩間中天山東段的嶺脊地區(qū)。穿越中天山北支博爾托烏山中山山地，平均海拔1100~2950m，最高海拔為2951.6m。是南疆鐵路增建二線吐魯番至庫爾勒段的控制性工程。隧道起訖里程為DK141+593～DK164+042(左線)、DyK141+573～DK164+040(右線)，左線全長22449m，右線全長22467m，全隧道為單面上坡，除出口308m，位于曲線上外，其余均位于直線上，左右線線間距36m。本次依托工程為左線隧道，全長22467m，設(shè)計坡度11‰，通過地層巖性以變質(zhì)砂巖、變質(zhì)角斑巖、花崗巖、片巖夾大理巖為主。
二、TBM掘進效率主要影響參數(shù)
1、機械參數(shù)
TBM法隧道施工中，在相同的機況及地質(zhì)情況下，對掘進參數(shù)的正確選擇是決定掘進安全、快速、經(jīng)濟的主要因素。
TBM掘進機的掘進參數(shù)主要有8個：刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤扭矩、電機電流值、推進力、推進缸壓力、實際掘進速度、貫入度(每轉(zhuǎn)進尺)和推進速度電位器選擇值。其中電機電流值與刀盤扭矩、推進缸壓力與推進力成正比，實際掘進速度=刀盤轉(zhuǎn)速×貫入度。
在選定刀盤轉(zhuǎn)速后，唯一能直接控制的就是選擇推進速度。通過調(diào)節(jié)推進速度來控制掘進。由于巖石情況不同，掘進所需的扭矩和推進力也不同，實際達到的掘進速度也不盡相同。在相同掘進速度情況下，刀盤轉(zhuǎn)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。但是當(dāng)?shù)侗P高速運轉(zhuǎn)時，對軟弱圍巖的擾動較大，有可能造成圍巖的失穩(wěn)坍塌，同時高速時出碴會加快，相應(yīng)的增加膠帶機的工作負荷。因此在軟弱圍巖的地質(zhì)情況下，刀盤的轉(zhuǎn)速主要選擇是低速。
1掘進機的總推進力
掘進機向前開挖掘進時所需總推力為各刀具推力之和加上機器與洞壁及內(nèi)、外大梁之間摩擦力之和。
式中：F刀---破巖時所需刀具總推力-即各刀具沿洞軸方向的分力之和
F1---機器推進時-刀盤下部浮動支撐與洞壁之間的滑動摩擦力
F2---頂護盾與洞壁之間滑動摩擦力
F3---刀盤側(cè)支撐與洞壁之間滑動摩擦力
F4---大梁水平導(dǎo)軌間滑動摩擦力
F5---掘進時隨刀盤向前移動部分的后配套裝置對機器的拖動阻力
機器的總推力為需要的總推力乘以一個大于1的安全貯備系數(shù)。
2刀盤回轉(zhuǎn)功率與扭矩
刀盤回轉(zhuǎn)破巖時，要克服刀具破巖的總阻力矩M刀、鏟斗裝渣阻力矩M1及鏟斗與洞壁之間的摩擦阻力矩M2。
機器回轉(zhuǎn)所需總力矩 M總=f×(M刀+M1+M2)/η
式中：f---大于1的安全儲備系數(shù)
η---刀盤傳動機構(gòu)的效率
機器回轉(zhuǎn)總功率 N=M總×n/716.2(馬力)
式中：n---刀盤轉(zhuǎn)速(r/min)
3掘進機的貫入度
貫入度(Net Penetration，又稱為凈切深)，也就是我們通常所說的切深，即定義為刀盤每旋轉(zhuǎn)一圈的前進距離，是研究掘進機推進力與掘進速度之間關(guān)系的主要參數(shù)。
4掘進機工作參數(shù)之間的相互關(guān)系
通常認(rèn)為影響掘進機性能的機器因素包括每把刀具的推進力、刀具的磨損程度、刀間距、刀具直徑、扭矩、轉(zhuǎn)速、刀盤直徑和曲率、TBM推進力、后配套設(shè)備、機器處理大塊巖石的能力以及抗沖擊和振動的穩(wěn)定性等。由于刀盤及刀具的幾何尺寸在機器制造后已經(jīng)確定，不能更改。所以對于掘進機工作性能影響可控的主要因素只能為推進力、轉(zhuǎn)速，或者為由以上兩者影響的掘進機推進速度和扭矩。
掘進機在開挖隧道時其刀間距保持不變，同時掘進機可提供的刀盤推進力和扭矩能力是有一定限值，所以其開挖能力受到一定的限制。首先是刀盤推進力對掘進機掘進速度的限制作用。在一定的切深范圍內(nèi)，掘進機刀盤的切深隨著推進力的增大，將不斷增大。但是對特定的掘進機其推進力是有限的定值，所以，切深必將受到最大推進力的限制。其次在軟巖中開挖時，開挖性能將受到掘進機扭矩的限制;當(dāng)在硬巖中開挖時，開挖性能將受到掘進機推力的限制。
(1)每轉(zhuǎn)切深與刀盤推力的關(guān)系
刀盤推力是產(chǎn)生刀盤切深和一定掘進速率的主要因素之一。根據(jù)掘進試驗結(jié)果[1]，由刀盤每轉(zhuǎn)切深與刀盤推力關(guān)系的散點圖和回歸分析曲線(如圖2-1所示)可知：①刀盤每轉(zhuǎn)切深隨刀盤推力的提高而逐漸增大，且切深增大率高于推力的提高率;②刀盤轉(zhuǎn)速較大時的每轉(zhuǎn)切深明顯低于低轉(zhuǎn)速時的刀盤切深。
掘進機的掘進速率等于刀盤每轉(zhuǎn)切深與刀盤轉(zhuǎn)速之積，即掘進速率與切深成正比。因此，掘進速率與巖石強度及刀盤推力的關(guān)系與每轉(zhuǎn)切深的關(guān)系是相同的。
(2)刀盤扭矩與切深的關(guān)系
刀盤扭矩是在刀盤施加推力后產(chǎn)生的，一開始主要是摩擦產(chǎn)生的扭矩，隨切深的增大，滾刀對巖石產(chǎn)生切割壓碎作用，扭矩逐漸增大。根據(jù)刀盤扭矩與每轉(zhuǎn)切深關(guān)系的散點圖和回歸分析曲線(如圖2-2所示)可知：
?、俚侗P扭矩與切深呈線性增長關(guān)系[2];
②當(dāng)巖石強度低時，刀具切深較大，掘進時表現(xiàn)出的刀盤扭矩總體高于巖石強度高的地層[3]。是由于，巖石強度較低，刀具易切入巖石獲得較大的切深，刀盤旋轉(zhuǎn)阻力增大，因而需要較大的扭矩。
2、地質(zhì)參數(shù)
1巖石的強度
TBM是利用巖石的抗拉強度和抗剪強度明顯小于抗壓強度這一特征而設(shè)計的，抗壓強度的高低是影響TBM掘進效率的關(guān)鍵地質(zhì)因素之一。一般常采用巖石的單軸抗壓強度(Rc)來判斷TBM工作條件下隧道圍巖開挖的難易程度。一定范圍內(nèi)Rc越低，TBM的掘進速度越高，則掘進越快;Rc越高，TBM的掘進速度越低，則掘進越慢。但是，Rc太小，圍巖穩(wěn)定性差，嚴(yán)重影響掘進速度; Rc太大，TBM掘進困難，效率低下[4]。
2巖石的耐磨性
國內(nèi)外大量TBM施工隧道的工程實踐表明，滾刀的磨損情況對TBM掘進效率以及掘進的經(jīng)濟性影響很大。而對刀具的磨損判斷和預(yù)測，僅根據(jù)巖石抗壓強度是不夠的。主要應(yīng)結(jié)合巖石的硬度以及巖石所含石英顆粒的大小、數(shù)量來決定。
一般情況下，巖石的耐磨性越高，對TBM刀具、刀圈和軸承的磨損程度也越嚴(yán)重，刀具消耗和施工成本就越高，并造成停機換刀次數(shù)增加，影響TBM正常掘進，相應(yīng)的TBM掘進效率也就越低[5]。
3巖石的完整性
巖體的結(jié)構(gòu)面(節(jié)理、層理、片理、小斷層)發(fā)育程度，即巖體的裂隙化程度或巖體的完整性與掘進效率有很大關(guān)系，是影響TBM工作效率的又一重要的地質(zhì)因素。各表征巖體完整程度的指標(biāo)，較普遍選用的有巖體完整性系數(shù)Kv、巖體體積節(jié)理數(shù)Jv、節(jié)理平均間距pd等。
巖石的抗壓強度、硬度、耐磨性相同或相近的巖體，結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度不同，TBM的凈掘進速度會產(chǎn)生明顯差異。巖體結(jié)構(gòu)面越發(fā)育，密度越大，節(jié)理間距越小，完整性系數(shù)越小，TBM掘進速度就越高。但當(dāng)結(jié)構(gòu)面極為發(fā)育，即節(jié)理密度極大，巖體完整性很小時，巖體已呈碎裂狀或松散狀，其整體強度很低，作為工程圍巖已不具有自穩(wěn)性，此時TBM掘進的速度非但不會提高，反會因?qū)Σ环€(wěn)定圍巖進行的大量加固處理而大大降低。因此，巖體的結(jié)構(gòu)面特別發(fā)育和極不發(fā)育時往往都不利于TBM掘進。在這里，主要論述巖體完整性系數(shù)Kv的影響。
3、其他因素
除以上影響TBM效率的主要地質(zhì)因素外，巖體主要結(jié)構(gòu)面或稱優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀與隧道軸線間的組合關(guān)系、圍巖的應(yīng)力狀態(tài)、含水和出水情況對TBM掘進速度和利用率也有一定的影響。
當(dāng)巖體主要結(jié)構(gòu)面與隧道軸線夾角50~70°時，有利于掘進速度的提高;如果與洞軸線平行或小于45°，則上部圍巖容易坍塌或掉塊，不利于TBM掘進。當(dāng)圍巖處于高地應(yīng)力狀態(tài)時，對堅硬的較完整或完整巖體，極可能發(fā)生巖爆危及TBM機具和人員的安全;對軟弱巖體，則可能發(fā)生大的擠壓變形，給TBM推進造成困難。圍巖含水和出水狀態(tài)對TBM掘進的影響程度則視含水量及出水量的大小和范圍，同時決定于圍巖是硬巖還是軟質(zhì)巖。一般富水段和涌水段，圍巖的強度和穩(wěn)定性會有不同程度的降低，同時有可能惡化TBM的工作條件和環(huán)境，影響掘進速度。
據(jù)已有資料顯示，TBM施工中出現(xiàn)的主要工程地質(zhì)問題包括：圍巖大變形、突(涌)水、巖爆以及瓦斯突出等，尤以軟巖大變形、巖爆和突(涌)水問題最為嚴(yán)重[6][7]，據(jù)尚彥軍等對國內(nèi)外已發(fā)生的98次TBM重大工程事故的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，約有72%是由這兩者引起的(圖2-6)，在TBM施工過程中必須給予足夠的重視[8]。
三、結(jié)語
通過TBM在中天山隧道中的應(yīng)用，研究分析總結(jié)出了影響TBM掘進效率的關(guān)鍵參數(shù)，包括機械參數(shù)和地質(zhì)參數(shù)，并且簡要的分析了相關(guān)參數(shù)之間的關(guān)系。地質(zhì)因素對TBM的影響主要表現(xiàn)在宏觀、微觀兩大方面。宏觀方面主要是指隧道圍巖的總體地質(zhì)環(huán)境是否適宜采用掘進機施工;微觀方面要考慮巖石的單軸抗壓強度、硬度、耐磨性和整體性等主要地質(zhì)因素對TBM掘進速度、利用率、刀具磨損等機器性能指標(biāo)的影響程度。只有充分考慮這些影響關(guān)系，才能更好的發(fā)揮掘進機的掘進效率，合理安排施工，提高掘進機利用率。
參考文獻
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