李 卓，宋 洋

（中國人民武裝警察部隊水電第三總隊第九支隊，610036，成都）

德羅引水隧洞懸臂式掘進機截割機構技術參數選擇研究

李 卓，宋 洋

（中國人民武裝警察部隊水電第三總隊第九支隊，610036，成都）

懸臂式掘進機正得到廣泛應用，截割機構是掘進機的關鍵部件，合理選擇截割機構的技術參數是掘進機實現(xiàn)節(jié)約能耗、充分發(fā)揮效能的重要環(huán)節(jié)。通過對德羅引水隧洞懸臂式掘進機截割機構各項技術參數的分析，比選出更適合實際操作的方案，并對現(xiàn)階段存在的問題提出思考。

隧洞；懸臂式掘進機；截割；技術參數

掘進機是一種安全高效的隧洞掘進設備，相比于鉆爆法有效率高、效益好、對巖層擾動少、有利于安全生產等優(yōu)勢。但其仍有一定的局限性，例如全斷面掘進機（TBM或盾構機）成型斷面只能是固定直徑的圓形，且造價較高，需要對隧洞掘進長度和經濟性比較進行詳細評估；懸臂式掘進機（也稱部分斷面掘進機）適合掘進圓形、馬蹄形、門洞形等斷面，且結構緊湊，工作方式靈活，但對巖石硬度、斷面尺寸等有一定要求，正確選擇有關技術參數是發(fā)揮其效率和效益的關鍵。因此，確定使用掘進機進行隧洞開挖的方案后，合理確定掘進機截割機構技術參數并以此進行選型十分必要。

一、工程概況

德羅引水隧洞是西藏拉洛水利樞紐控制性工程之一，該隧洞工期為整個工程的控制性工期。全長7.52 km，為無壓洞，洞身標準段開挖斷面為寬度5.1 m、高4.85 m的馬蹄形斷面；隧洞圍巖為J2z、J1r鈣質頁巖（含泥質、炭質）、夾薄層狀砂巖、極薄層狀板理化細晶灰?guī)r，主要為軟巖，巖石強度小于20MPa，存在塑性變形問題，特別是存在地下水的情況下，頁巖易軟化、崩解，圍巖自穩(wěn)時間短。

二、主要技術參數

1.橫軸式和縱軸式

懸臂式掘進機按截割頭的布置方式分為縱軸式和橫軸式?？v軸式掘進機多采用截錐體截割頭，其結構簡單，容易實現(xiàn)內噴霧進行除塵，較易切出光滑輪廓的隧洞斷面。截割頭上既可安裝扁平截齒，也可安裝錐形截齒。一般情況下，縱軸式截割頭破碎的巖渣向兩側堆積，需用截割頭在工作面下部進行輔助裝載作業(yè)，對裝載效率有一定影響。橫軸式截割頭的形狀近似為半橢圓球體，不利于斷面輪廓成型。橫軸式截割頭上多安裝錐形截齒，齒尖的運動方向和巖渣的下落方向相同，易將切下的巖渣推到鏟裝板上及時裝載運走，裝載效率較高?？v軸式和橫軸式掘進機各有優(yōu)缺點，應結合地質條件和掘進機的性能加以選用。

2.定位截割范圍

掘進機的定位截割范圍，即掘進機在定位截割巖體作業(yè)過程中截割頭擺動的上下左右極限位置所能達到的最大高度、寬度和面積。目前水工隧洞主要斷面形狀有圓形、馬蹄形、門洞形，掘進機截割軌跡和最大成型斷面受截割部的垂直擺動機構和水平擺動機構控制，成型斷面為腰鼓形。生產實踐表明，若一個斷面分塊多次截割成型，掘進機將前后往復運動，會導致設備單位時間內截割方量明顯降低。選擇合適型號的掘進機，保證合理的定位截割范圍，以使設備定位后將一個斷面一次截割成型。

3.截割功率

截割功率是掘進機能力的一個重要標志?？梢哉J為，截割功率的大小基本上決定了掘進機的截割能力和適應范圍。從理論上講，截割功率應按工作過程中所受的截割阻力來計算。截割阻力取決于巖體性質、刀具參數和截割破碎過程。但由于煤巖性質復雜多變，受煤巖性質、組織結構、節(jié)理層理和裂隙狀況以及不同截割過程的影響，要通過理論計算來確定截割阻力是十分困難的；現(xiàn)場實測也受不同條件和多種因素的影響，難以獲得可靠而實用的數據。因此，在實際施工中，截割功率大多按能耗法或類比法來確定。

①能耗法：按試驗得到的截割比能耗計算公式N＝60HwVhLD(Hw比能耗kWh/m3，Vh截割頭擺動速度m/min，L截割深度m，D截割頭平均直徑m)。

②類比法：根據所截割巖體的硬度、單軸抗壓強度和研磨性系數,參考現(xiàn)有機型的參數和現(xiàn)行技術條件選取截割功率、最大工作坡度、可掘斷面、機高、機重等基本參數。

4.截割巖石硬度和圍巖級別

掘進機的適用條件受多方面因素影響，其中最重要的是巖石的硬度與可鉆性，其次是巖石節(jié)理裂隙發(fā)育程度、巖石的碎脹性、地壓力大小與方向、水文地質、巖石含水率、地下水腐蝕性等。巖體在十分軟弱的情況下，雖然有利于切削，但是需要及時支護而占用的掘進循環(huán)時間較多，反而不利于提高掘進效率。

目前掘進機最大可鑿巖石抗壓強度為150 MPa，經濟可掘巖體抗壓強度為60～100 MPa。若巖石強度太高，則破巖所消耗的截割工具磨損費用直線增加，高效連續(xù)作業(yè)的優(yōu)越性得不到充分體現(xiàn)；若巖石強度太低,節(jié)理裂隙發(fā)育，會導致巷道成型困難，施工安全性受到影響，巷道支護工作量太大。巖石的碎脹性會導致施工后巖層膨脹，造成支護困難；地應力大則會引起巖爆，作業(yè)不安全；水文地質復雜、巖石中含水率高，會導致工作面施工條件惡化，掘進難以進行。另外，巖石的腐蝕性會降低截割刀具壽命，增加掘進成本。

表1 類比法參數選擇參考表

三、德羅引水隧洞技術參數選擇實例分析

根據德羅引水隧洞實際地質條件和上文闡述的主要技術參數，結合工程實例對掘進機技術參數選擇進行分析。

1.橫軸式與縱軸式比選

主要從質量要求、地質條件、截割受力情況等方面對橫軸式與縱軸式進行比選。

根據水工隧洞有關設計要求和施工質量規(guī)范，對超欠挖和成型輪廓控制要求高。縱軸式截割頭為錐體形狀，懸臂轉動走向與隧洞輪廓相匹配。另外，從地質條件和截割受力情況看，洞內全部為IV、V類圍巖，巖體走向與洞軸線夾角小于30°，掘進過程中易產生片幫塌方情況。沿著層理方向進行截割巖體將大幅度減小截割落巖的阻力，從而降低能耗和鉆具消耗。因此根據洞內巖體走向選擇縱軸式截割可有效降低能耗和鉆具消耗，且根據有關文獻在軟巖掘進中縱軸式掘進機工作穩(wěn)定性較橫軸式高。

考慮上述因素，德羅引水隧洞選擇縱軸式掘進機方案較優(yōu)。

2.定位截割范圍選擇

合適的定位截割范圍是提高生產效率的必要條件。斷面與設備掘進截割范圍不匹配將會造成成本增加、資源浪費和掘進效率降低等問題。懸臂式掘進機可掘斷面取決于懸臂的長度和回轉角度。德羅引水隧洞斷面為馬蹄形斷面，最大高度4.85 m，寬度5.10 m。將此斷面套入掘進機截割的腰鼓形斷面，確定掘進機的定位截割參數為高度大于4.85 m，寬度大于5.5 m，掘進斷面面積大于28 m2。

3.截割功率

根據文中闡述的兩種截割功率選擇方法，結合工程實際采用類比法并參考現(xiàn)有機型的參數和現(xiàn)行技術條件，選取截割功率200 kW，見表1。隨著制造工藝的改變，表1中的參考數據可進行不斷更新和進一步完善，為類比法選擇提供更加可靠的依據。

4.截割巖石硬度

根據截割巖石的抗壓強度，確定最小截割功率，即確定截割電機功率。德羅引水隧洞巖石強度不超過30 MPa。因此可以選擇出截割頭的經濟截割尺寸和截齒的型號。本工程選擇截割頭截齒對應巖石抗壓強度≤70 MPa，經濟截割硬度50 MPa。

5.截割系統(tǒng)主要技術參數

截割機構由截割頭、截割臂、截割減速機、電機箱體及截割電機組成。截割臂可滿足不同斷面的施工需要。截割頭采用仿真技術優(yōu)化設計，外形為圓錐臺形結構，在其圓周螺旋分布45把截齒，截齒采用美國凱南麥特產品，其布置合理，破巖能力強。截割減速機為兩級行星齒輪傳動，輸入轉速為1487/736 r/min，輸出轉速為54/27r/min。

主要參數：截割范圍為高5.12 m，寬6.03 m，面積30.9 m2。截割頭形狀為圓錐臺形，截割頭轉速為54/27 r/ min，截割電機為YBUD-260/200-4/8，噴霧方式為內、外噴霧。

四、結 語

懸臂式掘進機以其效率高、適應性強、對巖層擾動少等優(yōu)點正得到越來越廣泛的應用，同時，機型多樣化、多種可選部件自由選配等優(yōu)勢為其在使用操作上和經濟上提供了不斷優(yōu)化的可能。

但其仍存在以下問題需要進一步研究：掘進與支護相互產生干擾，干擾度對技術參數和相關配套設備的選擇具有一定的實際意義；工作可靠性及穩(wěn)定性尚無合適的指標和參數供選擇借鑒，由于掘進機機構復雜，涉及的實際工程問題較多，設備可靠性和穩(wěn)定性對設備選型和經濟性分析有十分重要的意義。

[1]李志立.懸臂掘進機截割功率和運動參數的選擇 [J].貴州工學院院報，1996（2）.

[2]徐春江，黃世功.懸臂式掘進機工作穩(wěn)定性分析[J].煤炭科學技術，1993（10）.

[3]侯波，楊奇順.懸臂式掘進機主要技術參數的選擇[J].煤礦機械，2000（8）.

責任編輯 安天杭

Selection of parameters for cutting mechanism of cantilever tunneling machine in construction of Deluo Diversion Tunnel

Li Zhuo，Song Yang

Cantilever tunneling machine has been widely used for project construction.Being one of the key part of cantilever tunneling machine,selection of technical parameters for cutting mechanism is essential for energy saving and increase of efficiency.Through comparison of parameters selected during the construction of Deluo Diversion Tunnel,suitable alternatives are selected and existed problems at present are evaluated.

tunnel;cantilever tunneling machine;cutting;technical parameter

TV512

B

1000-1123（2016）20-0066-02

2016-10-18

李卓，工程師，從事水利水電工程項目施工技術與管理工作。