王雅文

（盾構(gòu)及掘進技術(shù)國家重點實驗室，鄭州 450001）

1 引言

隨著我國經(jīng)濟快速持續(xù)發(fā)展，出現(xiàn)了大量深埋隧道工程，涉及鐵路、公路、引水、采礦、國防等各個領(lǐng)域，如大瑞鐵路高黎貢山隧道、川藏鐵路色季拉山隧道、引漢濟渭供水隧洞等工程，巖石硬度高達200 MPa，隧道埋深最大超過2 000 m，工程技術(shù)難度世界罕見[1-4]。隨著埋深的增加，地應(yīng)力也將逐步增加，開挖卸荷引發(fā)的動力災(zāi)害頻發(fā)，造成大量的人員傷亡、機械損害、工期延誤和重大經(jīng)濟損失，且動力災(zāi)害的危害性隨著埋深和應(yīng)力的增加而顯著增大，錦屏隧洞巖爆造成7人死亡，上億元的設(shè)備報廢[5-7]。

目前，國內(nèi)外研究隧道動力災(zāi)害的方式主要有室內(nèi)巖石力學(xué)實驗，數(shù)值模擬實驗等方法。巖石力學(xué)實驗只是針對巖石本身的力學(xué)特性進行研究，不能真實有效地反映TBM掘進動態(tài)邊界條件。數(shù)值模擬隧道可對TBM施工邊界條件進行模擬，但是受分析方法和計算內(nèi)核的準確性制約，分析結(jié)果的可靠性較低。因此，針對深埋隧道施工有必要開展工程前TBM掘進物理實驗。

目前，我國盾構(gòu)及掘進技術(shù)國家重點實驗室、北京工業(yè)大學(xué)、中南大學(xué)等單位都開發(fā)了針對刀具破巖研究的物理實驗臺，主要研究如何實現(xiàn)刀具高效破巖問題，而不能模擬TBM掘進狀態(tài)[8-11]。因此，有必要研發(fā)一套能夠模擬工程TBM掘進的物理實驗設(shè)備，研究掘進過程中掘進參數(shù)對刀盤、撐靴、護盾應(yīng)力的影響。本文主要針對實驗用微型巖石掘進機設(shè)計相關(guān)技術(shù)進行詳細介紹。

2 設(shè)備綜述

微型巖石掘進機包含刀盤系統(tǒng)、護盾系統(tǒng)、推進系統(tǒng)、水平支撐及撐靴、刀盤動力系統(tǒng)、巖渣處理裝置、機架、計算機控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，用于室內(nèi)模擬TBM開挖過程，監(jiān)測刀盤推力、扭矩、轉(zhuǎn)速、貫入度、護盾接觸力、撐靴壓力等因素對巖爆的影響。實驗臺主要參數(shù)見表1。

表1 實驗臺總體參數(shù)

3 試驗臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

試驗臺結(jié)構(gòu)部分主要由刀盤、護盾、二級推進油缸、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動、撐靴、減速機、后推進油缸等關(guān)鍵部件組成，如圖1所示。

圖1 微型巖石掘進機結(jié)構(gòu)圖

3.1 刀盤系統(tǒng)

刀盤設(shè)計開挖直徑為200 mm，采用鑲嵌硬質(zhì)合金頭或者碳化鎢材料的刀具，對巖樣進行切削代替滾刀滾動破巖。TBM刀盤結(jié)構(gòu)采用三受力臂結(jié)構(gòu)，硬質(zhì)合金柱焊接在每根臂上，刀具軌跡如圖2所示。采用三臂結(jié)構(gòu)出渣非常方便，最大限度地避免了二次磨損。刀盤中間部位留有噴水孔（見圖3）。刀盤采用模塊化設(shè)計，為獨立構(gòu)件，與旋轉(zhuǎn)軸連接采用螺紋，便于刀盤更換與維修。

3.2 護盾系統(tǒng)

護盾位于刀盤后面，為圓筒體結(jié)構(gòu)，用于保護微型TBM內(nèi)部設(shè)備及維持巖壁穩(wěn)定，與刀盤一起向前移動，如圖4所示。護盾通過一對圓錐滾子軸承安裝在推進軸上。工作過程中，刀盤旋轉(zhuǎn)切削巖層，切下的巖粉通過護盾下凹槽流出。為方便測試巖爆情況下護盾受到的沖擊情況，在護盾內(nèi)壁布置4個應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測點。

圖2 刀具軌跡圖

圖3 刀盤結(jié)構(gòu)圖

圖4 護盾及推進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.3 推進系統(tǒng)

微型TBM實驗臺采用液壓推進形式。推進油缸為圓柱空心油缸，油缸活塞環(huán)與護盾連接，缸體與水平支撐系統(tǒng)連接，如圖4所示。系統(tǒng)推進力可以根據(jù)要求進行調(diào)整，目前結(jié)構(gòu)推力配置最大可達20 t。

3.4 刀盤驅(qū)動旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)

刀盤驅(qū)動旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)由伺服電機、減速機、旋轉(zhuǎn)軸、軸承、聯(lián)軸器、導(dǎo)向柱、機架、控制系統(tǒng)等組成?？刂葡到y(tǒng)能夠?qū)﹄姍C的轉(zhuǎn)速進行精確控制，對轉(zhuǎn)速、扭矩可以實時監(jiān)控與控制，如圖5所示。

圖5 實驗臺刀盤驅(qū)動系統(tǒng)

3.5 水平支撐、撐靴及后支撐

水平支撐由4根微型油缸組成，分為上下2組，每組2根油缸（見圖4）。水平支撐將撐靴推壓到隧洞巖壁上，為推進系統(tǒng)提供摩擦力。支撐力根據(jù)撐靴支撐面情況確定，初步按巖塊可承壓3 MPa計算。撐靴為左右水平對稱布置，其外圓弧直徑與開挖直徑一致，撐靴板設(shè)置增加摩擦的環(huán)形突起。兩個撐靴內(nèi)側(cè)布置多個應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測點，以便監(jiān)測掘進過程中撐靴應(yīng)力應(yīng)變狀況實驗臺工作時，3個滾輪壓在隧道壁上，TBM換步時后支撐起支撐TBM主梁的作用，采用固定式結(jié)構(gòu)。

4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

微型巖石掘進機狀態(tài)數(shù)據(jù)采集包含推進速度、推力、刀盤扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速和推進距離。刀盤驅(qū)動系統(tǒng)由伺服電機實現(xiàn)，伺服電機與驅(qū)動器、編碼器組成精確可控的、閉環(huán)伺服系統(tǒng)。

微型巖石掘進機掘進過程中，上位機通過向驅(qū)動器發(fā)送設(shè)定的脈沖信號，驅(qū)動器控制電機的轉(zhuǎn)速，同時編碼器檢測電機的轉(zhuǎn)速作為反饋信號反饋到驅(qū)動器，驅(qū)動器將驅(qū)動電機的信號與編碼器反饋的信號比較，來調(diào)整驅(qū)動電機的驅(qū)動電流，從而精確控制電機的轉(zhuǎn)速和推進速度。

應(yīng)力應(yīng)變采集包含護盾應(yīng)力應(yīng)變采集和撐靴應(yīng)力應(yīng)變采集。應(yīng)力應(yīng)變測試采用電阻應(yīng)變測試方法，將應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電信號進行測試。將電阻應(yīng)變片粘貼在被測構(gòu)件（護盾和支撐盾內(nèi)表面）表面，試驗時，由于護盾受力發(fā)生變形，應(yīng)變片隨著護盾一起變形，應(yīng)變片的阻值發(fā)生變化，通過電阻應(yīng)變儀，可測試出應(yīng)變片的阻值變化，并換算成應(yīng)變值或輸出與應(yīng)變成正比的模擬電信號（電壓或電流）。工作過程為：應(yīng)變—阻值變化—電壓（或電流）變化—放大—記錄—數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括：INV1861A動態(tài)應(yīng)變儀、應(yīng)變片、INV3060A數(shù)據(jù)采集儀和計算機。測試時，將應(yīng)變片貼附在護盾、撐靴表面。粘貼應(yīng)變片時注意應(yīng)變片阻值的檢測、應(yīng)變片定位。

5 結(jié)語

本文系統(tǒng)闡述了室內(nèi)微型巖石掘進機各關(guān)鍵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)空間組成，實現(xiàn)了與真實TBM掘進工作模式相近的掘進工藝，可以采集TBM推力、扭矩、轉(zhuǎn)速、掘進速度和掘進距離等掘進狀態(tài)指標。同時，應(yīng)用了動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測和傳輸技術(shù)，實現(xiàn)了護盾外圍壓力和撐靴壓力實時動態(tài)監(jiān)測功能，可開展高地應(yīng)力各種復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下TBM掘進性能測試、高地應(yīng)力巖爆作用下TBM與圍巖之間的力學(xué)響應(yīng)和相似材料軟巖大變形TBM開挖測試等工作，可為TBM實際掘進性能和卡機狀態(tài)的評估提供充分的科學(xué)依據(jù)。