新疆某输水工程TBM连续皮带机出渣速度研究

冉建西，李文新，李 鹏

(1.水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 83000；2. 中铁十八局集团隧道工程有限公司，重庆 400700)

我国大型调水工程中，特长隧洞多采用全断面岩石掘进机(TBM)施工。早期特长隧洞TBM施工主要采用内燃机牵引有轨运输出渣方式，至辽宁大伙房水库输水工程首次引进连续皮带机出渣系统[1]，充分发挥运量大、出渣迅速、TBM设备利用率高等优点，得到了逐渐关注和推广，现在连续皮带机系统已成为TBM施工标配。由于我国连续皮带出渣技术起步较晚，皮带机的性能、寿命、控制系统与美日德等国还存在差距。因此，本文就新疆某输水工程无压隧洞连续皮带机实测驱动转速角度，研究TBM渣料对出渣速度影响，探讨连续皮带机系统根据渣料特征智能控制驱动转速可能性，从而提高设备性能，拿出基础研究数据，希望为我国皮带机制造提供些许启发和帮助。

1 工程概况

新疆某输水工程无压隧洞总长92.35km，该工程共分为3个标段，本文结合SSⅡ标TBM1- 2施工段具体情况，对TBM连续皮带机出渣速度与掘进效率关系作研究分析。该洞段位于桩号SD10+245.307～SD21+031.160范围内，其中主洞段长10.79km，纵坡1/5000，主要采用开敞式TBM开挖；1#支洞段长1.06km，综合纵坡11.6%，采用钻爆法开挖。TBM开挖洞径5.5m圆形断面，过流洞径4.4～5.5m，主要衬砌形式为喷锚支护，局部采用喷锚支护和钢筋混凝土衬砌的复合衬砌型式。 该标段TBM掘进距离长、速度快，为了掘进速度与出渣速度相互匹配，因此采用长距离连续皮带机出渣方案，皮带机沿主洞掘进方向布置，在1#支洞交汇处向洞皮带机的转渣，再由支洞皮带机向洞外出渣。

该标段隧洞主要为泥盆系和石炭系凝灰质砂岩、凝灰质粉砂岩、凝灰角砾岩，局部夹砂岩、炭质页岩、炭质泥岩，岩体呈巨厚层状，属中～坚硬岩。岩石饱和单轴抗压强度主要在50MPa～110MPa之间，主要以Ⅱ、Ⅲ类围岩为主，Ⅳ、Ⅴ类围岩占比较低，以碎裂岩和断层角砾岩、炭化岩为主。沿线地下水以基岩裂隙水为主，地下水主要贮存于断层破碎带、裂隙密集带与不同地层或岩性的接触带，隧洞穿过这些地段时大多以渗水、滴水为主，局部为线状流水。

2 连续皮带机主要技术参数

连续皮带机的输送量应与TBM掘进速度、出渣量等相匹配，输送量应根据渣料的粒径、堆积密度、带速等综合考虑设计[2]。本研究以新疆某输水工程SSⅡ标TBM1- 2施工段为背景，其使用连续皮带机主要技术参数见表1。

表1 连续皮带机主要技术参数

本工程TBM开挖断面为24m2，按照最大掘进速度6m/h计算，每小时最大出渣量约为403t，连续皮带机额定输送能力为600t/h，其输送能力满足TBM大出渣量的需要。

3 TBM渣料特征对出渣速度影响

3.1 渣料构成

开敞式TBM渣料主要有片状和块状岩渣、岩粉及构造填充物构成。TBM依靠刀盘上分布的滚刀进行破岩，滚刀在推力作用下对掌子面挤压破碎，破碎面主要沿岩体节理面、风化面等软弱结构面形成，造成不同围岩类别渣料构成也不相同，工程渣样如图1所示。

图1 TBM渣料岩样

从图1可以看出，坚硬的Ⅱ类围岩：岩渣中岩石部分主要呈薄片状，内含少量粒状结构，粒径一般为1～5cm，且较为均匀,少见节理面，岩粉主要由刀具切割后的研磨物，呈粉末状或细粒状黏结团；较完整的Ⅲa类围岩：块状岩渣占40%～70%，厚片状岩渣占10%～20%，并有少量刀具切割岩粉填充，粒径一般为3～10cm，常见大块，块状岩块粒度不均，岩渣中一般可见节理面；完整性较差的Ⅲb类围岩：块状岩渣占60%～90%，厚片状岩渣占10%～40%，粒径一般为3～20cm，岩块粒度不均匀，偶有30cm左右的大块出现，常见未切割岩块，岩渣中多见节理面，岩粉有刀具切割和构造岩粉组成；较为破碎的Ⅳ类围岩：基本均为块状岩渣，岩块粒径一般为5～30cm，岩块粒度相差较大，常见未切割岩块，岩渣常见棱角状为切割岩块，渣料中可见明显糜棱岩、断层泥等填充物。本标段Ⅴ类围岩仅有10m，由于样本过少本文不作讨论。

随围岩节理裂隙发育、围岩破碎程度提高，TBM渣料由片状结构向块状结构逐渐转换，岩块粒径增大并伴随均匀性变差，由此可根据皮带机上块状岩渣出现不连续频率计算不良地质连续面组数，渣料组成判断围岩的破碎程度，大致评估围岩地质情况[3]。

3.2 皮带驱动转速分析

驱动转速是反映连续皮带机出渣速度的重要指标。通过现场实时采集连续皮带机驱动转速数据，并按照不同围岩类别做出归纳统计，从而关联分析TBM渣料特征对出渣速度影响。Ⅱ～Ⅳ围岩类别对应的皮带机驱动转速频数分布如图2所示。

从图2分析可知，在Ⅱ～Ⅳ类围岩中皮带机驱动转速基本在750～850r/min 之间，占比依次为97%、98%、91%、83%，Ⅱ、Ⅲa类围岩出渣快且速度相似。不同围岩类别对应的高驱动转速区间占比排序为Ⅲb>Ⅱ>Ⅲa>Ⅳ，Ⅱ、Ⅲ类围岩的高转速差距不大，Ⅳ类围岩转速明显变慢。在各类围岩中，700～750r/min低驱动转速区间对反映TBM渣料特征对出渣速度影响具有代表性，其转速占比排序为Ⅱ(Ⅲa)<Ⅲb<Ⅳ，说明随着围岩越来越差，TBM渣料粒径均匀性和连续性也会变差，从而影响皮带机出渣效率，出渣速度随之变慢。

图2 皮带机驱动转速频数分布

4 出渣速度与掘进效率分析

基于该输水工程SSⅡ标TBM1- 2施工段实测掘进数据，通过连续皮带机出渣速度与掘进效率之间的研究中，主要是驱动转速与岩石强度、日进尺参数之间绘制散点图进行趋势拟合，得出拟合关系式。

整理连续皮带机实际测量的驱动转速、岩石抗压强度试块检测成果以及与之对应的日进尺，建立驱动转速RPM与岩石强度UCS、日进尺FTG的拟合关系式及回归系数见表2，如图3所示。

表2 RPM与TBM掘进参数拟合关系式

图3 RPM与TBM掘进参数拟合关系图

由图3分析可知，驱动转速RPM与岩石强度UCS、日进尺FTG回归系数R2相关性FTG>UCS，驱动转速与日进尺相关度较高，即可通过RPM拟合式预估TBM掘进速度，而驱动转速与岩石强度相关度一般。

5 结论

根据新疆某输水工程SSⅡ标TBM1- 2施工段采集到的开敞式TBM掘进数据，通过连续皮带机出渣速度与TBM渣料特征、掘进效率分析研究，得到主要结论如下：

(1)随围岩节理裂隙发育、围岩破碎程度提高，TBM渣料由片状结构向块状结构逐渐转换，岩块粒径增大并伴随均匀性变差。

(2)低驱动转速区间占比情况最能说明TBM渣料特征对出渣速度的影响。随着围岩越来越差，TBM渣料粒径均匀性和连续性也会变差，从而影响皮带机出渣效率，出渣速度随之变慢。

(3)驱动转速RPM与日进尺FTG之间呈线性关系，拟合关系式为：FTG=0215RPM-1408，回归系数R2=0.797，相关度较高。

通过连续皮带机出渣速度与掘进效率之间的研究，希望能为今后TBM连续皮带机设计、围岩地质预测以及TBM掘进施工等方面提供些许帮助和参考。