TBM在不同地质条件下施工时掘进参数的选择

         近几年，在我国隧道施工建设领域，掘进机的使用越来越广泛。掘进机以其快速、优质、安全的施工特点受到建设单位和施工单位的青睐，但同时，因掘进机对不同地质条件非常敏感，如何在不同地质条件下采用合适的控制模式，通过恰当地选择掘进参数，提高掘进机对不同地质条件的适应性，充分发挥其快速、高效的特点，成为具体操作控制中的难点。

         TB880E型掘进机是1997年引进国内的，先后在西康线秦岭隧道和宁西线磨沟岭隧道施工中使用，经历了不同的地质条件下的施工工况，在施工过程中，根据具体地质情况合理选择掘进参数对保证施工工期起了十分重要的作用。在此，笔者结合TB880E型掘进机的在秦岭隧道和磨沟岭隧道中的具体使用谈谈我的看法。

1 TB880E型掘进机控制方式

         这台掘进机提供了三种掘进控制模式：自动扭矩控制、自动推力控制和手动控制。

         下面以自动推力控制为例来说明自动控制的原理，首先，掘进机司机通过档设定电位器向 PLC输入一个合适的推力设定值F及其允许的波动范围±△F。当实际推力F≥F＋△F时，PLC控制小马达带动掘进速度电位器旋转，使电磁比例阀流量减小，刀盘推力下降。当实际推力下降到F＜F＋△F时，PLC便停止电磁比例阀减小流量的调节工作。反之，若实际推力F≤F－△F时，PLC控制小马达带动掘进速度电位器旋转，使电磁比例阀流量增大，刀盘推力上升。当实际推力增加到F＞F－△F时，PLC便停止电磁比例阀增大流量的调节工作。通过以上的负反馈调节，可以使刀盘的实际工作推力稳定在F±△F的范围之内。自动推力控制模式回路见图1。

图 1 自动推力控制模式回路

         为保证系统的稳定性， PLC系统对设定值的反应不能也不允许太灵敏，因此允许设定值的波动范围较大，一般为设定值的±10％。自动扭矩控制原理与自动推力控制原理相似。

         如何设定 F的大小，也要视岩层的地质情况而定。当岩石较硬时，可以将F值设定的大一些，但最大不能超过刀盘的最大推力。如果岩石很软，仍将F值设定成与上述的大小相同，可能会出现这样的情况：当F＜F时，刀盘的扭矩已经超过额定值，对驱动机构的安全构成威胁。由此可见，自动推力控制只适用于硬岩情况。同理，自动扭矩控制只适用于软岩情况。使用自动推力或自动扭矩控制，一方面可以降低司机的操作强度，同时掘进机可以在安全的前提下获得较高的掘进效率。

         但是，自动控制模式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。在实际操作过程中，地质复杂多变，时硬时软，要使设定值达到一个理想的状态是很困难的，如果设定值选择不当，不是掘进效率低，就是推力超限或扭矩超限，掘进机的安全不易得到保证。因此在不是匀质硬岩或软岩中掘进，最好不要使用自动控制模式而采用手动控制方式较好。手动控制可以随时调节推进速度电位器值，及时改变推进速度大小，同时监视刀盘推力与刀盘扭矩的大小，使其不超过各自的额定值，这样就可获得安全快速的掘进。

两种控制模式原理相似，以 自动推力控制模式 为例，其 闭环控制回路如图 1 所示。

         掘进中涉及的掘进参数主要有以下几个参数：刀盘转速、刀盘扭矩 (电机电流值)、推进力(推进缸压力)、撑靴压力、贯入度（每转进尺）和推进速度电位器选择值。在已选定刀盘转速后，作为司机唯一能直接控制的就是选择推进速度电位器的值。由于不同的岩石情况，TBM表现出不同的扭矩和推力，实际达到的掘进速度也不尽相同。司机可以根据扭矩、推力的情况及刀盘振动、出碴情况等选择推进速度电位器值的大小。

2 参数选择的两个原则

图 3所示为推进液压系统原理图
         掘进时，PLC控制系统控制电液比例阀211—3及换向阀212.2分处于左位及下位，P油泵向推进缸大腔供油。图中阀211－1是溢流阀，主要设定推进缸大腔的进油压力，即设定掘进机的最大推力值；阀211—2为定压差减压阀，保持阀211－3的进出口压力差恒定；阀211－3是带反馈的电液比例阀，其开度的大小可通过电位器实行远程控制，由于阀211－2的作用，使得阀211－3对应于一定阀开度下的流量一定，而与负载没有关系。掘进时，掘进机司机根据期望达到的掘进速度，通过选择推进速度电位器值，来设定阀211－3的开口度，对应阀开口度下的流量进入推进缸大腔。

         在掘进中对参数的选择有两个原则，其一不能使溢流阀 1处于常开位置，否则油液经溢流阀直接回油箱，液压系统发热，温度会急剧上升；其二是尽量以较高的推进压力向前掘进，因为推进力越大，贯入度越高，掘进速度越快，这样才能提高掘进效率，获得良好的经济效益。

3不同地质条件下掘进参数的选择

3.1刀盘转速的确定

         TB880E掘进机的刀盘转速分为两档，即2.7r/min和5.4r/min。主要根据出碴情况确定刀盘转速 ，在无大块石碴出现，掘进过程中无塌落时，一般选择高速掘进。若有大块石碴出现并拌有围岩塌落，一般选择低速掘进。这样做，一方面是减少刀盘对周围岩体的扰动，另一方面是控制皮带机的出碴量，避免因出碴过快，石块过大，造成皮带机故障。在秦岭隧道施工时，围岩裂隙不发育，出碴均匀，我们多选择高速掘进；在磨沟岭隧道施工时，围岩裂隙发育，出碴量忽多忽少，且大块石碴较多，此时，我们多选择低速掘进。

3.2推进速度的选择

3.2.1硬岩下推进速度的选择

         秦岭隧道施工时，遇到的地质多为Ⅰ级，个别地段为超Ⅰ级，即石质较硬，理论上讲采用自动推力控制模式掘进是合适的，但经过一段时间的掘进后，掘进效率不高且经常出现推力超限的情况，主要原因是岩石硬度变化较大，不属于匀质硬岩，推力的设定值很难达到理想状态，后来改用手动控制，在地质为Ⅰ级时，通过推进速度电位器选择推进速度为30mm/min，在地质为超Ⅰ级地段，选择推进速度为15mm/min。由于石质较硬，推进液压系统 采用 比溢流阀 211—1设定压力值低0.5 MPa 左右的推进压力掘进是合适的，以溢流阀（211－1）压力设定为27.0 MPa 为例，推进压力可选择为26.5 MPa ，岩石的硬度波动反映为推进压力随之波动。

         在以所选择的推进速度值掘进时，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，则说明岩石变硬，须降低推进速度选择值，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 26.5 MPa 左右，可随时根据岩石硬度变化来选择推进速度，在推力不超限的情况下，始终保持较高的推进速度，掘进效率有了明显提高。

         值得注意的是，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，由于溢流阀长时间处于溢流状态，不仅使系统温升急剧加快，而且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，造成推进速度的人为减小，这在秦岭隧道掘进后期得到验证，推进压力由开始的 27.0 MPa 到后期只能达到25.5 MPa 左右。

         在硬岩下掘进，由于刀具的贯入度较小，刀盘扭矩一般不会超限，实际掘进时，刀盘扭矩没有超过额定扭矩的一半，这个可以从掘进时驱动电机电流值的大小反映出来，驱动电机的额定电流值为 400A，实际掘进时电流值小于200A。

3.2.2软岩下推进速度的选择

         在磨沟岭隧道的施工中，遇到的地质多为Ⅲ级和Ⅳ级，石质较软，同样，理论上讲采用自动扭矩控制模式掘进是合适的，但是由于石质变化频繁，扭矩的设定值达不到理想状态，最终也采用手动控制。在地质为Ⅲ级时，通过推进速度电位器选择的推进速度为 45mm/min，在地质为Ⅳ级时，选择的推进速度为60 mm/min。

         在以所选择的推进速度值掘进时，根据驱动电机电流值的大小来判断刀盘扭矩的高低，为了避免因扭矩超限损坏驱动机构，一般控制电流值在 380A以下，同样也是通过及时调整推进速度电位器改变推进速度来实现的。由于石质软弱，推进压力相对较低，一般在20.0MPa以下。

         从掘进情况看，在软岩情况下，以刀盘扭矩不超限为前提，通过适时调整推进速度，达到了安全高速掘进的目的。

4 结束语

         根据不同的地质情况，合理的选择掘进参数是发挥掘进机快速、高效特点的重要手段。掘进机作为隧道机械化施工的先进设备，其操作仍离不开丰富的经验，掘进机司机需在实际操作中不断积累经验，根据岩石的变化情况，随机应变，作出合理的参数选择，不断提高驾驭掘进机的水平。

注：本篇稿件已被《工程机械》杂志录用