李建伟
中铁二十四局集团上海铁建工程有限公司 200070
摘要：TBM施工时选择合理的掘进参数对TBM掘进效率有着至关重要的作用。本文通过对不同直径敞开式TBM掘进参数的分析，找出各种围岩类别下合适的掘进参数，能有效指导掘进机施工，提高设备利用率，对掘进机参数的设计和优化起到借鉴作用。
关键词：敞开式TBM；施工数据；掘进参数；设备利用率
0 前言
TBM(tunnel boring machine)隧洞（道）施工具有进度快、方向准和安全性高等特点，已在国内外铁路、水电、交通、矿山、市政等隧洞（道）工程中得到广泛应用，与传统的钻爆施工法相比，正常情况下其施工速度是钻爆法的3-5倍[1]。随着TBM的不断发展，人们对TBM的施工安全和掘进效率也提出了更高的要求，掘进参数的合理选择对提高TBM掘进效率和设备利用率起着至关重要的作用。因此展开对掘进参数的设计与研究对今后TBM隧洞施工技术的发展具有十分重要的意义。
国内外学者和工程技术人员在长期的TBM掘进施工探索过程中，对掘进效率影响因素问题的研究提出了宝贵的经验。Hassanpour[2]等以伊朗Zagros引水隧洞为背景，通过现场实测数据建立了3种地层条件下TBM掘进速度预测模型；Delisio[3]等基于多元回归分析方法，分析了TBM性能参数和围岩地质参数与掘进速度的关系；E Ghasemi[4]等基于模糊逻辑理论，对Queens3#引水隧洞的现场施工数据展开分析，建立了单轴抗压强度、岩石脆性等参数与掘进速度的关系；黄俊阁[5]以引汉济渭秦岭隧洞TBM施工段岭南工程为例，对TBM在高磨蚀性硬岩地段掘进中的参数进行分析与评价，得出TBM掘进参数宜采用高转速、低贯入度、高推力、低扭矩的“两高两低”模式；卢瑾[6]等基于南水北调西线工程中泥曲-杜柯河引水线路围岩地质数据，利用三维离散元方法对滚刀对滚刀破岩过程进行三维模拟，分析了岩石力学参数对掘进速率的影响等。目前对掘进效率问题的研究大多集中在基于某一特定TBM工程建立掘进参数与掘进速度数学模型上，而对确切的掘进参数未作更进一步的说明。本文基于多个敞开式TBM工程实测数据，对4-8m级敞开式TBM掘进参数展开分析，找出各种围岩类别下合适的掘进参数，能有效指导掘进机施工，提高设备利用率，对掘进机参数的设计和优化起到借鉴作用。
1 工程概况
本文的对多个敞开式TBM施工数据进行分析，分析方法基本一致，为避免重复，仅选取直径为5m的敞开式TBM隧洞工程为代表展开分析。
选取案例的隧洞总长26.395m，开挖直径为为5.53m，位于低山区内，岩石基本裸露，沿线地面海拔高程775～1000m，地形起伏不大，相对高差5～35mm，总地势东高西低，隧洞近东西方向直线布置，埋深65～300mm，为戈壁滩地带。隧洞主要穿过石炭系（C）、泥盆系（D）和华力西期三大地层，以II、III、IV类围岩为主，V类围岩极少。
2 掘进参数的选取与理论设计
2.1参数选取
TBM有关的掘进参数比较多，并且各个参数受到很多方面的影响，掘进参数的选取应当体现不同影响因素的作用，并且还应该考虑具体的施工条件。一般说来，TBM掘进涉及到的工作参数分为：总推力、撑紧压力、刀盘扭矩、刀盘转速、贯入度、推进速度[7]。根据现有研究成果，为了探寻TBM掘进效率与掘进参数之间关系，以下将主要选取总推力、刀盘扭矩、刀盘转速和贯入度等4个掘进参数进行理论计算和统计分析。
2.2参数理论设计
(1)总推力
总推力（FJ）主要由刀盘的掘进推力（FT）、护盾和后配套掘进阻力（FZ）提供，具体计算如下：
（1）
式中：N1 —17英寸中心滚刀刀刃数量；
F1 —17英寸中心滚刀最大载荷；
N2 —19英寸滚刀刀数量；
F2 —19英寸滚刀最大载荷；
G1—底护盾以及后配套承受的重量；
μ1—底护盾与隧道壁摩擦系数（钢铁对岩面的摩擦系数为0.4）；
(2)贯入度与刀盘转速
TBM掘进速度等于贯入度P与刀盘转速N的乘积。刀盘贯入度P是指刀盘每转一转盘形滚刀的切削深度，与盘形滚刀的半径及刀具与岩石的摩擦角有关，其计算公式为：
（2）
（3）
式中：R—滚刀半径；phi-刀具与岩石的摩擦角。
(3)刀盘扭矩
科罗拉多矿业学院通过大量不同结构参数的刀具对多种岩石进行切削实验，综合考虑了各种参数如岩石抗压抗拉强度、硬度、刀具的结构尺寸等对滚刀切削受力的影响，釆用回归的方法得出一个广泛应用的切削力综合预测模型——CSM模型[8]。具体公式如下:
（4）
式中：Ft是滚刀合力；P0是刀圈讨论破碎区压应力，与岩石的单轴抗压强度、滚刀结构尺寸、刃形有关；T是滚刀刀圈顶刃宽度；pesai是压力分布函数常数，取0.2。
（5）
式中：S是刀间距；C是无量纲系数，约为2.12；sigmat是岩石抗剪强度；sigmac是岩石单轴抗压强度。
因此，克服刀盘掘进时旋转所需的扭矩力和扭矩为：
（6）
（7）
式中：Fr—单把滚刀滚动力；D—刀盘直径；n—滚刀总数量；Tq—刀盘扭矩。
所述的四个掘进参数，若掘进总推力过低，则滚刀无法贯入岩石，推力过高时，滚刀存在被破坏的风险，而且由于贯入度增大造成出渣量增加，易造成掘进速度慢以及卡机事故；若扭矩过小，则掘进速率慢，若扭矩过大，则容易造成刀具偏磨加大、掌子面塌方等灾害事故[9]。故根据现场大量实测掘进数据进行统计分析，寻找合适的掘进参数，为掘进机关键参数（如滚刀类型的选取及刀间距的布置）的设计提供借鉴。
3 典型地质条件下掘进参数统计分析
3.1 工程典型地质条件
本文所选隧洞穿越石炭系（C）、泥盆系（D）和华力西期三大地层。岩性主要为硅质砾岩、安山岩、局部夹凝灰质砂岩、砂岩、沉凝灰岩、石英闪长斑岩、砂砾岩等，石英含量一般1～15%；饱和抗压强度40～130MPa。隧洞埋深65～300m，其围岩分布情况如图1所示，绝大部分均为II、III、IV类围岩，极少为V围岩，下面主要对II、III、IV类围岩条件下的掘进参数进行统计分析。
3.2 不同围岩类别下掘进参数统计分析
(1) II类围岩地层段
由于隧洞施工尚未完成，该类围岩地层施工长度约为1km，沿线为低山地貌，地形较平坦，岩性主要为下石炭统(C1na)凝灰质砂岩夹凝灰质粉砂岩、沉凝灰岩或泥质粉砂岩，岩石单轴抗压强度为60～130MPa，岩石中石英含量一般小于5%，主要为II类围岩，选取此典型地质区间段100个掘进行程的TBM施工参数进行统计分析。
图1、隧洞各类围岩比例
总推力、刀盘扭矩、刀盘转速、贯入度和掘进速度是评价掘进机工作性能的重要指标，一般在掘进过程中呈动态变化。II类围岩地层中施工时掘进参数变化曲线见图2。
图2、II类围岩地层段掘进参数变化曲线
由图2可以看出，TBM在II类围岩地层段掘进时，总推力、刀盘扭矩和刀盘转速波动较小，说明II类围岩地层稳定，总推力和刀盘扭矩容易控制；贯入度和掘进速度离散性较大，说明此类围岩对贯入度和掘进速度的影响较大。对II类围岩地层段TBM掘进参数进行统计，得到各参数的取值范围，如表1所示。
(2) III类围岩地层段
该类围岩地层施工长度约为900m，岩石岩性主要为中泥盆统凝灰质砂岩、凝灰质粉砂岩，局部
表1：II类围岩地层段掘进参数统计结果
掘进参数取值范围
总推力FJ/kN9377-11000
刀盘扭矩Tq/kNm1100-1510
刀盘转速N/rpm3-7.6
贯入度P/mm3-10
掘进速度V/(mm.min-1)20-45
夹安山玄武岩，岩石单轴抗压强度为50～85MPa，层面结构发育，主要为III类围岩，选取此典型地质区间段100个掘进行程的TBM施工参数，各参数变化曲线如图3所示。
图3、III类围岩地层段掘进参数变化曲线
表2：III类围岩地层段掘进参数统计结果
掘进参数取值范围
总推力FJ/kN6939-8140
刀盘扭矩Tq/kNm860-1890
刀盘转速N/rpm6-7.6
贯入度P/mm4.6-12
掘进速度V/(mm.min-1)40-91
由图3可以看出，在III类围岩地层段掘进时，总推力和刀盘转速波动较小，其他参数都有一定的波动。统计III类围岩地层段的TBM掘进参数，得到各参数的取值范围，如表2所示。
(3) IV类围岩地层段
该类围岩地层施工长度约为400m，为断层影响带，岩石岩性为砾岩夹炭质页岩、凝灰质砂岩、安山岩，岩石单轴抗压强度为40～50MPa，稳定性一般，主要为IV类围岩，选取此典型地质区间段50个掘进行程的TBM施工参数进行统计，各参数变化曲线如图4所示。
图4、IV类围岩地层段掘进参数变化曲线
由图4可以看出，由于该地层含断层影响带，各掘进参数波动较明显，说明此类围岩下各掘进参数均难以控制。统计IV类围岩地层段的TBM掘进参数，得到各参数的取值范围，如表3所示。
表3：IV类围岩地层段掘进参数统计结果
掘进参数取值范围
总推力FJ/kN4480-8500
刀盘扭矩Tq/kNm570-1015
刀盘转速N/rpm4.5-6.7
贯入度P/mm7.6-13.5
掘进速度V/(mm.min-1)25.3-52.1
综合II、III、IV类围岩下各掘进参数的统计结果可发现：总推力和刀盘扭矩随着围岩强度的增加呈现变大的趋势；贯入度随着围岩强度的增加呈现减小的趋势；刀盘转速较难控制，但由于IV类围岩中含断层影响带，需谨慎通过，刀盘转速相对较小。
3.3 不同直径敞开式TBM掘进参数统计
参照上述方法，分别对4m级、6m级、7m、8m级敞开式TBM在不同围岩条件下的掘进参数进行统计，结果如表4所示。
表4：不同直径敞开式TBM掘进参数统计结果
直径围岩类别总推力
FJ/kN刀盘扭矩Tq/kNm刀盘转速N/rpm贯入度P/mm掘进速度V/(mm.min-1)
6mII9500-165001690-37004.5-6.51-720-70
III7000-118001120-25005.5-75-9.535-95
IV5500-9250450-23003.5-6.56.5-1838-90
7mII11000-165001500-29005.5-83.5-8.217.5-56
III9000-135001680-31305.5-85-1027.5-80
IV4850-10500340-20005-78-1740-120
8mII11800-169701440-33903-7.12-7.512-56
III9250-142001520-35003-7.12.1-1110-76
3.4 设计参数与实际掘进参数值对比验证
通过TBM掘进参数设计值与比实际施工掘进参数值对比，TBM施工掘进参数均在设计范围内取值，并留有一定的余量来应对施工中可能遇到的不良地质或满足下一段工程改造需要，各隧洞工程TBM掘进参数设计合理。
表5：TBM设计参数与实际使用参数对比统计
参数
直径实际掘进最大
总推力FJ/kN设计掘进
额定推力FJ/kN实际掘进刀盘
最大扭矩Tq/kNm设计刀盘
最大扭矩Tq/kNm实际掘进最大
刀盘转速N/rpm实际掘进最大
刀盘转速N/rpm
4m85001136068013858.912.5
5m1100019083189034307.610.6
6m16500200403700451079.8
7m165002356231304410810.9
8m1697023562350068307.18.8
4 待研究问题
由于各隧洞工程掘进工作尚未完成，仅采集已施工段比较具有代表性的掘进施工参数数据，数据样本不够全面，在今后的研究中，将随着施工的进行，不断增加与完善掘进施工参数数据样本，进一步优化掘进参数。
5结论
本文基于多个敞开式TBM工程实测数据对4-8m级敞开式TBM掘进参数展开统计分析，得到主要结论如下：
（1）通过5m级敞开式TBM掘进施工参数统计发现，总推力和刀盘扭矩随着围岩强度的增加呈现变大的趋势；贯入度随着围岩强度的增加呈现减小的趋势；刀盘转速较难控制，由于IV类围岩中含断层影响带，需谨慎通过，所需刀盘转速相对较小。
（2）获得了4-8m级敞开式TBM在不同围岩条件下的掘进参数取值，参考掘进参数取值并结合式（1）-（7）的理论公式，可指导不同直径敞开式TBM参数（如滚刀类型的选取及刀间距的布置）的设计。
作者简介：李建伟（1984—）男，沪，本科，一级建造师，工程师，主要从事工程管理工作。
招商重工300t×88m双梁门式起重机吊装技术
管伟伟
身份证号码：320681198203036014
摘要：双梁桥式起重机的成功吊装是工厂建设的关键节点，直接影响到目标施工期的实现。桥式起重机跨度大、重量重、场地环境复杂是吊装施工过程中的难点。针对本工程的特点，总结以往对不同类型的大中型设备的安装，以及国内其它几台大型龙门起重机的安装成功经验，提出采用多机（卷扬机提升系统）抬吊，同步吊装大梁的施工方法，可供类工程施工参考。
关键词：双梁桥式起重机；大梁；刚性腿；柔性腿；吊装技术
1工程概况
招商重工（深圳）有限公司位于深圳蛇口地区。300T×88M龙门起重机安装完成后，将用于新建模块制作场地的吊装作业，有效的提高制造能力。
该起重机属于中型龙门起重机，其门架结构主要由三部分组成：刚性腿、柔性腿以及主梁。在对其进行安装时，将主梁的一端与刚性腿进行焊接固定，将另一端与柔性腿连接，然后将整体结构与绞轴和行走轮组连接，以方便起重机能够自由调整方向和移动。本次工程中所采用的300T×88M龙门起重机，其轨距88m，最大起升高度50m，设备自身重量为1100t。在起重能力方面：上小车额定数值为2X100t，下小车为150t/20t吊钩。
2 先决条件检查
2.1人员准备
所有施工人员一定要参加岗位知识培训和专业知识培训，并通过考试；特种作业人员要持证上岗。
2.2汽车式起重机选型
2.2.1双起重桅杆
本工程选用的起重桅杆为两支450t级重型格构式直立桅杆，桅杆截面1600㎜×1600㎜高度70m时，设计起重能力：
（1）单边吊耳吊装时，吊重300t，单面缆风绳总张力100t（2）双面吊耳吊装时，吊重450t双面缆风绳总张力60t本次吊装用双面吊耳吊装，双桅杆总吊装能力900t。
2.2.2起重滑车组
每组配套滑车：定滑车H250×13D，动滑车H250×12D，共4组，4组滑车组组合提升能力为1000t。
2.2.3牵引（提升）卷扬机
选用4台20tJJM型电动慢速卷扬机牵引提升，使用6×37+1-ø32.5-1770型钢丝绳（1800m）通过滑车级的穿绕，安全满足本次最大件（700t）的吊装作业。
2.2.4滑移钢小车
在施工过程中为了保证刚性腿的顺利滑动，最终实现提升和悬空，需要使用刚性腿根部的辅助设备，我们采用滑动钢小车来完成。
2.2.5聚四氟乙烯滑移板
聚四氟乙烯材质不仅能够承受较高的压力，而且其表面光滑度较高，其滑动摩擦阻力系数相对较小。因此在本次设计方案中，采用该材质与钢板、耐压橡胶等进行合成，制作成为所需要的聚四氟乙烯滑移板，以方便重物需要水平移动时使用，一般情况下，聚四氟乙烯滑移板的滑动摩擦阻力系数维持在0.05～0.15之间，在安装时需要在其下铺设钢板作为滑道，进一步提升其水平滑移的能力。
2.3吊装施工方法的选择
2.3.1根据我公司多台双梁门式起重机的吊装经验,考虑到施工现场的实际情况及允许的施工周期,尤其是施工安全等因素,并结合300t×88m双梁门式起重机机型的特点,本工程采用两支450t独立起重桅杆进行吊装作业。
2.3.2首先利用单起重打桅杆完成对刚性腿的竖立，并应用大车行走机构将其移送到梁的外侧位置处，对其进行临时性固定。柔性腿的竖立则主要通过履带起吊的方式完成，并同样用大车行走机构移送和临时固定。最后将上、下小车整体吊装到梁上的指定位置，并对其进行固定。
2.3.3主梁组件的安装。首先将主梁整体吊至安装需求高度之后（通常吊升高度应当略高于安装的标高大约20cm），然后将刚性腿和柔性腿分别移至与之连接的指定位置。其中刚性腿连接采用焊接的方式、柔性腿连接采用柔性铰完成，由此组成整个起重机的龙门架结构。
3主要施工工艺
3.1现场场地要求及地锚布置
场地是新建场地，安装比较理想。300t×88m双梁门式起重机吊装现场用电，要求提供总用量不小于250KW的配电柜（箱）。安装用大车轨道铺设长度不少于180m（双向轨道总长度180m×2）。
3.2龙门吊大梁
3.2.1大梁选置现场制作时，注意中心轴线一定要与二轨道成90度，大梁轨道线、大梁中心轴线、大梁与刚柔腿安装对位线等一定要有明显的标示，以方便于刚柔性腿就位对线。（见下图1）
图1主梁侧视图
本工程龙门吊大梁总装后包括主梁本身、吊车轨道、内外走台、电器室、高压电器室、小车检测点、通风系统、内外部电缆桥架、电缆、小车供电等。另外，安装在大梁上还有、上下小车等。
3.2.2大梁的就位
大梁各组件在达到现场之后，在现场完成拼装。值得引起注意的是，大梁的安装位置应当与设计位置保持一定的偏移（反位移），以便后期对其作出调整，使其与设计位置更加精准。
3.2.3吊装大梁
大梁在起吊的初始阶段，应当尽量放慢起吊速度，使其缓慢的吊离胎架。同时在起吊过程中需要保证其两端受力平衡，因此需要加强对两支桅杆的受力控制，经相关数据计算，在此次起吊中应当将单只桅杆的受力控制在380t左右。当大梁被吊起之后，需要加强观察工作，以便能够及时发现问题并做出调整，以防出现意外情况。当大梁被吊离胎架大约200mm高度时，需要暂停吊升大梁，对大梁的各个部位进行全面的检查，在确认无误之后在吊升到设计指定标高。在接头位置处，应严格按照安装图纸要求，安装定位腹板及螺栓并装焊马板，然后对完成对接后的接口进行施焊，提升其稳固性和安全性。
3.3刚性腿
刚性腿主要在车间完成对各段的制作，在运输到现场之后将各段对接组装。刚性腿通常处于大梁的右侧位置处，在吊装前将行走机构放置在刚性腿的两侧位置，并在刚性腿上做好焊接位置的标示，以方便刚性腿在被吊竖立之后能够顺利移动到指定位置，能够更加准确的完成对位焊接。在吊装过程中，缓慢的将其吊到指定标高，然后利用行走机构将其滑移到主梁右侧的轨道上，利用风缆绳对其做临时性固定，做好吊装大梁前的准备工作。（见下图2）。
图2 刚性腿吊装
刚性腿与行走机构的组拼：（1）对各组合件进行质量检验，检验合格之后再运输到现场进行组拼。在此次安装中，行走机构由8组车轮组构成，平均分布于刚性腿的两侧，而每个车轮组设置6只行走轮。（2）由于此次安装现场运输条件限制，每次只能完成1组车轮组的运输，当其运输到现场之后，采用50吨汽车开吊，将其准确吊装到设计位置，并使用型钢对其进行支撑固定。（3）当完成2组车轮的安装之后，开始安装中平梁，用吊车将中平梁吊起平放在两组车轮的上面，然后对好中心轴孔，将轴插入其中，用卡轴板进行固定。（4）使用同样的方法完成其它的车轮组和中平梁安装。（5）对各组中平梁连接大平梁的轴孔间距进行调整，确保大平梁能够顺利完成安装，同时在指定位置完成脚手架架设工作。（6）从整体上看，对大平梁的安装顺序基本与中平梁相同，对孔、装轴、上轴套。在完成轴的安装之后，需要其两侧位置处焊接四根Φ159×8的支撑管，以提升其稳固性。
3.4柔性腿
柔性腿的安装与刚性腿大致相同，在施工现场完成对柔性腿和行走机构的拼装，并将其固定在指定的位置处，首先将A字头与地面胎架进行固定，然后将柔性腿的腿管与A字头进行连接，最后再将腿管和下横梁铰轴进行连接，完成整个地面的拼装过程。接下来使用275t履带吊提升柔性腿，当其达到指定标高位置后，移动行走机构完成下横梁的安装，使之成为一个整体，然后做好固定工作。（见下图3）
图3柔腿吊装前位置
完成柔腿行走机构的拼装：
（1）对各组合件进行质量检验，检验合格之后再运输到现场进行组拼。所需车轮组和行走轮与刚性腿相同。（2）逐一将各车轮组运送到安装现场，然后采用50吨汽车开吊，将其准确吊装到设计位置，并使用型钢对其进行支撑固定。（3）采用与刚性腿相同的方式完成中平梁和其它车轮组的安装。（4）完成现场脚手架架设工作，对准轴孔位置，按照与中平梁相同的安装顺序进行大平梁安装。同样在装好并固定轴之后，采用焊接支撑管的方式进行加固。
4施工安全管理
4.1安全管理双轨控制
为了保证安全目标的实现，本项目开展了全员安全管理。开展全员安全教育，提高全员安全技术素质，增强安全意识，抓好从项目部到施工全过程安全管理的基础工作。
从项目部到施工生产队，一层一层地签署《安全生产责任书》，把事故指标、控制措施和安全措施，层层实施。按照施工过程的变化，对薄弱环节，选择课题组开展QC活动，达到控制以及预防事故目的。
4.2吊装前一定要制定安全施工技术措施，施工机具一定要在使用前进行检查，以保证安全性、可靠性和合格后才能投入使用。对起重工具、绳索和工具进行载荷试验、试验吊装和试验操作，确认安全可靠，然后进行吊装。每次吊装前应检查起重物体的重量，并选择吊装点。吊装人员一定要认真检查吊装设备是否捆绑牢固并找到重心。严禁超载。提升时应保持稳定，避免振动或摆动。在设备安装到位前，禁止松开吊装索具。吊装过程中工作范围内应有警示线和明确的警示标志，并由专人负责。在重物下不得站人以及通过，无关人员不得进入吊装施工现场，施工人员不得在设备下或受力索具附近作业。
4.3在安装钢丝绳时，应在地面划出一个安全区域，以避免重物坠落造成人员伤亡；在正式吊装过程中。也要划出安全区域，未经许可不能擅自进入施工现场，主梁的提升空间内不能设置障碍物；在提升过程中，应当指定专人观察地锚、滑车、钢丝绳、缆风的工作状态，如果出现异常的应直接通知总指挥。
5结语
双桅杆吊装法是传统的吊装方法，而且是比较成熟的吊装方法，也是本公司多年成功吊装的经验，整个大梁吊装到安装高度，刚性腿和柔性腿沿轨道同时滑移到梁的底部。，合拢龙门结构，完成吊装工程。
参考文献
［1］《起重机械安全规范》 GB6067-1985［S］
［2］《钢结构工程施工质量及验收规范》 GB50205-2001［S］
［3］《起重设备安装工程施工及验收规范》 GB50278-1998［S］
论文作者:李建伟
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年1期
论文发表时间:2019/5/7
标签：围岩论文; 参数论文; 地层论文; 推力论文; 大梁论文; 刚性论文; 隧洞论文; 《建筑学研究前沿》2019年1期论文;