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EM1110-2-2901规范附录
1997年5月30日
附录C
全断面隧道掘进机的性能原理和运行预测
本附录为隧道设计者提供了有关TBM的性能规范和性能预测的试验数据和TBM隧道费用估算的信息。
C-1. TBM设计和性能原理
现场勘探和试验计划的焦点并不仅仅是支持隧道设计。试验结果和提出的推荐意见还必须使承包商对施工前的现场条件熟悉，即一种允许对费用和计划进行估算并有助于选择适当的开挖设备的前景。用于以开挖为目的而探明岩石特性的试验经常不同于用于其他土建工程的试验，而且可根据开挖方法确定。为了对几条准线进行比较，一种简单而且并不昂贵的试验足可找出可钻探能力方面的区别、确定问题区域并估算出推力和力矩需求。
a.圆盘切割原理
TBM设计和性能预测需要对基本的圆盘切割原理进行正确评价。图C-1展示了圆盘切割工具的动作，包括刀片圆盘以下岩石材料的非弹性压碎和因破碎延伸到临近沟槽而造成的碎裂。在这一过程中产生的渣料包括已压碎的细料和已破碎的碎屑。细料是导致圆盘磨损的主要成分。碎岩屑的典型尺寸为15~25mm厚、宽度依次为刀片圆盘槽间距而且长度依次为碎屑宽度的2~4倍。为提高TBM圆盘切割的效率，包括下列内容在内的各项内容都很重要:
·令刀片的缩进、法向力和穿透力都必须足以在切槽相互作用和碎屑层中产生适当穿透力。
·令相邻的切槽必须足够的紧密，以便使侧向缝能相互作用并扩大来产生碎屑。
·尽管在穿透过程中存在滚动抗力和拖拽力，还应有一个足以保持刀片移 动的圆盘力的部件。
b.法向力
圆盘穿透力受的TBM推力影响。每个刀片的平均推力或法向力计算如下:
Fn=NcPcrsquo;pi;dcsup2;/（4n） (C-1)
其中:
Nc为推力缸数量；
Pcrsquo;为应用的净液压；
dc为各个汽缸活塞的直径；
n为序列中刀片数量。
传递到刀片的推力小于根据运行液压所计算的数值。如果在掘进过程中TBM的后配套系统拖在TBM之后，那么这种推力损失就应减小，如同机械与岩石间接触的摩擦损失那样。对于全护盾而言，这类损失可能很高，而且如果护盾上的地层压力大于有效推力所能弥补的能力时就会最终停止掘进。刀片净平均法向力可轻易小于计算总力的40%。对于非常坚硬的岩石，推力限制可严重制约穿透速率。
c.圆盘滚动力
圆盘的滚动受提供的机械功率和刀盘旋转情况影响。每个刀片上的平均滚动力Fr计算如下:
Fr=Prsquo;/(2pi; n r Rcsup2;/(4 n) （C-2）
其中:
Prsquo;为净传输功率；
r为刀盘的转速(rmp)；
Rc为离旋转中心的加权平均的刀片距离。
装机功率损失也可能很大，而且总的力矩系统效率通常约为75%。当电机问题暂时降低了有效力矩并且粘结的料渣阻塞了刀盘和出渣斗时，有效的Fr就会进一步减小，造成由摩擦和旋转拖拽或“冻结”或阻塞刀盘（带有扣紧的轴承）所招致的力矩损失。事实上，对于许多在薄弱到中等强度岩石中运行的TBM，力矩的大小限制着穿透率。对于近期设置的配备有不同转速刀盘和更大功率电机的TBM，这种影响在减少。侧壁夹卡系统的负载能力还可限制可能应用的那些推力和力矩水平。对于薄弱岩石，该夹卡可能滑动或在侧壁岩体中出现局部承载能力失败。在薄弱岩体中，如果出现的超挖远远大于该夹卡的汽缸活动范围，就有可能需要布置木支撑。当从薄弱向坚硬岩石掘进而且需要高推力时，这些问题尤其严重。因为有效的切割夹卡必须由低强度岩石承载。对于带护盾的TBM，衬砌强度可能限制运行推力和力矩。
d.圆盘力穿透指标
TBM的运行条件并不完全相同，而且也不可能使上述计算的圆盘力实际由任何特定刀片来形成。但是，根据这些平均力以及平均圆盘间距和每转的穿透力来制作圆盘力预测模型是很方便的。Fn和Fr的相互关系与所产生的穿透力如图C-2所示。变化的坡度依照压碎和碎屑地层中主要的过渡层而定，而且一直都被称作“临界推力”：除非可以应用这么大的力，沟槽之间的碎屑就不会出现。临界力与岩石强度或硬度直接相关，而且会随刀片间距和圆盘边缘宽度的变化而增加。尽管人们知道这些力/穿透关系都是线性的，还是会根据从力/穿透点所获取的比率来确定若干参数。Fr与Fn的比率已经确定为切割系数（Cc）并且Fn与Prev的比率被确定为穿透指标（Rf）。因此，
Cc=Fr/Fn和Rf=Fn/PRev （C-3）
e. TBM切割力研究
对TBM切割力的研究得出了以下的重要结论:
·PRev主要由Fn控制，即刀盘转速在传输功率充裕时并不会给Prev带来强大影响。
·当间距与Prev的比率在岩石单元变化很大时大致为8~20时，就有可能实现优化的切割。
·由于下部刀片力的高穿透性，可在较薄弱的岩石中出现尽管低于最佳值但依然令人满意的切割率的间距与Prev ( s/p)比率。
·对于强岩体而言，高临界推力导致穿透力减小和间距与Prev的比率增加，而且可以接受的掘进速度也难以获得。
·对于孔隙或微破碎岩石，缺口导致大量破碎和可能磨蚀的材料并削减碎屑层。
C-2：完好岩石条件下的TBM穿透率预测
TBM设计的最重要独立变量包括装机功率、刀盘转速、推力和圆盘间距。每个参数都影响所产生的穿透率。实际上，平均的圆盘间距已经在60~90mm的有限间距内进行设计。固定的设计条件包括圆盘的滚动速度和圆盘工具的负载限制。已知所接受的圆盘速度和负载限制与实际应用的目标间距与Prev（s/p）比率一般范围，预测Fn和Fr和Prev关系的方法将能够使TBM设计的功率和推力更加合适以便获取所需的穿透率。
a.预测方法
己经作出过多次努力来协调实验室指标试验结果和TBM的穿透率。预测公式或根据经验获取，或以理论为基础采用力的均衡或能量平衡理论来制定。对圆盘槽口对称和接触区域应力分布进行了简单假定并采用通过相关性来获取的系数，包括实例信息。大多数的预测方法趋势都是一致的，然而经验方法在地质和机械特性方面都各有千秋。但是，应对实例研究数据库进行一般性认真描述。不考虑推力和力矩运行条件的预测方法不应适用于那些设备运行变化的工程。刀片的条件还可对运行产生重大影响，因为磨损或迟钝的圆盘会在槽口出现更宽的接触区域，而且对于给定的穿透水平也需要更高的力。一些数据库包括了单、双和三圆盘刀片，这是一种大大影响圆盘边缘负载和间距/穿透率的变化。最后，在不良地层或洞线曲线中的低推力和低力矩掘进可能导致穿透力的减少。
b.穿透指标试验
作为相关指标试验实例，不少的预测方法都采用在约束岩石试样上进行静态缺口试验。第2组指标试验可叫做“硬度”试验，包括肖氏硬度、回跳硬度、泰伯磨损硬度、施密特锤回弹硬度（HR）和总硬度（Hr），这些都作为Hr的结果和泰伯磨损硬度的平方根进行计算。为进行TBM性能预测，还进行了动态影响试验。这些试验包括：岩石影响硬度（RIH）、岩石强度系数（CRS）和瑞典脆弱性试验（S20），这些包含在挪威技术研究院（NTH）所开发的预测方法当中。还进行了许多“可钻探性”和“磨蚀性”指标试验，每项都需要专门的设备。在评估磨蚀性时采用了CERCHAR试验，而且采用了包括石英含量仪和莫氏硬度计在内的矿物学磨蚀度量表计。
c.岩石强度试验
（1）通过经验获取的预测公式还包括由“常规的”岩石强度试验获取的结果。在性能预测中最广泛应用的岩石性能是单轴向抗压强度（UCS），主要因为有单轴向抗压强度（UCS）的试验结果可以利用。但是，单轴向抗压强度（UCS）不一定是TBM性能预测的理想参数，除非对单轴向抗压强度（UCS）（或指标试验结果）的现场变化进行了评估时才会例外。
（2）在巴西试验中最经常测定的岩石抗拉强度，还可用于机械性能预测。试验结果可用于在薄弱岩石中评价圆盘缺口上是否会产生脆弱行为并评价岩石强度的各向异性。
（3）岩石破碎糙率和其他的破碎材料性能(如临界能量释放率或临界裂缝驱动力)极大可能应用于机械性能预测。但是，在隧道掘进工程中进行的试验不多，因此必须初步考虑到目前为止所验证的相关性能。
（4）现场勘探期间还对其他的描述性性能进行了评估，而且许多经验相关性都在线性回归公式中包含了此类内容。这类性能包括密度、孔隙率、含水量和地震波速。对于薄弱岩石，应在现场勘探早期评估阿特伯格临界塑限和粘土矿物学，进行更为专业的膨胀、挤压和固结性能试验，或许会根据指标试验结果进行验证。
（5）在此时所推荐的用于隧道工程勘探的岩石性能试验组合中应包含进行抗拉强度试验和抗压强度试验、评价孔隙率或膨胀性与压缩性反映的其他措施并评价岩石磨蚀性。应关注岩心以便最大限度的减少应力释放影响和湿度损耗。必须避免对极其薄弱或极其强壮岩石的取样偏差，因为这些极端条件经常会决定着TBM应用的成功与否。在特定的预测方法中应用时，可进行特别试验，如各类硬度试验或在挪威技术研究院的方法中所包含的试验组合。在各种情况下，用于指标性能试验的规定设备都是必须的，并且必须遵循所建议的程序。有关所需试验的导则可通过TBM设计师和咨询来获得。
d.经验公式
（1）以下是采用由岩石试验数据获取的经验公式的3种最常用的性能相关关系，PRev以毫米/转进行评价，Fn以kN计，抗压（UCS）和巴西抗拉（delta;tau;B）强度以MPa或kPa单位表示，如文中所示。
（2）Farmer和Glossorp在其数据库中包含了在1980年获得的有关极其沉积岩石的下列公式：
PRev=624 Fn/（sigma;tau;B） （C-4）
（3）Graham在其主要坚硬岩石（UCS140~200MPa）数据库中获得了（1976年）类似的公式如下：
PRev=3940Fn/UCS （C-5）
（4）Hughes在1986年获取了煤炭开采的关系式如下:
PRev=1.667（Fn/UCS）1.2*（2/D）0.6 （C-6）
其中：D为圆盘半径，以毫米计；并且假定在每个切口槽内只有一条圆盘轨道，
这是TBM设计的通常实践。
e.性能数据
（1）用于沉积岩中3条隧道工程的岩石性能和机械性能数据被用来验证对表C-1中这些相关性的预测能力。岩石试验结果、TBM性能和预测的穿透率均如表C-1中所示。圆盘的平均力直接随UCS变化，且最大荷载远远低于采用的刀头所选择的最大荷载。在各种情况下，TBM穿透力和推力都受可利用的力矩或出渣处理系统的能力限制。
表C-1：TBM实例研究和预测穿透率比较
|
项目信息 |
岩石强度 (MPa)sup2; |
TBM性能 |
预测方法：1=Farmer，2=Graham， 3=Hughes |
|||||
|
位置 |
岩石单元 |
UCS |
巴西 抗拉 |
Fn， kN |
P/rev，mm |
1P/rev |
2P/rev |
3P/rev |
|
Buffalo (NY) |
Falkirk Dolostone |
188 |
13.3 |
134 |
7.6 |
6.3 |
2.8 |
2.9 |
|
Oatka Dolostone |
139 |
13.0 |
108 |
10.4 |
5.2 |
3.1 |
3.3 |
|
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