德罗引水隧洞悬臂式掘进机截割机构技术参数选择研究

李 卓，宋 洋

（中国人民武装警察部队水电第三总队第九支队，610036，成都）

德罗引水隧洞悬臂式掘进机截割机构技术参数选择研究

李 卓，宋 洋

（中国人民武装警察部队水电第三总队第九支队，610036，成都）

悬臂式掘进机正得到广泛应用，截割机构是掘进机的关键部件，合理选择截割机构的技术参数是掘进机实现节约能耗、充分发挥效能的重要环节。通过对德罗引水隧洞悬臂式掘进机截割机构各项技术参数的分析，比选出更适合实际操作的方案，并对现阶段存在的问题提出思考。

隧洞；悬臂式掘进机；截割；技术参数

掘进机是一种安全高效的隧洞掘进设备，相比于钻爆法有效率高、效益好、对岩层扰动少、有利于安全生产等优势。但其仍有一定的局限性，例如全断面掘进机（TBM或盾构机）成型断面只能是固定直径的圆形，且造价较高，需要对隧洞掘进长度和经济性比较进行详细评估；悬臂式掘进机（也称部分断面掘进机）适合掘进圆形、马蹄形、门洞形等断面，且结构紧凑，工作方式灵活，但对岩石硬度、断面尺寸等有一定要求，正确选择有关技术参数是发挥其效率和效益的关键。因此，确定使用掘进机进行隧洞开挖的方案后，合理确定掘进机截割机构技术参数并以此进行选型十分必要。

一、工程概况

德罗引水隧洞是西藏拉洛水利枢纽控制性工程之一，该隧洞工期为整个工程的控制性工期。全长7.52 km，为无压洞，洞身标准段开挖断面为宽度5.1 m、高4.85 m的马蹄形断面；隧洞围岩为J2z、J1r钙质页岩（含泥质、炭质）、夹薄层状砂岩、极薄层状板理化细晶灰岩，主要为软岩，岩石强度小于20MPa，存在塑性变形问题，特别是存在地下水的情况下，页岩易软化、崩解，围岩自稳时间短。

二、主要技术参数

1.横轴式和纵轴式

悬臂式掘进机按截割头的布置方式分为纵轴式和横轴式。纵轴式掘进机多采用截锥体截割头，其结构简单，容易实现内喷雾进行除尘，较易切出光滑轮廓的隧洞断面。截割头上既可安装扁平截齿，也可安装锥形截齿。一般情况下，纵轴式截割头破碎的岩渣向两侧堆积，需用截割头在工作面下部进行辅助装载作业，对装载效率有一定影响。横轴式截割头的形状近似为半椭圆球体，不利于断面轮廓成型。横轴式截割头上多安装锥形截齿，齿尖的运动方向和岩渣的下落方向相同，易将切下的岩渣推到铲装板上及时装载运走，装载效率较高。纵轴式和横轴式掘进机各有优缺点，应结合地质条件和掘进机的性能加以选用。

2.定位截割范围

掘进机的定位截割范围，即掘进机在定位截割岩体作业过程中截割头摆动的上下左右极限位置所能达到的最大高度、宽度和面积。目前水工隧洞主要断面形状有圆形、马蹄形、门洞形，掘进机截割轨迹和最大成型断面受截割部的垂直摆动机构和水平摆动机构控制，成型断面为腰鼓形。生产实践表明，若一个断面分块多次截割成型，掘进机将前后往复运动，会导致设备单位时间内截割方量明显降低。选择合适型号的掘进机，保证合理的定位截割范围，以使设备定位后将一个断面一次截割成型。

3.截割功率

截割功率是掘进机能力的一个重要标志。可以认为，截割功率的大小基本上决定了掘进机的截割能力和适应范围。从理论上讲，截割功率应按工作过程中所受的截割阻力来计算。截割阻力取决于岩体性质、刀具参数和截割破碎过程。但由于煤岩性质复杂多变，受煤岩性质、组织结构、节理层理和裂隙状况以及不同截割过程的影响，要通过理论计算来确定截割阻力是十分困难的；现场实测也受不同条件和多种因素的影响，难以获得可靠而实用的数据。因此，在实际施工中，截割功率大多按能耗法或类比法来确定。

①能耗法：按试验得到的截割比能耗计算公式N＝60HwVhLD(Hw比能耗kWh/m3，Vh截割头摆动速度m/min，L截割深度m，D截割头平均直径m)。

②类比法：根据所截割岩体的硬度、单轴抗压强度和研磨性系数,参考现有机型的参数和现行技术条件选取截割功率、最大工作坡度、可掘断面、机高、机重等基本参数。

4.截割岩石硬度和围岩级别

掘进机的适用条件受多方面因素影响，其中最重要的是岩石的硬度与可钻性，其次是岩石节理裂隙发育程度、岩石的碎胀性、地压力大小与方向、水文地质、岩石含水率、地下水腐蚀性等。岩体在十分软弱的情况下，虽然有利于切削，但是需要及时支护而占用的掘进循环时间较多，反而不利于提高掘进效率。

目前掘进机最大可凿岩石抗压强度为150 MPa，经济可掘岩体抗压强度为60～100 MPa。若岩石强度太高，则破岩所消耗的截割工具磨损费用直线增加，高效连续作业的优越性得不到充分体现；若岩石强度太低,节理裂隙发育，会导致巷道成型困难，施工安全性受到影响，巷道支护工作量太大。岩石的碎胀性会导致施工后岩层膨胀，造成支护困难；地应力大则会引起岩爆，作业不安全；水文地质复杂、岩石中含水率高，会导致工作面施工条件恶化，掘进难以进行。另外，岩石的腐蚀性会降低截割刀具寿命，增加掘进成本。

表1 类比法参数选择参考表

三、德罗引水隧洞技术参数选择实例分析

根据德罗引水隧洞实际地质条件和上文阐述的主要技术参数，结合工程实例对掘进机技术参数选择进行分析。

1.横轴式与纵轴式比选

主要从质量要求、地质条件、截割受力情况等方面对横轴式与纵轴式进行比选。

根据水工隧洞有关设计要求和施工质量规范，对超欠挖和成型轮廓控制要求高。纵轴式截割头为锥体形状，悬臂转动走向与隧洞轮廓相匹配。另外，从地质条件和截割受力情况看，洞内全部为IV、V类围岩，岩体走向与洞轴线夹角小于30°，掘进过程中易产生片帮塌方情况。沿着层理方向进行截割岩体将大幅度减小截割落岩的阻力，从而降低能耗和钻具消耗。因此根据洞内岩体走向选择纵轴式截割可有效降低能耗和钻具消耗，且根据有关文献在软岩掘进中纵轴式掘进机工作稳定性较横轴式高。

考虑上述因素，德罗引水隧洞选择纵轴式掘进机方案较优。

2.定位截割范围选择

合适的定位截割范围是提高生产效率的必要条件。断面与设备掘进截割范围不匹配将会造成成本增加、资源浪费和掘进效率降低等问题。悬臂式掘进机可掘断面取决于悬臂的长度和回转角度。德罗引水隧洞断面为马蹄形断面，最大高度4.85 m，宽度5.10 m。将此断面套入掘进机截割的腰鼓形断面，确定掘进机的定位截割参数为高度大于4.85 m，宽度大于5.5 m，掘进断面面积大于28 m2。

3.截割功率

根据文中阐述的两种截割功率选择方法，结合工程实际采用类比法并参考现有机型的参数和现行技术条件，选取截割功率200 kW，见表1。随着制造工艺的改变，表1中的参考数据可进行不断更新和进一步完善，为类比法选择提供更加可靠的依据。

4.截割岩石硬度

根据截割岩石的抗压强度，确定最小截割功率，即确定截割电机功率。德罗引水隧洞岩石强度不超过30 MPa。因此可以选择出截割头的经济截割尺寸和截齿的型号。本工程选择截割头截齿对应岩石抗压强度≤70 MPa，经济截割硬度50 MPa。

5.截割系统主要技术参数

截割机构由截割头、截割臂、截割减速机、电机箱体及截割电机组成。截割臂可满足不同断面的施工需要。截割头采用仿真技术优化设计，外形为圆锥台形结构，在其圆周螺旋分布45把截齿，截齿采用美国凯南麦特产品，其布置合理，破岩能力强。截割减速机为两级行星齿轮传动，输入转速为1487/736 r/min，输出转速为54/27r/min。

主要参数：截割范围为高5.12 m，宽6.03 m，面积30.9 m2。截割头形状为圆锥台形，截割头转速为54/27 r/ min，截割电机为YBUD-260/200-4/8，喷雾方式为内、外喷雾。

四、结 语

悬臂式掘进机以其效率高、适应性强、对岩层扰动少等优点正得到越来越广泛的应用，同时，机型多样化、多种可选部件自由选配等优势为其在使用操作上和经济上提供了不断优化的可能。

但其仍存在以下问题需要进一步研究：掘进与支护相互产生干扰，干扰度对技术参数和相关配套设备的选择具有一定的实际意义；工作可靠性及稳定性尚无合适的指标和参数供选择借鉴，由于掘进机机构复杂，涉及的实际工程问题较多，设备可靠性和稳定性对设备选型和经济性分析有十分重要的意义。

[1]李志立.悬臂掘进机截割功率和运动参数的选择 [J].贵州工学院院报，1996（2）.

[2]徐春江，黄世功.悬臂式掘进机工作稳定性分析[J].煤炭科学技术，1993（10）.

[3]侯波，杨奇顺.悬臂式掘进机主要技术参数的选择[J].煤矿机械，2000（8）.

责任编辑 安天杭

Selection of parameters for cutting mechanism of cantilever tunneling machine in construction of Deluo Diversion Tunnel

Li Zhuo，Song Yang

Cantilever tunneling machine has been widely used for project construction.Being one of the key part of cantilever tunneling machine,selection of technical parameters for cutting mechanism is essential for energy saving and increase of efficiency.Through comparison of parameters selected during the construction of Deluo Diversion Tunnel,suitable alternatives are selected and existed problems at present are evaluated.

tunnel;cantilever tunneling machine;cutting;technical parameter

TV512

B

1000-1123（2016）20-0066-02

2016-10-18

李卓，工程师，从事水利水电工程项目施工技术与管理工作。