大坡度斜井TBM溜渣试验研究及TBM优化设计

韩小鸣，潘福营，朱安平，于庆增，梁 飞

（1.国网新源控股有限公司，北京 100200；2.中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450000；3.中铁电建重型装备制造有限公司，云南 昆明 650000）

国内抽水蓄能电站斜井施工普遍采用爬罐、反井钻机等开挖导井，开挖普遍采用“钻爆法”施工。近年来，国内专家开展了抽水蓄能电站大坡度斜井采用TBM 技术的研究，徐艳群等以文登电站斜井为例对反井钻法和TBM 法施工费用进行测算，张军等进行了抽水蓄能电站引水斜井开挖采用TBM 技术的研究。

国外斜井工程采用斜井TBM 施工的成功案例有近百个，其中德国维尔特公司提供了超过50%的斜井TBM。大坡度斜井TBM 向上掘进施工多设置溜渣槽，依靠渣片重力采用自溜出渣的排渣方案，国内外针对斜井TBM 技术的研究中未见针对自溜出渣方面的研究。

大坡度长斜井TBM 掘进多采用自溜出渣的方式，渣片粒径分布、含水率，溜渣槽设计倾角等对斜井施工溜渣堵塞问题影响很大。TBM 出渣粒径分布和出渣方式是制约掘进效率的关键因素之一，国内学者开展了TBM 掘进参数对出渣粒径的影响和使用反井钻机开挖导井后导井的溜渣试验方面。龚秋明等分析了滚刀刀间距和贯入度的比值与碴片分布关系；闫长斌等基于岩碴粒径分布规律的TBM 破岩效率分析；宋克志[5～8]等对TBM 掘进渣片进行统计，服从正态分布。蒲升阳等建立了导井溜渣时的临界倾角预测模型，得出利于导井溜渣的最优角度；王欣等设计模型试验，分析了导井-扩挖法施工斜井时利于出渣的最优石渣级配和石渣含水率。随着斜井TBM 技术的研究应用，开展大坡度斜井TBM 掘进后不同粒径分布的自溜出渣试验研究具有重要意义。

本文采用山东文登抽水蓄能电站TBM 掘进的渣片开展斜井溜渣试验，并对文登TBM 渣片重新级配开展试验，得到斜井自溜出渣的最优级配和含水率，通过此最优级配和含水率指导斜井TBM 刀盘、刀具设计及掘进参数优化。

1 试验材料及方案

1.1 试验材料

试验渣片采用山东文登抽蓄电站排水廊道TBM 掘进岩片，排水廊道沿线地质主要类型为Ⅰ、Ⅱ类二长花岗岩和石英二长岩，岩石平均单轴抗压强度125MPa，石英含量40%左右。试验测定渣片含水率1.2%～1.5%，粒径分布统计情况如表1。

表1 文登TBM渣片粒径分布

试验在几何相似条件下，试验台按重力相似准则设计。该试验模型中溜渣槽长约10m、溜渣槽截面呈矩形，截面宽0.4m、高0.2m，试验台结构采取型钢焊接措施，试验过程中可方便调整溜渣槽倾角。斜井自溜出渣试验台如图1 所示，文登TBM 渣片粒径统计过程如图2 所示。

图1 斜井出渣试验台

图2 文登TBM渣片粒径统计

1.2 试验方案

1）利用文登TBM 掘进的渣片开展自溜出渣临界倾角的试验研究。

2）对试验用的渣片重新级配，研究利于斜井TBM 自溜出渣的最优级配。设计自溜出渣的级配方案分为A1-A5，方案A1-A5 中大粒径渣片逐渐增多，同时小粒径渣片逐渐减少，A1-A5 级配粒径具体方案如表2 所示。

表2 试验渣片级配分布

2 试验结果分析

2.1 临界倾角试验

对表1 中的文登试验渣片从44°起逐渐减小角度，分不同倾角进行自溜出渣试验，寻找渣片不具备自溜出渣的临界倾角。试验结果表明，临界倾角为26°，倾角大于26°时，表1 渣片具备自溜出渣条件，小于等于26°时，渣片不具备自溜条件，产生堆积现象，需采取辅助措施溜渣。

2.2 溜渣速度试验

对表1 中的文登试验渣片从44°起逐渐减小角度，分不同倾角进行自溜出渣试验，对溜渣重量和溜渣时间进行统计，并计算溜渣速度。分别进行两种不同试验：①不同倾角下对固定重量渣片（90kg）的溜渣时间统计；②不同倾角下单位时间内溜渣重量进行统计。结果如图3 所示，随着倾角的逐渐减小，单位时间内的自溜出渣重量降低，固定重量渣片（90kg）的自溜出渣时间增大。说明渣槽倾角减小，渣片重力下滑的分量减少，摩擦力的分量增大，降低了渣片的流动速度。

图3 临界倾角试验

2.3 级配对渣片流动性影响

对表1 中的渣片重新级配，采用A1-A5 方案进行不同倾角下出渣试验。A1、A2 级配方案在44°～28°时可正常出渣，溜渣槽内壁无积料现象，≤26°时出现明显积料现象，积料率大于70%；A4、A5 级配方案在44°～40°时可正常出渣，在39°～20°时，出现＜2mm 粒径的粉料积料现象，积料率为2%～4%，积料率随倾斜角度减小而增大；A3 级配方案在44°～30°时可正常出渣，在29°～20°时，出现＜2mm 粒径的微小粉料积料现象，积料率为1%～2%。

不考虑微细粉料堆积的情况下，随着A1-A5级配方案中大粒径比例的增加，渣片流动速度增大。这是因为渣片粒径的增大使自重增大了，渣片在重力的作用流动性增强。

如图4 所示，对不同粒径的渣片流动性进行观测，＞20mm 粒径的渣片自溜的模式为“滚动+滑动”，流动速度快；＜10mm 粒径的渣片自溜的模式为“滑动”，流动速度慢。A1、A2、A3 级配方案中，＞40mm、40～10mm、＜10mm 三种粒径比例基本均等，＜10mm 粒径的渣片均匀地填补了＞40mm 粒径渣片的空隙，使小粒径的渣片在大粒径渣片的推动作用下共同自溜。A4、A5 级配方案中＞40mm 粒径渣片比＜10mm 粒径的渣片相差多，小粒径渣片没有填补大粒径的空隙，无法推动小粒径渣片共同流动，大粒径渣片快速溜下后，小粒径渣片形成积料。

图4 渣片出渣率

随着渣片级配中＞20mm 比重的增加、＜2.5mm 比重的减少，在溜渣槽内壁滞留的微粉重量反而增多，＞20mm 粒径的渣片受重力作用大，流动性强；＜2.5mm 粒径细粉料受重力作用小，受摩擦力影响大，更容易吸附在溜渣槽内壁上，形成积料现象。在长距离斜井中，这些细粉状的积料吸附在溜渣槽内壁后，可能增大溜渣槽的内部糙率，阻碍了后续渣片的流动性。

3 基于试验结果的斜井TBM优化设计

3.1 文登TBM出渣情况

文登排水廊道TBM 刀盘设计直径3530mm，全盘布置26 把滚刀，刀间距布置80mm、75mm，如图5 所示。滚刀刃宽17mm，贯入度2～3mm，掘进速度15～20mm/min，出渣粒径＞40mm 的占30%，＜2.5mm 的出渣粒径占比20%，含水率1.5%左右。文登TBM 破岩情况不理想,在滚刀正向推力作用下，贯入度不能有效提高，2 个相邻滚刀之间的岩石裂纹不能及时贯穿形成碎块而脱落，掘进渣片的特征是岩粉多,岩粉主要是刀具研磨作用产生的。

图5 文登TBM刀间距布置

3.2 TBM参数优化

项目规划斜井角度约39°，斜井长度约900m，斜井洞径断面∅7.1m。围岩主要以Ⅱ类花岗岩为主，岩石平均单轴抗压强度90～150MPa，针对此类围岩条件开展利于斜井出渣的TBM 溜渣槽、刀盘刀具设计及掘进参数优化。

基于斜井TBM 自溜出渣效率方面考虑，根据试验结果，渣片粒径级配方案中A4、A5 出现微粉积料现象，刀盘刀具的设计和掘进参数需确保斜井TBM 掘进渣片粒径的分布与A1、A2、A3 的级配方案吻合。即＞40mm 粒径的渣片要多，增加渣片的流动性；同时保证＜2.5mm 粒径的渣片比例＜14%，减少细粉料的堆积；渣片含水率在小于4%，避免出现“泥浆”。优化现有文登TBM 刀盘刀具和掘进参数，使＞40mm 的渣片增加10%左右，＜2.5mm 粒径的渣片减少10%左右。

1）优化刀间距设计 斜井TBM 刀盘开挖直径∅7 130mm，设计50 个刀具轨迹，采用19 英寸滚刀，滚刀刀间距75～80mm，在Ⅱ类花岗岩下破岩时相邻滚刀之间围岩裂纹适度贯穿，避免过度破碎，以此来提高滚刀破岩效率。优化后的刀间距不但利于破岩，不过渡破碎的渣片可增加斜井自溜出渣能力。

2）优化滚刀刀圈刃型设计 在硬岩地层掘进，当滚刀贯入度较小时，产生的岩粉较多，贸然的加大推力，提高贯入度，容易造成滚刀磨损加剧，特别是刀圈断裂等异常损坏。此时需针对性的使用高韧性刀圈，在大推力下避免刀圈断裂；适当增大刀圈刃宽至22mm 左右，减少刀刃下方应力，避免滚刀刀圈正下方压碎区产生过多岩粉。在大推力和合适刃宽的作用下，岩石裂纹更容易向深度方面发展，进一步形成裂纹，利于较大粒径岩块的形成。而贯入度不能太大，贯入度太大滚刀与岩石的作用强烈，一部分能量反而形成大量的岩粉，不利于斜井TBM 出渣。

4 结论

国内抽水蓄能电站领域引水斜井采用斜井TBM 工法施工是大势所趋，多个抽水蓄能电站主动与斜井TBM 设备生产企业联合进行工法研究。通过建立的大坡度斜井自溜出渣试验台，对山东文登抽蓄电站TBM 渣片进行溜渣试验，得到以下结论。

1）斜井倾角大于26°时具备自溜出渣的能力。

2）渣片粒径分布、含水率是影响斜井TBM自溜出渣的关键因素。

3）试验台仅能模拟短距离的流动性情况，微细粉料已经对流动性产生不利影响；考虑到深长斜井距离在800m 左右，斜井TBM 采用自溜出渣方式时，尽量控制渣片中微细粉料的比率，特别是微细粉料要保持合理的含水率，避免发生堵渣现象。

对于长距离斜井工程，需进一步开展堵渣情况下的辅助溜渣技术研究。