全断面岩石掘进机的使用选型

作者：石家庄铁道学院 杜立杰

欢迎访问e展厅 展厅 5 钻机/掘进机/凿岩机展厅 钻机, 潜孔钻机, 水平定向钻, 顶管机, 旋挖钻机, ... 从技术和经济两个角度来说，并非所有地质情况的工程都适宜掘进机施工，因此，是否选用掘进机施工，选用何种类型的掘进机；以及如何确定主要技术参数和进行系统配置，就成为施工单位首先需要解决的问题。 1、地质因素分析 主要从工程的地质条件是否适宜掘进机和影响开挖效率的因素来加以考虑，并根据不同的地质情况选择合适类型的掘进机。 (1)掘进机对地质条件的适应性 以下地质条件一般不适宜掘进机的施工。塑性地压大的软弱围岩；类沙性土构成的软弱围岩和具有中等发下膨胀性的围岩；断层破碎带，岩溶发育带，严重涌水地段，岩石单轴抗压强度超过350MPa的极硬岩且节理不发育、高硬度或高拉伸强度及高磨蚀性岩石材料 (2)影响掘进效率的主要地质因素 岩石的单轴抗压强度是影响掘进效率的关键因素之一。一般掘进机最适合掘进抗压强度为30-150MPa的硬岩。根据统计，大多数已建工程的岩石平均单轴抗压强度为75-175MPa，最大单轴抗压强度为350MPa。岩石的硬度和耐磨性越高，刀具消耗和施工成本就越高，造成停机换刀次数增加，影响掘进速度，岩体的结构面发育程度，即岩体的裂隙化程度或岩体的完整程度与掘进效率有很大的关系。抗压强度、硬度、耐磨性相同或相近的岩体，若结构面发育程度不同，掘进机的纯掘进速度的差异明显。 全断面岩石掘进机一般分为敞开式和护盾式。敞开式通常用于围岩稳定的隧道(洞)的开挖。若岩石质量指数为50%-100%、节理大于60cm，则首选敞开式。软弱围岩用敞开式掘进机施工时支护量大，并限制了撑靴的支撑能力，影响掘进进度，因此，一般软弱围岩所占长度的比例较大时，可考虑选用护盾式掘进机。对于地质勘察不够准确的工程，用敞开式掘进机更易及时探明前方地质情况和对不良地质进行及时处理。使用敞开式掘进机重点应考虑支护设备的配置，如超前钻机、锚杆钻机、钢拱架安装器、挂网设施、混凝土喷射装置等。而护盾式掘进机需要考虑加大推进系统的推进力，设置辅助推进系统，加强护盾设计和配置衬砌管片安装器等。 2、掘进性能的要求 选用掘进机时，需要根据工期、工程地质、工程设计和施工工艺等多种因素的要求，对掘进性能提出相应的要求，衡量掘进性能的指标主要为纯掘进速率、完好率、利用率和刀具消耗等。 (1)纯掘进速率 纯掘进速率为刀盘每转进尺毫米数乘以刀盘转速。在此基础上，可以进一步预计出小时进尺、日进尺、周进尺、月进尺等。纯掘进速率主要受机器设计参数和地质参数的影响。因此，根据工程地质情况和工期要求，可以向掘进机制造商提出合理的机器特性要求，并评判其设计参数是否满足掘进速度要求，或进行掘进速度预测。近20年来，掘进技术水平大致为：20世纪80年代最高日进尺为30-40mm，月平均进尺为300-500mm，20世纪90年代最高日进尺为45-60mm，月平均进尺500-700mm。 (2)完好率 完好效率包括掘进机的系统可靠度和维修度两方面因素，在正确使用和维护要求前提下，这是一个主要取决于制造商的性能参数。维尔特(Wirth)公司生产的掘进机在25个重要工程的应用实践表明，掘进机系统完好率达70%-90%。 (3)利用率 利用率是掘进时间占总施工时间的比例，其一方面取决于设备的完好率，另一方面取决于工程地质情况和现场组织管理水平。常常因为岩石支护士作业、出渣作业、材料运输等原因延误造成停机，从而使利用率降低。按目前技术水平，平均利用率在40%左右。对于施工单位，一方面可以要求制造商提高机器的完好率；另一方面在选型设计中要考虑好掘进、出渣、支护等各分系统间的协调配置，并提高施工组织管理水平，以提高掘进机的利用率。 (4)刀具的消耗 一定岩石条件下，刀具的消耗一方面取决于刀具的质量和刀具在刀盘上的总体布置，也与刀具的使用和维护技术水平有关，选型设计时可要求制造商提供开挖单位立方米岩石刀具消耗费用或数量的参考值，以便进行刀具质量评判和刀具投资消耗预测 3、主要技术参数的选择 影响掘进机的耐久性和性能的主要关键零部件为：刀盘、刀具、刀盘轴承、刀盘驱动系统、主机体、推进系统和支撑系统等。而掘进机设计的总趋势是：提高刀具承载能力；增大刀盘推力和扭矩；提高刀盘转速；增大掘进行程。 (1)刀盘 刀盘的直径应根据开挖洞径来决定，要求有一定的扩挖能力。掘进机直径一般在2.5-12m之间，以3-6m居多，目前在向大直径和微型掘进机两个方向发展的趋势。为了降低不良地质的影响，尽量设计为平面状刀盘和凹状的刀具安装座。一般设计成背装式换刀的刀盘，以保护作业人员的安全。刀盘设计的强度、刚度和耐磨性是需要重点考察的性能指标。 (2)刀具直径和刀圈 刀具的基本元件是：刀圈、刀体、刀轴、轴承组合件、密封、端盖等，刀具及其在刀盘上的布置，对破岩效果、掘进速度和刀具的消耗是至关重要的，为了增加刀具的切深和净掘进速率，刀具轴承和刀圈材料技术不断发展，达到了较高的承载能力和耐磨性。同时，生产厂家提供了尺寸从300mm到400mm直径系列的刀具选择，432mm直径刀具是目前常用的代表一定技术水平的刀具。 (3)刀间距和刀具数 每把刀的推力和刀间距是提高切深、进而提高掘进速度的最重要的参数。试验表明，在给定地质条件下，当减少刀间距时，获得一定掘进速度所需的推力将下降。这意味着在岩石非常硬的情况下，维持每把刀推力不变，通过减少刀间距，可以增加掘进速度；便是，相应要求增加机器总推力，并产生更小的碎石屑。而碎石屑愈小，切削岩石要求的比能耗愈大，开挖过程的经济性就愈差。不同刀间距开挖岩石所消耗的能量表明，每种岩石有一个最佳的刀间距。这个最佳的刀间距主要是地质的函数，在硬岩情况下，它大约是切深的10-20倍，在65-90mm之间；软岩大约是100mm。在给定地质条件和可比的刀距下，刀具数与开挖直径成正比，适当增加刀具数，有利于避免瞬间岩石物理特性太高而造成单个刀具及其相邻刀具的加速损坏。而且，较多刀具与岩石接触，还可降低掘进进的振动，并减小破碎岩层断面岩块洞穴的尺寸，从而可减少阻塞刀盘转动的故障。 (4)刀盘转速 盘形滚刀的轴承和密封允许的圆周速度为150m/min左右。 (5)刀盘扭矩 刀盘上所有刀具总滚动阻力决定扭矩大小。计算滚动阻力系数，即滚动力与推力的关系主要由刀圈直径和切深来决定。粗略估计，滚动阻力作为推力的百分比平均是：硬岩达10%，易掘进岩石为15%。刀盘的功率要求由转速和扭矩来决定，扭矩则受地质的影响。在可比的刀盘推力下，易掘进岩石允许较大的切深，并由于滚动阻力增加，要求较大的切深，并由于滚动阻力增加，要求较大的刀盘扭矩。良好可钻性的岩石在理论上可能的切深是不能采用的，是不经济的。 (6)刀盘驱动系统 刀盘驱动系统主要形式为液压驱动、双速电机驱动的变频电机驱动。由于变频控制技术可提高可靠性和降低成本，变频电机驱动对不同岩石具有更好的适应性，变频电机驱动已成为近年来掘进机驱动方式的发展方向和首选。目前8m直径掘进机的刀盘驱动功率在3000kW左右。 (7)刀盘轴承 刀盘轴承亦称掘进机主轴承，主要发展方向是采用三轴式滚子轴承(两排推力，一排径向)替代圆锥滚子轴承，以提高其承载力和寿命，特别是对大直径掘进机的设计更是如此。目前，刀盘轴承寿命的技术水平为15000-20000h。由于刀盘轴承制造周期长(6个月左右)，成本高，且施工中洞内难以拆换，在选型时，其设计尺寸、制造质量和使用寿命、润滑和密封及其监控、均应成为重要的考核因素。 (8)推进系统和支撑系统 推进系统主要由液压推进缸等构成。应根据岩石情况、开挖直径、刀具直径和刀具数、提供足够的推力，以便在较硬岩石情况下获得一定的切深，一般根据总刀具推力、刀盘护盾摩擦阻力、后配套系统的牵引阻力等来考虑所需推力。支撑系统的支撑缸应能抵抗刀盘传递过来的推力和扭矩，支撑靴要有足够强度和面积，还应核算与洞壁的接地比压值大小。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (4/5/2005)