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用于探测TBM前方的隧道挖掘条件的挖掘比能量

作者:  发布:2014/12/16  浏览:
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摘 要:SEE的概念已经被运用了数十年,用以来帮助评估岩体内钻进和挖掘的效率。首先在石油工业内报道过(Teale,1965),这是一个可以在实时从一台钻机或一台TBM运转性能记录中确定的参数。此外,能使这个参数特别吸引人的就是其与岩体的机械性质的相互关系。

作者注:

本文是由美国亚力松纳州Bieniawski设计公司的Richard Z T Bieniawski教授,西班牙马德里GeoControl 公司的Benjamin Caleda、Isidoro Tardaguila和 Alejandro Rodrigues 合著论文“挖掘的比能量帮助探测TBM前方隧道挖掘条件实时变化”编辑版。

挖掘的比能量定义为挖掘过程中以兆焦耳(MJ)表示的能量和挖掘土体积m3之间的方程式表达。

SEE的概念已经被运用了数十年,用以来帮助评估岩体内钻进和挖掘的效率。首先在石油工业内报道过(Teale,1965),这是一个可以在实时从一台钻机或一台TBM运转性能记录中确定的参数。此外,能使这个参数特别吸引人的就是其与岩体的机械性质的相互关系(Acaroglu et al 2008)。

过去3年中,西班牙马德里GeoControl公司对来自西班牙工业发展中心(CDTI)的部分让予进行了调查,利用SEE让岩体特性化供TBM使用。作为努力的结果(GeoControl,2011),本文介绍这些新科研成果来评估挖掘过程和TBM推进之际,估计岩体质量和其他主要特性。

依靠性

挖掘比能量取决于岩体条件和挖掘过程。Cock和Joughim,1970)完成测试,检验了南非金矿内石英质岩体各种挖掘方法。其单轴抗压强度恐会超过200MPa。他们利用经研究的每个方法测定SEE,作为各种岩石破碎过程所产生的碎块尺寸的函数。其结果在图1(下方)所示:

图1  各种挖掘方法的能量消耗和岩石破碎尺寸间的关系图(单位:mm)

本图可引出重要结论,SEE与碎石过程所产生的碎块尺寸呈指数关系,还有,炸药挖掘所耗用的能量是本研究所进行的各种方法中最少的。TBM挖掘处于该范围的中间部分。

计算

挖掘比能量可以利用Teale方程式(Teale,1965)计算。他是第一位公布了钻掘大直径样本石块过程中使用比能量研究结果。他建议钻掘的比能量EEP可以利用下列方程式计算:

其中:

EEP是钻掘的比能量(MJ/m2

F 总推力(kN

A 钻掘的面积(m2

ω转速(rev/s)

T扭矩(kNm)

u 钻进率(m/s)

上述等式的第一部分相当于施加推力时与之成比例的能量,而第二部分钻头转动所耗用的能量。

假如有人对每次转动使用比贯入率的概念,那么上述方程式为

Teale(1965)表明仅占总能量的百分之一,因而在实际使用目的时,可以忽略。

GeoControl在西班牙(2009-2010)Pontones隧道进行野外测试时,那时海瑞克单护盾TBM正在挖掘。上述方程式经过考验,那时挖掘的SEE计算出来了。还有如果是大直径钻掘,推力分力相当于正常情况之下总能量的百分之一。可是,如果TBM受困,这个分力可以达到能量的30%,这样的数字再也不能忽略。

相应地,TBM挖掘隧道时,它可以如此表示:

在这个等式中,第一个分力()表示推进TBM所耗用的比能量(正如表明的那样,大多数情况下,大约为总数的1%),而第二项()转动大刀盘(也就是实际上在岩体内发生挖掘)的比能量。

实验室测试

受压时岩石断裂过程的比能量也可以在实验室内从完整的应力-应变曲线中确定,这样的曲线来自岩石样本按照高刚度,在伺服控制压力机上所取得的;受压测试时比能量值EEC与沿应变轴线的曲线下方面积相重合,正如图2,下面所说明。

图2  使用单轴压缩条件下的全部应力-应变曲线来确定实验室岩石断裂比能量EEC

实验室/工地比较

现场挖掘的比能量比实验室测试的断裂比能量要大得多。从西班牙Pontones隧道TBM挖掘所取得数据可知,挖掘比能量SEE,根据各种岩石质量(RMR)数值,可以计算出来,就此获取结果说,当RMR<35, SEE 小于10MJ/m2  而当RMR>45时,SEE大于32 MJ/m2 。同时,在单轴向压力测试来自隧道岩石构造完整岩石样本时,使用了伺服控制机,EEC(实验室)的数值比野外SEE的数值要小10—20倍。这样的结果,似乎是矛盾的,无论如何,由于岩体包含着非连续性而岩石不是这样,这就说明,挖掘时要破碎岩体的比能量必须小于有必要断裂岩石所需的比能量。所取得这个结果的可能解释或许是受压时岩石断裂过程比TBM挖掘时更为有效。

SEE分析

为了控制一台TBM的工作,就有必要分析其主要分力的挖掘比能量。比能量分力,由于大刀盘(EEG)转动,在正常条件下,承担TBM挖掘时所使用能量的99%。事实上,它由三个项组成:EEG=EEGr + EEGf+EEGε

EEGr需要让TBM大刀盘压住工作面的比能量。在正常条件下,EEGr占上了总SEE的57—77%;较高值相当于所挖掘岩体的较高RMR等级。

EEGf用以转动大刀盘紧贴前已被TBM刀具留下切痕地层所耗用的比能量。在正常条件下,EEGf占总挖掘比能量SEE的31  ~41%。EEGr与此相反,EEGf较高数值相当于低得多的RMR等级。

EEε项必须是挖掘比能量的其余部分,这是涉及到大刀盘作用相关的的活动中所耗用的。这些组成大约总数的2%,因此可略而不计。

在TBM正常工作条件下,EEGr  EEGf 如所示的那样保持总能量各自的比例,可是当岩体条件明显变化变得更为困难,EEGr比例接近耗用总能量的77% ,在这个限值那时地层就不能够挖掘了,它将达到100%。

在相反的例子中,当岩体丧失强度并且隧道工作面变得不稳定,刀具难以变得有效率,那么那时,另一个分力EEGf达到总能量的100%。

为了评价和维持TBM有效工作,挖掘的效率指数IEE变得非常有用,并且可以在TBM运行实时计算出来,这是根据TBM推进之际记录下来的参数,而这些数据通常每隔10秒钟自动取得。这些,接着会受到合同限制的是推力(kN),扭矩(kNm),转速(转/分钟) 和推进率(m/s)。

根据野外测试所取得的经验和观察,挖掘有效性指数界定了下列TBM功能的范围:

-假如 IEE<0.25 TBM,由于其工作面不稳定性,面临停车的危险;

-假如025<IEE<1.75 TBM工作正常;

-假如IEE< 1.75 TBM在挖掘地层时,由于岩体高强度和磨耗性,会遇到极大困难。

取决于IEE是否低于或者高于1,EEGR 和EEGF 根据下式计算:

如果IEE≤1

  

如果IEE≥1

其中:

-EEG为根据Teale (1969)转动的总比能量

-EEGr为当推进大刀盘转动的比能量(MJ/m2

-EEGf为转动大刀盘时克服摩擦的比能量(MJ/m2

-Fc为刀具的推力(kN)

-系数根据Sanlo (Sanlo, 1985) 其中,p 是每转的贯入度,d刀具直径mm

-Kt为TBM类别的常数特性:其中,N刀具数,R 大刀盘半径m

-Ki为TBM挖掘过程的常数特性:其中,Fc=每刀具推力(kN)

-cec为刀具效率系数:

RMR与SEE的关系

TBM工作面岩体的RMR可以作为挖掘的比能量的函数来估算。

根据西班牙两条隧道Pontones隧道二期和Sorbas隧道隧道一期,还有智利的一条Los Broncos 隧道,如下图,图3所示,取得了下列关系式。

这数字可让人们估计TBM前方所挖地层RMR的数值,如使用下列关系式,其误差只在±5


r2:0,86  1<EEGr(MJ/m3)<40

TBM前方挖掘地层岩体质量RMR估算最为有用,因为可警告迫近的不利条件,并且假如有必要,允许选择可在TBM安装合适的岩体加强措施,就好像在敞开式TBM能做到的那样。

图3  TBM前方SEE和RMR的相互关系,来自三条隧道的270个数据值

注:图中英文为地名

实时条件

控制TBM推进的参数所提供的信息是TBM如何实时推进情况,从而运用这些重要数据当做优化TBM推进的指导。有一个相似的方法,虽然那时不那么精确,但在西班牙Guadarrama隧道施工时使用过(Tardaguilla & Suarez ,2005)。产自这个项目的结果,一种称为《能量参数自动控制TBM》(ACT)监控系统已经开发了。这个系统允许在实时记录下列参数:

图4  西班牙Sorbas 隧道TBM挖掘实时取得信息记录

注:图中为西班牙文

-RMR从EEGr计算所得;

-弹性性能指数ICE根据Bieniawski et al ,2011);

-推进TBM所需推力(kN)。

作为实例,上面图4显示了根据安装在TBM的ACT,Sorbas 隧道实时自动记录的数据。

该表绘图(图3)表示,EEGr 密切与RMR相关。因为两者可以在TBM运转时自动记录,并以效率指数IEF表达,指数有明显改变的话,可以提醒驾驶员岩体质量RMR有可能改变,从而警告存在不利条件。

结论

挖掘比能量的概念经过修订,并要进一步发展成能用于TBM,表示出其主要分力EEGr(转动的比能量)还有岩体质量(RMR)。

根据3年内西班牙3条隧道的野外测试,挖掘效率的指数已经引入。作为警告不利条件,实时指数一有任何重要的改变可以警告TBM驾驶员有关岩体质量有可能改变。

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