【導(dǎo)讀】11to16MJ/m3,plasticlimitfrom15%to29%,liquidlimitfrom27%to43%and

　　

【正文】 率法，通過(guò)大尺寸切割試驗(yàn)獲得比能，通過(guò)下列方程 (Rostami 等 1994。 Rostami and Ozdemir, 1996提出 )求得能量從切割刀具傳遞到巖層的 轉(zhuǎn)換比例 OPTSEPkICR ? (4) 其中， ICR 是瞬時(shí)產(chǎn)率 ， P 是 挖掘 機(jī)械 的 切削功率 ，單位是 千瓦 。 SEOPT 是 最優(yōu)比能，單位是 kWh/m3 ,k 是能量傳遞系數(shù) ,取決于 具體采用的挖掘 機(jī)械 . Rostami 等 ( 1994 ) ,極力強(qiáng)調(diào)如果 比 能價(jià)值方程 是 在最佳條件下用現(xiàn)實(shí)中刀 具，在大尺寸線切削試驗(yàn) 得到的，那么， 預(yù)測(cè)值削減率是比較 重要 的 . Rostami 等 ( 1994 )指出 ,對(duì)于普通掘進(jìn)機(jī) k在 化，而對(duì)于 TBM型 掘進(jìn)機(jī) ,k在 到 中變化 . Bilgin 等 ( 2020 年 )在他們的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究 中證明 ,掘進(jìn) 機(jī)械 的性能在 一定程度 上受到泥土 和 過(guò)載載荷的影響 . Copur 等 ( 2020 )證 明在最佳切削條件 進(jìn)行大尺寸 切削試驗(yàn) 得到的比能與 巖石單軸抗壓強(qiáng)度和 Brazilian 抗拉強(qiáng)度密切相關(guān)。 隧道傾斜、涌水和 粘土 對(duì) 掘進(jìn) 性能的 影響 在上面 并 沒(méi)有明確討論。本文 研究論述 的 主要目的是有助于 復(fù)雜地質(zhì)條件下，掘進(jìn)機(jī)械 性能預(yù)測(cè)模型 的建立。下面我們舉 Hereke 隧道的例子來(lái)論述。 第一 個(gè) 50 米的 隧 道是 水平 的 ， 后 225 米是傾斜的，其中有 9 個(gè) 挖掘上山 .在其中的某些部分有大量的涌水和粘土。 隧道開(kāi)挖過(guò)程中， 伊斯坦布爾技術(shù)大學(xué)采礦工程系 進(jìn)行了 詳細(xì)的實(shí)地觀測(cè) ，對(duì) 采集 的 巖石樣品 進(jìn)行了 測(cè)試 ，獲得大量的地質(zhì)資料。 掘進(jìn) 機(jī)的 瞬時(shí)切割速度 用 一些地質(zhì)和巖土工程的因素 來(lái) 解釋 . 設(shè)備利用系數(shù)的 影響因素也 被 詳細(xì)解釋 . 2 .隧道工程 的 描述 Hereke 隧道 ,位于土耳其南部城市 Kocaeli（ 伊斯坦布爾旁邊 ），為了 Nuh 碼頭 and Nuh 水泥廠之間的 物質(zhì)的運(yùn)輸而建造。地面上 有鐵路 ,公路和高速公路 ，所以說(shuō) 隧道是避免交通混亂 的 最佳的選擇 。掘進(jìn)工程的 承辦 公司是 STFA Co. 隧道 包括 水平段 50 米 , 和 225 米斜井段 (包括 9 個(gè)上山段 )。 挖掘過(guò)程進(jìn)行了橫向直落通過(guò)沉積地層包括干 路段 ( 0~50 里 ) 和 濕路段 (里程 50150 里 ) . 挖掘工作是由一臺(tái) 90kW 的 HerrenknechtSM1 掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行的，開(kāi)挖直徑是 米 。有兩條管道將被鋪設(shè)，其中一條是用來(lái)將水泥從工廠運(yùn)往碼頭，而另一條是將煤等從碼頭運(yùn)到工廠。 3 .工程現(xiàn)場(chǎng) 的 地質(zhì) 條件 Hereke 隧道穿過(guò)上白堊紀(jì)時(shí)代 形成的地層 . 隧道所通過(guò)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)是 結(jié)節(jié)泥灰?guī)r ,厚薄 不一的 層狀泥質(zhì)灰?guī)r ,碳酸泥巖 和很 薄 的 疊層石灰?guī)r 。某些層面的含水層的石灰?guī)r出現(xiàn)裂隙，造成海水侵入，根據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的不同，隧道大體可以分成六段，如圖 1 所示。 4 . 機(jī)械 的 施工方法 為了減少對(duì)地面 鐵路 高速公路和公路 的影響，工程選擇了機(jī)械開(kāi)挖方法。根據(jù)對(duì)收集到的工程地點(diǎn)的地質(zhì)信息的分析，雙臂的掘進(jìn)機(jī)被認(rèn)為是最合適的。 通風(fēng) 是 用柔性的管道和兩個(gè) 鼓風(fēng)機(jī)來(lái)完成的 . 負(fù)壓 風(fēng)機(jī) 被安放在前排的掘進(jìn)機(jī) 工作面上 .另一個(gè) 風(fēng) 機(jī) 被安 排 掘進(jìn)機(jī)馬達(dá) 處 . 采掘下的巖土 通過(guò)鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)和輸送機(jī)尾部的 轉(zhuǎn)運(yùn)裝置 傾倒 到 容量 4m3 的礦 車 中 ,平均 裝運(yùn)時(shí)間 為 57 分鐘 , 在斜井段 ，礦車由絞車來(lái)牽引 , 平均牽引速度為 11 米 /分鐘 . 采掘下的巖土被運(yùn)到地面以后，通過(guò)皮帶輸送機(jī)被運(yùn)到 Nuh 水泥廠，作為制造水泥的原材料被利用。 工人們工作兩班導(dǎo)，每天工作 12 小時(shí) , 每周工作 7 天 . 每個(gè)班，在掘進(jìn)工作面上的工人至少有 7 個(gè)人。 在 Hereke 凱隧道 工程中，選用的是 Herrenknecht SM1 雙 臂掘 進(jìn)機(jī) ，如圖 2所示 . 5 . 巖土性質(zhì)的巖層樣品 采集由本文作者從六個(gè)區(qū)遭遇 對(duì)隧道路線 (圖 1 )進(jìn)行測(cè)試的實(shí)驗(yàn)室中醫(yī)學(xué)院地雷的伊斯坦布爾技術(shù) 大學(xué) . 這些試驗(yàn)包括化學(xué)分析 ,單軸抗壓強(qiáng)度 ,巴西拉伸強(qiáng)度 ,吸水率 ,塑限 , 液體的限制和具體的能源 (核心切割 )的考驗(yàn) . 為了更好的 了解 掘進(jìn)機(jī)的 切削行為 ，分別對(duì) 6 個(gè)不同區(qū)域的巖石進(jìn)行了抽樣化驗(yàn)?；瘜W(xué)分析的結(jié)果列于表 1 中。 在標(biāo)準(zhǔn)巖樣（ 直徑為 33 毫米 ,長(zhǎng)度與直徑 之 比 為 2）上進(jìn)行了 單軸抗壓強(qiáng)度的 測(cè)試 ，應(yīng)力限制在 – MPa/s 的范圍內(nèi)。 Brazilian 抗拉強(qiáng)度試驗(yàn) 是在另一種標(biāo)準(zhǔn)巖樣（ 直徑為 33 毫米 ,長(zhǎng)度與直徑之 比 為 1）上進(jìn)行的。 連續(xù)拉伸負(fù)荷保持在恒定速率 上 . 吸水率 ,塑液限的試驗(yàn) 是 根據(jù)相關(guān)的 ASTM 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行 的 . 使用特定的切割儀器對(duì) 76 毫米直徑的 樣品進(jìn)行測(cè)試，在中 心 處鉆一個(gè) 深度為 5 毫米 的孔，其使用的刀具是以含 鈷 8%的 碳化鎢 制成的， 鎊的名義晶粒尺寸 。刀具的 耙角度 為 5? ， 刀具寬度為 毫米 . 地質(zhì)信息測(cè)試的 結(jié)果列于表 2 . 6 . 掘進(jìn)機(jī)的性能分析 Hereke 隧道 工程花了 2 個(gè)月的時(shí)間， 平均每日推進(jìn) 米 。 本文作者 記錄了此期間 的 相關(guān)數(shù)據(jù) ,包括機(jī)器性能和巖土參數(shù) 等。掘進(jìn)機(jī)的性能數(shù)據(jù)被連續(xù)記錄，包括瞬時(shí)切割速度 , 機(jī)器使用和停工時(shí)間 。 瞬時(shí)削減 速 率 ( ICR ) ,是指的是 掘進(jìn)機(jī)的 產(chǎn)率實(shí)際切削時(shí)間 。 機(jī)器使用時(shí)間 系數(shù) (MUT)是 總工作時(shí)間 中 凈開(kāi)挖時(shí)間所占的百分比 ( % ), 刨除所有的停機(jī)時(shí)間 . 推進(jìn)率 ( AR ) ,是隧道的 直線推進(jìn)速度 (米 /移 ,米 /天 , 米 /一周米 /月 ) ,是 ICR、 MUT 和掘進(jìn)工作面 的 斷面 面積 的函數(shù) . 對(duì)于涌 水和隧道 通過(guò)的 地質(zhì)斷 層，作者也 進(jìn)行了記錄 . 不同隧道區(qū) 中， 瞬時(shí)切割速度 ,涌水量，斷面的 RQD 值 ， 機(jī)器利用時(shí)間值 的記錄被編輯在表 3 中。 7 總結(jié) 傾 斜 巖層 的影響 利用實(shí)驗(yàn)室核心切削試驗(yàn) 測(cè)得的 切割比能耗 來(lái)表示水平行進(jìn)中的 掘進(jìn)機(jī) 的切割速度 (McFeatSmith and Fowell, 1979)。 從表 2 中 可以知道，運(yùn)用McFeatSmith and Fowell 模型 ，在 8 solid bank m3 /小時(shí)的切割速度下，中型掘進(jìn)機(jī)水平掘進(jìn)， 1 號(hào)區(qū)抽取 的 結(jié)節(jié)泥灰?guī)r 的比 能值 是 11 MJ/m3 。 然而 ，根 據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察 ， 地層的傾斜 有利于切削運(yùn)動(dòng)，在隧道中泥土很易涌出。 1 區(qū) 的 瞬時(shí)切割速度 是 10 solid bank m3 /小時(shí)。 . 隧道傾角 的 影響 同 1 區(qū) 相比， 五區(qū) 的巖石 具有相同抗壓強(qiáng)度和 比 能值 ，但 瞬時(shí)切割速度 卻 超過(guò) 了一區(qū)的兩 倍 ， 為 25 solid bank m3 /小時(shí) 。因?yàn)?隧道的傾斜 ，在重力的作用下，切削面上，粘土脫落更加容易。 . 巖石強(qiáng)度和 比 能值 的 影響 五區(qū) 的 抽 樣有 210 kg/cm2 的 抗壓強(qiáng)度 ， MJ/m3 的比 能 ，采 自 6 區(qū) 的 樣本有 450 kg/cm2 的 抗壓強(qiáng)度和 MJ/m3 的比 能 。這些因素反映在 瞬時(shí)切割速度 上則有如下不同， 在五區(qū) ， 瞬時(shí)切割速度值為 25 solid bank m3 /小時(shí) ； 在 六區(qū) ， 瞬時(shí)切割速度值為 20 solid bank m3 /小時(shí) 。 涌 水的影響 涌 水 對(duì) 瞬時(shí)切割速度 的 影響 是巨大的。 2 區(qū)的涌水量是 11 升 /分鐘 ，而 5 區(qū)卻是干燥的， 兩個(gè)區(qū) 的巖石 抽樣有相同的抗壓強(qiáng)度 ， 然而 , 2 區(qū)的 瞬時(shí)切割速度（ 50 solid bank m3 /小時(shí) ）卻是 5 區(qū)的（ 25 solid bank m3 /小時(shí) ） 2 倍。 這可能是 因?yàn)?水 將 降低 巖層的硬度，從而使得切削面上的巖石更容易脫落。 濕粘帶 的 影響 3 區(qū) 的涌 水 量也是 11 升 /分鐘 . 3 區(qū) 的 樣本 同 2 區(qū) 的也 有相同的強(qiáng)度 . 然而 , 根 據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察 ,3 區(qū) 的巖層更粘，會(huì)發(fā)生粘刀的 現(xiàn)象， 因此 ,造成 瞬時(shí)切割速度 的巨大差異 ,2 區(qū)的 50 solid bank m 3 /小時(shí)和 3 區(qū)的 20 solid bank m 3 /小時(shí) . 取自 3區(qū) 的 樣本有 32OAl 含量 % ,吸水率 % , 塑 性極 限為 29% ,液限為 43% . XRD 分析表明 , 3 區(qū) 的 粘土 是由綠脫石 和高嶺石 組成的 . 圖 4 表示，新型的 切割刀具和粘在刀具上的濕粘土。 2 區(qū)和 4 個(gè)有 相近 的巖土性質(zhì) , 雖然 ,在四區(qū) 涌 水 量 是 升 /分鐘 ，只有 四區(qū) 涌 水 量的 三分之一 . 它在 瞬時(shí)切割速度值 上的影響是巨大的 , 4 區(qū)的 瞬時(shí)切割速度 （ 31 solid bank m3 /小時(shí) ）卻是 2 區(qū)的（ 50 solid bank m3 /小時(shí) ） . 地質(zhì)層狀的影響 地質(zhì)層狀對(duì) 瞬時(shí)切割速度 是有 影響 的 . 2 區(qū) 的 薄層灰?guī)r層 的 厚度 在 2至 的范圍內(nèi)變化 . 二區(qū) 的 瞬時(shí)切割速度達(dá)到平均 速度 50 solid bank m3 /小時(shí) ， 這是 整個(gè)工程中的 最高的 速 率 ， 如表 3 所示 。 在另一方面 , 地層 的 化學(xué)組成 同樣 影響 著 瞬時(shí)切割速度 。 以及 . 雖然 2 區(qū) 的 薄疊層石灰?guī)r 和 5 區(qū) 的 薄膜疊層 綠脫石 有 相 似的 厚度，但 5 區(qū) 的 瞬時(shí)切割速度 是 較低 的 , 25 solid bank m3 /小時(shí) ， 這可能要?dú)w因于 綠脫石 ,或 干燥 的環(huán)境 . 六區(qū) 的 層狀泥質(zhì)灰?guī)r 的 厚度大于 60 厘米 . 因此 ,根據(jù)以往的研究 (Bilgin 等 . 1988 年 , 1990 年 , 1996 年 , 1997 年 ) 可以斷定 , 迭片結(jié)構(gòu)并 不 能增 加瞬時(shí)切割速度 . 大家都知道 ,只有 裂隙間距小于 10 厘米 的巖層才能增加 瞬時(shí)切割速度 . 整個(gè)工程中， 聯(lián)合型斷面的影響 也 同樣 存在 . 因?yàn)樵?6 個(gè)區(qū)中的 RQD 值是 相似 的（如 表 3 所示），所以 接縫 對(duì) 掘進(jìn) 性能的影響是無(wú)法 推斷 的 . 掘進(jìn)機(jī) 利用時(shí)間 的 影響 機(jī)器使用時(shí)間 與 瞬時(shí)切割速度 同等 重要 , 由于每天 的效 率 與 機(jī)器使用時(shí)間 ,每日工作時(shí)間 , 隧道斷面和瞬時(shí)切削率 等因素直接 相關(guān) 。 在水平段的隧道 ( 1 區(qū) )， 機(jī) 器的 時(shí)間利用率是 38% 。 在 1 區(qū) ， 隧道開(kāi)挖 和其他工作是 同時(shí) 進(jìn)行的 . 但是 ,由于 隧道的傾 斜等造成的艱苦條件，在 3 、 5 區(qū)， 機(jī)器利用時(shí)間降低到 8%， 隧道開(kāi)挖與 其他工作 是分開(kāi) 進(jìn)行的，比如 在斜井段的隧道 進(jìn)行的 安全 措施， 從而降低了設(shè)備的利用率 。 換句話說(shuō) ，進(jìn)行其他工作時(shí)，掘進(jìn)機(jī)要停機(jī)等待。而在干燥的斜井掘進(jìn)中，清理工作要占用 13%的時(shí)間，而在潮濕的斜井掘進(jìn)中，要占用 20%的時(shí)間。 除了 清理工作造成的 停工 ， 另一些來(lái)自傾 斜隧道 干濕區(qū) 的工作組織安排等方面。 總時(shí)間 的 913 %花費(fèi)在 了 等待材料 . 在多粘土區(qū)， 切削 刀具 因粘 土的影響 ,導(dǎo)致延誤了 5%的時(shí)間 . 在整個(gè) 工程中， 約 1517%的總工作時(shí)間是用在 了 機(jī)械故障維修 . 8 . 結(jié)論 瞬時(shí)切削 速 率機(jī)床和 機(jī)器工作 時(shí)間 的 預(yù)測(cè) ,決定 著 每天 的進(jìn)度，在整個(gè)工程的時(shí)間安排上 發(fā)揮 著重要的 作用 ， 因此 , 也決定了整個(gè)工程的經(jīng)濟(jì)性。 大多數(shù)的性能預(yù)測(cè)模型 是針對(duì)水平 隧道 的。在這些模型中， 巖層傾角 ,管道傾角 , 涌水 和粘土對(duì) 掘進(jìn)性能的影響并沒(méi)有反映出來(lái)。 Hereke 隧道開(kāi)挖 期間 詳細(xì)的實(shí)地調(diào)查表明地層和隧道的傾角 , 滲水現(xiàn)象在一定程度上增加了瞬時(shí)切割速度 ， 相對(duì)于 水平 隧道 的開(kāi)挖，增加 25 倍 . 機(jī)器使用時(shí)間是 決 定每天的 工作量得 很重要的參數(shù) ，受隧道傾角的影響很大。 在Hereke 隧道 工程中， 在 傾 斜隧道開(kāi)挖 時(shí)， 安全 因素對(duì) 機(jī)器使用時(shí)間 的影響也很巨大 .