隧洞高磨蚀性硬岩地段 TBM 法施工刀具消耗分析
2020-4-13 来源： 陕西引汉济渭工程建设有限公司 作者：李金霖
摘要： 随着国内地下长大隧道施工数量不断增加,TBM 硬岩掘进机在长大隧道的施工技术逐渐成熟，不同地质情况下刀具消耗数量差别极大，如何在高磨蚀地段合理预测刀具消耗数量，成为 TBM 施工招投标阶段及施工过程中刀具成本预测的难题，以引汉济渭工程秦岭隧洞 TBM 段岭南工程为依托，根据前 5000m掘进段工程的围岩强度、石英含量与现场刀具实际消耗情况，实践研究岩石强度、石英含量与刀具消耗之间的关系，为 TBM 在类似地质情况下刀具消耗数量的准确预测、工程投资、施工成本控制、现场施工进度和设备管理提供较好的参考依据。
关键词： 强度；石英；TBM；刀具;消耗；系数；预测
0 引言
引汉济渭工程秦岭隧洞 TBM 施工段岭南工程自 TBM 掘进以来，受岩石石英含量高、围岩强度高、围岩完整性好等不良地质条件的影响，造成掘进过程中刀具消耗数量极高，换刀数量极大，经常出现停机等待更换刀具的现象，既增加了刀具更换数量和维修的人员，又影响了正常掘进时间，由于前期未能准确预测到围岩强度及石英含量超高问题，导致了高磨蚀性硬岩地段 TBM 法施工刀具消耗数量增加、相关工序时间延长及施工成本增加的问题，为了更准确的预测类似工程延米刀具消耗数量，为后期施工成本控制及进度控制提供参考，现根据已经掘进完成的 5000 m 刀具消耗情况，综合分析、预测不同围岩强度、石英含量情况下刀具消耗数量情况。
1、 工程概况
1.1 工程总体情况
引汉济渭工程是由汉江向渭河关中地区调水的省内南水北调骨干工程，工程主要由黄金峡水库枢纽、黄金峡水源泵站、黄金峡至三河口输水工程、三河口水库和秦岭输水隧洞等五部分组成，秦岭输水隧洞进水口位于三河口水库坝后汇流池，出口位于渭河一级支流黑河金盆水库右侧支沟黄池沟内，工程任务是将汉江流域调出水量自流送入渭河流域关中地区，隧洞为无压洞，全长 81.78 km，设计流量 70 m3/s，多年平均输水量 15.05亿 m3，纵坡 1/2500，钻爆法施工横断面为马蹄形，断面尺寸 7.0 m×7.0 m，TBM 法施工断面为圆型，断面直径 7.16 m/8.02 m。
1.2 岭南 TBM 标段概况
本标段为引汉济渭工程秦岭隧洞 TBM 施工段岭南工程，采用一台罗宾斯公司制造的 Φ8.02 m 全新敞开式硬岩掘进机施工，标段范围包括：修建主洞工程 18275 m（K28+085～K46+360）。由 TBM 后配套组装洞（100 m）、TBM 主机组装洞（80m）、TBM步进洞 （200 m）、TBM 始发洞 （25 m）、TBM 第一掘进施工段（8310m）、TBM 检修洞（60m）、检修洞下游方向步进洞 240 m、4# 支洞主洞上下游钻爆接应 TBM 段各 1500 m 和 TBM 第二掘进施工段（6260 m）组成。修建辅助施工支洞 4 号支洞，斜距5820.21 m，平距 5784 m，最大坡度 -11.96% , 综合坡度 -10.79%，断面为城门洞型，成洞尺寸为 6.70 m×6.50 m。4 号支洞采用无轨斜井施工，主要解决 TBM 长距离施工通风、出渣及 TBM 第二阶段施工组织的问题，TBM 标段平面布置图见图 1。
图 1 标段平面布置图
1.3 工程地质
TBM 已掘进段以石英岩、花岗岩为主，围岩强度高、完整性好、围岩石英含量高、耐磨值大，围岩抗压强度为109 MPa～267 MPa，平均 163 MPa，耐磨值 4.65～5.71，平均耐磨值 5.26，石英含量为 43.6%～92.6%，平均石英含量 69.4%，完整性系数平均为 0.8 以上。
2 、TBM 已掘进段刀具消耗
2.1 滚刀消耗
TBM 在已掘进的前 5000 m 段中，共计更换单刃滚刀 3532把，正常磨损更换 3060 把，占比 86.64%，非正常损坏更换 472把（岩爆及围岩破碎地段），占比 13.36%，单刃滚刀磨损情况见
图 2。
图 2 刀具正常磨损
2.2 中心刀消耗
在已掘进的 5000 m 中，共计更换双刃中心刀 95 把，正常更换 74 把，占比 77.9%，非正常损坏更换 21 把，占比 22.1%，具体消耗情况见图 5 刀具正常磨损；非正常损坏换刀主要原因一方面是由于围岩强度硬，导致中心刀刀座的接触面位置频繁磨损，螺栓易松动，刀具承受不均衡力而损坏,另一方面为岩石坍塌掉块砸坏刀圈而崩刃，卡滞刀具导致无法转动而偏磨，中心刀异常磨损情况见图 3。
图 3 中心刀正常磨损情况
3 、刀具消耗分析
3.1 刀具消耗分析
影响刀具消耗的因素有围岩单轴抗压强度、石英含量、围岩完整性系数，其中，围岩单轴抗压强度与石英含量是影响刀具消耗的主要因素，通过对 TBM 施工段前 5000 m 的围岩取芯试验及刀具消耗情况的统计, 对施工岩石石英含量数据与滚刀消耗数量生成折线图，可以看出岩石石英含量与刀具消耗数量存在正比例关系如图 4，K29+160～K29+250 段和K29+963～K30+100 段掌子面围岩破碎大块石头砸坏刀具，导致刀具异常磨损严重，K32+110～K32+210 段存在石英含量低、刀具消耗量高的情况，原因是本段施工过程中停机检修刀盘，在检修刀盘时全部刀具都进行了更换，造成刀具消耗数量大，去掉本段特殊情况的刀具消耗数据，调整后的折线图如图 5。
图 4 施工桩号 - 石英含量、刀具消耗图
图 5 施工桩号 - 石英含量、刀具消耗图（修正后）
图 6 施工桩号 - 围岩强度、石英含量、刀具消耗图
通过图 5 可以很直观的看出岩石石英含量与刀具消耗数量存在正比例关系，折线图基本完全起伏相似，由很强度的线性规律，刀具的厂家和刀具的材料型号只会影响波峰[1]的高低，然后我们再将围岩强度、石英含量和刀具消耗数量合并在一个图上分析，从图 6 可以看出，TBM 掘进前 5000 m 围岩平均单轴干燥抗压强度约为 163 MPa，平均石英含量约为 69.4%，平均刀具延米消耗量[2]为 0.73 把/m。在分析之前，需要将数据进行筛选，去掉偏离实际较大的数据，如：围岩强度低、石英含量低但刀具消耗量又较大的数据。
数据筛选原则：假设标准基数 W=PS/CP 为围岩单轴抗压强度；S 为围岩石英含量；T 为刀具延米消耗量计算每组数据的基数 Wn=PnSn/Cn然后计算数据偏离值 Wx=W-Wn，并取绝对值，去掉偏差值过大的数据。数据筛选后重新绘制施工桩号—围岩强度、石英含量、刀具延米消耗折线图见如图 7。
图 7 数据筛选后的施工桩号 - 围岩强度、石英含量、刀具延米消耗折线图
从图 7 可以看出，围岩强度越高，围岩石英含量越高，刀具消耗量越大，但刀具消耗量是受围岩抗压强度与石英含量叠加影响的，为便于分析，可以在固定单一因素的情况来分析另一因素对刀具消耗的影响，从而分别得出围岩抗压强度与石英含量对刀具消耗量的影响程度[3]。实际施工中不同区段围岩强度及不同区段石英含量条件下刀具消耗情况见表 1。从表 1 可以看出，个别数据并不遵从刀具消耗随石英与围岩强度变化的规律 [4]，因此需要进一步分析其变化规律。
3.2 围岩单轴抗压强度对刀具消耗的影响
在石英含量 70%左右的情况下，绘制围岩强度—刀具消耗曲线如图 8。
图 8 围岩强度 - 刀具消耗曲线图
表 1 不同围岩强度不同石英含量下刀具消耗情况
3.3 围岩石英含量对刀具消耗的影响
在围岩强度 150 MPa 左右的情况下，绘制石英含量—刀具消耗曲线如图 9。
图 9 石英含量 - 刀具消耗曲线图
从图 8、图 9 可以看出，围岩强度—刀具消耗以及石英含量—刀具消耗类似于线性关系，据此进行不同区段围岩强度及不同区段石英含量条件下刀具消耗数据修正见表 2。
4 、结论
在相同的地质条件下，不同类型的刀具消耗数量是有差别的，以石英含量在 45%～55%、围岩强度在 75 MPa～100 MPa 消耗刀具 0.34 把/m 为基数，将表 3 中所有延米刀具消耗量除以0.34 再乘以 a（a 为其他 TBM 工程围岩在石英含量 45%～55%、围岩强度 75MPa～100 MPa 之间实际的延米刀具消耗数量），根据表 3 可推算出该工程的刀具消耗量。
表 2 修订后不同围岩强度不同石英含量下刀具消耗情况
表 3 不同围岩强度不同石英含量下刀具消耗系数表
通过引汉济渭岭南 TBM 段前 5000 m 不同刀位累计磨损量的统计，确定了不同围岩强度不同石英含量下刀具消耗系数，用于类似地质的 TBM 施工法隧道刀具预测，由于影响刀具消耗的因素有地质原因包括围岩完整性、特殊地质（岩爆、塌方）[5]，有人为原因包括刀具的安装质量及日常检查维修方法，都会影响刀具的日常异常消耗，对于本论文的刀具预测方法数据还仅限于引汉济渭工程秦岭隧洞 TBM 施工段岭南工程，而在不同地层下 TBM 施工的刀盘等核心部件的适用性[6]以及刀具适用类型也不尽相同，因此本文中对刀具消耗预测具有一定的局限性，但由于综合了围岩强度与石英含量两项主要影响因素，具有也有一定的参考性，希望后期不断总结完善。
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