TBM使用年限對裝備工作性能和效率的影響

王明勝/WANG Ming-sheng（中鐵隧道集團有限公司，河南 洛陽 471000）

Shield Equipment & Project 盾構工程

TBM使用年限對裝備工作性能和效率的影響

王明勝/WANG Ming-sheng
（中鐵隧道集團有限公司，河南 洛陽 471000）

[摘 要]為準確預測TBM裝備可用性及經濟性，需進一步研究TBM使用年限對機械工作性能的影響，采用數據調研和統計方法，對同一臺TBM在中天山、秦嶺I線及磨溝嶺等隧道施工時的掘進參數、使用率、換刀率等關鍵參數進行分析，得出了相同圍巖條件下的TBM使用年限對其工作性能的影響規律，可為TBM裝備選型及效率預測提供參考。

[關鍵詞]TBM；使用年限；工作性能；效率

鑒于經濟性等因素，TBM一般會在多個隧道工程項目中使用，考慮綜合成本等因素，TBM設計單機掘進長度一般可達15～20km，因此只要TBM的主軸承在設計壽命期內就可以轉赴其它工程繼續使用。但是，同一臺TBM在其設計壽命期內，主軸承、刀盤及其它支撐機構會隨著時間和掘進長度的增長而不斷損耗，因而實際能提供的推力、扭矩會逐漸減小，工作性能下降。因此，合理的評價既有TBM機械的可能掘進效率是進行TBM選型和施工的重要依據。

本文所探討的中天山隧道使用的TBM曾在秦嶺Ⅰ線隧道、磨溝嶺隧道、桃花鋪1#隧道使用過，目前國內尚無其它類似TBM機械可進行類比，因此可對此TBM進行全壽命分析，將其壽命分為老、中、青3個時期，對不同時期的掘進速度等參數進行比較，為TBM不同使用時期的選型提供依據。其中秦嶺Ⅰ線隧道時該TBM屬于青年工作期，磨溝嶺隧道和桃花鋪隧道為中年工作期、中天山隧道為老年工作期，具體施工參數見表1所示。

1 中天山隧道TBM的主要技術參數

中天山隧道施工采用的TBM系20世紀90年代后期鐵道部從德國Wirth公司引進了2臺?=8.80m的TB880E型敞開式TBM，主要適用于硬巖隧道的掘進施工，屬開敞式硬巖TBM，對局部斷層破碎帶也有一定的通過能力。其主要技術參數如表2所示。

表1　 中天山隧道TBM使用情況

2 TBM使用年限對掘進參數的影響

掘進速度按每月純掘進時間和掘進長度來計算，比例為相應速度區間內掘進速度所占比例，對秦嶺隧道、磨溝嶺隧道、桃花鋪隧道對應相同圍巖級別的施工掘進參數進行了對比分析，對應的掘進速度統計見圖1～3所示。

對不同時期、不同圍巖級別下的TBM掘進參數進行對比分析，見表3所示。

圖1　 秦嶺隧道與中天山隧道Ⅱ級圍巖掘進速度對比

圖2　 秦嶺隧道與中天山隧道Ⅲ級圍巖掘進速度對比

圖3　 秦嶺隧道與中天山隧道Ⅳ級圍巖掘進速度對比

表2　 TB880E型敞開式TBM主要技術參數

表3　 各時期TBM掘進參數對比

通過以上分析可以看出，在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖條件下，隨著TBM機械的老化，到老年時期時，由于掘進機所能提供的推進壓力和推進扭矩減小，其掘進效率明顯降低。此間變化和圍巖級別之間也存在著一定的對應關系，具體表現為：①在Ⅱ級圍巖情況下，處于青年時期的掘進機在秦嶺隧道施工時提供的推進壓力明顯大于老年期時的中天山隧道施工，因此其掘進效率也明顯優于中天山隧道，青年掘進速度約為老年時期的1.5倍；②在Ⅲ級圍巖情況下，處于青年時期的掘進機在秦嶺隧道施工時提供的推進壓力和推進扭矩均大于老年時期的中天山隧道施工，因此其掘進效率也明顯優于中天山隧道，青年掘進速度約為老年時期的2倍；③在Ⅳ級圍巖情況下，在適應圍巖條件的同時處于中年時期的掘進機在磨溝嶺隧道、桃花鋪隧道施工時也提供了較老年時期的中天山隧道施工更大的推進壓力和推進扭矩，因此其掘進效率也明顯優于老年時期的中天山掘進施工，中年掘進速度約為老年時期的2.5倍；④在Ⅴ級圍巖情況下，地質圍巖條件復雜，掘進時的推進壓力和推進扭矩選取在兩個時期都較小，但由于老年時期機械自身故障增多，性能下降等，導致老年時期的掘進效率也低于中年時期，中年時期的掘進速度約為老年時期的3倍。

3 TBM使用年限對機械利用率的影響

通過對秦嶺隧道、中天山隧道施工月作業時間進行統計分析，TBM青老年時期機械利用率對比見表4所示。

表4　 各時期TBM機械利用率對比

通過機械利用率的對比可以看出，由于設備的老化，機械故障增多，刀具更換時間增加，維修保養耗時也在增長，而相應壓縮了地質變化、支護、施工組織管理等在停機時間中的比率，從而導致機械掘進作業時間比率在明顯減小，老年期月進尺不如青年期。具體表現為：①在Ⅱ級圍巖情況下，青年期（秦嶺Ⅰ線隧道）平均月進尺約為老年期（中天山隧道）的1.4倍；②在Ⅲ級圍巖情況下，青年期（秦嶺Ⅰ線隧道）的掘進機掘進作業時間比率約為老年期的1.2倍，從停機原因中，可以看到老年期由于設備故障耽誤了大量的時間，其所占比率約為青年期的2倍。但老年平均月進尺較高些，主要是因為中天山部分統計的Ⅲ級圍巖主要為變質砂巖段，較秦嶺的花崗巖段，巖石強度較低，更適合于掘進；③在Ⅳ級圍巖情況下，盡管由于秦嶺掘進到Ⅳ級圍巖時，機器維修占用了大量時間，但其性能仍優于老年期。

4 結論與總結

中天山隧道所用TBM曾在秦嶺Ⅰ線隧道使用過，通過對兩個時期TBM使用年限和掘進里程變化對掘進性能和速度的影響分析，得到了以下幾條用以指導TBM選型的體會：①對TBM機械的掘進效率來說，除了受到圍巖級別的影響，還因機械的使用年限而存在顯著差異；②隨著TBM機械的老化，到老年時期時，由于掘進機所能提供的推進壓力和推進扭矩減小，其掘進效率明顯降低；③設備使用年限增加后，設備老化，機械故障增多，刀具更換時間增加，維修保養耗時也在增長，而相應壓縮了地質變化、支護、施工組織管理等在停機時間中的比率，從而導致機械掘進作業時間比率在明顯減小老年期月進尺不如青年期。而老年期由于設備故障耽誤了時間所占比率約為青年期的2倍，成為掘進效率降低的主要原因。

由于國內目前尚無其它TBM類似工程使用經驗，因此本文得出的結論可在以后工程實踐中補充實例進行進一步的數據分析，亦可為類似TBM機械的使用、選型、經濟對比等提供參考。

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（編輯 張海霞）

［中圖分類號］TU67

［文獻標識碼］B

［文章編號］1001-1366（2015）02-0060-03

［收稿日期］2015-01-26

Infl uence of TBM age on mechanical performance and driving speed