尼泊爾巴瑞巴貝引水隧道工程項目TBM刀具選型

胡天然

（中鐵二局工程有限公司城通分公司，四川 成都 610306）

1 概述

全斷面巖石隧道掘進機（Tunnel Boring Machine），簡稱TBM，因其掘進速度快，地質適宜性強，能夠同時實現開挖掘進和襯砌管片拼裝的平行交叉作業等而逐漸被長大隧道推廣運用。但是，在TBM施工過程中，TBM刀具的不正確配置會在一定程度上增加工程項目成本，甚至還會導致工期延誤，特別是在地質復雜和地勘粗略的長大山嶺隧道中，這種情況尤為突出。國內外刀具種類眾多，質量參差不齊，選擇刀具至關重要。

2 工程概況

2.1 工程簡介

尼泊爾巴瑞巴貝引水隧道工程項目工程引水隧道為單線隧道，線路全長12.2 km，采用TBM工法施工。成型隧道過水斷面4.2 m，建成后，可灌溉尼泊爾中西部與遠西部交界處的巴迪亞和班克地區51 000 hm2的農田，解決該區域極度缺水的問題。同時，還可利用約152 m的水位差異建造發電站，為尼泊爾提供48 MW的電力支持。

2.2 地質和水文情況

該工程地質位于亞喜馬拉雅，由中新世中期至更新世早期的河流沉積組成，分為西瓦利克下段、西瓦利克中段和西瓦利克上段（Auden，1935）。隧道與區域巖體分層線基本垂直，沿線貫穿西瓦利克上中下地層，主要由泥巖、砂巖、礫巖組成，總體屬軟巖地層，最高強度為55.38 MPa，砂巖地層石英含量豐富。工程區地下水補給來源主要為大氣降水，地下水分為孔隙潛水和基巖裂隙潛水。

3 TBM刀具選型要素

3.1 刀具選型依據

刀具選型依據主要有以下幾點：①需與地質特性充分匹配，對于長距離軟巖地層，要保證切削效率；②對于全風化軟土地層（尤其是泥巖），需具備良好的適應性，防止黏刀、偏磨、刀盤扭矩過大；③對于石英含量高的砂巖地層，需具備較高的耐磨性；④對于長隧道，除了刀圈匹配性外，對刀具軸承、刀轂、密封適應性的要求同樣很高；⑤按照軟巖的特性，刀具硬度不是主控指標，綜合性能至關重要，但仍需充分考慮在可能出現的極端地層條件下的匹配性。

3.2 刀具選型方案

由于尼泊爾的地域特殊性和TBM工況特性，刀具針對性選擇主要包含3個方面的內容：①市場調查。初選一批有自主研發、設計、制造能力，并具同類業績的供應商。②國內試驗。邀請合格供應商參與試驗，提供樣品和性能參數，同時，在國內進行關鍵指標的物理性能試驗，選擇備選供應商。③試掘進試驗。將備選供應商的樣品刀具送至施工現場，通過500 m試掘進階段進行實際性能測評，優中選優確定滿足項目TBM掘進條件、技術服務優質的作為備選供應商，然后再進行招標和價格比選。

3.3 市場調查

在國內外50余家供應商中，通過對其資質、自主研發能力、業績、刀具性能和技術服務等的考察，選擇8家參與刀具選型和國內試驗。

3.4 國內試驗

刀圈作為滾刀最核心的部件，為了簡化評定流程，重點進行刀圈物理力學性質解剖分析。供應商各提供2把17寸的單刃滾刀樣品，隨機取1把用于解剖取樣檢測，另1把封存于現場，防止在試驗階段質量達標、入圍后供應質量不達標的情況發生。同時，委托國內專業的試驗室對試驗刀具進行切割取樣和物理試驗。

3.4.1 取樣

在平行于刀圈直徑方向用線切割取寬度為55 mm的樣塊，在樣塊上沿平行圓周切線方向取5個10.2 mm×10.2 mm標準試樣毛坯作為一組，并按照國標GB/T299—2007的要求，磨削4個V形口或U形口作為試驗樣品。樣品編號為：前1位數為供應商編號，后1位數為樣品順序號，比如“1-1”為1#供應商1號樣品。

3.4.2 室內試驗

試驗檢測指標包括：基本硬度值，沖擊韌度值，金相圖，晶粒度評定。室內試驗指標及標準如表1所示。

表1 室內試驗指標及標準一覽表

圖1 國內試驗——洛氏硬度曲線圖

圖2 國內試驗——沖擊韌性曲線圖

表2 國內試驗——晶粒度表

3.4.3 試驗結果

洛氏硬度如圖1所示。國內沖擊韌性試驗曲線如圖2所示。金相組織的相關內容如表2和圖3所示。通過對刀具洛氏硬度、沖擊韌性、金相組織的對比，發現綜合性能比較好的是6#、2#、8#和4#刀具供應商，所以，將它們作為第三階段現場測試的備選供應商，相關排名如表3所示。

3.5 現場試驗

3.5.1 現場測試方案

刀盤開挖直徑5.06 m，共33把刀，平均刀間距83 mm，刀盤最大轉速為11.4 r/min。由于邊刀磨耗速率大于面刀，為了快速測試刀具的各項性能指標，從4個廠家中各隨機抽取1把試驗刀與30#、31#、32#、33#號刀座的原裝刀具更換。刀座信息如表4所示。

圖3 國內試驗——晶粒度曲線圖

表3 國內試驗——綜合排名前四清單

表4 TBM刀盤部分刀座信息表

現場測試時，當設備掘進至70 m時，掌子面出現砂泥巖互層，具備現場測試刀具的條件，并再掘進150 m后，再進行兩兩二次互換，然后繼續掘進150 m。每日測量刀具的崩刃、偏磨、漏油、溫度和磨耗程度。刀具安裝位置如表5、圖4所示。

表5 現場試驗刀具安裝計劃表

圖4 前150 m試驗刀具安裝位置圖

圖5 現場試驗刀具溫度曲線圖

圖6 現場試驗刀刀圈磨耗曲線圖

表6 現場試驗階段刀具供應商排名表

3.5.2 測試階段掘進參數

在55～500 m范圍內均屬于砂泥巖互層，局部含有礫巖和砂巖夾層，整體地質穩定，TBM掘進參數正常，所以，可排除地層和掘進參數的差異對現場刀具測試的影響。

3.5.3 刀具測試結果

在刀具現場試驗期間，試驗刀具均不存在崩刃、偏磨、漏油等質量問題，這主要是因為溫度和刀圈磨耗不同。

3.5.3.1 溫度測試

現場試驗刀具溫度變化曲線如圖5所示。觀察刀具溫度測試記錄發現，試驗刀具的溫度在測量時基本一致，未出現個別刀具與其他刀具溫差比較大的情況，測溫曲線正常。

3.5.3.2 磨耗測試

2017-11-13—2017-11-22為前150 m測試時間，2017-11-23—2017-12-03為后150 m測試時間，磨損曲線如圖6所示。由刀圈磨耗曲線可知，在2017-11-22前，即掘進長度為142 m前，4家供應商的刀具磨耗完全一致，2017-11-23刀具位置互換后，2#供應商的刀具磨耗明顯增大，4#和8#供應商基本一致，6#供應商的刀具磨耗最小。另一方面，2#試驗刀具為厚刃口刀圈，其余3家為標準刃口刀圈，具體排名如表6所示。

3.6 測試結論

結合市場調查、國內試驗和現場測試的情況，可以明確最適合該工程項目的TBM刀具，并結合報價和現場服務情況，為刀具招標提供技術資料。供應商綜合排名依次為6#、8#、4#、2#。

4 結束語

由于TBM高度機械化和自動化，被廣泛用于隧道施工。同時，因為地質的復雜性和粗略性，TBM刀具的合理配置將直接影響項目成本和掘進效率，特別是在不可預見的不良地層條件下，更要減少換刀、清刀的時間，降低施工風險。國內外TBM刀具供應商數量眾多，發展不一，各個供應商研究的方向和發展市場也不一樣，如果不能選擇最適合工程項目的刀具，就會導致施工成本高、工期長，影響刀盤結構，甚至引發工程事故。所以，TBM刀具的選型極為重要，首先需充分考慮刀具物理性能與地質的一致性，根據地質情況選擇合理的刀具，不要一味地追求高硬度、高韌性；其次需綜合考慮經濟分析；最后應根據實際推進情況，不斷優化刀具選型，使之更加匹配工程項目的實際情況。

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