隧洞高磨蝕性硬巖地段TBM法施工刀具消耗分析

李金霖

（陜西引漢濟渭工程建設有限公司，陜西 西安 710010）

0 引言

引漢濟渭工程秦嶺隧洞TBM施工段嶺南工程自TBM掘進以來，受巖石石英含量高、圍巖強度高、圍巖完整性好等不良地質條件的影響，造成掘進過程中刀具消耗數量極高，換刀數量極大，經常出現停機等待更換刀具的現象，既增加了刀具更換數量和維修的人員，又影響了正常掘進時間，由于前期未能準確預測到圍巖強度及石英含量超高問題，導致了高磨蝕性硬巖地段TBM法施工刀具消耗數量增加、相關工序時間延長及施工成本增加的問題，為了更準確的預測類似工程延米刀具消耗數量，為后期施工成本控制及進度控制提供參考，現根據已經掘進完成的5000 m刀具消耗情況，綜合分析、預測不同圍巖強度、石英含量情況下刀具消耗數量情況。

1 工程概況

1.1 工程總體情況

引漢濟渭工程是由漢江向渭河關中地區調水的省內南水北調骨干工程，工程主要由黃金峽水庫樞紐、黃金峽水源泵站、黃金峽至三河口輸水工程、三河口水庫和秦嶺輸水隧洞等五部分組成，秦嶺輸水隧洞進水口位于三河口水庫壩后匯流池，出口位于渭河一級支流黑河金盆水庫右側支溝黃池溝內，工程任務是將漢江流域調出水量自流送入渭河流域關中地區，隧洞為無壓洞，全長81.78 km，設計流量70 m3/s，多年平均輸水量15.05億m3，縱坡1/2500，鉆爆法施工橫斷面為馬蹄形，斷面尺寸7.0 m×7.0 m，TBM法施工斷面為圓型，斷面直徑7.16 m/8.02 m。

1.2 嶺南TBM標段概況

本標段為引漢濟渭工程秦嶺隧洞TBM施工段嶺南工程，采用一臺羅賓斯公司制造的Φ8.02 m全新敞開式硬巖掘進機施工，標段范圍包括：修建主洞工程18275 m（K28+085～K46+360）。由TBM后配套組裝洞（100 m）、TBM主機組裝洞（80m）、TBM步進洞（200 m）、TBM始發洞（25 m）、TBM第一掘進施工段（8310m）、TBM檢修洞（60m）、檢修洞下游方向步進洞240 m、4#支洞主洞上下游鉆爆接應TBM段各1500 m和TBM第二掘進施工段（6260 m）組成。修建輔助施工支洞4號支洞，斜距5820.21 m，平距5784 m，最大坡度-11.96%,綜合坡度-10.79%，斷面為城門洞型，成洞尺寸為6.70 m×6.50 m。4號支洞采用無軌斜井施工，主要解決TBM長距離施工通風、出渣及TBM第二階段施工組織的問題，TBM標段平面布置圖見圖1。

圖1 標段平面布置圖

1.3 工程地質

TBM已掘進段以石英巖、花崗巖為主，圍巖強度高、完整性好、圍巖石英含量高、耐磨值大，圍巖抗壓強度為109 MPa～267 MPa，平均 163 MPa，耐磨值 4.65～5.71，平均耐磨值 5.26，石英含量為43.6%～92.6%，平均石英含量69.4%，完整性系數平均為0.8以上。

2 TBM已掘進段刀具消耗

2.1 滾刀消耗

TBM在已掘進的前5000 m段中，共計更換單刃滾刀3532把，正常磨損更換3060把，占比86.64%，非正常損壞更換472把（巖爆及圍巖破碎地段），占比13.36%，單刃滾刀磨損情況見圖2。

圖2 刀具正常磨損

2.2 中心刀消耗

在已掘進的5000 m中，共計更換雙刃中心刀95把，正常更換74把，占比77.9%，非正常損壞更換21把，占比22.1%，具體消耗情況見圖5刀具正常磨損；非正常損壞換刀主要原因一方面是由于圍巖強度硬，導致中心刀刀座的接觸面位置頻繁磨損，螺栓易松動，刀具承受不均衡力而損壞,另一方面為巖石坍塌掉塊砸壞刀圈而崩刃，卡滯刀具導致無法轉動而偏磨，中心刀異常磨損情況見圖3。

圖3 中心刀正常磨損情況

3 刀具消耗分析

3.1 刀具消耗分析

影響刀具消耗的因素有圍巖單軸抗壓強度、石英含量、圍巖完整性系數，其中，圍巖單軸抗壓強度與石英含量是影響刀具消耗的主要因素，通過對TBM施工段前5000 m的圍巖取芯試驗及刀具消耗情況的統計,對施工巖石石英含量數據與滾刀消耗數量生成折線圖，可以看出巖石石英含量與刀具消耗數量存在正比例關系如圖4，K29+160～K29+250段和K29+963～K30+100段掌子面圍巖破碎大塊石頭砸壞刀具，導致刀具異常磨損嚴重，K32+110～K32+210段存在石英含量低、刀具消耗量高的情況，原因是本段施工過程中停機檢修刀盤，在檢修刀盤時全部刀具都進行了更換，造成刀具消耗數量大，去掉本段特殊情況的刀具消耗數據，調整后的折線圖如圖5。

圖4 施工樁號-石英含量、刀具消耗圖

圖5 施工樁號-石英含量、刀具消耗圖（修正后）

圖6 施工樁號-圍巖強度、石英含量、刀具消耗圖

通過圖5可以很直觀的看出巖石石英含量與刀具消耗數量存在正比例關系，折線圖基本完全起伏相似，由很強度的線性規律，刀具的廠家和刀具的材料型號只會影響波峰[1]的高低，然后我們再將圍巖強度、石英含量和刀具消耗數量合并在一個圖上分析，從圖6可以看出，TBM掘進段前5000 m圍巖平均單軸干燥抗壓強度約為163 MPa，平均石英含量約為69.4%，平均刀具延米消耗量[2]為0.73把/m。在分析之前，需要將數據進行篩選，去掉偏離實際較大的數據，如：圍巖強度低、石英含量低但刀具消耗量又較大的數據。

數據篩選原則：假設標準基數W=PS/C

P為圍巖單軸抗壓強度；S為圍巖石英含量；T為刀具延米消耗量

計算每組數據的基數Wn=PnSn/Cn

然后計算數據偏離值Wx=W-Wn，并取絕對值，去掉偏差值過大的數據。

數據篩選后重新繪制施工樁號—圍巖強度、石英含量、刀具延米消耗折線圖見如圖7。

圖7 數據篩選后的施工樁號-圍巖強度、石英含量、刀具延米消耗折線圖

從圖7可以看出，圍巖強度越高，圍巖石英含量越高，刀具消耗量越大，但刀具消耗量是受圍巖抗壓強度與石英含量疊加影響的，為便于分析，可以在固定單一因素的情況來分析另一因素對刀具消耗的影響，從而分別得出圍巖抗壓強度與石英含量對刀具消耗量的影響程度[3]。實際施工中不同區段圍巖強度及不同區段石英含量條件下刀具消耗情況見表1。

從表1可以看出，個別數據并不遵從刀具消耗隨石英與圍巖強度變化的規律[4]，因此需要進一步分析其變化規律。

3.2 圍巖單軸抗壓強度對刀具消耗的影響

在石英含量70%左右的情況下，繪制圍巖強度—刀具消耗曲線如圖8。

圖8 圍巖強度-刀具消耗曲線圖

表1 不同圍巖強度不同石英含量下刀具消耗情況

3.3 圍巖石英含量對刀具消耗的影響

在圍巖強度150 MPa左右的情況下，繪制石英含量—刀具消耗曲線如圖9。

圖9 石英含量-刀具消耗曲線圖

從圖8、圖9可以看出，圍巖強度—刀具消耗以及石英含量—刀具消耗類似于線性關系，據此進行不同區段圍巖強度及不同區段石英含量條件下刀具消耗數據修正見表2。

4 結論

在相同的地質條件下，不同類型的刀具消耗數量是有差別的，以石英含量在45%～55%、圍巖強度在75 MPa～100 MPa消耗刀具0.34把/m為基數，將表3中所有延米刀具消耗量除以0.34再乘以a（a為其他TBM工程圍巖在石英含量45%～55%、圍巖強度75MPa～100 MPa之間實際的延米刀具消耗數量），根據表3可推算出該工程的刀具消耗量。

表2 修訂后不同圍巖強度不同石英含量下刀具消耗情況

表3 不同圍巖強度不同石英含量下刀具消耗系數表

通過引漢濟渭嶺南TBM段前5000 m不同刀位累計磨損量的統計，確定了不同圍巖強度不同石英含量下刀具消耗系數，用于類似地質的TBM施工法隧道刀具預測，由于影響刀具消耗的因素有地質原因包括圍巖完整性、特殊地質（巖爆、塌方）[5]，有人為原因包括刀具的安裝質量及日常檢查維修方法，都會影響刀具的日常異常消耗，對于本論文的刀具預測方法數據還僅限于引漢濟渭工程秦嶺隧洞TBM施工段嶺南工程，而在不同地層下TBM施工的刀盤等核心部件的適用性[6]以及刀具適用類型也不盡相同，因此本文中對刀具消耗預測具有一定的局限性，但由于綜合了圍巖強度與石英含量兩項主要影響因素，具有也有一定的參考性，希望后期不斷總結完善。