TBM設備利用率分析及提高措施

(四川二灘國際工程咨詢有限責任公司，成都，611130)

1 引言

隧道掘進機(Tunnel Boring Machine)，簡稱TBM，是一種修建巖質隧道的工廠化施工技術，主要由主機、連接橋、后配套及輔助設備組成，各部分分別由相應的液壓系統、電器系統、PLC(邏輯程序)等控制完成相應動作；TBM集大型化、機械自動化、流程化、系統化于一體，在隧洞施工過程中實現了工廠化生產。由于TBM廣泛利用監測、遙控以及電子信息技術等對施工過程進行全面制導和監控，使掘進過程始終處于最佳狀態，因此，相對于傳統鉆爆法具有高效、快速、優質和安全等優點[1]。

然而由于TBM設備過于龐大，設備運轉過程中需要電器、液壓、機械等較多設備相互配合，任何一處設備故障都有可能導致TBM停機處理，因此，TBM設備利用率即TBM正常掘進時間和換步時間之和占總施工時間的百分比，就成了反應設備管理和應用水平的一個重要指標。

2 TBM應用工程概況

引漢濟渭工程是陜西省省內跨流域調水工程，整個調水工程由三個部分組成，包括黃金峽水利樞紐、三河口水利樞紐、秦嶺輸水隧洞。秦嶺隧洞越嶺段全長81.779km，設計流量70m3/s，多年平均輸水量15.0億m3，隧洞平均坡降1/2474，采用鉆爆法+2臺TBM法施工，工期6.5年，TBM法施工斷面為圓型，開挖直徑8.02m。

2.1 工程項目簡介

引漢濟渭工程秦嶺隧洞TBM施工段嶺南工程(以下簡稱嶺南TBM工程)，標段內隧洞全長18275m，由TBM輔助洞室(765m，由鉆爆法施工完成)和TBM掘進施工段(17510m)組成；采用一臺直徑8.02m、由美國羅賓斯設計并生產的TBM進行施工。

具體標段劃分見圖1。

2.2 工程項目特點

由于引漢濟渭工程秦嶺隧洞TBM施工段位于秦嶺隧洞的核心區域，埋深最大，單工作面掘進施工長度大，且嶺南工程屬于反坡施工，對于地下工程施工來說是難上加難，造成了嶺南TBM施工段的極大難題。

(1)巖石硬度大

根據設計預測，嶺南TBM施工段巖石干燥抗壓強度最高達242MPa；而根據已施工段的實測數據，目前已掘進段最高干燥抗壓強度已達218.52MPa，且尚未達到設計預測的巖石最硬洞段。

(2)耐磨指數高

根據設計預測，嶺南TBM施工段巖石耐磨性等級為中等，巖石Ab(1/10mm)指數為4.53；而根據已施工段的實測數據，目前已掘進段實測巖石Ab(1/10mm)指數最高達5.80，達到了強耐磨性。

(3)高地應力

根據設計預測，嶺南TBM施工段隧洞通過地段埋深均大于500m，最大埋深2050m，預測巖體中存在高地應力，在巖體較完整地段，有發生輕微—中等巖爆的可能，預測的潛在強烈巖爆段長達3880m。

(4)高地溫

根據設計預測，嶺南TBM施工段樁號K32+350～K45+625段洞室埋深大于1000m，預測巖溫可達28℃以上，最高可達42℃，為高溫施工地段，有發生熱害的可能。

(5)長距離獨頭施工

TBM掘進段的17510m全部依靠TBM獨頭掘進，如加上附屬洞室和相鄰標段已施工洞段，則通風距離更長，能否有效解決TBM施工通風問題將對TBM施工進度產生重要影響。

(6)反坡施工和突涌水

TBM施工段嶺南工程為反坡施工，坡度為1/2474。而根據TBM掘進段實際施工情況來看，嶺南TBM施工段隧洞涌水較為頻繁且涌水量大，加之隧洞屬于長距離、反坡施工，目前突涌水已對施工造成嚴重影響。

3 設備利用率及其影響因素

TBM設備利用率為TBM掘進時間與施工總時間的百分比。TBM設備利用率主要反映TBM設備在施工過程中的有效利用水平，可以反映出施工方的設備利用水平和項目管理水平。根據統計，TBM施工項目中TBM設備利用率一般為15%～65%。

TBM設備利用率統計和計算較為簡單，但由于其影響因素較多，不同工程項目差別較大。在引漢濟渭工程嶺南TBM施工過程中，根據施工管理的需要，筆者將對設備利用率影響因素分為10個主要類型，主要包括停機支護、仰拱塊安裝、TBM設備故障、TBM皮帶機故障、連續皮帶機故障、刀具檢查及更換、輔助系統故障、抽排水影響、其它和外圍因素影響；而主觀影響方面，由于在過程中難以準確衡量，未進行詳細區分和統計，而是反映在各種問題的處理和影響時間方面，尤其是設備利用率高低直接反映了施工組織水平、團隊的技術能力、項目管理層的管理水平等。

4 工程實例統計和分析

在嶺南TBM施工過程中，對TBM開始掘進以后的設備利用率和影響因素進行了詳細的統計和分析；同時為便于對比，根據施工中重大事件的影響，將嶺南TBM從2015年3月份開始掘進后至2017年1月份的施工情況簡單的分為3個階段，第1階段為2015年3月份至2015年9月份，隨后停機進行第1次刀盤檢修；第2階段為2015年10月份到2016年3月份，此后因突發涌水導致停機長達3個月時間；第3階段為2016年6月份TBM恢復掘進到2017年1月份(2016年6月底進行第2次刀盤檢修)，隨后再次停機進行第3次刀盤檢修工作。

4.1 第1階段TBM設備利用率及影響因素分析

嶺南TBM掘進第1階段全部處于試掘進階段，設備、人員和施工組織均處于磨合期，尤其是2015年3、4月份，部分設備仍不斷進行調試，掘進時間較短。嶺南TBM第1階段共完成掘進1180m，全段平均設備利用率22.9%，單月最高設備利用率為34.8%。

表1第1階段(2015年3月-9月份)施工時間分配 單位：min

圖2 第1階段(2015年3月-9月份)施工時間分配

通過對第1階段TBM設備利用率的分析，可以發現在第1階段7個月的施工過程中，設備利用率總體呈現上升趨勢，說明施工組織能力和管理水平總體逐步提高。

通過對第1階段TBM施工時間分配情況的統計分析，可以發現，導致設備利用率較低的主要因素是刀具維修和更換、皮帶機故障和其它因素，且停機支護也占用了總施工時間的7.3%。結合實際地質情況，不難理解上述幾個因素占用施工時間較長的原因，具體如下：

(1)由于巖石硬度高、強耐磨性，導致刀具消耗大、檢查和更換刀具時間長；

(2)由于巖石強度高導致鏟齒、鏟齒座、擋渣塊等損壞嚴重，較多大塊石進入皮帶系統，頻繁出現轉渣斗卡石頭、皮帶劃破等問題，對皮帶造成了較大破壞，且造成了較長時間停機；

(3)由于高地應力的影響，導致巖爆較為頻繁，需要停機進行加強支護施工，導致停機支護時間較長；

(4)其它因素方面主要是突發性和一次性的影響因素，也包含部分仰拱塊鋪設、少量抽排水的影響。

4.2 第2階段TBM設備利用率及影響因素分析

嶺南TBM掘進第2階段仍處于試掘進階段，設備、人員和施工組織繼續進行磨合，共完成TBM掘進716.9m，平均設備利用率26.0%，單月最高設備利用率為43.0%，除2016年2月份受春節影響外，其它月份均高于20%。截止本階段末，TBM累計完成掘進1896.9m。期間2015年11月9日至20日，TBM掌子面出現突涌水，并導致停機進行抽排水施工；2016年2月24日再次因突發涌水導致停機搶險，并造成長達3個月時間停止掘進轉而進行抽排水施工，本階段掘進結束。

表2第2階段(2015年10月-2016年3月份)施工時間分配 單位：min

圖3 第2階段(2015年10月-2016年3月)施工時間分配

注：本階段影響因素統計中，已扣除2016年10月3日前刀盤檢修時間、2016年11月9日-12月5日突涌水影響時間。

通過對第2階段TBM設備利用率的分析，可以發現在第2階段5個多月的施工過程中，設備利用率在2015年10月達到了43.0%，但其余各月僅能維持在25%左右。由于第1次突涌水發生在2015年11月初，因此，可以認為在僅有硬巖、巖爆等不利因素的制約下，施工組織能力和管理水平取得了一定突破，但受突涌水影響，在長距離、反坡施工的情況下，加上突涌水量超過設計預測量，導致從2015年11月開始，TBM設備利用率只能維持在25%左右。

通過對第2階段TBM施工時間分配情況的統計分析，可以發現，導致設備利用率較低的主要因素是其它因素、刀具維修和更換及TBM設備故障，而皮帶機故障和停機支護時間占用總施工時間的比例則出現了明顯的下降。結合實際地質情況，對上述情況的具體分析如下：

(1)其它因素方面主要是突發性和一次性的影響因素，也包含較多仰拱塊鋪設、抽排水和部分皮帶劃破修補等影響，并且影響時間較第1階段明顯增加，這也是第3階段統計分析時對上述影響因素單獨統計分析的原因；

(2)TBM設備故障在第2階段出現明顯反彈，故障率顯著上升，主要因素是受涌水影響，洞內濕度大，部分設備長期受洞內淋水影響，尤其是電器設備影響較大，故障率較高，成為影響本階段掘進的主要因素；

(3)由于巖石硬度高、強耐磨性，導致刀具消耗大、檢查和更換刀具時間長，刀具檢查和更換仍然是影響掘進和設備利用率的主要因素之一；

(4)由于巖石強度高導致鏟齒、鏟齒座、擋渣塊等損壞嚴重，較多大塊石進入皮帶系統，頻繁出現轉渣斗卡石頭、皮帶劃破等問題，并造成了較長時間的停機，使得皮帶機故障仍然是影響掘進和設備利用率的主要因素之一。

4.3 第3階段TBM設備利用率及影響因素分析

嶺南TBM掘進第3階段大部分已完成試掘進，設備、人員配合已較為默契，共完成TBM掘進1775.5m，平均設備利用率33.8%，累計完成掘進3672.4m。至2017年1月25日停機進行刀盤檢修，本階段結束。

圖4 第3階段(2016年6月-2017年1月)施工時間分配

注：本階段影響因素統計中，已扣除2016年6月23日至7月3日刀盤檢修時間。

表3第3階段(2016年6月-2017年1月份)施工時間分配 單位：min

通過對第3階段TBM設備利用率的分析，可以發現在第3階段8個月的施工過程中，設備利用率在2016年11月達到了42.0%，除2016年8、9月份受涌水、巖爆或塌方影響較大外，設備利用率分別為26.6%和25.2%，其它月份設備利用率均高于30%，單日設備利用率最高達70%，反映出良好的施工組織管理和設備管理水平。

通過對第3階段TBM施工時間分配情況的統計分析，可以發現，影響設備利用率和掘進的主要因素是刀具檢查和更換、皮帶機故障、TBM設備故障和停機支護，其中皮帶機故障和停機支護時間占總施工時間的比例則出現了明顯的反彈，刀具檢查和更換依舊是主要影響因素。結合實際地質情況，對上述情況的具體分析如下：

(1)為更好地記錄和分析TBM皮帶劃破、仰拱塊安裝、抽排水等對施工的影響，在第3階段統計分析時對上述影響因素進行了單獨統計。根據統計情況來看，TBM皮帶劃破對本階段掘進影響較大，而抽排水和仰拱塊安裝因組織得力，對掘進影響較小；

(2)TBM皮帶故障主要是由于巖石強度高導致鏟齒、鏟齒座、擋渣塊等損壞嚴重，同時由于地質因素影響導致未能及時進行停機修復，導致較多大塊石進入皮帶系統；加之TBM掘進段長期、持續出現涌水，皮帶運渣過程中攜帶了大量積水；在積水的影響下，大石塊更為頻繁地劃破皮帶，造成本階段皮帶故障影響時間出現反彈；

(3)由于巖石仍然存在硬度高且屬于強耐磨性的問題，導致刀具消耗大；因此，刀具檢查和更換仍然是影響TBM掘進的主要因素；

(4)本階段雖然涌水影響仍然較大，但由于采取了一系列措施，增加了經驗豐富的技術人員，完善了相關管理制度，因此，TBM設備故障有所降低，但仍然占用了總施工時間的6.8%。

5 提高設備利用率的措施

通過對嶺南TBM施工前后3個階段設備利用率和影響因素的分析，可以發現嶺南TBM工程設備利用率從第1階段的22.9%，提高到第2階段的26.0%，再到第3階段的33.8%，設備利用率逐步提高，反應出施工組織和管理水平在施工過程中在逐步提高。

通過對影響掘進因素的分析可以發現，TBM設備故障、刀具的檢查和更換、皮帶機故障(包括設備故障和皮帶修補等)、停機支護等始終是影響嶺南TBM掘進的主要因素，但TBM設備故障的影響時間在持續下降，刀具檢查和更換、皮帶系統故障、停機支護的影響時間隨地質情況而變化，且沒有減小的趨勢。因此，上述4個因素就成了要提高設備利用率所需要關注的重點，應分別采取針對性措施逐條解決。

圖5 主要影響因素變化情況

5.1 降低刀具損耗的應對措施

雖然造成刀具損耗大的原因是多方面的，但能夠采取的措施卻極其有限。主要是很多影響因素都是先天性的(如地質條件)、刀間距等，要么無法避免(如地質條件)；要么已無法改變，要么改變的代價巨大，各方均不能承受(如更換刀盤)。目前僅能夠采取的措施只有優選更適用于本工程的刀具、加強刀具檢查、及時更換刀具、優選更適用的掘進參數等措施。

加強刀具檢查、及時更換刀具的措施目前已得到嚴格落實，嚴格按照每兩個循環檢查一次刀盤的頻次執行，并在發現刀具出現偏磨、崩刃、磨損極限等情況時及時停機更換刀具。

對于優選更適用本工程的刀具方面，目前已完成9家刀具試驗工作，待剩余的1家試驗完成后，將根據總體試驗情況優選出最適用于本工程的刀具，以期望降低刀具檢查與更換時間，增加有效掘進時間，提高設備利用率。

對于優選更適用的掘進參數方面，主要是通過掘進過程中的試驗和對比，結合掘進進尺、貫入度、刀具磨損和損壞情況、地質情況和圍巖參數等，優選出更適用于硬巖掘進的掘進參數，目前此項工作仍在進行中。

5.2 降低TBM設備故障的應對措施

關于降低TBM設備故障方面，主要從人員、制度和執行力方面入手。

首先是增加設備方面經驗豐富的技術人員，從技術上確保可以做好設備維保工作。

然后建立和完善設備維修與保養管理制度，嚴格規定設備強制維保時間和項目、內容、頻次，從制度上確保能夠做好設備維保工作。

最后全員加強執行力建設，嚴格落實責任制，確保各級設備管理人員均能夠嚴格執行設備維修與保養管理制度。

5.3 降低皮帶系統故障時間的應對措施

關于降低皮帶系統故障時間方面，主要涉及到TBM皮帶機和連續皮帶機兩個部位。

針對TBM皮帶機，主要任務是解決大塊石堵轉渣斗和劃破皮帶的問題，解決措施有：

(1)更換皮帶類型，由原設計的帆布皮帶更換為防撕裂鋼絲網皮帶；

(2)優化轉渣斗設計方案，調整轉渣高度、增加緩沖、調整皮帶防護寬度等措施；

(3)及時檢修刀盤，及時修復擋渣塊、鏟斗齒等缺損，降低大塊石進入皮帶系統的幾率，從源頭解決大塊石問題；

(4)及時抽排主機區積水，防止積水進入皮帶，降低皮帶系統故障率。

針對連續皮帶機，主要解決措施就是加強維護和保養工作，加強巡視和檢查，及時處理皮帶頭子等小故障，防止出現長距離劃破，避免造成長時間停機。

5.4 減少停機支護時間的應對措施

關于減少停機支護時間方面，主要從塌方支護和巖爆段加強支護兩個方面考慮。

對于一般的塌方支護，主要從嚴格執行參建四方現場確定的支護方案，并及時施作方面入手，一般不會造成長時間的延誤。

對于巖爆段加強支護，具體措施如下：

(1)引進微震監測[2]，對掌子面附近微震強度、等級、時空分布等進行監控，進而對巖爆發生的幾率進行預測；

(2)根據微震監測預測成果，及時實施設計加強支護方案，利用新材料、新工藝進行加強支護，如McNally系統[3]、漲殼式中空預應力錨桿[4，5]、水脹式錨桿、納米防鋼纖維混凝土、柔性鋼絲網[6]、格柵拱架等，降低巖爆發生幾率和可能造成的危害，降低現場施工安全風險和巖爆對施工的影響；

(3)修復和完善L1區噴混系統，對潛在巖爆段及時施作納米防鋼纖維混凝土封閉施工。

6 總結

TBM設備利用率的高低反映出施工設備管理和應用水平的高低，并與TBM掘進速度直接相關。通過對設備利用率及其影響因素的統計、分析，可以直觀地顯示設備管理和應用水平的變化情況，幫助尋找影響TBM掘進的主要因素，為實現TBM快速掘進指明主攻方向，進而可采取針對性措施逐條解決，以實現TBM快速掘進的目標。

引漢濟渭工程嶺南TBM在3個階段的掘進施工中，設備利用率水平逐步上升，在同時存在巖石硬度高、強耐磨性、突涌水、高地應力和長距離、反坡施工的情況下，第3階段的設備利用率(33.8%)相比錦屏二級1#TBM設備利用率的24.1%[7]，已達到TBM應用中的較高水平，且有望繼續提升；同時，引漢濟渭工程嶺南TBM在2017年1月份已實現月進尺308m的新記錄，提高設備利用率的效果已初步顯現。