基于復雜地質巖機作用的多維度隧道掘進機適應性評價方法

陳雪峰， 楊延棟， 李治國， 周建軍， 耿超， 米迪

(1.中鐵開發投資集團有限公司， 昆明 650118; 2.盾構及掘進技術國家重點實驗室， 鄭州 450001; 3.中鐵隧道局集團有限公司， 廣州 511458)

隨著中國交通強國、西部大開發、水資源高效開發利用等戰略的快速推進，越來越多的復雜地質長大隧道急需被修建。巖石隧道掘進機(tunnel boring machine, TBM)作為根據隧道地質條件“量身定制”的專用機械設備，TBM裝備與隧道圍巖相互作用是評價TBM適應性的基礎。TBM滾刀與圍巖的相互作用主要表現為滾刀的可掘性和耐磨性，TBM在高強度高磨蝕硬巖地層不適應的結果為掘進“低效高耗”；刀盤與圍巖的相互作用主要表現為掌子面的穩定性，TBM在斷層破碎帶地層不適應的結果為“刀盤受困”；護盾與圍巖的相互作用主要表現為圍巖的擠壓變形，TBM在高地應力擠壓性地層不適應的結果為“護盾被卡”。

<1)，且各件產品是否為不合格品相互獨立．

針對高強度硬巖地層TBM滾刀可掘性評價，中外學者通過室內實驗和現場數據回歸分析建立了預測模型，如美國科羅拉多礦業大學的CSM模型、挪威科技大學的NTNU模型、Barton建立的QTBM模型等[1-2]，但是上述模型中部分關鍵參數無法確定。針對滾刀可掘性的影響規律。龔秋明等[3]建立了滾刀破巖參數與碴片粗糙度指數的對應關系；張娜等[4]建立了巖體可鉆性指數、可切削指數與圍巖級別的對應關系；杜立杰等[5]建立了貫入度指數與推力、貫入度的關系，研究成果多基于室內實驗或某特定工程，通用性還有待驗證。

針對高磨蝕硬巖地層TBM滾刀耐磨性評價，楊延棟等[6]、趙海鳴等[7]、柳陪蕾等[8]建立了基于滾刀材料微觀磨粒磨損機理的理論磨損預測模型；楊延棟等[9]、王立輝[10]、耿麒等[11]建立了基于宏觀能量磨損理論的磨損預測模型，但磨粒磨損系數、能量磨損率、滾刀滑移距離等參數確定困難；夏毅敏等[12]、張彪[13]、王凱等[14]通過室內實驗建立了滾刀磨損規律，未提出具體評價方法；張厚美[15]、閆長斌等[16]、孫振川等[17]針對特定TBM隧道工程現場數據，建立了滾刀磨損規律。

針對斷層破碎帶地層TBM“刀盤受困”風險評價，朱光軒[18]通過室內模擬實驗建立了刀盤卡機災害判識方法，但還未能用于工程實踐；龔秋明等[19]通過現場數據統計對于影響TBM隧道施工的斷層進行了初步分級，尚未形成明確的刀盤受困風險評價方法。針對高地應力擠壓性地層TBM護盾被卡風險評價，黃興等[20]刻畫了圍巖擠壓變形的時空效應；溫森等[21]提出了TBM護盾區域圍巖變形計算模型，未形成護盾被困風險評價方法。

上述研究有助于單一維度的TBM適應性評價，不同地層條件下TBM與圍巖的相互作用有所不同，TBM適應性評價的側重點也有所區別，因此，有必要基于復雜地質巖機相互作用，建立多維度的TBM適應性評價方法，為復雜地質隧道修建TBM工法選擇、裝備設計及施工難題的解決提供量化依據。

1 基于滾刀與圍巖相互作用TBM適應性評價方法

滾刀與圍巖相互作用主要表現為滾刀的可掘性和耐磨性，在高強度硬巖地層，滾刀貫入掌子面巖石的難度大，此時滾刀貫入巖石的難易程度是評價TBM適應性的關鍵；在高磨蝕硬巖地層，滾刀除了難以貫入掌子面巖石外，滾刀刀圈材料容易被磨損消耗，此時滾刀耐磨性也是評價TBM適應性的關鍵。

1.1 基于滾刀可掘性的TBM適應性評價

滾刀貫入度指數(field penetration index，FPI)用于評價滾刀貫入巖石的難易程度，表示單位貫入度單把滾刀載荷，單位：(kN/cutter)/(mm/r)；貫入度為TBM掘進速度與刀盤轉速的比值。FPI越大滾刀越難易貫入，TBM越難以適應。通過TBM現場掘進參數計算滾刀貫入度指數時，假定刀盤上所有滾刀載荷相等，貫入度指數FPI計算公式為

(1)

式(1)中：N為滾刀數量，刀盤設計時確定，cutter；h為貫入度，mm/r；F為TBM推力，kN；n為刀盤轉速，r/min；v為TBM掘進速度，mm/min。

TBM推力、刀盤轉速、掘進速度均可通過TBM的PLC (programmable logic controller)實時獲取。

滾刀貫入度指數FPI與巖體完整性、抗壓強度密切相關，通過統計中國引黃入晉TBM2標雙護盾TBM、蘭州水源地雙護盾TBM引水隧洞、引松供水敞開式TBM引水隧洞、深圳地鐵六號雙護盾TBM隧道以及新加坡DTSS (deep tunnel sewerage system)項目T05和T06隧洞道共計5個TBM工程200余組數據，得到了滾刀貫入度指數與巖體完整性系數、巖石單軸抗壓強度乘積呈正相關線性函數關系，如式(2)所示，相關系數平方R2為0.788 7，擬合曲線如圖1所示。

FPI=0.678 3KVRC-1.406 8

(2)

式(2)中:KV為巖體完整性系數；RC為巖石單軸抗壓強度，MPa。

圖1 貫入度指數與巖體特性指標的擬合曲線Fig.1 The fitting curve of field penetration index and rock mass indicators

目前，大尺寸滾刀可承受的極限破巖載荷約為300 kN，但TBM掘進時刀盤上的滾刀往往不是全部同時受力，因此單把滾刀的當量載荷以200 kN考慮。在該載荷下以貫入度2、5、10 mm/r 3個臨界值將滾刀可掘性分為極差、差、好、極好4個等級，如表1所示，用于評價TBM在高強度硬巖地層掘進的適應性。

表1 基于滾刀可掘性的TBM適應性評價方法Table 1 TBM adaptability evaluation method based on disc cutter excavability

1.2 基于滾刀耐磨性的TBM適應性評價

滾刀破巖體積磨損速率ω是用于評價滾刀耐磨性的指標，表示開挖單位體積巖石所產生的徑向磨損量，單位：mm/m3。ω越大滾刀磨損越快，TBM越難以適應。刀盤上某把滾刀的破巖體積磨損速率計算公式為

(3)

式(3)中：Qi為TBM刀盤上第i把滾刀的累計磨損量，利用滾刀磨損測量工具測量，mm；Ri為TBM刀盤上第i把滾刀的安裝半徑，m；Ri-1為i-1把滾刀的安裝半徑，m；L為TBM使用該盤滾刀的掘進距離，m。

滾刀破巖體積磨損速率ω與巖石磨蝕性、巖體完整性密切相關，通過統計分析中國已建和在建的5個TBM工程的7條隧道工程數據，得到滾刀破巖體積磨損速率與巖體完整性系數、巖石磨蝕值乘積呈正相關指數函數關系，如式(4)所示，相關系數平方R2為0.929 8，擬合曲線如圖2所示。

ω=0.002 9e1.178 3KVCAI

(4)

式(4)中：CAI為巖石磨蝕值，0.1 mm。

結合多個TBM工程實踐刀具消耗程度，以滾刀破巖體積磨損速率0.10、0.05、0.01 mm/m33個臨界值將滾刀耐磨性分為極差、差、好、極好4個等級，如表2所示，用于評價TBM在高磨蝕硬巖地層刀具的適應性。

圖2 破巖體積磨損速率與巖體特性指標的擬合曲線Fig.2 Fitting curve of disc cutter rock breaking volume wear rate and rock mass indicators

表2 基于滾刀耐磨性的TBM適應性評價方法Table 2 TBM adaptability evaluation method based on the disc cutter abrasion resistance

2 基于刀盤與圍巖相互作用TBM適應性評價方法

巖體完整性和自穩性好的地層僅發生滾刀與圍巖的相互作用，滾刀貫入掌子面滾壓破巖，刀盤面板與掌子面不接觸，二者無相互作用。TBM在斷層破碎帶地層中掘進時，滾刀可掘性和耐磨性均很好，滾刀與圍巖的相互作用已不再是主要矛盾；隧道掌子面坍塌導致松散巖塊堆積在刀盤前方，當坍塌體對刀盤產生的阻力矩大于額定扭矩時，需要降低刀盤轉速以便為刀盤提供足夠的扭矩；當坍塌體對刀盤產生的阻力矩大于脫困扭矩時，將導致TBM“刀盤受困”。

斷層破碎帶地層影響刀盤與圍巖相互作用的因素包括斷層寬度、產狀、填充物以及含水情況等[18]，其中斷層寬度對于TBM是否發生刀盤被困事故的影響最為顯著，斷層寬度越寬，刀盤前方坍塌體堆積量越大，越容易導致TBM刀盤被困。TBM在斷層破碎帶地層掘進頻繁發生刀盤被困，導致TBM無法連續掘進，從而影響TBM利用率，因此，斷層破碎帶圍巖指標采用斷層寬度，TBM裝備指標采用設備利用率；設備利用率越高，TBM可穿越性越強。通過TBM工程數據統計，建立TBM在斷層破碎帶地層掘進設備利用率與斷層寬度的關系，就能對斷層破碎帶地層TBM刀盤受困風險進行分級評價。

通過統計引松供水、引漢濟渭、高黎貢山等工程TBM穿越30余條斷層的斷層寬度、卡機情況及設備利用率，得到斷層破碎帶地層TBM設備利用率與斷層寬度呈負相關冪函數關系，式(5)所示，相關系數平方R2為0.788 9，擬合曲線如圖3所示。

U=95.555B-0.385

(5)

式(5)中:U為TBM設備利用率，%；B為斷層寬度，cm。

結合多個TBM隧道工程刀盤受困程度，以TBM設備利用率40、20、10% 3個臨界值將斷層破碎帶地層TBM刀盤受困風險分為極低、低、高、極高4個等級，如表3所示，用于評價TBM在斷層破碎帶地層的適應性。

圖3 TBM設備利用率與斷層寬度擬合曲線Fig.3 Fitting curve of TBM equipment utilization and fault width

表3 基于刀盤受困風險的TBM適應性評價方法Table 3 TBM adaptability evaluation method based on cutterhead trapped risk

3 基于護盾與圍巖相互作用TBM適應性評價方法

TBM刀盤開挖直徑大于護盾直徑，巖體完整性和自穩性好的圍巖，隧道頂部圍巖與護盾不接觸，二者無相互作用。TBM在高地應力擠壓性地層掘進，隧道圍巖發生大變形，當變形量達到護盾與圍巖間隙值時，圍巖與護盾接觸、產生推進阻力；隨著TBM繼續向前掘進和圍巖對護盾擠壓應力的進一步增加，產生的推力阻力達到TBM所能提供的極限推力時，TBM發生護盾被卡事故，也稱護盾抱死。

高地應力擠壓性地層隧道圍巖發生“大變形”導致TBM護盾被卡事故，主要與地應力、圍巖強度、隧道開挖直徑、圍巖變形量等有關，Hoek等[22]通過隧道現場數據統計分析，得到高地應力擠壓性地層隧道圍巖相對變形量與強度應力比呈負相關冪函數關系，可表示為

ε=0.2(RC/σ1)-2

(6)

式(6)中：ε為隧道圍巖相對變形量，無量綱；σ1為圍巖最大主應力,MPa。

結合多個TBM隧道工程護盾被卡程度，以隧道圍巖相對變形量5.0、2.5、1.0% 3個臨界值將高地應力擠壓性地層TBM“護盾被卡”風險分為極高、高、低、極低4個等級，如表4所示，用于評價TBM在高地應力擠壓性地層的適應性。

表4 基于護盾被卡風險的TBM適應性評價方法Table 4 TBM adaptability evaluation method based on shield stuck risk

4 結論

通過分析不同地質條件下TBM滾刀、刀盤、護盾與隧道圍巖的相互作用，結合多個TBM隧道工程數據統計結果，從多個維度建立了TBM適應性的評價方法。得出如下結論。

(1)針對高強度硬巖地層，揭示了滾刀貫入度指數與巖體完整性系數、巖石單軸抗壓強度乘積呈正相關線性函數關系，提出了基于滾刀可掘性的TBM適應性分級評價方法。

(2)針對高磨蝕硬巖地層，揭示了滾刀破巖體積磨損速率與巖體完整性系數、巖石磨蝕值乘積呈正相關指數函數關系，提出了基于滾刀耐磨性的TBM適應性分級評價方法。

(3)針對斷層破碎帶地層，揭示了TBM設備利用率與斷層跨度呈負相關冪函數關系，提出了基于刀盤受困風險的TBM適應性分級評價方法。

(4)針對高地應力擠壓性地層，基于揭示的隧道圍巖相對變形量與強度應力比呈負相關的冪函數關系，提出了基于護盾被卡風險的TBM適應性分級評價方法。

除了TBM滾刀、刀盤、護盾與圍巖的相互作用，TBM撐靴、支護結構也與隧道圍巖存在相互作用，但相對于上述3種更便于處理，研究中并未涉及；高地應力硬巖強巖爆也會造成TBM“被卡被困”，但巖爆的發生存在很大的不確定性，需要進一步探索。