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(zhì)條件的影響，造成掘進過程中刀具消耗數(shù)量極高，換刀數(shù)量極大，經(jīng)常出現(xiàn)停機等待更換刀具的現(xiàn)象，既增加了刀具更換數(shù)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(shù)量增加、相關(guān)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(shù)量，為后期施工成本控制及進度控制提供參考，現(xiàn)根據(jù)已經(jīng)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(shù)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(guān)中地區(qū)調(diào)水的省內(nèi)南水北調(diào)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(cè)支溝黃池溝內(nèi)，工程任務是將漢江流域調(diào)出水量自流送入渭河流域關(guān)中地區(qū)，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(fā)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(zhì)

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(shù)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(zhuǎn)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(shù)，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(tǒng)計,對施工巖石石英含量數(shù)據(jù)與滾刀消耗數(shù)量生成折線圖，可以看出巖石石英含量與刀具消耗數(shù)量存在正比例關(guān)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(shù)量大，去掉本段特殊情況的刀具消耗數(shù)據(jù)，調(diào)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(shù)量存在正比例關(guān)系，折線圖基本完全起伏相似，由很強度的線性規(guī)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(shù)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(shù)據(jù)進行篩選，去掉偏離實際較大的數(shù)據(jù)，如：圍巖強度低、石英含量低但刀具消耗量又較大的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)篩選原則：假設標準基數(shù)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(shù)據(jù)的基數(shù)Wn=PnSn/Cn

然后計算數(shù)據(jù)偏離值Wx=W-Wn，并取絕對值，去掉偏差值過大的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(qū)段圍巖強度及不同區(qū)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(shù)據(jù)并不遵從刀具消耗隨石英與圍巖強度變化的規(guī)律[4]，因此需要進一步分析其變化規(guī)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(guān)系，據(jù)此進行不同區(qū)段圍巖強度及不同區(qū)段石英含量條件下刀具消耗數(shù)據(jù)修正見表2。

4 結(jié)論

在相同的地質(zhì)條件下，不同類型的刀具消耗數(shù)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(shù)，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(shù)量），根據(jù)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(shù)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(tǒng)計，確定了不同圍巖強度不同石英含量下刀具消耗系數(shù)，用于類似地質(zhì)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(zhì)原因包括圍巖完整性、特殊地質(zhì)（巖爆、塌方）[5]，有人為原因包括刀具的安裝質(zhì)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(shù)據(jù)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(jié)完善。