TBM設(shè)備利用率分析及提高措施

(四川二灘國際工程咨詢有限責(zé)任公司，成都，611130)

1 引言

隧道掘進(jìn)機(jī)(Tunnel Boring Machine)，簡稱TBM，是一種修建巖質(zhì)隧道的工廠化施工技術(shù)，主要由主機(jī)、連接橋、后配套及輔助設(shè)備組成，各部分分別由相應(yīng)的液壓系統(tǒng)、電器系統(tǒng)、PLC(邏輯程序)等控制完成相應(yīng)動作；TBM集大型化、機(jī)械自動化、流程化、系統(tǒng)化于一體，在隧洞施工過程中實現(xiàn)了工廠化生產(chǎn)。由于TBM廣泛利用監(jiān)測、遙控以及電子信息技術(shù)等對施工過程進(jìn)行全面制導(dǎo)和監(jiān)控，使掘進(jìn)過程始終處于最佳狀態(tài)，因此，相對于傳統(tǒng)鉆爆法具有高效、快速、優(yōu)質(zhì)和安全等優(yōu)點[1]。

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

2 TBM應(yīng)用工程概況

引漢濟(jì)渭工程是陜西省省內(nèi)跨流域調(diào)水工程，整個調(diào)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(shè)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(jì)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(biāo)段內(nèi)隧洞全長18275m，由TBM輔助洞室(765m，由鉆爆法施工完成)和TBM掘進(jìn)施工段(17510m)組成；采用一臺直徑8.02m、由美國羅賓斯設(shè)計并生產(chǎn)的TBM進(jìn)行施工。

具體標(biāo)段劃分見圖1。

2.2 工程項目特點

由于引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞TBM施工段位于秦嶺隧洞的核心區(qū)域，埋深最大，單工作面掘進(jìn)施工長度大，且?guī)X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(jù)設(shè)計預(yù)測，嶺南TBM施工段巖石干燥抗壓強(qiáng)度最高達(dá)242MPa；而根據(jù)已施工段的實測數(shù)據(jù)，目前已掘進(jìn)段最高干燥抗壓強(qiáng)度已達(dá)218.52MPa，且尚未達(dá)到設(shè)計預(yù)測的巖石最硬洞段。

(2)耐磨指數(shù)高

根據(jù)設(shè)計預(yù)測，嶺南TBM施工段巖石耐磨性等級為中等，巖石Ab(1/10mm)指數(shù)為4.53；而根據(jù)已施工段的實測數(shù)據(jù)，目前已掘進(jìn)段實測巖石Ab(1/10mm)指數(shù)最高達(dá)5.80，達(dá)到了強(qiáng)耐磨性。

(3)高地應(yīng)力

根據(jù)設(shè)計預(yù)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(yù)測巖體中存在高地應(yīng)力，在巖體較完整地段，有發(fā)生輕微—中等巖爆的可能，預(yù)測的潛在強(qiáng)烈?guī)r爆段長達(dá)3880m。

(4)高地溫

根據(jù)設(shè)計預(yù)測，嶺南TBM施工段樁號K32+350～K45+625段洞室埋深大于1000m，預(yù)測巖溫可達(dá)28℃以上，最高可達(dá)42℃，為高溫施工地段，有發(fā)生熱害的可能。

(5)長距離獨頭施工

TBM掘進(jìn)段的17510m全部依靠TBM獨頭掘進(jìn)，如加上附屬洞室和相鄰標(biāo)段已施工洞段，則通風(fēng)距離更長，能否有效解決TBM施工通風(fēng)問題將對TBM施工進(jìn)度產(chǎn)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(jù)TBM掘進(jìn)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(yán)重影響。

3 設(shè)備利用率及其影響因素

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

TBM設(shè)備利用率統(tǒng)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(jì)渭工程嶺南TBM施工過程中，根據(jù)施工管理的需要，筆者將對設(shè)備利用率影響因素分為10個主要類型，主要包括停機(jī)支護(hù)、仰拱塊安裝、TBM設(shè)備故障、TBM皮帶機(jī)故障、連續(xù)皮帶機(jī)故障、刀具檢查及更換、輔助系統(tǒng)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(zhǔn)確衡量，未進(jìn)行詳細(xì)區(qū)分和統(tǒng)計，而是反映在各種問題的處理和影響時間方面，尤其是設(shè)備利用率高低直接反映了施工組織水平、團(tuán)隊的技術(shù)能力、項目管理層的管理水平等。

4 工程實例統(tǒng)計和分析

在嶺南TBM施工過程中，對TBM開始掘進(jìn)以后的設(shè)備利用率和影響因素進(jìn)行了詳細(xì)的統(tǒng)計和分析；同時為便于對比，根據(jù)施工中重大事件的影響，將嶺南TBM從2015年3月份開始掘進(jìn)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(jī)進(jìn)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(fā)涌水導(dǎo)致停機(jī)長達(dá)3個月時間；第3階段為2016年6月份TBM恢復(fù)掘進(jìn)到2017年1月份(2016年6月底進(jìn)行第2次刀盤檢修)，隨后再次停機(jī)進(jìn)行第3次刀盤檢修工作。

4.1 第1階段TBM設(shè)備利用率及影響因素分析

嶺南TBM掘進(jìn)第1階段全部處于試掘進(jìn)階段，設(shè)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(shè)備仍不斷進(jìn)行調(diào)試，掘進(jìn)時間較短。嶺南TBM第1階段共完成掘進(jìn)1180m，全段平均設(shè)備利用率22.9%，單月最高設(shè)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(shè)備利用率的分析，可以發(fā)現(xiàn)在第1階段7個月的施工過程中，設(shè)備利用率總體呈現(xiàn)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(tǒng)計分析，可以發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致設(shè)備利用率較低的主要因素是刀具維修和更換、皮帶機(jī)故障和其它因素，且停機(jī)支護(hù)也占用了總施工時間的7.3%。結(jié)合實際地質(zhì)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(qiáng)耐磨性，導(dǎo)致刀具消耗大、檢查和更換刀具時間長；

(2)由于巖石強(qiáng)度高導(dǎo)致鏟齒、鏟齒座、擋渣塊等損壞嚴(yán)重，較多大塊石進(jìn)入皮帶系統(tǒng)，頻繁出現(xiàn)轉(zhuǎn)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(jī)；

(3)由于高地應(yīng)力的影響，導(dǎo)致巖爆較為頻繁，需要停機(jī)進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)施工，導(dǎo)致停機(jī)支護(hù)時間較長；

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

4.2 第2階段TBM設(shè)備利用率及影響因素分析

嶺南TBM掘進(jìn)第2階段仍處于試掘進(jìn)階段，設(shè)備、人員和施工組織繼續(xù)進(jìn)行磨合，共完成TBM掘進(jìn)716.9m，平均設(shè)備利用率26.0%，單月最高設(shè)備利用率為43.0%，除2016年2月份受春節(jié)影響外，其它月份均高于20%。截止本階段末，TBM累計完成掘進(jìn)1896.9m。期間2015年11月9日至20日，TBM掌子面出現(xiàn)突涌水，并導(dǎo)致停機(jī)進(jìn)行抽排水施工；2016年2月24日再次因突發(fā)涌水導(dǎo)致停機(jī)搶險，并造成長達(dá)3個月時間停止掘進(jìn)轉(zhuǎn)而進(jìn)行抽排水施工，本階段掘進(jìn)結(jié)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(tǒng)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(shè)備利用率的分析，可以發(fā)現(xiàn)在第2階段5個多月的施工過程中，設(shè)備利用率在2015年10月達(dá)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(fā)生在2015年11月初，因此，可以認(rèn)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(shè)計預(yù)測量，導(dǎo)致從2015年11月開始，TBM設(shè)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(tǒng)計分析，可以發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致設(shè)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(shè)備故障，而皮帶機(jī)故障和停機(jī)支護(hù)時間占用總施工時間的比例則出現(xiàn)了明顯的下降。結(jié)合實際地質(zhì)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(fā)性和一次性的影響因素，也包含較多仰拱塊鋪設(shè)、抽排水和部分皮帶劃破修補(bǔ)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(tǒng)計分析時對上述影響因素單獨統(tǒng)計分析的原因；

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

(3)由于巖石硬度高、強(qiáng)耐磨性，導(dǎo)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(jìn)和設(shè)備利用率的主要因素之一；

(4)由于巖石強(qiáng)度高導(dǎo)致鏟齒、鏟齒座、擋渣塊等損壞嚴(yán)重，較多大塊石進(jìn)入皮帶系統(tǒng)，頻繁出現(xiàn)轉(zhuǎn)渣斗卡石頭、皮帶劃破等問題，并造成了較長時間的停機(jī)，使得皮帶機(jī)故障仍然是影響掘進(jìn)和設(shè)備利用率的主要因素之一。

4.3 第3階段TBM設(shè)備利用率及影響因素分析

嶺南TBM掘進(jìn)第3階段大部分已完成試掘進(jìn)，設(shè)備、人員配合已較為默契，共完成TBM掘進(jìn)1775.5m，平均設(shè)備利用率33.8%，累計完成掘進(jìn)3672.4m。至2017年1月25日停機(jī)進(jìn)行刀盤檢修，本階段結(jié)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(tǒng)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(shè)備利用率的分析，可以發(fā)現(xiàn)在第3階段8個月的施工過程中，設(shè)備利用率在2016年11月達(dá)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(shè)備利用率分別為26.6%和25.2%，其它月份設(shè)備利用率均高于30%，單日設(shè)備利用率最高達(dá)70%，反映出良好的施工組織管理和設(shè)備管理水平。

通過對第3階段TBM施工時間分配情況的統(tǒng)計分析，可以發(fā)現(xiàn)，影響設(shè)備利用率和掘進(jìn)的主要因素是刀具檢查和更換、皮帶機(jī)故障、TBM設(shè)備故障和停機(jī)支護(hù)，其中皮帶機(jī)故障和停機(jī)支護(hù)時間占總施工時間的比例則出現(xiàn)了明顯的反彈，刀具檢查和更換依舊是主要影響因素。結(jié)合實際地質(zhì)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(tǒng)計分析時對上述影響因素進(jìn)行了單獨統(tǒng)計。根據(jù)統(tǒng)計情況來看，TBM皮帶劃破對本階段掘進(jìn)影響較大，而抽排水和仰拱塊安裝因組織得力，對掘進(jìn)影響較?。?/p>

(2)TBM皮帶故障主要是由于巖石強(qiáng)度高導(dǎo)致鏟齒、鏟齒座、擋渣塊等損壞嚴(yán)重，同時由于地質(zhì)因素影響導(dǎo)致未能及時進(jìn)行停機(jī)修復(fù)，導(dǎo)致較多大塊石進(jìn)入皮帶系統(tǒng)；加之TBM掘進(jìn)段長期、持續(xù)出現(xiàn)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(xiàn)反彈；

(3)由于巖石仍然存在硬度高且屬于強(qiáng)耐磨性的問題，導(dǎo)致刀具消耗大；因此，刀具檢查和更換仍然是影響TBM掘進(jìn)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(jīng)驗豐富的技術(shù)人員，完善了相關(guān)管理制度，因此，TBM設(shè)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(shè)備利用率的措施

通過對嶺南TBM施工前后3個階段設(shè)備利用率和影響因素的分析，可以發(fā)現(xiàn)嶺南TBM工程設(shè)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(shè)備利用率逐步提高，反應(yīng)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(jìn)因素的分析可以發(fā)現(xiàn)，TBM設(shè)備故障、刀具的檢查和更換、皮帶機(jī)故障(包括設(shè)備故障和皮帶修補(bǔ)等)、停機(jī)支護(hù)等始終是影響嶺南TBM掘進(jìn)的主要因素，但TBM設(shè)備故障的影響時間在持續(xù)下降，刀具檢查和更換、皮帶系統(tǒng)故障、停機(jī)支護(hù)的影響時間隨地質(zhì)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(shè)備利用率所需要關(guān)注的重點，應(yīng)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(yīng)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(zhì)條件)、刀間距等，要么無法避免(如地質(zhì)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(yōu)選更適用于本工程的刀具、加強(qiáng)刀具檢查、及時更換刀具、優(yōu)選更適用的掘進(jìn)參數(shù)等措施。

加強(qiáng)刀具檢查、及時更換刀具的措施目前已得到嚴(yán)格落實，嚴(yán)格按照每兩個循環(huán)檢查一次刀盤的頻次執(zhí)行，并在發(fā)現(xiàn)刀具出現(xiàn)偏磨、崩刃、磨損極限等情況時及時停機(jī)更換刀具。

對于優(yōu)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(jù)總體試驗情況優(yōu)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(jìn)時間，提高設(shè)備利用率。

對于優(yōu)選更適用的掘進(jìn)參數(shù)方面，主要是通過掘進(jìn)過程中的試驗和對比，結(jié)合掘進(jìn)進(jìn)尺、貫入度、刀具磨損和損壞情況、地質(zhì)情況和圍巖參數(shù)等，優(yōu)選出更適用于硬巖掘進(jìn)的掘進(jìn)參數(shù)，目前此項工作仍在進(jìn)行中。

5.2 降低TBM設(shè)備故障的應(yīng)對措施

關(guān)于降低TBM設(shè)備故障方面，主要從人員、制度和執(zhí)行力方面入手。

首先是增加設(shè)備方面經(jīng)驗豐富的技術(shù)人員，從技術(shù)上確?？梢宰龊迷O(shè)備維保工作。

然后建立和完善設(shè)備維修與保養(yǎng)管理制度，嚴(yán)格規(guī)定設(shè)備強(qiáng)制維保時間和項目、內(nèi)容、頻次，從制度上確保能夠做好設(shè)備維保工作。

最后全員加強(qiáng)執(zhí)行力建設(shè)，嚴(yán)格落實責(zé)任制，確保各級設(shè)備管理人員均能夠嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)備維修與保養(yǎng)管理制度。

5.3 降低皮帶系統(tǒng)故障時間的應(yīng)對措施

關(guān)于降低皮帶系統(tǒng)故障時間方面，主要涉及到TBM皮帶機(jī)和連續(xù)皮帶機(jī)兩個部位。

針對TBM皮帶機(jī)，主要任務(wù)是解決大塊石堵轉(zhuǎn)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(shè)計的帆布皮帶更換為防撕裂鋼絲網(wǎng)皮帶；

(2)優(yōu)化轉(zhuǎn)渣斗設(shè)計方案，調(diào)整轉(zhuǎn)渣高度、增加緩沖、調(diào)整皮帶防護(hù)寬度等措施；

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

(4)及時抽排主機(jī)區(qū)積水，防止積水進(jìn)入皮帶，降低皮帶系統(tǒng)故障率。

針對連續(xù)皮帶機(jī)，主要解決措施就是加強(qiáng)維護(hù)和保養(yǎng)工作，加強(qiáng)巡視和檢查，及時處理皮帶頭子等小故障，防止出現(xiàn)長距離劃破，避免造成長時間停機(jī)。

5.4 減少停機(jī)支護(hù)時間的應(yīng)對措施

關(guān)于減少停機(jī)支護(hù)時間方面，主要從塌方支護(hù)和巖爆段加強(qiáng)支護(hù)兩個方面考慮。

對于一般的塌方支護(hù)，主要從嚴(yán)格執(zhí)行參建四方現(xiàn)場確定的支護(hù)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(qiáng)支護(hù)，具體措施如下：

(1)引進(jìn)微震監(jiān)測[2]，對掌子面附近微震強(qiáng)度、等級、時空分布等進(jìn)行監(jiān)控，進(jìn)而對巖爆發(fā)生的幾率進(jìn)行預(yù)測；

(2)根據(jù)微震監(jiān)測預(yù)測成果，及時實施設(shè)計加強(qiáng)支護(hù)方案，利用新材料、新工藝進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，如McNally系統(tǒng)[3]、漲殼式中空預(yù)應(yīng)力錨桿[4，5]、水脹式錨桿、納米防鋼纖維混凝土、柔性鋼絲網(wǎng)[6]、格柵拱架等，降低巖爆發(fā)生幾率和可能造成的危害，降低現(xiàn)場施工安全風(fēng)險和巖爆對施工的影響；

(3)修復(fù)和完善L1區(qū)噴混系統(tǒng)，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(jié)

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

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