隧洞高磨蝕性硬巖地段 TBM 法施工刀具消耗分析
2020-4-13 來源： 陜西引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司 作者：李金霖
摘要： 隨著國內(nèi)地下長大隧道施工數(shù)量不斷增加,TBM 硬巖掘進(jìn)機(jī)在長大隧道的施工技術(shù)逐漸成熟，不同地質(zhì)情況下刀具消耗數(shù)量差別極大，如何在高磨蝕地段合理預(yù)測刀具消耗數(shù)量，成為 TBM 施工招投標(biāo)階段及施工過程中刀具成本預(yù)測的難題，以引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞 TBM 段嶺南工程為依托，根據(jù)前 5000m掘進(jìn)段工程的圍巖強(qiáng)度、石英含量與現(xiàn)場刀具實(shí)際消耗情況，實(shí)踐研究巖石強(qiáng)度、石英含量與刀具消耗之間的關(guān)系，為 TBM 在類似地質(zhì)情況下刀具消耗數(shù)量的準(zhǔn)確預(yù)測、工程投資、施工成本控制、現(xiàn)場施工進(jìn)度和設(shè)備管理提供較好的參考依據(jù)。
關(guān)鍵詞： 強(qiáng)度；石英；TBM；刀具;消耗；系數(shù)；預(yù)測
0 引言
引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞 TBM 施工段嶺南工程自 TBM 掘進(jìn)以來，受巖石石英含量高、圍巖強(qiáng)度高、圍巖完整性好等不良地質(zhì)條件的影響，造成掘進(jìn)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(jī)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(jìn)時間，由于前期未能準(zhǔn)確預(yù)測到圍巖強(qiáng)度及石英含量超高問題，導(dǎo)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(zhǔn)確的預(yù)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(jìn)度控制提供參考，現(xiàn)根據(jù)已經(jīng)掘進(jìn)完成的 5000 m 刀具消耗情況，綜合分析、預(yù)測不同圍巖強(qiáng)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(jì)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(jìn)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(wù)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(shè)計(jì)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(biāo)段概況
本標(biāo)段為引漢濟(jì)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(jìn)機(jī)施工，標(biāo)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(jī)組裝洞（80m）、TBM步進(jìn)洞 （200 m）、TBM 始發(fā)洞 （25 m）、TBM 第一掘進(jìn)施工段（8310m）、TBM 檢修洞（60m）、檢修洞下游方向步進(jìn)洞 240 m、4# 支洞主洞上下游鉆爆接應(yīng) TBM 段各 1500 m 和 TBM 第二掘進(jìn)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(fēng)、出渣及 TBM 第二階段施工組織的問題，TBM 標(biāo)段平面布置圖見圖 1。
圖 1 標(biāo)段平面布置圖
1.3 工程地質(zhì)
TBM 已掘進(jìn)段以石英巖、花崗巖為主，圍巖強(qiáng)度高、完整性好、圍巖石英含量高、耐磨值大，圍巖抗壓強(qiáng)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(jìn)段刀具消耗
2.1 滾刀消耗
TBM 在已掘進(jìn)的前 5000 m 段中，共計(jì)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(jìn)的 5000 m 中，共計(jì)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(qiáng)度硬，導(dǎo)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(dǎo)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(qiáng)度、石英含量、圍巖完整性系數(shù)，其中，圍巖單軸抗壓強(qiáng)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(yàn)及刀具消耗情況的統(tǒng)計(jì), 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(dǎo)致刀具異常磨損嚴(yán)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(jī)檢修刀盤，在檢修刀盤時全部刀具都進(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(jìn)前 5000 m 圍巖平均單軸干燥抗壓強(qiáng)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(jìn)行篩選，去掉偏離實(shí)際較大的數(shù)據(jù)，如：圍巖強(qiáng)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(shè)標(biāo)準(zhǔn)基數(shù) W=PS/CP 為圍巖單軸抗壓強(qiáng)度；S 為圍巖石英含量；T 為刀具延米消耗量計(jì)算每組數(shù)據(jù)的基數(shù) Wn=PnSn/Cn然后計(jì)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(qiáng)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(qiáng)度、石英含量、刀具延米消耗折線圖
從圖 7 可以看出，圍巖強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度與石英含量對刀具消耗量的影響程度[3]。實(shí)際施工中不同區(qū)段圍巖強(qiáng)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(qiáng)度變化的規(guī)律 [4]，因此需要進(jìn)一步分析其變化規(guī)律。
3.2 圍巖單軸抗壓強(qiáng)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(qiáng)度—刀具消耗曲線如圖 8。
圖 8 圍巖強(qiáng)度 - 刀具消耗曲線圖
表 1 不同圍巖強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(jìn)行不同區(qū)段圍巖強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度 75MPa～100 MPa 之間實(shí)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(qiáng)度不同石英含量下刀具消耗情況
表 3 不同圍巖強(qiáng)度不同石英含量下刀具消耗系數(shù)表
通過引漢濟(jì)渭嶺南 TBM 段前 5000 m 不同刀位累計(jì)磨損量的統(tǒng)計(jì)，確定了不同圍巖強(qiáng)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(yù)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(yù)測方法數(shù)據(jù)還僅限于引漢濟(jì)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(yù)測具有一定的局限性，但由于綜合了圍巖強(qiáng)度與石英含量兩項(xiàng)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。
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