TBM使用年限對(duì)裝備工作性能和效率的影響

王明勝/WANG Ming-sheng（中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南 洛陽(yáng) 471000）

Shield Equipment & Project 盾構(gòu)工程

TBM使用年限對(duì)裝備工作性能和效率的影響

王明勝/WANG Ming-sheng
（中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南 洛陽(yáng) 471000）

[摘 要]為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)TBM裝備可用性及經(jīng)濟(jì)性，需進(jìn)一步研究TBM使用年限對(duì)機(jī)械工作性能的影響，采用數(shù)據(jù)調(diào)研和統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)同一臺(tái)TBM在中天山、秦嶺I線及磨溝嶺等隧道施工時(shí)的掘進(jìn)參數(shù)、使用率、換刀率等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析，得出了相同圍巖條件下的TBM使用年限對(duì)其工作性能的影響規(guī)律，可為TBM裝備選型及效率預(yù)測(cè)提供參考。

[關(guān)鍵詞]TBM；使用年限；工作性能；效率

鑒于經(jīng)濟(jì)性等因素，TBM一般會(huì)在多個(gè)隧道工程項(xiàng)目中使用，考慮綜合成本等因素，TBM設(shè)計(jì)單機(jī)掘進(jìn)長(zhǎng)度一般可達(dá)15～20km，因此只要TBM的主軸承在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)就可以轉(zhuǎn)赴其它工程繼續(xù)使用。但是，同一臺(tái)TBM在其設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)，主軸承、刀盤(pán)及其它支撐機(jī)構(gòu)會(huì)隨著時(shí)間和掘進(jìn)長(zhǎng)度的增長(zhǎng)而不斷損耗，因而實(shí)際能提供的推力、扭矩會(huì)逐漸減小，工作性能下降。因此，合理的評(píng)價(jià)既有TBM機(jī)械的可能掘進(jìn)效率是進(jìn)行TBM選型和施工的重要依據(jù)。

本文所探討的中天山隧道使用的TBM曾在秦嶺Ⅰ線隧道、磨溝嶺隧道、桃花鋪1#隧道使用過(guò)，目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)其它類似TBM機(jī)械可進(jìn)行類比，因此可對(duì)此TBM進(jìn)行全壽命分析，將其壽命分為老、中、青3個(gè)時(shí)期，對(duì)不同時(shí)期的掘進(jìn)速度等參數(shù)進(jìn)行比較，為TBM不同使用時(shí)期的選型提供依據(jù)。其中秦嶺Ⅰ線隧道時(shí)該TBM屬于青年工作期，磨溝嶺隧道和桃花鋪隧道為中年工作期、中天山隧道為老年工作期，具體施工參數(shù)見(jiàn)表1所示。

1 中天山隧道TBM的主要技術(shù)參數(shù)

中天山隧道施工采用的TBM系20世紀(jì)90年代后期鐵道部從德國(guó)Wirth公司引進(jìn)了2臺(tái)?=8.80m的TB880E型敞開(kāi)式TBM，主要適用于硬巖隧道的掘進(jìn)施工，屬開(kāi)敞式硬巖TBM，對(duì)局部斷層破碎帶也有一定的通過(guò)能力。其主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表1　 中天山隧道TBM使用情況

2 TBM使用年限對(duì)掘進(jìn)參數(shù)的影響

掘進(jìn)速度按每月純掘進(jìn)時(shí)間和掘進(jìn)長(zhǎng)度來(lái)計(jì)算，比例為相應(yīng)速度區(qū)間內(nèi)掘進(jìn)速度所占比例，對(duì)秦嶺隧道、磨溝嶺隧道、桃花鋪隧道對(duì)應(yīng)相同圍巖級(jí)別的施工掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析，對(duì)應(yīng)的掘進(jìn)速度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖1～3所示。

對(duì)不同時(shí)期、不同圍巖級(jí)別下的TBM掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)表3所示。

圖1　 秦嶺隧道與中天山隧道Ⅱ級(jí)圍巖掘進(jìn)速度對(duì)比

圖2　 秦嶺隧道與中天山隧道Ⅲ級(jí)圍巖掘進(jìn)速度對(duì)比

圖3　 秦嶺隧道與中天山隧道Ⅳ級(jí)圍巖掘進(jìn)速度對(duì)比

表2　 TB880E型敞開(kāi)式TBM主要技術(shù)參數(shù)

表3　 各時(shí)期TBM掘進(jìn)參數(shù)對(duì)比

通過(guò)以上分析可以看出，在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖條件下，隨著TBM機(jī)械的老化，到老年時(shí)期時(shí)，由于掘進(jìn)機(jī)所能提供的推進(jìn)壓力和推進(jìn)扭矩減小，其掘進(jìn)效率明顯降低。此間變化和圍巖級(jí)別之間也存在著一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，具體表現(xiàn)為：①在Ⅱ級(jí)圍巖情況下，處于青年時(shí)期的掘進(jìn)機(jī)在秦嶺隧道施工時(shí)提供的推進(jìn)壓力明顯大于老年期時(shí)的中天山隧道施工，因此其掘進(jìn)效率也明顯優(yōu)于中天山隧道，青年掘進(jìn)速度約為老年時(shí)期的1.5倍；②在Ⅲ級(jí)圍巖情況下，處于青年時(shí)期的掘進(jìn)機(jī)在秦嶺隧道施工時(shí)提供的推進(jìn)壓力和推進(jìn)扭矩均大于老年時(shí)期的中天山隧道施工，因此其掘進(jìn)效率也明顯優(yōu)于中天山隧道，青年掘進(jìn)速度約為老年時(shí)期的2倍；③在Ⅳ級(jí)圍巖情況下，在適應(yīng)圍巖條件的同時(shí)處于中年時(shí)期的掘進(jìn)機(jī)在磨溝嶺隧道、桃花鋪隧道施工時(shí)也提供了較老年時(shí)期的中天山隧道施工更大的推進(jìn)壓力和推進(jìn)扭矩，因此其掘進(jìn)效率也明顯優(yōu)于老年時(shí)期的中天山掘進(jìn)施工，中年掘進(jìn)速度約為老年時(shí)期的2.5倍；④在Ⅴ級(jí)圍巖情況下，地質(zhì)圍巖條件復(fù)雜，掘進(jìn)時(shí)的推進(jìn)壓力和推進(jìn)扭矩選取在兩個(gè)時(shí)期都較小，但由于老年時(shí)期機(jī)械自身故障增多，性能下降等，導(dǎo)致老年時(shí)期的掘進(jìn)效率也低于中年時(shí)期，中年時(shí)期的掘進(jìn)速度約為老年時(shí)期的3倍。

3 TBM使用年限對(duì)機(jī)械利用率的影響

通過(guò)對(duì)秦嶺隧道、中天山隧道施工月作業(yè)時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，TBM青老年時(shí)期機(jī)械利用率對(duì)比見(jiàn)表4所示。

表4　 各時(shí)期TBM機(jī)械利用率對(duì)比

通過(guò)機(jī)械利用率的對(duì)比可以看出，由于設(shè)備的老化，機(jī)械故障增多，刀具更換時(shí)間增加，維修保養(yǎng)耗時(shí)也在增長(zhǎng)，而相應(yīng)壓縮了地質(zhì)變化、支護(hù)、施工組織管理等在停機(jī)時(shí)間中的比率，從而導(dǎo)致機(jī)械掘進(jìn)作業(yè)時(shí)間比率在明顯減小，老年期月進(jìn)尺不如青年期。具體表現(xiàn)為：①在Ⅱ級(jí)圍巖情況下，青年期（秦嶺Ⅰ線隧道）平均月進(jìn)尺約為老年期（中天山隧道）的1.4倍；②在Ⅲ級(jí)圍巖情況下，青年期（秦嶺Ⅰ線隧道）的掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)作業(yè)時(shí)間比率約為老年期的1.2倍，從停機(jī)原因中，可以看到老年期由于設(shè)備故障耽誤了大量的時(shí)間，其所占比率約為青年期的2倍。但老年平均月進(jìn)尺較高些，主要是因?yàn)橹刑焐讲糠纸y(tǒng)計(jì)的Ⅲ級(jí)圍巖主要為變質(zhì)砂巖段，較秦嶺的花崗巖段，巖石強(qiáng)度較低，更適合于掘進(jìn)；③在Ⅳ級(jí)圍巖情況下，盡管由于秦嶺掘進(jìn)到Ⅳ級(jí)圍巖時(shí)，機(jī)器維修占用了大量時(shí)間，但其性能仍優(yōu)于老年期。

4 結(jié)論與總結(jié)

中天山隧道所用TBM曾在秦嶺Ⅰ線隧道使用過(guò)，通過(guò)對(duì)兩個(gè)時(shí)期TBM使用年限和掘進(jìn)里程變化對(duì)掘進(jìn)性能和速度的影響分析，得到了以下幾條用以指導(dǎo)TBM選型的體會(huì)：①對(duì)TBM機(jī)械的掘進(jìn)效率來(lái)說(shuō)，除了受到圍巖級(jí)別的影響，還因機(jī)械的使用年限而存在顯著差異；②隨著TBM機(jī)械的老化，到老年時(shí)期時(shí)，由于掘進(jìn)機(jī)所能提供的推進(jìn)壓力和推進(jìn)扭矩減小，其掘進(jìn)效率明顯降低；③設(shè)備使用年限增加后，設(shè)備老化，機(jī)械故障增多，刀具更換時(shí)間增加，維修保養(yǎng)耗時(shí)也在增長(zhǎng)，而相應(yīng)壓縮了地質(zhì)變化、支護(hù)、施工組織管理等在停機(jī)時(shí)間中的比率，從而導(dǎo)致機(jī)械掘進(jìn)作業(yè)時(shí)間比率在明顯減小老年期月進(jìn)尺不如青年期。而老年期由于設(shè)備故障耽誤了時(shí)間所占比率約為青年期的2倍，成為掘進(jìn)效率降低的主要原因。

由于國(guó)內(nèi)目前尚無(wú)其它TBM類似工程使用經(jīng)驗(yàn)，因此本文得出的結(jié)論可在以后工程實(shí)踐中補(bǔ)充實(shí)例進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析，亦可為類似TBM機(jī)械的使用、選型、經(jīng)濟(jì)對(duì)比等提供參考。

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（編輯 張海霞）

［中圖分類號(hào)］TU67

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］B

［文章編號(hào)］1001-1366（2015）02-0060-03

［收稿日期］2015-01-26

Infl uence of TBM age on mechanical performance and driving speed