尼泊爾巴瑞巴貝引水隧道工程項目TBM刀具選型

胡天然

（中鐵二局工程有限公司城通分公司，四川 成都 610306）

1 概述

全斷面巖石隧道掘進機（Tunnel Boring Machine），簡稱TBM，因其掘進速度快，地質(zhì)適宜性強，能夠同時實現(xiàn)開挖掘進和襯砌管片拼裝的平行交叉作業(yè)等而逐漸被長大隧道推廣運用。但是，在TBM施工過程中，TBM刀具的不正確配置會在一定程度上增加工程項目成本，甚至還會導致工期延誤，特別是在地質(zhì)復雜和地勘粗略的長大山嶺隧道中，這種情況尤為突出。國內(nèi)外刀具種類眾多，質(zhì)量參差不齊，選擇刀具至關(guān)重要。

2 工程概況

2.1 工程簡介

尼泊爾巴瑞巴貝引水隧道工程項目工程引水隧道為單線隧道，線路全長12.2 km，采用TBM工法施工。成型隧道過水斷面4.2 m，建成后，可灌溉尼泊爾中西部與遠西部交界處的巴迪亞和班克地區(qū)51 000 hm2的農(nóng)田，解決該區(qū)域極度缺水的問題。同時，還可利用約152 m的水位差異建造發(fā)電站，為尼泊爾提供48 MW的電力支持。

2.2 地質(zhì)和水文情況

該工程地質(zhì)位于亞喜馬拉雅，由中新世中期至更新世早期的河流沉積組成，分為西瓦利克下段、西瓦利克中段和西瓦利克上段（Auden，1935）。隧道與區(qū)域巖體分層線基本垂直，沿線貫穿西瓦利克上中下地層，主要由泥巖、砂巖、礫巖組成，總體屬軟巖地層，最高強度為55.38 MPa，砂巖地層石英含量豐富。工程區(qū)地下水補給來源主要為大氣降水，地下水分為孔隙潛水和基巖裂隙潛水。

3 TBM刀具選型要素

3.1 刀具選型依據(jù)

刀具選型依據(jù)主要有以下幾點：①需與地質(zhì)特性充分匹配，對于長距離軟巖地層，要保證切削效率；②對于全風化軟土地層（尤其是泥巖），需具備良好的適應(yīng)性，防止黏刀、偏磨、刀盤扭矩過大；③對于石英含量高的砂巖地層，需具備較高的耐磨性；④對于長隧道，除了刀圈匹配性外，對刀具軸承、刀轂、密封適應(yīng)性的要求同樣很高；⑤按照軟巖的特性，刀具硬度不是主控指標，綜合性能至關(guān)重要，但仍需充分考慮在可能出現(xiàn)的極端地層條件下的匹配性。

3.2 刀具選型方案

由于尼泊爾的地域特殊性和TBM工況特性，刀具針對性選擇主要包含3個方面的內(nèi)容：①市場調(diào)查。初選一批有自主研發(fā)、設(shè)計、制造能力，并具同類業(yè)績的供應(yīng)商。②國內(nèi)試驗。邀請合格供應(yīng)商參與試驗，提供樣品和性能參數(shù)，同時，在國內(nèi)進行關(guān)鍵指標的物理性能試驗，選擇備選供應(yīng)商。③試掘進試驗。將備選供應(yīng)商的樣品刀具送至施工現(xiàn)場，通過500 m試掘進階段進行實際性能測評，優(yōu)中選優(yōu)確定滿足項目TBM掘進條件、技術(shù)服務(wù)優(yōu)質(zhì)的作為備選供應(yīng)商，然后再進行招標和價格比選。

3.3 市場調(diào)查

在國內(nèi)外50余家供應(yīng)商中，通過對其資質(zhì)、自主研發(fā)能力、業(yè)績、刀具性能和技術(shù)服務(wù)等的考察，選擇8家參與刀具選型和國內(nèi)試驗。

3.4 國內(nèi)試驗

刀圈作為滾刀最核心的部件，為了簡化評定流程，重點進行刀圈物理力學性質(zhì)解剖分析。供應(yīng)商各提供2把17寸的單刃滾刀樣品，隨機取1把用于解剖取樣檢測，另1把封存于現(xiàn)場，防止在試驗階段質(zhì)量達標、入圍后供應(yīng)質(zhì)量不達標的情況發(fā)生。同時，委托國內(nèi)專業(yè)的試驗室對試驗刀具進行切割取樣和物理試驗。

3.4.1 取樣

在平行于刀圈直徑方向用線切割取寬度為55 mm的樣塊，在樣塊上沿平行圓周切線方向取5個10.2 mm×10.2 mm標準試樣毛坯作為一組，并按照國標GB/T299—2007的要求，磨削4個V形口或U形口作為試驗樣品。樣品編號為：前1位數(shù)為供應(yīng)商編號，后1位數(shù)為樣品順序號，比如“1-1”為1#供應(yīng)商1號樣品。

3.4.2 室內(nèi)試驗

試驗檢測指標包括：基本硬度值，沖擊韌度值，金相圖，晶粒度評定。室內(nèi)試驗指標及標準如表1所示。

表1 室內(nèi)試驗指標及標準一覽表

圖1 國內(nèi)試驗——洛氏硬度曲線圖

圖2 國內(nèi)試驗——沖擊韌性曲線圖

表2 國內(nèi)試驗——晶粒度表

3.4.3 試驗結(jié)果

洛氏硬度如圖1所示。國內(nèi)沖擊韌性試驗曲線如圖2所示。金相組織的相關(guān)內(nèi)容如表2和圖3所示。通過對刀具洛氏硬度、沖擊韌性、金相組織的對比，發(fā)現(xiàn)綜合性能比較好的是6#、2#、8#和4#刀具供應(yīng)商，所以，將它們作為第三階段現(xiàn)場測試的備選供應(yīng)商，相關(guān)排名如表3所示。

3.5 現(xiàn)場試驗

3.5.1 現(xiàn)場測試方案

刀盤開挖直徑5.06 m，共33把刀，平均刀間距83 mm，刀盤最大轉(zhuǎn)速為11.4 r/min。由于邊刀磨耗速率大于面刀，為了快速測試刀具的各項性能指標，從4個廠家中各隨機抽取1把試驗刀與30#、31#、32#、33#號刀座的原裝刀具更換。刀座信息如表4所示。

圖3 國內(nèi)試驗——晶粒度曲線圖

表3 國內(nèi)試驗——綜合排名前四清單

表4 TBM刀盤部分刀座信息表

現(xiàn)場測試時，當設(shè)備掘進至70 m時，掌子面出現(xiàn)砂泥巖互層，具備現(xiàn)場測試刀具的條件，并再掘進150 m后，再進行兩兩二次互換，然后繼續(xù)掘進150 m。每日測量刀具的崩刃、偏磨、漏油、溫度和磨耗程度。刀具安裝位置如表5、圖4所示。

表5 現(xiàn)場試驗刀具安裝計劃表

圖4 前150 m試驗刀具安裝位置圖

圖5 現(xiàn)場試驗刀具溫度曲線圖

圖6 現(xiàn)場試驗刀刀圈磨耗曲線圖

表6 現(xiàn)場試驗階段刀具供應(yīng)商排名表

3.5.2 測試階段掘進參數(shù)

在55～500 m范圍內(nèi)均屬于砂泥巖互層，局部含有礫巖和砂巖夾層，整體地質(zhì)穩(wěn)定，TBM掘進參數(shù)正常，所以，可排除地層和掘進參數(shù)的差異對現(xiàn)場刀具測試的影響。

3.5.3 刀具測試結(jié)果

在刀具現(xiàn)場試驗期間，試驗刀具均不存在崩刃、偏磨、漏油等質(zhì)量問題，這主要是因為溫度和刀圈磨耗不同。

3.5.3.1 溫度測試

現(xiàn)場試驗刀具溫度變化曲線如圖5所示。觀察刀具溫度測試記錄發(fā)現(xiàn)，試驗刀具的溫度在測量時基本一致，未出現(xiàn)個別刀具與其他刀具溫差比較大的情況，測溫曲線正常。

3.5.3.2 磨耗測試

2017-11-13—2017-11-22為前150 m測試時間，2017-11-23—2017-12-03為后150 m測試時間，磨損曲線如圖6所示。由刀圈磨耗曲線可知，在2017-11-22前，即掘進長度為142 m前，4家供應(yīng)商的刀具磨耗完全一致，2017-11-23刀具位置互換后，2#供應(yīng)商的刀具磨耗明顯增大，4#和8#供應(yīng)商基本一致，6#供應(yīng)商的刀具磨耗最小。另一方面，2#試驗刀具為厚刃口刀圈，其余3家為標準刃口刀圈，具體排名如表6所示。

3.6 測試結(jié)論

結(jié)合市場調(diào)查、國內(nèi)試驗和現(xiàn)場測試的情況，可以明確最適合該工程項目的TBM刀具，并結(jié)合報價和現(xiàn)場服務(wù)情況，為刀具招標提供技術(shù)資料。供應(yīng)商綜合排名依次為6#、8#、4#、2#。

4 結(jié)束語

由于TBM高度機械化和自動化，被廣泛用于隧道施工。同時，因為地質(zhì)的復雜性和粗略性，TBM刀具的合理配置將直接影響項目成本和掘進效率，特別是在不可預見的不良地層條件下，更要減少換刀、清刀的時間，降低施工風險。國內(nèi)外TBM刀具供應(yīng)商數(shù)量眾多，發(fā)展不一，各個供應(yīng)商研究的方向和發(fā)展市場也不一樣，如果不能選擇最適合工程項目的刀具，就會導致施工成本高、工期長，影響刀盤結(jié)構(gòu)，甚至引發(fā)工程事故。所以，TBM刀具的選型極為重要，首先需充分考慮刀具物理性能與地質(zhì)的一致性，根據(jù)地質(zhì)情況選擇合理的刀具，不要一味地追求高硬度、高韌性；其次需綜合考慮經(jīng)濟分析；最后應(yīng)根據(jù)實際推進情況，不斷優(yōu)化刀具選型，使之更加匹配工程項目的實際情況。

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