復(fù)雜地質(zhì)條件下雙護(hù)盾TBM 掘進(jìn)性能研究

楊繼華，閆長(zhǎng)斌

（1.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司， 河南 鄭州 450003；2.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

在水利水電、鐵路、公路、國(guó)防及城市軌道交通等領(lǐng)域的長(zhǎng)隧洞施工中，隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）以其快速、安全、 優(yōu)質(zhì)、 高效的特點(diǎn)正得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用［1-4］。

TBM 掘進(jìn)是機(jī)（TBM）-巖（圍巖）相互作用的過程。 一方面，TBM 通過推力、刀盤旋轉(zhuǎn)作用到開挖面巖體上，從而破碎圍巖獲得掘進(jìn)速度；另一方面，巖體對(duì)刀具有一定的磨損，對(duì)TBM 的推進(jìn)、驅(qū)動(dòng)及出渣系統(tǒng)產(chǎn)生一定負(fù)荷，可能造成設(shè)備的故障，從而降低TBM 的利用率。 TBM 掘進(jìn)性能是機(jī)-巖相互作用的結(jié)果。 在掘進(jìn)性能的各項(xiàng)指標(biāo)中，TBM 的利用率、滾刀損耗及掘進(jìn)速度是重點(diǎn)指標(biāo)，直接關(guān)系到施工成本及施工工期［5-6］。 對(duì)于長(zhǎng)隧洞，地質(zhì)條件往往復(fù)雜多變，不同地質(zhì)條件下機(jī)-巖的相互作用差別較大。 因此，研究復(fù)雜地質(zhì)條件下的TBM 的利用率、滾刀損耗及掘進(jìn)速度等對(duì)于提高TBM 的掘進(jìn)性能具有重要的意義。

針對(duì)TBM 掘進(jìn)性能問題，較多學(xué)者及工程技術(shù)人員開展了相關(guān)的研究：龔秋明等［7］采用RMR 法巖體分類系統(tǒng)預(yù)測(cè)了TBM 利用率，得出了TBM 利用率與RMR 正相關(guān)、施工速度隨RMR 增大而增大的結(jié)論；石曲［8］分析了影響開敞式TBM 掘進(jìn)效率的主要因素，并提出了設(shè)備改進(jìn)建議；楊慶輝［9］研究了錦屏二級(jí)水電站引水隧洞的開敞式TBM 掘進(jìn)效率的主要影響因素，包括掘進(jìn)模式、掘進(jìn)參數(shù)、地質(zhì)條件及初期支護(hù)等；吳曉志［10］、楊曉迎等［11］分別以中天山鐵路隧道、大伙房輸水隧洞為例，在分析開敞式TBM 掘進(jìn)效率的基礎(chǔ)上，提出了提高TBM 掘進(jìn)效率的建議。

但以上研究多集中在開敞式TBM 施工，而對(duì)雙護(hù)盾TBM 涉及較少，雙護(hù)盾TBM 在掘進(jìn)模式、支護(hù)方式等方面與開敞式TBM 有較大的不同，在掘進(jìn)性能方面有一定的差別。 本文以蘭州市水源地建設(shè)工程輸水隧洞TBM1 施工段雙護(hù)盾TBM 施工為工程背景，研究復(fù)雜地質(zhì)條件下TBM 的掘進(jìn)性能，并提出提高TBM 掘進(jìn)性能的幾點(diǎn)思考，以供類似工程參考。

1 工程概況

蘭州市水源地建設(shè)工程輸水隧洞全長(zhǎng)31.57 km，其中TBM1 施工段長(zhǎng)10.728 km，采用1 臺(tái)雙護(hù)盾TBM施工，開挖洞徑5.48 m，管片襯砌后洞徑4.60 m［12-14］。

輸水隧洞最大埋深約550 m，平均埋深約400 m；隧洞沿線穿越的地層巖性較為復(fù)雜，主要有加里東中期石英閃長(zhǎng)巖、前震旦系馬銜山群黑云石英片巖和角閃石英片巖、加里東中期花崗巖、白堊系下統(tǒng)河口群泥質(zhì)砂巖與泥巖互層、砂礫巖等。 其中，石英閃長(zhǎng)巖、石英片巖、花崗巖為硬巖，泥質(zhì)砂巖為軟巖。 隧洞各類巖性地層比例見圖1。 根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50487—2008）［15］附錄N 的圍巖分類方法，該隧洞以Ⅱ類、Ⅲ類圍巖為主，各類圍巖比例見圖2。 隧洞沿線的地下水類型主要為第四系孔隙潛水、基巖裂隙水，隧洞總體位于地下水位以下。 隧洞區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)的三向應(yīng)力特征為σH＞σh＞σV，最大主應(yīng)力方向NE40°—NE70°，與輸水隧洞主洞方向接近平行，最大水平應(yīng)力與自重應(yīng)力之比為1.5～2.9。

圖1 隧洞各類巖性地層比例

圖2 隧洞各類圍巖比例

輸水隧洞地層巖性多，存在多處巖性分界及接觸帶，隧洞施工中不良地質(zhì)條件易造成破碎帶節(jié)理密集帶塌方、涌水及圍巖大變形等，總體地質(zhì)條件較為復(fù)雜。

該工程所采用的雙護(hù)盾TBM 技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 雙護(hù)盾TBM 技術(shù)參數(shù)

2 TBM 利用率分析

TBM 利用率一般定義為純掘進(jìn)時(shí)間與施工時(shí)間的比值［16-17］。 在相同的地質(zhì)條件下，TBM 利用率越高，則掘進(jìn)進(jìn)尺越大。 雙護(hù)盾TBM 利用率受多種因素的影響，如掘進(jìn)模式、掘進(jìn)參數(shù)、設(shè)備故障、刀具更換、不良地質(zhì)條件處理等。

2.1 TBM 整體利用率分析

圖3 為蘭州市水源地建設(shè)工程輸水隧洞TBM1 施工段施工期間TBM 利用率統(tǒng)計(jì)（由于2017 年9 月TBM 在滑行步進(jìn)，沒有掘進(jìn)，因此沒有數(shù)據(jù)）。 在整個(gè)施工期間TBM 的平均利用率為27.8%，在掘進(jìn)初始階段的兩個(gè)月內(nèi)，利用率分別為16.7%和25.8%，低于平均利用率，這主要是因?yàn)樵O(shè)備處于調(diào)試及試掘進(jìn)階段，設(shè)備故障率較高。 隨著設(shè)備調(diào)試及試掘進(jìn)的完成，利用率基本維持在30%以上，與國(guó)內(nèi)外其他工程對(duì)比，這基本上處于正常水平。 受硬巖段刀具大量更換及設(shè)備故障等的影響，在2016 年11 月—2017 年3 月，TBM利用率降低到30%以下；在2017 年4—5 月，發(fā)生了卡機(jī)和涌水事件，TBM 的掘進(jìn)基本上處于停滯狀態(tài)，因此兩時(shí)段利用率僅為1.9%和16.7%；隨后在2017 年6—12 月，利用率多在30%以上，最高達(dá)到了40.2%；2018 年1 月發(fā)生了兩次卡機(jī)事件，利用率只有19.3%。

圖3 不同月份TBM 利用率統(tǒng)計(jì)

2.2 不同地質(zhì)條件下利用率分析

表2 為不同地質(zhì)條件下TBM 利用率統(tǒng)計(jì)。 在表2中：純掘進(jìn)時(shí)間是指正常掘進(jìn)的時(shí)間；換步時(shí)間是雙護(hù)盾模式下每掘進(jìn)循環(huán)結(jié)束后，主推進(jìn)油缸復(fù)位，支撐靴重新?lián)尉o洞壁所需要的時(shí)間，一般為5 ～10 min；刀具問題時(shí)間指的是刀具更換、刀盤內(nèi)刀具維修所占用的時(shí)間；設(shè)備故障時(shí)間指的是推進(jìn)油缸、導(dǎo)向系統(tǒng)、管片拼裝機(jī)、豆礫石吹填系統(tǒng)等故障的停機(jī)時(shí)間；管片拼裝時(shí)間主要有兩個(gè)，一是雙護(hù)盾模式下，管片拼裝和掘進(jìn)同時(shí)進(jìn)行，管片每環(huán)拼裝時(shí)間多出每環(huán)掘進(jìn)的時(shí)間，二是單護(hù)盾模式下每環(huán)掘進(jìn)停止后，拼裝管片所需要的時(shí)間；連續(xù)皮帶機(jī)時(shí)間指皮帶機(jī)跑偏、皮帶割裂、托輥損壞所導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間；其他指的是皮帶硫化、設(shè)備強(qiáng)制維保、設(shè)備部件更換及其他所導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間。

由表2 可以看出地質(zhì)條件對(duì)TBM 的利用率影響較大。 對(duì)于Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類圍巖，TBM 利用率隨著圍巖類別的降低而提高，如Ⅱ類石英片巖的利用率為26.8%，而Ⅲ類和Ⅳ類石英片巖分別提高至41.6%和42.5%，石英閃長(zhǎng)巖、花崗巖及泥質(zhì)砂巖也有類似的規(guī)律。 其主要原因如下：①圍巖類別越高，其巖石強(qiáng)度及巖體完整性越高，TBM 破巖掘進(jìn)則需要較高的推力，長(zhǎng)時(shí)間在高負(fù)荷的條件下工作，TBM 的設(shè)備故障率明顯升高；而從不同地質(zhì)條件下TBM 設(shè)備故障時(shí)間占總時(shí)間百分比來(lái)看，隨著圍巖類別的降低，設(shè)備故障率逐漸下降。 ②圍巖類別越高，刀具的損耗越大，刀具更換及維修所占用的時(shí)間越多，從而純掘進(jìn)時(shí)間減少。 但是，由不同地質(zhì)條件下TBM 刀具問題占總時(shí)間百分比可以看出，隨著圍巖類別的降低，相同巖性條件下刀具問題時(shí)間亦減少。

表2 不同地質(zhì)條件下TBM 利用率統(tǒng)計(jì)

對(duì)于Ⅴ類花崗巖及泥質(zhì)砂巖，TBM 利用率下降明顯，分別為1.4%及5.4%，主要是由于在Ⅴ類花崗巖洞發(fā)生了圍巖擠壓變形導(dǎo)致的卡機(jī)及破碎圍巖涌水事故，不得不停機(jī)處理，時(shí)間長(zhǎng)達(dá)近2 個(gè)月，在Ⅴ類泥質(zhì)砂巖洞段發(fā)生了軟巖收斂變形導(dǎo)致的卡機(jī)事故，共花費(fèi)了20 余d 進(jìn)行處理。

由以上分析可以看出，雙護(hù)盾TBM 利用率與開敞式TBM 利用率差別較大，開敞式TBM 在局部穩(wěn)定性差和不穩(wěn)定的Ⅲ類、Ⅳ類圍巖中施工時(shí)，為保證圍巖的穩(wěn)定及人員、設(shè)備的安全，需要停機(jī)進(jìn)行鋼筋排、錨桿、掛網(wǎng)、鋼拱架、灌漿及噴混凝土等初期支護(hù)，同時(shí)為保證有足夠的支撐反力，有時(shí)需要對(duì)撐靴部位圍巖進(jìn)行加固，這會(huì)大量占用掘進(jìn)時(shí)間，導(dǎo)致設(shè)備利用率較低［18-19］。 而雙護(hù)盾TBM 施工時(shí)，受護(hù)盾的保護(hù)作用，少量的頂拱圍巖坍塌不需要進(jìn)行初期支護(hù)，也不影響管片的安裝；在軟弱破碎圍巖洞段可采用輔助推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行單護(hù)盾模式掘進(jìn)，亦不需要加固撐靴處圍巖。因此，在Ⅲ類、Ⅳ類圍巖中掘進(jìn)時(shí)，雙護(hù)盾TBM 可保持較高的設(shè)備利用率，這也是雙護(hù)盾TBM 相對(duì)于開敞式TBM 的優(yōu)勢(shì)所在。 但在Ⅴ類圍巖洞段，斷層破碎帶塌方、涌水、圍巖收斂變形等不良地質(zhì)問題較多，雙護(hù)盾TBM 超前處理手段較少，易發(fā)生卡機(jī)、TBM 掘進(jìn)受阻等事故，TBM 利用率極低，在蘭州水源地建設(shè)工程輸水隧洞的花崗巖及泥質(zhì)砂巖的Ⅴ類圍巖洞段，發(fā)生了卡機(jī)及涌水等事故，TBM 利用率僅為1.4%及5.4%，遠(yuǎn)低于正常掘進(jìn)時(shí)的利用率。

3 滾刀損耗分析

在TBM 掘進(jìn)過程中，受巖石的摩擦、沖擊等作用，會(huì)發(fā)生滾刀的正常磨損、偏磨、刀圈斷裂、漏油、斷軸等損耗。 大量的滾刀損耗及更換，一方面會(huì)占用施工時(shí)間、降低TBM 的利用率及掘進(jìn)速度，另一方面會(huì)顯著增加施工成本［20-22］。 滾刀的損耗受多種因素的影響，如地質(zhì)條件、滾刀質(zhì)量及掘進(jìn)參數(shù)等，其中地質(zhì)條件是客觀因素，其對(duì)滾刀的損耗起主要作用。 蘭州市水源地建設(shè)工程輸水隧洞TBM1 施工段存在較高比例的石英閃長(zhǎng)巖、石英片巖、花崗巖等硬巖段，其對(duì)滾刀的損耗不容忽視，研究不同地質(zhì)條件下的滾刀損耗規(guī)律對(duì)類似工程降低滾刀的損耗具有一定的參考意義。

蘭州市水源地建設(shè)工程輸水隧洞TBM1 施工段開挖洞徑5.48 m，刀盤上共配備盤形滾刀37 把，共掘進(jìn)長(zhǎng)度10.729 km，施工中損耗滾刀708 把，平均每15.15 m損耗1 把滾刀。 隧洞沿線地質(zhì)條件復(fù)雜，地層巖性共有石英閃長(zhǎng)巖、石英片巖、花崗巖、泥質(zhì)砂巖4 種，而每種巖性亦有不同的類別。 對(duì)不同地質(zhì)條件下的滾刀損耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

表3 不同地質(zhì)條件下滾刀損耗統(tǒng)計(jì)

對(duì)于泥質(zhì)砂巖等軟巖段，其滾刀損耗明顯低于石英閃長(zhǎng)巖、石英片巖及花崗巖等硬巖段，對(duì)比地質(zhì)資料，單軸飽和抗壓強(qiáng)度石英片巖為135 ～175 MPa、石英閃長(zhǎng)巖為90 ～147 MPa、花崗巖為127～134 MPa、泥質(zhì)砂巖為11～85 MPa，可以看出巖石強(qiáng)度對(duì)滾刀的損耗影響較大，單軸飽和抗壓強(qiáng)度高的巖石對(duì)滾刀的損耗明顯高于單軸飽和抗壓強(qiáng)度低的巖石。

對(duì)于硬巖，石英閃長(zhǎng)巖的滾刀損耗高于石英片巖及花崗巖，如Ⅱ類石英閃長(zhǎng)巖、石英片巖及花崗巖洞段每把滾刀的平均掘進(jìn)距離分別為6.82、9.85、16.96 m，3 種巖石的單軸飽和抗壓強(qiáng)度相差較小，但3 種巖石的石英、長(zhǎng)石等耐磨性礦物含量相差較大，導(dǎo)致其滾刀損耗有較大的差異。

對(duì)于同一種巖性，無(wú)論是硬巖還是軟巖，隨著圍巖類別的降低，滾刀損耗隨之降低。 如Ⅱ類石英片巖平均每掘進(jìn)9.85 m 消耗1 把滾刀，而Ⅲ類石英片巖則延長(zhǎng)至23.23 m，Ⅳ類石英片巖進(jìn)一步延長(zhǎng)至66.00 m，石英閃長(zhǎng)巖、花崗巖也有類似的規(guī)律。 究其原因，這與TBM 滾刀破巖機(jī)制相關(guān)：在刀盤推力的作用下，TBM滾刀刀圈壓入巖石，在巖石中產(chǎn)生微裂紋，當(dāng)相鄰滾刀間的裂紋貫通后會(huì)形成巖片剝落，TBM 完成破巖。 在破巖的過程中，如果巖石堅(jiān)硬完整，其對(duì)滾刀的損耗主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：①完整硬巖中滾刀貫入度較低，為增加貫入度進(jìn)而提高掘進(jìn)速度，需要增加推力，刀具受力大，磨損及發(fā)生非正常損壞的可能性大；②硬巖中的貫入度往往低于軟巖，在相同掘進(jìn)距離下，刀盤需要轉(zhuǎn)動(dòng)更多的轉(zhuǎn)數(shù)，滾刀在開挖巖石面的摩擦距離長(zhǎng)，從而磨損量增大。 隨著圍巖類別的降低，巖石的強(qiáng)度及完整性均會(huì)降低，巖體中本身存在較多的節(jié)理裂隙，在不需要較大推力的情況下即可獲得較高的貫入度，且在相同的掘進(jìn)距離條件下，刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)數(shù)少，滾刀與開挖巖石面的摩擦距離短，因此軟弱破碎圍巖對(duì)滾刀的損耗小。

對(duì)比國(guó)內(nèi)其他工程，蘭州市水源地建設(shè)工程輸水隧洞TBM1 施工段的滾刀損耗低于西康鐵路秦嶺隧道及引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞的花崗巖洞段的滾刀損耗，總體上處于正常損耗的范圍。

4 掘進(jìn)速度分析

掘進(jìn)速度是TBM 施工評(píng)價(jià)中的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)隧洞早日貫通、發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益具有重要的意義。 在國(guó)內(nèi)外的TBM 掘進(jìn)速度評(píng)價(jià)中，常采用兩個(gè)指標(biāo)來(lái)表示掘進(jìn)速度，即凈掘進(jìn)速度及平均掘進(jìn)速度。 凈掘進(jìn)速度又稱貫入速度（penetrate rate，簡(jiǎn)寫為PR），指的是TBM 掘進(jìn)時(shí)單位時(shí)間的進(jìn)尺，單位為mm／min 或m／h，其主要影響因素為地質(zhì)條件、設(shè)備性能等。 平均掘進(jìn)速度又稱施工速度（advance rate，簡(jiǎn)寫為AR），指的是一段時(shí)間內(nèi)TBM 進(jìn)尺，一般用平均日進(jìn)尺、平均周進(jìn)尺、平均月進(jìn)尺等表示，計(jì)算時(shí)包括掘進(jìn)時(shí)間和停機(jī)時(shí)間。 日平均掘進(jìn)速度為凈掘進(jìn)速度與TBM 利用率的乘積。

式中：AR為日平均掘進(jìn)速度；PR為凈掘進(jìn)速度；U為TBM 利用率。

掘進(jìn)速度是TBM 與圍巖相互作用的結(jié)果，其體現(xiàn)在不同地質(zhì)條件下的TBM 掘進(jìn)參數(shù)，每種地質(zhì)條件均有其對(duì)應(yīng)的最優(yōu)掘進(jìn)參數(shù)，如在完整硬巖段，一般采用高推力、高轉(zhuǎn)速、低扭矩掘進(jìn)；而在軟弱破碎圍巖段，多采用低推力、低轉(zhuǎn)速、高扭矩掘進(jìn)。

蘭州市水源地建設(shè)工程輸水隧洞TBM1 施工段不同地質(zhì)條件下所采用的掘進(jìn)參數(shù)及凈掘進(jìn)速度見表4。

表4 不同地質(zhì)條件下掘進(jìn)參數(shù)及凈掘進(jìn)速度

由表4 可以看出，對(duì)于Ⅱ類石英閃長(zhǎng)巖，其刀盤推力達(dá)到了8 000～11 000 kN，基本上達(dá)到了所有滾刀的最大承載力，刀盤轉(zhuǎn)速維持在高轉(zhuǎn)速，而其貫入度僅為2 ～4 mm／r，凈掘進(jìn)速度為15～30 mm／min，每掘進(jìn)1 環(huán)（1.50 m）需要50～100 min，凈掘進(jìn)速度較低。 隨著圍巖類別的降低，所需的推力及刀盤轉(zhuǎn)速均降低，而貫入度及凈掘進(jìn)速度均明顯提高，如Ⅳ類石英片巖，在2 000～4 000 kN 的刀盤推力下，其最高凈掘進(jìn)速度可達(dá)到75 mm／min，是Ⅱ類圍巖的2～3 倍。

根據(jù)式（1）及不同地質(zhì)條件下的TBM 利用率，計(jì)算得出不同地質(zhì)條件下的TBM 日平均掘進(jìn)速度，見圖4。

圖4 不同地質(zhì)條件下的TBM 日平均掘進(jìn)速度統(tǒng)計(jì)

由圖4 可以看出，對(duì)于Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類圍巖，日平均掘進(jìn)速度隨著圍巖類別的降低而提高，如石英片巖，Ⅳ類圍巖時(shí)相對(duì)Ⅱ類時(shí)提高了216%，其他巖性與此規(guī)律類似。 其主要原因有兩點(diǎn)：一是TBM 利用率隨著圍巖類別的降低而提高；二是凈掘進(jìn)速度隨著圍巖類別的降低而提高。 在這兩者的共同影響下，日平均掘進(jìn)速度隨著圍巖類別的降低而大幅提高。 但對(duì)于Ⅴ類圍巖，雖然能獲得較高的凈掘進(jìn)速度，但由于發(fā)生涌水或卡機(jī)等事故，需要較長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)停機(jī)處理，導(dǎo)致TBM利用率極低，因此其日平均掘進(jìn)速度極低。

綜上所述，雙護(hù)盾TBM 在Ⅲ類、Ⅳ類圍巖條件下，能獲得較高的掘進(jìn)速度；而在Ⅱ類、Ⅴ類圍巖條件下，由于設(shè)備利用率、凈掘進(jìn)速度低等原因，導(dǎo)致掘進(jìn)速度較低。

5 結(jié) 論

以蘭州市水源地建設(shè)工程輸水隧洞復(fù)雜地質(zhì)條件下雙護(hù)盾TBM 施工為背景，分析TBM 利用率、滾刀損耗及掘進(jìn)速度，得到以下結(jié)論：

（1）只有在適宜的地質(zhì)條件下，TBM 才能發(fā)揮較好的掘進(jìn)性能，雙護(hù)盾TBM 在Ⅲ類、Ⅳ類圍巖條件下能獲得較高的設(shè)備利用率、掘進(jìn)速度及較低的滾刀損耗；而對(duì)Ⅱ類、Ⅴ類圍巖適應(yīng)性較差，TBM 利用率、掘進(jìn)速度等處于較低水平。

（2）雙護(hù)盾TBM 易在Ⅴ類圍巖中發(fā)生卡機(jī)事故，脫困處理一般需要較長(zhǎng)的時(shí)間，導(dǎo)致TBM 利用率極低，這是雙護(hù)盾TBM 應(yīng)用的明顯劣勢(shì)。 在今后的研究中，可重點(diǎn)研究在圍巖擠壓變形或收斂變形條件下的雙護(hù)盾TBM 快速通過技術(shù)，從而提高TBM 利用率，進(jìn)而提高掘進(jìn)速度。

（3）本文研究了TBM 利用率、滾刀損耗及掘進(jìn)速度與圍巖類別的關(guān)系，實(shí)際上圍巖類別受巖石強(qiáng)度、節(jié)理裂隙發(fā)育情況等多種因素的影響，下一步的研究可采用室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究TBM 的掘進(jìn)性能與巖石強(qiáng)度、節(jié)理裂隙發(fā)育程度的定量關(guān)系。