秦嶺隧洞花崗巖段掘進(jìn)機(jī)滾刀破巖規(guī)律及掘進(jìn)特征

趙力　蘇巖　王博　龔秋明　段慶偉　劉立鵬

摘要：為更好掌握TBM掘進(jìn)性能，以引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞花崗巖段為研究對(duì)象，通過(guò)滾刀破巖試驗(yàn)與施工參數(shù)分析，獲得了滾刀破巖機(jī)理，揭示了掘進(jìn)速度、設(shè)備利用率等TBM掘進(jìn)性能指標(biāo)的變化規(guī)律。結(jié)果表明：在設(shè)定地應(yīng)力條件下，隨著貫入度增加，滾刀法向力增大，且其變化幅度增加、變化頻率加快，增加了相鄰滾刀間形成大巖片的數(shù)量；高地應(yīng)力條件下，因多次發(fā)生巖爆，TBM平均掘進(jìn)速度、設(shè)備利用率均較低；現(xiàn)場(chǎng)貫入指標(biāo)、巖石掘進(jìn)效率指標(biāo)沿樁號(hào)的變化基本同步，但現(xiàn)場(chǎng)貫入指標(biāo)能更好評(píng)價(jià)TBM破巖性能。通過(guò)調(diào)整支護(hù)、清渣和施工組織方式，提高輔助作業(yè)效率，并及時(shí)調(diào)整TBM掘進(jìn)參數(shù)、改進(jìn)滾刀刀刃材質(zhì)，可保障TBM高效運(yùn)行，為該隧洞TBM后續(xù)掘進(jìn)提供相應(yīng)對(duì)策。

關(guān) 鍵 詞：花崗巖； TBM； 掘進(jìn)性能； 掘進(jìn)速度； 設(shè)備利用率； 貫入度； 秦嶺隧洞； 引漢濟(jì)渭工程

中圖法分類(lèi)號(hào)： TV53

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.04.024

0 引 言

隨著工程建設(shè)要求的提高和施工技術(shù)的不斷發(fā)展，全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）得到了廣泛應(yīng)用，其機(jī)械化程度高，在安全高效施工、環(huán)境保護(hù)、成本控制方面具有顯著優(yōu)勢(shì)［1］。TBM與巖石間相互作用機(jī)制復(fù)雜，施工過(guò)程中巖體條件的變化對(duì)TBM掘進(jìn)速度、設(shè)備利用率等會(huì)有較大影響，有可能導(dǎo)致工期延誤和經(jīng)濟(jì)損失，TBM的適應(yīng)性研究受到普遍關(guān)注［2-3］。TBM施工是動(dòng)態(tài)過(guò)程，隨著地質(zhì)環(huán)境的變化，需要對(duì)掘進(jìn)參數(shù)、施工方案等做出針對(duì)性調(diào)整，因此開(kāi)展TBM掘進(jìn)性能分析具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

TBM的掘進(jìn)性能研究一直是行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)，許多學(xué)者對(duì)此開(kāi)展了深入研究。朱學(xué)賢等［4］針對(duì)滇中引水工程的香爐山隧洞開(kāi)展了TBM法及鉆爆法施工方案研究。夏毅敏等［5］依托實(shí)際工程分析了TBM 掘進(jìn)參數(shù)與巖性地層相關(guān)性，得出不同巖性地層中推進(jìn)速度、總推力的平均值差距較大，且有較大波動(dòng)。黃俊閣［6］對(duì)TBM在高磨蝕性硬巖地段掘進(jìn)中掘進(jìn)速度的影響因素及敞開(kāi)式TBM適應(yīng)能力進(jìn)行了分析。薛亞?wèn)|等［7］選取巖石強(qiáng)度、巖體完整性、地下水狀態(tài)等5方面因素指標(biāo)，對(duì) TBM推力、貫入度、利用率和施工速度進(jìn)行了綜合分析。周建軍等［8］對(duì)深埋脆性硬巖條件下TBM施工開(kāi)展了針對(duì)性研究。施虎等［9］對(duì)復(fù)雜條件破巖、掘進(jìn)荷載傳遞、刀盤(pán)動(dòng)力學(xué)行為及刀盤(pán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，認(rèn)為通過(guò)提高TBM掘進(jìn)電液動(dòng)力傳遞效率，能夠提升TBM破巖效率，降低破巖能耗。近年來(lái)，在TBM掘進(jìn)性能預(yù)測(cè)方面也有較多研究。朱杰兵等［10］對(duì)TBM施工中巖石可鉆性測(cè)試與評(píng)價(jià)技術(shù)展開(kāi)了綜述，為刀盤(pán)設(shè)計(jì)、刀具磨損及掘進(jìn)速率預(yù)測(cè)提供了資料與參考。王健等［11］基于吉林引松供水工程TBM 數(shù)據(jù)庫(kù)，應(yīng)用RMR巖體分級(jí)系統(tǒng)對(duì)TBM的掘進(jìn)性能參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。杜立杰等［12］通過(guò)建立貫入度指數(shù)FPI與巖石單軸抗壓強(qiáng)度和完整性系數(shù)的多元回歸關(guān)系式，預(yù)測(cè)了貫入度和所需推力。曹瑞瑯等［13］對(duì)國(guó)內(nèi)外多個(gè)典型模型進(jìn)行參數(shù)分析，認(rèn)為巖體結(jié)構(gòu)不連續(xù)性是影響施工效率的最重要參數(shù)，建立適用于描述TBM施工新參數(shù)的關(guān)鍵在于描述TBM與巖體的相互作用。龔秋明等［14］采用NTNU模型和巖體特性預(yù)測(cè)模型對(duì)錦屏二級(jí)水電站引水隧洞TBM掘進(jìn)速度進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并與施工效果進(jìn)行了對(duì)比。此外，設(shè)備利用率是隧洞是否適于掘進(jìn)的另一體現(xiàn)，其高低體現(xiàn)了TBM對(duì)隧洞地質(zhì)條件的適應(yīng)程度。TBM利用率的準(zhǔn)確評(píng)估預(yù)測(cè)可降低工程的工期和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)［15］。刁振興等［16］結(jié)合TBM掘進(jìn)性能對(duì)TBM利用率進(jìn)行了分析研究。

本文針對(duì)引漢濟(jì)渭工程秦嶺輸水隧洞花崗巖洞段，采用室內(nèi)全尺寸滾刀破巖試驗(yàn)分析了不同貫入度條件下巖面及滾刀法向力等的變化規(guī)律?；赥BM掘進(jìn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)分析凈掘進(jìn)速度、平均掘進(jìn)速度、設(shè)備利用率、現(xiàn)場(chǎng)貫入指標(biāo)和巖石掘進(jìn)效率指標(biāo)等的變化，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況，對(duì)TBM現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)特征進(jìn)行了研究，可為T(mén)BM掘進(jìn)參數(shù)和進(jìn)度安排的調(diào)整提供指導(dǎo)依據(jù)。

1 工程概況

引漢濟(jì)渭工程是國(guó)家“十三五”期間172項(xiàng)重大水利工程之一，秦嶺輸水隧洞作為其控制性工程，連接長(zhǎng)江、黃河兩大流域，隧洞全長(zhǎng) 98.3 km，縱坡1/2 500，設(shè)計(jì)流量70 m3/s。隧洞埋深大，地應(yīng)力高，水平構(gòu)造應(yīng)力作用顯著，最大埋深2 012 m。隧洞沿線巖性復(fù)雜，如圖1所示，其中嶺北施工段以變質(zhì)砂巖、千枚巖、千枚巖夾變質(zhì)砂巖為主，局部地段為碳質(zhì)千枚巖、角閃石英片巖等，巖性屬中硬巖，在其中穿越兩條區(qū)域性大斷層、10條次一級(jí)斷層，這些斷層大都為壓剪性斷層，斷層影響帶寬度大；嶺南施工段以花崗巖、閃長(zhǎng)巖、石英巖為主，巖性屬硬巖，隧洞沿線發(fā)育有一條斷層。隧洞TBM施工長(zhǎng)度約39 km，采用2臺(tái)TBM相向施工，2臺(tái)掘進(jìn)機(jī)分別從3號(hào)、6號(hào)斜井運(yùn)入進(jìn)行組裝，隧洞斷面為直徑8.02 m的圓形，隧洞底部鋪設(shè)仰拱塊，選用皮帶機(jī)出渣。

2 TBM滾刀破巖規(guī)律分析

為了得到秦嶺隧洞花崗巖段TBM滾刀破巖的規(guī)律，開(kāi)展了室內(nèi)全尺寸滾刀破巖試驗(yàn)。根據(jù)引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞工程中TBM的設(shè)計(jì)參數(shù)，試驗(yàn)采用與現(xiàn)場(chǎng)相同型號(hào)的19″盤(pán)形滾刀，滾刀間距選為80 mm，切割速度20 mm/s，貫入度分別為1.0，2.0，2.5，3.0，3.5 mm和4.0 mm。巖樣為花崗巖，試樣尺寸為780 mm×765 mm×450 mm，巖石單軸抗壓強(qiáng)度為172.2 MPa，抗拉強(qiáng)度為9.3 MPa，根據(jù)嶺南花崗巖段地應(yīng)力條件，本次試驗(yàn)設(shè)置雙向圍壓條件為15 MPa-15 MPa。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集頻率選擇為100次/s。為了貼近真實(shí)施工情況，預(yù)先在平整的巖石表面切槽，然后開(kāi)展不同貫入度破巖試驗(yàn)。

貫入度為1 mm時(shí)，巖面和巖片如圖2所示?？梢钥闯觯瑵L刀破巖產(chǎn)生的巖面不平整，巖脊相對(duì)較高，部分巖脊高達(dá)10 mm，巖片的厚度、長(zhǎng)度較大，隔多層在同一部位產(chǎn)生巖片，巖片數(shù)量較少。滾刀破巖過(guò)程中，聲響較小，以吱吱聲及悶響為主，滾刀法向力呈鋸齒狀波動(dòng)變化，但法向力波動(dòng)較小，且最大值不超過(guò)250 kN，如圖3所示。

貫入度為2 mm時(shí)，試驗(yàn)巖面和巖片如圖4所示。滾刀破巖產(chǎn)生的巖面巖脊較明顯，巖面不平整，產(chǎn)生巖片數(shù)量明顯增多，仍存在隔層或隔數(shù)層在同一部位產(chǎn)生巖片的現(xiàn)象，切割過(guò)程中刀具兩側(cè)時(shí)有石片崩裂飛射現(xiàn)象。滾刀破巖過(guò)程中，吱吱聲響變大變急變長(zhǎng)，悶響相較貫入度1 mm時(shí)更多，時(shí)而有巨響產(chǎn)生。滾刀法向力顯著提高，波動(dòng)加快，突變更多，法向力最大值達(dá)到370 kN，如圖5所示。

貫入度為4 mm時(shí)，試驗(yàn)巖面和巖片如圖6所示。滾刀破巖過(guò)程中，聲響巨大，吱吱聲多且急，巨響聲多且持續(xù)不斷，滾刀兩側(cè)揚(yáng)灰現(xiàn)象尤為嚴(yán)重，大量碎石飛出，甚至有巖片飛出。巖片較大，但長(zhǎng)度較短，巖片極為破碎，粉末較多，厚度相對(duì)較小，巖面較為平整。法向力變化幅度增加、變化頻率加快，刀具抖動(dòng)和偏移變大，如圖7所示。

破巖巖屑由典型大巖片、破碎體、粉碎體、粉末顆粒等不同尺度巖屑體組成。貫入度為1.0，2.0 mm時(shí)，由于法向力較低，滾刀破巖時(shí)處于研磨狀態(tài)，滾刀下方巖體宏觀裂紋擴(kuò)展范圍小，不利于相鄰滾刀間大巖片的形成，破巖產(chǎn)生的大巖片占總巖屑重量的比例相對(duì)較低，而巖渣、巖粉的比例相對(duì)較高。貫入度為2.5，3.0 mm時(shí)，法向力增大，加深了宏觀裂紋的擴(kuò)展，增加了相鄰兩滾刀間形成大巖片的數(shù)量，降低了巖渣、巖粉的比例。隨著貫入度繼續(xù)增大，達(dá)到4.0 mm時(shí)，滾刀的法向力不斷增大，在提高大巖片數(shù)量的同時(shí)，由于過(guò)度破碎，也造成了巖渣、巖粉比例的增大。

在雙向圍壓15 MPa-15 MPa條件下，滾刀破巖試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所列。由表1可以看出：當(dāng)貫入度較小時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的平均法向力，而平均滾動(dòng)力較??；當(dāng)貫入度逐漸遞增，平均法向力和平均滾動(dòng)力均隨之增加。貫入度增大到一定程度，平均滾動(dòng)力的增幅會(huì)變大，這主要是由于貫入度越大，滾刀刀圈與巖石的接觸面積會(huì)越大，滾刀滾動(dòng)時(shí)會(huì)受到更大的摩擦阻力。因此實(shí)際施工中，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)速度超過(guò)某個(gè)臨界值，刀盤(pán)的扭矩會(huì)大幅度地增加。在現(xiàn)場(chǎng)施工中，應(yīng)根據(jù)地應(yīng)力條件及時(shí)調(diào)整TBM運(yùn)行參數(shù)，采用破巖效率最高的貫入度控制破巖。

3 TBM掘進(jìn)性能指標(biāo)分析

TBM掘進(jìn)施工中，通常以?xún)艟蜻M(jìn)速度、平均掘進(jìn)速度和設(shè)備利用率來(lái)表征TBM的施工性能，其中，凈掘進(jìn)速度是僅考慮TBM刀具破巖過(guò)程的推進(jìn)速度，

即刀頭開(kāi)挖距離與開(kāi)挖時(shí)間的比值；平均掘進(jìn)速度是考慮了支護(hù)、換刀等非破巖時(shí)間的推進(jìn)速度，即一天或一個(gè)班次時(shí)間內(nèi)TBM開(kāi)挖的距離與一天或一個(gè)班次工作時(shí)間的比值［17-18］。設(shè)備利用率用以反映TBM的時(shí)間利用效率，為T(mén)BM貫入圍巖或開(kāi)挖的時(shí)間占工作班次時(shí)間的百分比。文中采用Pr，AR和UI分別表示凈掘進(jìn)速度、平均掘進(jìn)速度和設(shè)備利用率，凈掘進(jìn)速度、平均掘進(jìn)速度和設(shè)備利用率的關(guān)系如式（1）所示。

AR=Pr×UI（1）

TBM掘進(jìn)施工中，通常以現(xiàn)場(chǎng)貫入指標(biāo)和巖石掘進(jìn)效率指標(biāo)來(lái)反映圍巖性能。現(xiàn)場(chǎng)貫入指標(biāo)為巖石單位切深所需的滾刀推力，其排除了刀盤(pán)直徑、推力、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速等非地質(zhì)參數(shù)的影響，可作為衡量巖石可掘進(jìn)性的標(biāo)準(zhǔn)。本文采用FPI，TPI分別表示現(xiàn)場(chǎng)貫入指標(biāo)和巖石掘進(jìn)效率指標(biāo)，現(xiàn)場(chǎng)貫入指標(biāo)可定義為式（2）。FPI值越大，產(chǎn)生同樣切深所需的推力越大，表明巖體越難掘進(jìn)。

FPI=Fn/p（2）

式中：FPI為現(xiàn)場(chǎng)貫入指標(biāo)；Fn為單刀推力，kN；p為貫入度，即TBM刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)一圈所掘進(jìn)的長(zhǎng)度。

巖石掘進(jìn)效率指標(biāo)TPI表征刀盤(pán)扭矩與貫入度之間的關(guān)系，是建立在實(shí)測(cè)刀盤(pán)扭矩基礎(chǔ)上衡量破巖效率的參數(shù)，如式（3）所示。

TPI=Tn/p（3）

式中：TPI為巖石掘進(jìn)效率指標(biāo)；Tn為單刀扭矩，kN·m。

TBM會(huì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)記錄其實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括刀盤(pán)推力、轉(zhuǎn)速、油缸推進(jìn)行程等。滾刀推力、每轉(zhuǎn)進(jìn)尺等TBM掘進(jìn)參數(shù)與巖石強(qiáng)度、節(jié)理面發(fā)育程度等巖體條件密切相關(guān)。

室內(nèi)全尺寸滾刀破巖試驗(yàn)研究了秦嶺隧洞巖性、圍壓、滾刀尺寸、間距等條件下滾刀破巖規(guī)律，為了更全面反映秦嶺隧洞花崗巖洞段TBM的掘進(jìn)特征，考慮巖體完整性、設(shè)備檢修、刀具更換、圍巖支護(hù)等綜合因素的影響，選取樁號(hào)段K35+298～K36+040和K39+543～K39+820進(jìn)行分析。所選洞段的基本情況如表2所列。

K35+298～K36+040和K39+543～K39+820隧洞段凈掘進(jìn)速度、平均掘進(jìn)速度、設(shè)備利用率沿樁號(hào)的變化基本同步，其最值、均值及標(biāo)準(zhǔn)差如表3和表4所列。

由表3～4可得：K35+298～K36+040隧洞段凈掘進(jìn)速度均值為32.77 mm/min，平均掘進(jìn)速度均值為2.71 mm/min，設(shè)備利用率均值為9%。K39+543～K39+820隧洞段凈掘進(jìn)速度均值為32.70 mm/min，平均掘進(jìn)速度均值為2.16 mm/min，設(shè)備利用率均值為7%。該花崗巖隧洞段平均掘進(jìn)速度、設(shè)備利用率均較低。

TBM設(shè)備利用率對(duì)TBM的掘進(jìn)速度具有至關(guān)重要的影響。由式（1）可以看出，即使施工時(shí)遇到堅(jiān)硬完整的巖體條件，可通過(guò)TBM低速掘進(jìn)將TBM設(shè)備利用率保持在較高水平，仍使施工速度處在合適范圍，實(shí)現(xiàn)TBM的高效運(yùn)行。

秦嶺隧洞花崗巖段穿越硬巖及遭遇巖爆，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)在TBM設(shè)備維護(hù)和處理不良地質(zhì)環(huán)境方面需要耗費(fèi)大量時(shí)間。TBM完成一個(gè)掘進(jìn)循環(huán)后，需要對(duì)圍巖進(jìn)行支護(hù)處理，對(duì)滾刀進(jìn)行檢查維護(hù)，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件極差時(shí)，上述措施導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間會(huì)進(jìn)一步加長(zhǎng)。

K39+543～K39+820隧洞段現(xiàn)場(chǎng)貫入指標(biāo)、巖石掘進(jìn)效率指標(biāo)沿樁號(hào)的變化如圖8，9所示。

由圖8和圖9可以看出，花崗巖隧洞段現(xiàn)場(chǎng)貫入指標(biāo)、巖石掘進(jìn)效率指標(biāo)沿樁號(hào)的變化基本同步，相關(guān)性較好。

K35+298～K36+040和K39+543～K39+820隧洞段現(xiàn)場(chǎng)貫入指標(biāo)和巖石掘進(jìn)效率指標(biāo)的相關(guān)性如圖10和圖11所示。

由圖10可得K35+298～K36+040隧洞段FPI和TPI相關(guān)性擬合結(jié)果為

TPI=3.12lnFPI+11.61－7.80，R2=0.86（4）

由圖11可得K39+543～K39+820隧洞段FPI和TPI相關(guān)性擬合結(jié)果為

TPI=2.86lnFPI+11.57－6.80，R2=0.78（5）

花崗巖隧洞段FPI 和TPI呈現(xiàn)對(duì)數(shù)關(guān)系，刀盤(pán)推力和扭矩相互促進(jìn)，F(xiàn)PI 和TPI同步增長(zhǎng)，隨著刀盤(pán)扭矩增加到一定程度后，通過(guò)增大推力進(jìn)一步提高破巖效率，F(xiàn)PI增長(zhǎng)快于TPI增長(zhǎng)。巖石質(zhì)量越好，刀盤(pán)扭矩對(duì)破巖的貢獻(xiàn)占比越低，此時(shí)需要推力發(fā)揮更大的作用。

K35+298～K36+040和K39+543～K39+820隧洞段現(xiàn)場(chǎng)貫入指標(biāo)、巖石掘進(jìn)效率指標(biāo)的最值、均值及標(biāo)準(zhǔn)差如表5和表6所列。

由表5和表6可得：K35+298～K36+040隧洞段現(xiàn)場(chǎng)貫入指標(biāo)最大值為100.99 kN/（mm·r-1），均值為26.45 kN/（mm·r-1）；巖石掘進(jìn)效率指標(biāo)最大值為21.22 kN·m/（mm·r-1），均值為3.14 kN·m/（mm·r-1）。K39+543～K39+820隧洞段現(xiàn)場(chǎng)貫入指標(biāo)最大值為 84.85 kN/（mm·r-1），均值為 22.62 kN/（mm·r-1）；巖石掘進(jìn)效率指標(biāo)最大值為11.65 kN·m/（mm·r-1），均值為3.02 kN·m/（mm·r-1）。以上結(jié)果表明，由于存在大量高石英含量的花崗巖洞段，不利于TBM掘進(jìn)施工。

4 TBM現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)特征分析

結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)情況綜合分析，可知K35+298～K36+040、K39+543～K39+820兩個(gè)施工段受到高地應(yīng)力、高強(qiáng)度及高磨蝕性巖石的影響，出現(xiàn)了巖爆、刀具磨損等現(xiàn)象。

秦嶺隧洞花崗巖段處于高地應(yīng)力環(huán)境，巖石強(qiáng)度高，多次發(fā)生巖爆，對(duì)刀盤(pán)、滾刀及支護(hù)系統(tǒng)等造成破壞，使施工安全及效率受到影響。如圖12所示，高地應(yīng)力條件下，掌子面巖石發(fā)生板裂及剝落，容易形成大塊巖石，且難以進(jìn)入TBM巖片收集口，導(dǎo)致巖塊的二次破碎與碾磨。另外，巖爆形成的巖片易造成滾刀口的堵塞，導(dǎo)致滾刀出現(xiàn)異常磨損以及軸承破壞，如圖12（a）所示。高地應(yīng)力作用使得掘進(jìn)時(shí)產(chǎn)生大塊不規(guī)則巖石，如圖12（b）所示，這些不規(guī)則巖石會(huì)對(duì)運(yùn)輸皮帶造成損壞，增加了傳送帶的維修和更換時(shí)長(zhǎng)。同時(shí)秦嶺隧洞花崗巖段圍巖完整性好、強(qiáng)度高，磨蝕性大，TBM刀盤(pán)及滾刀磨損量大，如圖13所示。檢測(cè)維修刀盤(pán)、更換刀具所占用時(shí)間為14.38%，皮帶（TBM皮帶、連續(xù)皮帶以及洞外皮帶）故障維修時(shí)間占15.82%，TBM設(shè)備利用率較低。

因此，針對(duì)隧洞高地應(yīng)力環(huán)境作用以及高磨蝕性硬巖條件，應(yīng)及時(shí)調(diào)整和優(yōu)化支護(hù)、清渣及施工組織方式，并對(duì)巖爆災(zāi)害做好應(yīng)對(duì)措施，在保證人員、設(shè)備安全的前提下及時(shí)提高輔助作業(yè)效率，提高TBM的施工效率。

同時(shí)，在TBM掘進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)及時(shí)調(diào)整TBM運(yùn)行參數(shù)，如在板裂及巖爆時(shí)，降低TBM總推力、減少TBM每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)及降低滾刀線速度等控制參數(shù)，既能保障TBM高效運(yùn)行，也可以減少刀具刀盤(pán)的損壞。也可通過(guò)改進(jìn)滾刀刀刃材料，增強(qiáng)滾刀刀刃的韌性，減小巖爆和高磨蝕性硬巖帶來(lái)的不利影響。

5 結(jié) 論

（1） 隨著貫入度增加，滾刀法向力增大、變化幅度增加、變化頻率加快，加深了宏觀裂紋的擴(kuò)展，增加了相鄰滾刀間形成大巖片的數(shù)量，降低了巖渣、巖粉的比例，平均法向力和平均滾動(dòng)力均隨之增加。當(dāng)貫入度增大到一定程度時(shí)，平均滾動(dòng)力的增長(zhǎng)幅度會(huì)變大，在提高大巖片數(shù)量的同時(shí)，由于過(guò)度破碎，也造成了巖渣、巖粉比例的增大。

（2） 秦嶺隧洞花崗巖段平均掘進(jìn)速度、設(shè)備利用率均較低，主要是由于高地應(yīng)力條件下，巖石強(qiáng)度高，多次發(fā)生巖爆，對(duì)刀盤(pán)、滾刀及支護(hù)系統(tǒng)等造成破壞，在TBM設(shè)備維護(hù)和支護(hù)方面需要耗費(fèi)大量時(shí)間。

（3） 秦嶺隧洞花崗巖段現(xiàn)場(chǎng)貫入指標(biāo)、巖石掘進(jìn)效率指標(biāo)沿樁號(hào)的變化基本同步，相關(guān)性較好，呈對(duì)數(shù)關(guān)系。

（4） 針對(duì)隧洞高地應(yīng)力環(huán)境作用以及高磨蝕性硬巖條件，通過(guò)調(diào)整優(yōu)化支護(hù)、清渣和施工組織方式，提高輔助作業(yè)的施工效率，及時(shí)調(diào)整TBM控制參數(shù)，從而保障了TBM的高效運(yùn)行。

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（編輯：鄭 毅）

Study on rock breaking rules by rolling cutter and TBM tunneling features in granite sections of Qinling Tunnel

ZHAO Li1，SU Yan1，WANG Bo1，GONG Qiuming2，DUAN Qingwei3，LIU Lipeng3

（1.Hanjiang-to-Weihe River Valley Water Diversion Project Construction Co.，Ltd.，Xi′an 710024，China； 2.Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering of MoE，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China； 3.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100048，China）

Abstract：

In order to better grasp the excavation performance of TBM，the granite sections of Qinling Tunnel in water diversion project from Hanjiang River to Weihe River were taken as the research object in this paper.Through an analysis on rock breaking experiments by rolling cutter and on-site construction parameters，the rock breaking mechanisms by the rolling cutter were obtained，and the variation characteristics of indicators for TBM performances such as excavation speed and equipment utilization rate were revealed.The results showed that under given situ geo-stress，as the penetration depth increased，the normal force of the rolling cutter would increase with a larger variation amplitude and a faster variation frequency，which increased the number of large rock slices between adjacent cutters.Under high ground stress conditions，as the rock bursts were frequent，the average tunneling speed and equipment utilization rate were low.The changes of the on-site penetration index and rock tunneling efficiency index along the milepost were basically synchronous with each other.The on-site penetration index could better evaluate the rock breaking performance of TBM.By adjusting the methods of supporting，slag cleaning and construction organization，the auxiliary construction efficiency could be increased.The TBM tunneling parameters were adjusted and the material of the cutter was improved to ensure the TBM efficient operation.The construction experiences can provide corresponding countermeasures for the follow-up TBM tunnelling of the Qinling Tunnel.

Key words： granite；TBM；excavation performance；excavation speed；equipment utilization rate；penetration degree；Qinling Tunnel；water diversion project from Hanjiang River to Weihe River

收稿日期：2022-03-18

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51879284）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFC0401802）；陜西省水利科技計(jì)劃項(xiàng)目（2021slkj-1）；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2021JM-601）

作者簡(jiǎn)介：趙 力，男，高級(jí)工程師，主要從事水利工程建設(shè)管理及研究工作。E-mail：zhaoli@hwrvwd.cn