尼泊尔巴瑞巴贝引水隧道工程项目TBM刀具选型

胡天然

（中铁二局工程有限公司城通分公司，四川 成都 610306）

1 概述

全断面岩石隧道掘进机（Tunnel Boring Machine），简称TBM，因其掘进速度快，地质适宜性强，能够同时实现开挖掘进和衬砌管片拼装的平行交叉作业等而逐渐被长大隧道推广运用。但是，在TBM施工过程中，TBM刀具的不正确配置会在一定程度上增加工程项目成本，甚至还会导致工期延误，特别是在地质复杂和地勘粗略的长大山岭隧道中，这种情况尤为突出。国内外刀具种类众多，质量参差不齐，选择刀具至关重要。

2 工程概况

2.1 工程简介

尼泊尔巴瑞巴贝引水隧道工程项目工程引水隧道为单线隧道，线路全长12.2 km，采用TBM工法施工。成型隧道过水断面4.2 m，建成后，可灌溉尼泊尔中西部与远西部交界处的巴迪亚和班克地区51 000 hm2的农田，解决该区域极度缺水的问题。同时，还可利用约152 m的水位差异建造发电站，为尼泊尔提供48 MW的电力支持。

2.2 地质和水文情况

该工程地质位于亚喜马拉雅，由中新世中期至更新世早期的河流沉积组成，分为西瓦利克下段、西瓦利克中段和西瓦利克上段（Auden，1935）。隧道与区域岩体分层线基本垂直，沿线贯穿西瓦利克上中下地层，主要由泥岩、砂岩、砾岩组成，总体属软岩地层，最高强度为55.38 MPa，砂岩地层石英含量丰富。工程区地下水补给来源主要为大气降水，地下水分为孔隙潜水和基岩裂隙潜水。

3 TBM刀具选型要素

3.1 刀具选型依据

刀具选型依据主要有以下几点：①需与地质特性充分匹配，对于长距离软岩地层，要保证切削效率；②对于全风化软土地层（尤其是泥岩），需具备良好的适应性，防止黏刀、偏磨、刀盘扭矩过大；③对于石英含量高的砂岩地层，需具备较高的耐磨性；④对于长隧道，除了刀圈匹配性外，对刀具轴承、刀毂、密封适应性的要求同样很高；⑤按照软岩的特性，刀具硬度不是主控指标，综合性能至关重要，但仍需充分考虑在可能出现的极端地层条件下的匹配性。

3.2 刀具选型方案

由于尼泊尔的地域特殊性和TBM工况特性，刀具针对性选择主要包含3个方面的内容：①市场调查。初选一批有自主研发、设计、制造能力，并具同类业绩的供应商。②国内试验。邀请合格供应商参与试验，提供样品和性能参数，同时，在国内进行关键指标的物理性能试验，选择备选供应商。③试掘进试验。将备选供应商的样品刀具送至施工现场，通过500 m试掘进阶段进行实际性能测评，优中选优确定满足项目TBM掘进条件、技术服务优质的作为备选供应商，然后再进行招标和价格比选。

3.3 市场调查

在国内外50余家供应商中，通过对其资质、自主研发能力、业绩、刀具性能和技术服务等的考察，选择8家参与刀具选型和国内试验。

3.4 国内试验

刀圈作为滚刀最核心的部件，为了简化评定流程，重点进行刀圈物理力学性质解剖分析。供应商各提供2把17寸的单刃滚刀样品，随机取1把用于解剖取样检测，另1把封存于现场，防止在试验阶段质量达标、入围后供应质量不达标的情况发生。同时，委托国内专业的试验室对试验刀具进行切割取样和物理试验。

3.4.1 取样

在平行于刀圈直径方向用线切割取宽度为55 mm的样块，在样块上沿平行圆周切线方向取5个10.2 mm×10.2 mm标准试样毛坯作为一组，并按照国标GB/T299—2007的要求，磨削4个V形口或U形口作为试验样品。样品编号为：前1位数为供应商编号，后1位数为样品顺序号，比如“1-1”为1#供应商1号样品。

3.4.2 室内试验

试验检测指标包括：基本硬度值，冲击韧度值，金相图，晶粒度评定。室内试验指标及标准如表1所示。

表1 室内试验指标及标准一览表

图1 国内试验——洛氏硬度曲线图

图2 国内试验——冲击韧性曲线图

表2 国内试验——晶粒度表

3.4.3 试验结果

洛氏硬度如图1所示。国内冲击韧性试验曲线如图2所示。金相组织的相关内容如表2和图3所示。通过对刀具洛氏硬度、冲击韧性、金相组织的对比，发现综合性能比较好的是6#、2#、8#和4#刀具供应商，所以，将它们作为第三阶段现场测试的备选供应商，相关排名如表3所示。

3.5 现场试验

3.5.1 现场测试方案

刀盘开挖直径5.06 m，共33把刀，平均刀间距83 mm，刀盘最大转速为11.4 r/min。由于边刀磨耗速率大于面刀，为了快速测试刀具的各项性能指标，从4个厂家中各随机抽取1把试验刀与30#、31#、32#、33#号刀座的原装刀具更换。刀座信息如表4所示。

图3 国内试验——晶粒度曲线图

表3 国内试验——综合排名前四清单

表4 TBM刀盘部分刀座信息表

现场测试时，当设备掘进至70 m时，掌子面出现砂泥岩互层，具备现场测试刀具的条件，并再掘进150 m后，再进行两两二次互换，然后继续掘进150 m。每日测量刀具的崩刃、偏磨、漏油、温度和磨耗程度。刀具安装位置如表5、图4所示。

表5 现场试验刀具安装计划表

图4 前150 m试验刀具安装位置图

图5 现场试验刀具温度曲线图

图6 现场试验刀刀圈磨耗曲线图

表6 现场试验阶段刀具供应商排名表

3.5.2 测试阶段掘进参数

在55～500 m范围内均属于砂泥岩互层，局部含有砾岩和砂岩夹层，整体地质稳定，TBM掘进参数正常，所以，可排除地层和掘进参数的差异对现场刀具测试的影响。

3.5.3 刀具测试结果

在刀具现场试验期间，试验刀具均不存在崩刃、偏磨、漏油等质量问题，这主要是因为温度和刀圈磨耗不同。

3.5.3.1 温度测试

现场试验刀具温度变化曲线如图5所示。观察刀具温度测试记录发现，试验刀具的温度在测量时基本一致，未出现个别刀具与其他刀具温差比较大的情况，测温曲线正常。

3.5.3.2 磨耗测试

2017-11-13—2017-11-22为前150 m测试时间，2017-11-23—2017-12-03为后150 m测试时间，磨损曲线如图6所示。由刀圈磨耗曲线可知，在2017-11-22前，即掘进长度为142 m前，4家供应商的刀具磨耗完全一致，2017-11-23刀具位置互换后，2#供应商的刀具磨耗明显增大，4#和8#供应商基本一致，6#供应商的刀具磨耗最小。另一方面，2#试验刀具为厚刃口刀圈，其余3家为标准刃口刀圈，具体排名如表6所示。

3.6 测试结论

结合市场调查、国内试验和现场测试的情况，可以明确最适合该工程项目的TBM刀具，并结合报价和现场服务情况，为刀具招标提供技术资料。供应商综合排名依次为6#、8#、4#、2#。

4 结束语

由于TBM高度机械化和自动化，被广泛用于隧道施工。同时，因为地质的复杂性和粗略性，TBM刀具的合理配置将直接影响项目成本和掘进效率，特别是在不可预见的不良地层条件下，更要减少换刀、清刀的时间，降低施工风险。国内外TBM刀具供应商数量众多，发展不一，各个供应商研究的方向和发展市场也不一样，如果不能选择最适合工程项目的刀具，就会导致施工成本高、工期长，影响刀盘结构，甚至引发工程事故。所以，TBM刀具的选型极为重要，首先需充分考虑刀具物理性能与地质的一致性，根据地质情况选择合理的刀具，不要一味地追求高硬度、高韧性；其次需综合考虑经济分析；最后应根据实际推进情况，不断优化刀具选型，使之更加匹配工程项目的实际情况。

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