隧洞高磨蚀性硬岩地段TBM法施工刀具消耗分析

李金霖

（陕西引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安 710010）

0 引言

引汉济渭工程秦岭隧洞TBM施工段岭南工程自TBM掘进以来，受岩石石英含量高、围岩强度高、围岩完整性好等不良地质条件的影响，造成掘进过程中刀具消耗数量极高，换刀数量极大，经常出现停机等待更换刀具的现象，既增加了刀具更换数量和维修的人员，又影响了正常掘进时间，由于前期未能准确预测到围岩强度及石英含量超高问题，导致了高磨蚀性硬岩地段TBM法施工刀具消耗数量增加、相关工序时间延长及施工成本增加的问题，为了更准确的预测类似工程延米刀具消耗数量，为后期施工成本控制及进度控制提供参考，现根据已经掘进完成的5000 m刀具消耗情况，综合分析、预测不同围岩强度、石英含量情况下刀具消耗数量情况。

1 工程概况

1.1 工程总体情况

引汉济渭工程是由汉江向渭河关中地区调水的省内南水北调骨干工程，工程主要由黄金峡水库枢纽、黄金峡水源泵站、黄金峡至三河口输水工程、三河口水库和秦岭输水隧洞等五部分组成，秦岭输水隧洞进水口位于三河口水库坝后汇流池，出口位于渭河一级支流黑河金盆水库右侧支沟黄池沟内，工程任务是将汉江流域调出水量自流送入渭河流域关中地区，隧洞为无压洞，全长81.78 km，设计流量70 m3/s，多年平均输水量15.05亿m3，纵坡1/2500，钻爆法施工横断面为马蹄形，断面尺寸7.0 m×7.0 m，TBM法施工断面为圆型，断面直径7.16 m/8.02 m。

1.2 岭南TBM标段概况

本标段为引汉济渭工程秦岭隧洞TBM施工段岭南工程，采用一台罗宾斯公司制造的Φ8.02 m全新敞开式硬岩掘进机施工，标段范围包括：修建主洞工程18275 m（K28+085～K46+360）。由TBM后配套组装洞（100 m）、TBM主机组装洞（80m）、TBM步进洞（200 m）、TBM始发洞（25 m）、TBM第一掘进施工段（8310m）、TBM检修洞（60m）、检修洞下游方向步进洞240 m、4#支洞主洞上下游钻爆接应TBM段各1500 m和TBM第二掘进施工段（6260 m）组成。修建辅助施工支洞4号支洞，斜距5820.21 m，平距5784 m，最大坡度-11.96%,综合坡度-10.79%，断面为城门洞型，成洞尺寸为6.70 m×6.50 m。4号支洞采用无轨斜井施工，主要解决TBM长距离施工通风、出渣及TBM第二阶段施工组织的问题，TBM标段平面布置图见图1。

图1 标段平面布置图

1.3 工程地质

TBM已掘进段以石英岩、花岗岩为主，围岩强度高、完整性好、围岩石英含量高、耐磨值大，围岩抗压强度为109 MPa～267 MPa，平均 163 MPa，耐磨值 4.65～5.71，平均耐磨值 5.26，石英含量为43.6%～92.6%，平均石英含量69.4%，完整性系数平均为0.8以上。

2 TBM已掘进段刀具消耗

2.1 滚刀消耗

TBM在已掘进的前5000 m段中，共计更换单刃滚刀3532把，正常磨损更换3060把，占比86.64%，非正常损坏更换472把（岩爆及围岩破碎地段），占比13.36%，单刃滚刀磨损情况见图2。

图2 刀具正常磨损

2.2 中心刀消耗

在已掘进的5000 m中，共计更换双刃中心刀95把，正常更换74把，占比77.9%，非正常损坏更换21把，占比22.1%，具体消耗情况见图5刀具正常磨损；非正常损坏换刀主要原因一方面是由于围岩强度硬，导致中心刀刀座的接触面位置频繁磨损，螺栓易松动，刀具承受不均衡力而损坏,另一方面为岩石坍塌掉块砸坏刀圈而崩刃，卡滞刀具导致无法转动而偏磨，中心刀异常磨损情况见图3。

图3 中心刀正常磨损情况

3 刀具消耗分析

3.1 刀具消耗分析

影响刀具消耗的因素有围岩单轴抗压强度、石英含量、围岩完整性系数，其中，围岩单轴抗压强度与石英含量是影响刀具消耗的主要因素，通过对TBM施工段前5000 m的围岩取芯试验及刀具消耗情况的统计,对施工岩石石英含量数据与滚刀消耗数量生成折线图，可以看出岩石石英含量与刀具消耗数量存在正比例关系如图4，K29+160～K29+250段和K29+963～K30+100段掌子面围岩破碎大块石头砸坏刀具，导致刀具异常磨损严重，K32+110～K32+210段存在石英含量低、刀具消耗量高的情况，原因是本段施工过程中停机检修刀盘，在检修刀盘时全部刀具都进行了更换，造成刀具消耗数量大，去掉本段特殊情况的刀具消耗数据，调整后的折线图如图5。

图4 施工桩号-石英含量、刀具消耗图

图5 施工桩号-石英含量、刀具消耗图（修正后）

图6 施工桩号-围岩强度、石英含量、刀具消耗图

通过图5可以很直观的看出岩石石英含量与刀具消耗数量存在正比例关系，折线图基本完全起伏相似，由很强度的线性规律，刀具的厂家和刀具的材料型号只会影响波峰[1]的高低，然后我们再将围岩强度、石英含量和刀具消耗数量合并在一个图上分析，从图6可以看出，TBM掘进段前5000 m围岩平均单轴干燥抗压强度约为163 MPa，平均石英含量约为69.4%，平均刀具延米消耗量[2]为0.73把/m。在分析之前，需要将数据进行筛选，去掉偏离实际较大的数据，如：围岩强度低、石英含量低但刀具消耗量又较大的数据。

数据筛选原则：假设标准基数W=PS/C

P为围岩单轴抗压强度；S为围岩石英含量；T为刀具延米消耗量

计算每组数据的基数Wn=PnSn/Cn

然后计算数据偏离值Wx=W-Wn，并取绝对值，去掉偏差值过大的数据。

数据筛选后重新绘制施工桩号—围岩强度、石英含量、刀具延米消耗折线图见如图7。

图7 数据筛选后的施工桩号-围岩强度、石英含量、刀具延米消耗折线图

从图7可以看出，围岩强度越高，围岩石英含量越高，刀具消耗量越大，但刀具消耗量是受围岩抗压强度与石英含量叠加影响的，为便于分析，可以在固定单一因素的情况来分析另一因素对刀具消耗的影响，从而分别得出围岩抗压强度与石英含量对刀具消耗量的影响程度[3]。实际施工中不同区段围岩强度及不同区段石英含量条件下刀具消耗情况见表1。

从表1可以看出，个别数据并不遵从刀具消耗随石英与围岩强度变化的规律[4]，因此需要进一步分析其变化规律。

3.2 围岩单轴抗压强度对刀具消耗的影响

在石英含量70%左右的情况下，绘制围岩强度—刀具消耗曲线如图8。

图8 围岩强度-刀具消耗曲线图

表1 不同围岩强度不同石英含量下刀具消耗情况

3.3 围岩石英含量对刀具消耗的影响

在围岩强度150 MPa左右的情况下，绘制石英含量—刀具消耗曲线如图9。

图9 石英含量-刀具消耗曲线图

从图8、图9可以看出，围岩强度—刀具消耗以及石英含量—刀具消耗类似于线性关系，据此进行不同区段围岩强度及不同区段石英含量条件下刀具消耗数据修正见表2。

4 结论

在相同的地质条件下，不同类型的刀具消耗数量是有差别的，以石英含量在45%～55%、围岩强度在75 MPa～100 MPa消耗刀具0.34把/m为基数，将表3中所有延米刀具消耗量除以0.34再乘以a（a为其他TBM工程围岩在石英含量45%～55%、围岩强度75MPa～100 MPa之间实际的延米刀具消耗数量），根据表3可推算出该工程的刀具消耗量。

表2 修订后不同围岩强度不同石英含量下刀具消耗情况

表3 不同围岩强度不同石英含量下刀具消耗系数表

通过引汉济渭岭南TBM段前5000 m不同刀位累计磨损量的统计，确定了不同围岩强度不同石英含量下刀具消耗系数，用于类似地质的TBM施工法隧道刀具预测，由于影响刀具消耗的因素有地质原因包括围岩完整性、特殊地质（岩爆、塌方）[5]，有人为原因包括刀具的安装质量及日常检查维修方法，都会影响刀具的日常异常消耗，对于本论文的刀具预测方法数据还仅限于引汉济渭工程秦岭隧洞TBM施工段岭南工程，而在不同地层下TBM施工的刀盘等核心部件的适用性[6]以及刀具适用类型也不尽相同，因此本文中对刀具消耗预测具有一定的局限性，但由于综合了围岩强度与石英含量两项主要影响因素，具有也有一定的参考性，希望后期不断总结完善。