水利工程超长隧洞双护盾TBM掘进性能研究

水利工程超长隧洞双护盾TBM掘进性能研究

杜贝 中铁五局华南公司

摘 要：针对水利工程超长隧洞双护盾TBM的掘进性能问题，以安阳市西部调水工程输水隧洞双护盾TBM 施工为背景，采用现场实测数据统计分析的方法，研究不同地质条件下双护盾TBM利用率、滚刀损耗及掘进速度。研究结果表明：①超长隧洞由于地质情况较为复杂的特性，因此TBM利用率一般低于40%。②地质条件对滚刀的消耗影响较大，围岩强度低的情况下滚刀的损耗明显较低。③Ⅲ类、Ⅳ类围岩的平均掘进速度随着围岩类别的降低而提高，但V类围岩受设备利用率极低的影响，其平均掘进速度最低。

关键词：双护盾TBM掘进性能 水利工程 TBM利用率掘进速度

引言：双护盾TBM硬岩掘进机作为岩石隧道最先进的施工设备，在我国已广泛用于铁路和水利隧洞工程、城市轨道工程以及煤矿巷道工程等领域[1-4]。与传统的钻爆法隧道施工相比，TBM具有安全、快速、优质、有利于环保、节省用工、提高工作效率等优点。然而，针对复杂额地质条件，TBM适应性差，掘进效率较低，并且由于TBM施工措施不当导致的重大事故国内外有很多实例，如山西引黄工程、新疆大板隧道等，大多数都是TBM通过不良地质时段时发生了突水、塌方、卡机等工程事故，严重影响了工程安全、质量、经济与社会效益。因此，针对水利工程超长隧洞双护盾TBM的掘进性能问题研究很有必要。

在掘进性能的各项指标中，TBM的利用率、滚刀损耗及掘进速度是重点指标，直接关系到施工成本及施工工期[5-6]。对于长隧洞，地质条件往往复杂多变，不同地质条件下设备掘进性能差别较大。

本文以安阳市西部调水工程隧洞TBM施工段双护盾TBM施工为工程背景，研究复杂地质条件下TBM的掘进性能，并提出提高TBM掘进性能的几点思考，以供类似工程参考。

一、工程概况

安阳市西部调水工程隧洞全长13.18km。隧洞工程主要包括TBM掘进段、钻爆段、TBM始发场地、TBM接收场地及钻爆洞口场地等。其中TBM掘进段长11866m，比降0.01%，圆形断面，开挖直径4.33m，设计断面尺寸直径3.5m，纵向设计坡度为0.01%，平面设计有一处转弯，转弯半径为1500m。

该工程TBM施工段均以石灰岩、闪长玢岩、泥岩为主，III类围岩占比61.11%， Ⅳ类围岩占比24.46%，V类围岩占比13.98%，岩石强度中等，存在断层破碎带、局部不稳定洞段等不利因素。隧洞各类围岩级别见表1。

表1隧洞围岩类别统计表

二、TBM设备选型

TBM的地质针对性较强，本工程综合各设备的性能、地层适应性及经济性等方面的对比分析，认为双护盾TBM基本满足本工程对设备的功能性要求，相比更能适应本项目的施工。

安阳水利双护盾TBM开挖直径为4.33米，最大推进速度为120mm/min，主推最大推力为17241kN，主驱动功率1400kW，脱困扭矩2971kN•m，刀盘开口率为8.5%，刀盘最高转速13.75转/min，主机长度约12m，整机长度约275m。

整个TBM主要分为主机和后配套两大系统，其中主机系统包括刀盘、主驱动、盾体、主推进系统、撑靴、辅助推进系统、管片拼装机、主机皮带机等部件。刀盘设计有30个刀刃，其中4把17英寸双联中心滚刀，13把17英寸正面滚刀，9把17英寸边滚刀，并设计有4个刮渣口，8个喷水孔，1个人孔。主驱动采用4台350kW的电机，可提供刀盘最高转速为13.75转/min。

双护盾TBM的特点是设计有两套推进系统，可实现两种工作模式，分别是双护盾模式和单护盾模式。双护盾模式是在良好围岩条件下，撑靴撑紧洞壁，支撑盾为掘进提供反力，利用主推油缸系统掘进，在掘进时可以同步拼装管片，掘进效率高；单护盾模式由于掘进和安装管片不能同时进行，掘进效率较低。

三、TBM利用率分析

TBM利用率一般定义为纯掘进时间与施工时间的比值[7-8]。双护盾TBM利用率受多种因素的影响，如掘进模式、掘进参数、设备故障、刀具更换、不良地质条件处理等。

（一）TBM整体利用率分析

安阳市西部调水工程输水隧洞TBM施工段在整个施工期间TBM的平均利用率为25.1%，在掘进初始阶段的两个月内，利用率分别为0.6%和13.4%，低于平均利用率，这主要是因为设备处于调试及试掘进阶段，设备故障率较高。随着设备调试及试掘进的完成，利用率基本维持在20%以上，与国内外其他工程对比，这基本上处于偏低水平。在2021年6月，TBM穿越煤系地层、透水量大、围岩极其不稳定，TBM利用率降低到15%以下；在2021年10月，设备管片吊机故障较多，此时段利用率仅为22.8%；在2021年7-9月，利用率多在30%以上，最高达到了36.6%；2022年12月受不良底层影响，设备故障较多，设备利用率仅为13.9%；2022年1月春节休假，施工人员不足，设备利用率只有14.5%； 2022年5月主轴承齿轮油泄露严重，

TBM的掘进基本上处于停滞状态，利用率只有13.2%；2022年6-9月贯通，设备利用率多在26%以上，最高达到34.5%。

（二）不同地质条件下利用率分析

表3为不同地质条件下TBM工作情况统计。在表3中：纯掘进时间是指刀盘掘进的时间；换步时间是双护盾模式下每掘进循环结束后，主推进油缸复位，支撑靴重新撑紧洞壁所需要的时间；刀具问题时间指的是刀具更换、维修所占用的时间；设备故障时间指的是推进油缸、导向系统、管片拼装机、豆砾石吹填系统等故障的停机时间；管片拼装时间主要有两个，一是双护盾模式下，管片拼装和掘进同时进行，管片每环拼装时间多出每环掘进的时间，二是单护盾模式下每环掘进停止后，拼装管片所需要的时间；连续皮带机时间指皮带机跑偏、皮带割裂、托辊损坏所导致的停机时间；其他指的是皮带硫化、设备强制维保、设备部件更换及其他所导致的停机时间。安阳水利项目由于倒班（两班倒）及强制保养制度要求，每天必须有6—8小时为强制停机时间，同时考虑其他主观问题影响，表3内其他项不作主要影响因素。

表 3 不同地质条件下TBM使用情况

由表3可以看出地质条件对TBM的利用率影响较大。对于Ⅲ类围岩，TBM利用率随着围岩类别的降低而提高；Ⅳ类和V类围岩，TBM利用率随着围岩类别的降低而降低。其主要原因如下：①Ⅲ类围岩岩石强度及岩体完整性较高，随着围岩强度降低，设备故障率降低利用率提升。②Ⅲ类和Ⅳ类均质中硬硬岩段岩层较为稳定且强度低，TBM利用率能保持较高水平。③Ⅳ类围岩随着地层岩性下降，岩层趋于破碎，设备故障率提升利用率降低。

对于V类泥质砂岩及破碎带，TBM利用率下降明显，分别为12%及11%，主要是由于在初始掘进进洞出现粘性黄色泥土黏住刀盘，需要人工清理且设备调试故障较多，影响掘进速度时间长达近1个月，在V类穿越煤层段发生了涌水及淤泥卡机状况，导致掘进困难，共花费了27天进行处理。

由以上分析可以看出，在V类围岩洞段，断层破碎带塌方、涌水、围岩收敛变形等不良地质问题较多，双护盾TBM超前处理手段较少，易发生卡机、TBM掘进受阻等事故，TBM利用率极低，在安阳市西部调水工程隧洞的泥质砂岩及破碎带的V类围岩洞段，发生了卡机及涌水等事故，TBM利用率仅为12%及11%，远低于正常掘进时的利用率。

四、滚刀损耗分析

在TBM掘进过程中，受岩石的摩擦、冲击等作用，会发生滚刀的正常磨损、偏磨、刀圈断裂、漏油、断轴等损耗。大量的滚刀损耗及更换，一方面会占用施工时间、降低TBM的利用率及掘进速度，另一方面会显著增加施工成本[9-10]。滚刀的损耗受多种因素的影响，如地质条件、滚刀质量及掘进参数等，其中地质条件是客观因素，其对滚刀的损耗起主要作用。

安阳市西部调水工程隧洞TBM施工段开挖洞径4.33m，刀盘上共配备盘形滚刀26把，共掘进长度11.866km，施工中损耗滚刀96把，平均每123.54m损耗1把滚刀。隧洞沿线地质条件复杂，地层岩性共有5种，而每种岩性亦有不同的类别。不同围岩条件下的滚刀损耗统计结果见表4。

表4不同地质下滚刀统计

对于同一种岩性，无论是硬岩还是软岩，随着围岩类别的降低，滚刀损耗随之降低。如Ⅲ类均质特硬硬岩平均每掘进61.91m消耗1把滚刀，而Ⅲ类均质中硬硬岩则延长至114.93m,Ⅳ类均质中硬硬岩进一步延长至129.38 m。究其原因，这与TBM滚刀破岩机制相关：在刀盘推力的作用下，TBM滚刀刀圈压入岩石，在岩石中产生微裂纹，当相邻滚刀间的裂纹贯通后会形成岩片剥落，TBM完成破岩。在破岩的过程中，如果岩石坚硬完整，其对滚刀的损耗主要体现在两个方面：①完整硬岩中滚刀贯入度较低，为增加贯入度进而提高掘进速度，需要增加推力，刀具受力大，磨损及发生非正常损坏的可能性大；②硬岩中的贯入度往往低于软岩，在相同掘进距离下，刀盘需要转动更多的转数，滚刀在开挖岩石面的摩擦距离长，从而磨损量增大。随着围岩类别的降低，岩石的强度及完整性均会降低，岩体中本身存在较多的节理裂隙，在不需要较大推力的情况下即可获得较高的贯入度，且在相同的掘进距离条件下，刀盘转动的转数少，滚刀与开挖岩石面的摩擦距离短，因此软弱破碎围岩对滚刀的损耗小。

对比国内其他类似工程，安阳西部调水工程输水隧洞TBM施工的滚刀损远低于其他工程平均每20m/1把滚刀损耗，处于损耗较低的范围。

五、掘进速度分析

掘进速度是TBM施工评价中的一个重要指标，在国内外的TBM 掘进速度评价中，常采用两个指标来表示掘进速度，即净掘进速度及平均掘进速度。净掘进速度又称贯入速度（简写为PR）, 指的是TBM掘进时单位时间的进尺，单位为mm/min 或m/h, 其主要影响因素为地质条件、设备性能等。平均掘进速度又称施工速度（简写为AR）, 指的是一段时间内TBM进尺，一般用平均日进尺、平均周进尺、平均月进尺等表示，计算时包括掘进时间和停机时间。日平均掘进速度为净掘进速度与TBM利用率的乘积。AR= PR×U×24 （1）式中：AR为日平均掘进速度；PR为净掘进速度；U为TBM利用率。掘进参数是影响掘进速度的重要因素，它主要由刀盘的贯入度、推进速度、扭矩、刀盘转速和净掘进速度5个指标来表示。

安阳市西部调水工程隧洞TBM施工段不同地质条件下所采用的掘进参数表5。

表5不同围岩条件下掘进参数的选择表

由表5可以看出，对于Ⅲ类均质特硬硬岩，刀盘推进速度只有50%，刀盘转速为12r/min，贯入度3～6mm/r, 净掘进速为20～36mm/min，每掘进1环 (1.20m) 需要30~60 min，净掘进速度较低。Ⅲ类均质中硬硬岩岩层，刀盘推进速度可达到80%，其最高净掘进速度可达到120mm/min, 是Ⅲ类均质特硬硬岩的2~4倍。不同地质条件下的TBM日平均掘进速度见表6。

表6不同地质条件下的TBM日平均掘进速度

由表6可以看出，对于Ⅲ类围岩，日平均掘进速度随着围岩类别的降低而提高，Ⅲ、Ⅳ类围岩时相对V类时提高了328%，其他岩性与此规律类似。其主要原因有两点：一是该工程项目Ⅳ、V类围岩TBM利用率随着围岩岩性的降低而降低；二是净掘进速度随着围岩强度的降低而提高。在这两者的共同影响下，Ⅲ围岩日平均掘进速度随着围岩类别的降低而大幅提高。但对于V类围岩，由于地层破碎，净掘进速度不高，同时发生涌水或卡机等事故，需要较长的时间来停机处理，导致TBM利用率极低，因此其日平均掘进速度极低。

综上所述，双护盾TBM在Ⅲ类、Ⅳ类围岩条件下，能获得较高的掘进速度；而在V类围岩及黄泥地层条件下，由于设备利用率、净掘进速度低等原因，导致掘进速度较低。

六 结 论：

通过对安阳市西部调水工程隧洞双护盾TBM施工研究，分析TBM利用率、滚刀损耗及掘进速度，得到以下结论：

(1)TBM掘进性能受地质影响较大，双护盾TBM在Ⅲ类、Ⅳ类围岩条件下能获得较高的设备利用率、掘进速度及较低的滚刀损耗。

(2)每种地质条件均有其对应的最优掘进参数，双护盾TBM可通过调整掘进参数来降低滚刀的损耗。

(3)双护盾TBM易在V类围岩中发生卡机事故，脱困处理一般需要较长的时间，导致TBM利用率极低，这是双护盾TBM应用的明显劣势。在今后的研究中，可重点研究在围岩挤压变形或收敛变形条件下的双护盾TBM快速通过技术，从而提高TBM利用率，进而提高掘进速度。

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