考慮地質(zhì)適宜性和滾刀直徑的TBM刀具消耗預(yù)測

閆長斌， 姜曉迪， 楊繼華， 郭衛(wèi)新， 姚 陽

(1. 鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院， 河南 鄭州 450001； 2. 黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司， 河南 鄭州 450003)

0 引言

滾刀是TBM施工中最主要的破巖工具。滾刀在破巖過程中，由于受刀盤推力、巖石摩擦及巖塊沖擊等作用，不可避免地會發(fā)生損耗。當?shù)度δp到一定程度或非正常損壞后，需要更換滾刀。當滾刀更換量大時，會造成2個極為不利的后果: 一是占用TBM掘進時間，降低設(shè)備利用率，影響施工速度；二是由于滾刀及刀圈單價高，大量換刀將增加施工成本。據(jù)統(tǒng)計，在秦嶺隧道TBM施工中，刀具檢查、維修及更換時間約占掘進施工時間的1/3，刀具費用約占掘進施工費用的1/3[1-3]。此外，遼西北某引水工程TBM掘進400 m產(chǎn)生的刀具消耗費用為2 800萬元、廣深港泥水盾構(gòu)推進400 m產(chǎn)生的刀具消耗為2 400 萬元[4]。因此，刀具消耗已經(jīng)成為評價TBM工作性能的重要參數(shù)，也是TBM施工經(jīng)濟性分析的重要方面[5]。

影響刀具消耗的因素多種多樣[6]，既有地質(zhì)條件方面的，也有滾刀材質(zhì)、刀具設(shè)計方面的，還有掘進參數(shù)方面的。如何深入分析并在刀具消耗預(yù)測時充分考慮以上影響因素，是刀具消耗預(yù)測研究的重點與難點問題。對TBM刀具消耗及磨損原因的研究，起初只是單一考慮地質(zhì)條件或掘進機本身的因素，隨后才慢慢發(fā)展到綜合考慮2個方面的共同作用[7]。例如： 美國科羅拉多礦業(yè)學(xué)院針對不同的巖石，通過大量試驗，提出利用巖石的CAI指數(shù)來表征巖石的耐磨性，并提出了基于CAI指數(shù)的滾刀刀圈壽命預(yù)測方法(CSM)[8]；挪威科技大學(xué)提出的TBM施工預(yù)測模型(NTNU)，可對TBM掘進參數(shù)、滾刀磨損情況、設(shè)備使用率及工程費用等進行綜合預(yù)測[9]； Frenzel 等[10]通過大量的巖體磨耗性試驗，提出TBM 掘進參數(shù)和圍巖地質(zhì)條件是影響滾刀磨損的關(guān)鍵因素； 張照煌等[11-12]提出基于破巖弧長的滾刀壽命預(yù)測模型和刀盤上盤形滾刀等壽命布置理論； 譚青等[13]利用微元法研究了滾刀半徑、貫入度、安裝半徑等因素對刀圈壽命的影響。實際上，由于TBM掘進過程中滾刀破巖和磨損機制十分復(fù)雜，且滾刀受力狀態(tài)不斷變化，通過滾刀受力理論公式精確計算刀具消耗是難以實現(xiàn)的。

理論與實踐表明，地質(zhì)條件是影響刀具消耗的關(guān)鍵因素[14]，而地質(zhì)條件又包括巖石性質(zhì)、節(jié)理裂隙、地下水和地應(yīng)力等多個方面，很難將以上諸多方面全部列入刀具消耗預(yù)測模型中。圍巖分級方法則可將上述問題化繁為簡，采用簡單的圍巖等級來評價復(fù)雜的地質(zhì)條件。因此，可以利用圍巖等級建立反映地質(zhì)條件影響的刀具消耗預(yù)測方法。然而，目前常用圍巖分級方法是面向鉆爆法施工提出的，主要考慮圍巖穩(wěn)定性，無法充分反映TBM掘進性能特點[15]。為此，應(yīng)以圍巖分級為基礎(chǔ)，提出反映TBM施工特點的分級指標并建立與刀具消耗之間的聯(lián)系。楊媛媛等[7]利用TBM工作條件等級數(shù)建立了刀具壽命預(yù)測模型。隨后，文獻[4，16]又對其進行了修正和改進。TBM工作條件等級數(shù)是在圍巖分級的基礎(chǔ)上，考慮了TBM掘進效率給出的。因此，基于TBM工作條件等級數(shù)進行刀具消耗預(yù)測分析，可以較充分地反映地質(zhì)條件的適宜性，具有一定的合理性。

然而，由于刀具消耗影響因素眾多，僅考慮地質(zhì)條件的適宜性是不全面的。如何反映刀具自身特點以及掘進參數(shù)等因素的影響，是TBM刀具消耗預(yù)測研究不可忽略的重要方面。基于此，本文提出利用TBM工作條件等級數(shù)反映地質(zhì)適宜性，根據(jù)刀盤布置同時考慮滾刀直徑的影響，以期建立更為合理的TBM刀具消耗預(yù)測模型。

1 刀具消耗影響因素分析

影響刀具磨損和消耗的因素多種多樣，概括起來主要有3個方面[4,6]，即地質(zhì)條件、機械因素和掘進參數(shù)。

1.1 地質(zhì)條件

地質(zhì)條件是刀具消耗的決定性因素，包括圍巖堅硬程度，如巖石強度、巖石硬度與耐磨性(與石英含量密切相關(guān))等；巖體完整性，如斷層破碎帶、節(jié)理和裂隙發(fā)育程度等；地下水和地應(yīng)力的影響等。一般情況下，巖石強度越高，石英含量越高，TBM掘進效率越低，刀具消耗越嚴重。例如： 引漢濟渭隧洞和秦嶺隧道(北口)曾遇到單軸飽和抗壓強度高達250 MPa以上的巖石，刀具消耗明顯高于其他圍巖。此外，除節(jié)理帶和斷層帶等不良地質(zhì)段外，巖體完整性越好，TBM滾刀破巖越困難，刀具消耗越大； 而巖體完整性較差—較好的圍巖，往往刀具消耗較低，如磨溝嶺隧道。

1.2 機械因素

機械因素的影響主要表現(xiàn)在刀盤結(jié)構(gòu)和刀具設(shè)計上，如刀間距、滾刀直徑及其安裝直徑等。實踐表明，對于特定的圍巖條件和刀盤推力，刀間距對TBM滾刀破巖效率具有顯著影響。破巖效率最高的刀間距為最優(yōu)刀間距。刀間距過大，會加快滾刀刀圈磨損，降低刀具壽命，同時增加 TBM 停機時間，降低設(shè)備利用率。大直徑滾刀的優(yōu)點在于允許有較大的磨損量，承載能力更大且滾動阻力系數(shù)低。滾刀直徑越大，滾刀破巖轉(zhuǎn)動圈數(shù)越少，磨損量就越小。滾刀安裝直徑越大，磨損量越大。滾刀安裝位置不同，其磨損程度也不同，例如： 中心刀和邊滾刀的磨損程度比較嚴重； 正滾刀磨損程度一般。

1.3 掘進參數(shù)

掘進參數(shù)包括貫入度、刀盤推力、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和掘進速度等。TBM施工過程中掘進參數(shù)的選擇與地質(zhì)條件密切相關(guān)。例如： 在堅硬巖石中的貫入度較小，當TBM掘進相同距離時，需要消耗更多的刀盤轉(zhuǎn)數(shù)，導(dǎo)致滾刀劃過掌子面的距離長，兩者均會增加滾刀磨損量；而當巖體軟弱破碎時，在較低的推力條件下即可獲得較大的貫入度，刀圈承受的摩擦阻力小且相同掘進距離條件下滾刀劃過掌子面的距離短，因此滾刀磨損量小。當?shù)侗P推力大、轉(zhuǎn)速高時，刀圈受巖石面的強摩擦作用會產(chǎn)生大量的熱量，導(dǎo)致刀圈溫度升高，從而加快刀具的磨損和消耗。在特定地質(zhì)條件下，當其他掘進參數(shù)不變時，TBM掘進速度越高，滾刀破巖所需的時間越短，刀具磨損就越小。掘進速度主要取決于巖體中結(jié)構(gòu)面的發(fā)育狀況，結(jié)構(gòu)面較發(fā)育時有利于滾刀破巖，掘進速度較高，刀具消耗降低。

由此可見，地質(zhì)條件是影響TBM刀具消耗的決定性因素，刀具設(shè)計和掘進參數(shù)均在某種程度上與地質(zhì)條件有關(guān)。例如： 在刀具設(shè)計中，最優(yōu)刀間距往往根據(jù)地質(zhì)條件通過試驗進行優(yōu)化確定； 而掘進參數(shù)往往是根據(jù)具體地質(zhì)條件進行動態(tài)調(diào)整的。近年來，對于大直徑滾刀的應(yīng)用越來越廣泛，因此刀具消耗預(yù)測分析應(yīng)在考慮地質(zhì)適宜性的基礎(chǔ)上，引入滾刀直徑的影響，以便建立更合理的預(yù)測模型。

2 考慮地質(zhì)適宜性的刀具消耗預(yù)測

2.1 刀具消耗與圍巖等級的關(guān)系

根據(jù)前述分析可知，刀具消耗不但與圍巖堅硬程度有關(guān)，而且受巖體完整性的影響，因此可以利用圍巖等級反映刀具消耗規(guī)律。在相同刀位上，對于相同類型的刀具，即便是圍巖巖性相同，如果圍巖等級不同，滾刀磨損量和刀具消耗率也存在一定差異。例如： 對于Ⅱ級和Ⅲ級圍巖段，巖石較堅硬、圍巖完整性較好，刀具的磨損也較大；而對于Ⅳ級和Ⅴ級圍巖段，雖然巖石較軟，但圍巖穩(wěn)定性較差，容易出現(xiàn)塌方、斷層等不良地質(zhì)情況，因而會增加刀具的非正常損壞[1-3]。

基于此，國內(nèi)外許多學(xué)者開展了TBM刀具消耗與圍巖等級之間的關(guān)系研究，并分別嘗試利用RMR分級、Q系統(tǒng)分級、BQ分級和HC分級等建立以圍巖等級為基礎(chǔ)的TBM刀具消耗經(jīng)驗預(yù)測公式。然而，上述4種圍巖分級方法是以隧道安全為目標，以圍巖穩(wěn)定性為評價對象的，無法體現(xiàn)TBM施工特點，沒有充分考慮TBM刀具消耗的主要影響因素。因此，應(yīng)在上述圍巖分級的基礎(chǔ)上，引入能夠反映TBM掘進適宜性的評價指標，構(gòu)建適用于TBM施工的圍巖分級方法，并以此為基礎(chǔ)建立刀具消耗預(yù)測模型。

2.2 面向掘進性能的TBM工作條件等級

無論是哪一種圍巖分級方法，巖石堅硬程度和巖體完整性均是反映圍巖基本質(zhì)量的主要評價指標，也是影響TBM掘進性能的主要方面。因此，面向掘進性能的TBM工作條件等級劃分應(yīng)在工程地質(zhì)勘察成果的基礎(chǔ)上，充分考慮與TBM掘進性能有關(guān)的巖石抗壓強度、巖體裂隙化程度、巖石耐磨性指標以及巖石硬度等對刀具消耗具有顯著影響的地質(zhì)因素。基于此，可將TBM施工適宜性/工作條件劃分為3個等級[17-18]，即： 適宜/工作條件好(A)、基本適宜/工作條件一般(B)、適宜性差/工作條件差(C)。

基于GB/T 50218—1994《工程巖體分級標準》對秦嶺隧道建立的TBM 施工隧道圍巖分級表明，面向TBM掘進性能和圍巖穩(wěn)定性的分級結(jié)果并不是一一對應(yīng)的[19]。穩(wěn)定性最好的Ⅰ級圍巖和穩(wěn)定性差的Ⅳ、Ⅴ級圍巖對應(yīng)于TBM工作條件來說，分別屬于基本適宜(條件一般/B)、適宜性差(條件差/C)或不宜使用。TBM最適宜掘進的圍巖類型，對應(yīng)于圍巖穩(wěn)定性分級結(jié)果為ⅡA和ⅢA2個等級，其基本特性為： 巖石單軸抗壓強度UCS為60～150 MPa，屬于中硬巖—堅硬巖；巖體節(jié)理中等發(fā)育，巖體完整性系數(shù)KV為0.45～0.75，完整性較差—較完整；巖石耐磨性指數(shù)Ab低于5；地下水不發(fā)育；地應(yīng)力為中低水平。在此條件下，TBM破巖效率最高，同時圍巖有一定的自穩(wěn)能力，可減少由于圍巖穩(wěn)定性差而停機處理所耽誤的時間。

根據(jù)TBM工作負荷情況，可將TBM工作條件等級數(shù)進一步量化，細分為15個等級，以便定量分析刀具消耗與TBM工作條件等級數(shù)之間的關(guān)系，如表1所示。

表1 TBM工作條件等級Table 1 TBM working condition grades

2.3 基于TBM工作條件等級的刀具消耗預(yù)測

楊媛媛等[7]根據(jù)TBM工作條件等級與刀具消耗數(shù)的關(guān)系，對數(shù)據(jù)進行擬合，得到了滾刀消耗量與TBM工作條件等級數(shù)之間的經(jīng)驗關(guān)系：

正(邊)滾刀整刀消耗量

y=1.430 4-0.175 3ln(x+2)；

(1)

正(邊)滾刀刀圈消耗量

y=3.748 8-0.458 9ln(x+2)。

(2)

式(1)—(2)中：y為TBM 每掘進10 cm 消耗的刀具數(shù)，把；x為圍巖對應(yīng)的TBM 工作條件等級數(shù)，由于預(yù)測公式由Ⅱ 、Ⅲ 、Ⅳ類圍巖中刀具的消耗量推出, 因此x的取值范圍是4～12。

黃平華[16]認為上述預(yù)測方法在2個方面與TBM施工實際情況不符： 1)僅僅基于掘進里程進行分析，與實際情況不符； 2)計算結(jié)果以10 cm為單位，與實際工程相差甚遠。在此基礎(chǔ)上，他提出了新的擬合分析方法：

y1=KD2[1.847 1-0.433 6ln(x+2)]×10-3；

(3)

y2=K[2.351 8-0.552 1ln(x+2)]×10-3。

(4)

式(3)—(4)中：y1為TBM掘進每m消耗的刀具數(shù)，把；y2為TBM掘進每m3消耗的刀具數(shù)，把；D為開挖直徑，m；x為TBM工作條件等級數(shù)，取1～12，見表1；K為實際巖石的變化系數(shù)，取0.8～1.3。

通過工程實例驗證發(fā)現(xiàn)，式(3)和式(4)計算結(jié)果與實際情況仍有較大偏差。例如： 秦嶺隧道和引大濟湟隧洞的刀具消耗預(yù)測結(jié)果偏高，誤差分別為42%和33%；而磨溝嶺隧道則偏低，誤差為28%。文獻[16]給出的原因是： 秦嶺隧道巖石實際干抗壓強度最高達204 MPa，大部分在100 MPa左右，且?guī)r面十分堅硬，巖體完整性較好，掘進速度緩慢，從而加速了刀具消耗；而磨溝嶺隧道實際圍巖破碎，巖石軟弱，可實現(xiàn)TBM快速掘進，因此刀具消耗大大降低。幾臺雙護盾TBM的刀具消耗預(yù)測結(jié)果存在偏差主要是由于實際開挖的圍巖級別變化較快，巖石的變化系數(shù)K取值存在較大困難。

李凱磊[4]對黃平華[16]提出的預(yù)測方法進行了修正：1)依據(jù)TBM工作條件下的圍巖分級，C級是TBM工作條件最惡劣的一級，在相同地質(zhì)圍巖等級下，理應(yīng)消耗更多的刀具，但是按照文獻[16]中的公式計算，在相同地質(zhì)圍巖等級下，C級反而比A級消耗刀具數(shù)少；因此，需要進行調(diào)整，使C級排在A級前。2)在擬合函數(shù)過程中，發(fā)現(xiàn)ln(x+1)比ln(x+2)更符合刀具消耗規(guī)律，因此采用ln(x+1)函數(shù)。修正后的擬合關(guān)系式為：

y1=KD2[1.595 2-0.340 4ln(x+1)]×10-3；

(5)

y2=K[2.032 1-0.433 4ln(x+1)]×10-3。

(6)

由山西萬家寨引黃工程4#—7#隧洞TBM實例計算結(jié)果表明，式(5)和式(6)計算結(jié)果比式(3)和式(4)更接近實際情況[4]。

3 同時考慮地質(zhì)適宜性和滾刀直徑的刀具消耗預(yù)測模型

上述刀具消耗預(yù)測模型是基于TBM工作條件等級建立的，對地質(zhì)條件適宜性問題的考慮比較全面。然而，由于巖石變化系數(shù)K在不同巖性條件下的變化很大，文獻[16]給出的取值范圍0.8～1.3顯然無法反映復(fù)雜的巖石條件，為此建議取K=0.3～5.0。此外，由于刀具消耗一般是按單位體積耗刀率計算，因此隧道開挖直徑對刀具消耗并無直接影響，不必單獨置入預(yù)測模型中。除地質(zhì)條件外，刀具設(shè)計也是刀具消耗的影響因素之一，如滾刀直徑和刀具布置。滾刀直徑越大，單位耗刀率相對越低。鑒于此，有必要在充分考慮地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，將滾刀直徑引入刀具預(yù)測模型中，得到每m3或每m的刀具消耗預(yù)測。

3.1 對擬合函數(shù)的優(yōu)化

以山西萬家寨引黃工程南干線4#—7#隧洞TBM施工實例數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行數(shù)據(jù)擬合分析。在分析過程中，李凱磊[4]研究認為函數(shù)ln(x+1)比ln(x+2)更符合刀具消耗規(guī)律，并采用ln(x+1)函數(shù)得到刀具消耗預(yù)測關(guān)系式，即式(5)和式(6)。然而，筆者在進行具體數(shù)據(jù)擬合時發(fā)現(xiàn)函數(shù)ln(x-1)和lnx比ln(x+1)更符合實際情況。可見，文獻[15]、文獻[4]和本文所得擬合預(yù)測公式之間，主要區(qū)別在于選用的擬合函數(shù)不同。

為說明本文選用的函數(shù)ln(x-1) 和lnx的合理性，利用文獻[16]和文獻[4]中給出的TBM工作條件等級數(shù)和預(yù)期耗刀率等相關(guān)數(shù)據(jù)，分別對ln(x+2)、ln(x+1)、lnx和ln(x-1)進行擬合分析(見圖1)，取巖石變化系數(shù)K=1.0。不同預(yù)測模型的擬合關(guān)系式和相關(guān)系數(shù)見表2。利用不同預(yù)測公式得到耗刀率預(yù)測結(jié)果，如表3和圖2所示。

圖1 不同ln函數(shù)對應(yīng)的刀具消耗擬合

Fig. 1 Fitting curves of cutter consumption with different natural logarithmic functions

表2 不同預(yù)測模型的擬合關(guān)系式Table 2 Fitting formulas of different prediction models

表3 不同預(yù)測公式計算得到的耗刀率Table 3 Calculation results of cutter consumption rate by different prediction formulas

圖2 不同預(yù)測公式得到的耗刀率結(jié)果對比

Fig. 2 Comparison of cutter consumption rate results obtained by different prediction formulas

由表2、表3和圖2可見，本文提出選用函數(shù)ln(x-1)和lnx在擬合精度和擬合結(jié)果的合理性等方面具有明顯優(yōu)勢，更符合實際情況。

3.2 引入滾刀直徑的修正模型

根據(jù)前述分析可知，滾刀直徑對刀具消耗有一定影響，且滾刀直徑越大，單位耗刀率越小，因此在刀具消耗預(yù)測模型中應(yīng)考慮滾刀直徑的影響。目前，常用的TBM盤形滾刀直徑為431.8 mm(17英寸)和482.6 mm(19英寸)，其中一部分工程(如吉林引松供水工程等)開始嘗試采用508.0 mm(20英寸)滾刀，也有部分工程(如蘭州水源地建設(shè)工程等)采用不同直徑滾刀混裝的刀盤形式。

在前述分析的基礎(chǔ)上，以擬合效果最好的函數(shù)ln(x-1)和lnx為基礎(chǔ)，引入TBM滾刀直徑影響因子d，擬合關(guān)系表達式為：

y=K[2.732 9-1.005 2×d×
ln(x-1)]×10-3(當x>1)；

(7)

y=K(2.045 8-1.463 7×d×
lnx)×10-3(當x=1)。

(8)

式(7)—(8)中：y為TBM掘進每m3消耗的刀具數(shù)，把；x為TBM掘進工作條件等級數(shù)；K為實際巖石的變化系數(shù)，取0.3～5.0，視巖石堅硬程度而定；d為滾刀直徑影響因子，d=Di/D17(D17為17英寸滾刀直徑，即431.8 mm；Di為其他滾刀直徑，mm)。

由d定義可知： 對于431.8 mm(17英寸)滾刀，d=1；對于482.6 mm(19英寸)滾刀，d=1.118；對于508.0 mm(20英寸)滾刀，d=1.176。不同滾刀直徑條件下刀具消耗率與TBM工作條件等級數(shù)之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 不同滾刀直徑條件下的刀具消耗擬合

Fig. 3 Fitting curves of cutter consumption under different disc cutter diameters

4 預(yù)測模型有效性驗證

4.1 工程概況

TBM1段雙護盾TBM的刀盤基本性能參數(shù)為： 刀盤開挖直徑為5.46 m，刀盤采用混裝結(jié)構(gòu)，共有37把盤形滾刀，其中431.8 mm(17英寸)中心刀6把，482.6 mm(19英寸)正滾刀21把，482.6 mm(19英寸)邊滾刀10把，431.8 mm(17英寸)滾刀最大承載力為250 kN，482.6 mm(19英寸)滾刀最大承載力為315 kN。

4.2 TBM1掘進段滾刀消耗分析

在TBM1掘進段前3 602 m掘進過程中，總共更換滾刀及刀圈409個，各刀位的更換數(shù)量統(tǒng)計如圖4所示。由圖可見，滾刀及刀圈的更換數(shù)量總體呈隨安裝半徑的增加而增加的趨勢。1#—6#中心刀更換數(shù)量明顯多于7#—21#正滾刀，主要是因為中心刀為431.8 mm(17英寸)，容許磨損量小于482.6 mm(19英寸)刀圈，且431.8 mm(17英寸)刀圈的刀刃較482.6 mm(19英寸)窄，磨損速度大于寬刃的刀圈。另外，中心刀安裝半徑小，運行過程中刀圈在巖面上滑動距離大，導(dǎo)致中心刀換刀數(shù)量多。特別是6#中心刀的換刀數(shù)量遠大于相鄰的中心刀和正滾刀，原因是6#中心刀位于431.8 mm(17英寸)滾刀向482.6 mm(19英寸)滾刀的過渡區(qū)域，此時刀間距由84 mm變?yōu)?6 mm，相鄰的7#482.6 mm(19英寸)滾刀磨損速率低， 導(dǎo)致6#滾刀受力復(fù)雜，出現(xiàn)了較多的偏磨等非正常損壞。由此可見，安裝位置相比滾刀直徑對刀具消耗的影響更大。

圖4 TBM1施工段各刀位刀圈更換數(shù)量統(tǒng)計

Fig. 4 Statistics of disc cutter replacement amount at different location of TBM1 section

經(jīng)統(tǒng)計，TBM1掘進段共消耗滾刀409把，其中，正常磨損307把，占75%，非正常損壞(含軸承損壞、漏油、刀圈偏磨、刀圈斷裂、崩刃、刀圈松動等)102把，占25%，略高于國內(nèi)外20%的平均水平。非正常損壞中以刀圈偏磨為主，約占49%，其次為漏油和軸承損壞，分別約占17%，如圖5所示。

圖5 TBM1施工段滾刀非正常損壞統(tǒng)計

Fig. 5 Statistical proportion of disc cutter abnormal damage at TBM1 section

TBM1段在3 602 m的掘進過程中平均每掘進8.81 m更換一把滾刀，平均每把滾刀破巖量為207.6 m3，平均每m3巖石消耗的滾刀數(shù)量為0.004 82把。其中： 石英閃長巖洞段長542 m，更換滾刀56把，耗刀率為0.004 38把/m3；石英片巖洞段長3 060 m，更換滾刀353把，耗刀率為0.004 89把/m3。兩者相差較小，根據(jù)前期勘察及施工中的巖石取樣試驗結(jié)果，石英閃長巖和石英片巖的物理力學(xué)性質(zhì)較類似，因此對滾刀的消耗也基本相同。秦嶺隧道出口段TBM刀具消耗情況為混合花崗巖0.001 8把/m3、混合片麻巖0.010 3把/m3，對比可見TBM1掘進段滾刀消耗高于秦嶺隧道混合花崗巖洞段，低于混合片麻巖洞段。

根據(jù)GB 50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》附錄N的圍巖分類方法，由于3 602 m洞段的石英閃長巖、石英片巖均屬堅硬巖，且物理力學(xué)性質(zhì)相近，可統(tǒng)一進行分段。根據(jù)圍巖分類結(jié)果，TBM1掘進段圍巖主要為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類，長度分別為2 559.2、994.8、48.0 m。統(tǒng)計結(jié)果表明： Ⅱ類圍巖消耗滾刀365把，耗刀率為0.006 05把/m3；Ⅲ類圍巖消耗滾刀44把，耗刀率為0.001 88把/m3。可見，Ⅱ類圍巖的刀具消耗明顯大于Ⅲ類圍巖。由于Ⅳ類圍巖洞段較短，數(shù)據(jù)代表性不強，在此不做分析。

4.3 刀具消耗預(yù)測模型有效性驗證

以蘭州水源地建設(shè)工程輸水隧洞TBM1的3 602 m掘進段刀具消耗數(shù)據(jù)為例，驗證本文提出的同時考慮地質(zhì)適宜性和滾刀直徑的刀具消耗預(yù)測公式的合理性。由于TBM1采用431.8 mm(17英寸)和482.6 mm(19英寸)滾刀混裝形式的刀盤，因此滾刀直徑影響因子可按不同尺寸滾刀的數(shù)量進行加權(quán)處理，計算后取d=1.098 9。另外，由于TBM1掘進段圍巖為石英片巖和閃長巖，相比萬家寨引黃工程屬于堅硬巖石條件，因此巖石變化系數(shù)K可取4.0。刀具消耗預(yù)測計算結(jié)果見表4。

表4不同預(yù)測公式計算得到的蘭州水源地建設(shè)工程TBM1掘進段耗刀率

Table 4 Calculation results of cutter consumption rate of TBM1 tunneling section at Lanzhou water source area by different prediction formulas

圍巖類別TBM施工圍巖分級 TBM工作條件等級數(shù)實際計算耗刀率/ (把/m3)預(yù)測計算結(jié)果/(把/m3)本文文獻[4]文獻[16]ⅡⅡA40.006 050.006 0770.005 3380.005 853ⅢⅢC90.001 880.001 7440.004 1370.004 322

由表4可見： 1)本文提出的同時考慮地質(zhì)適宜性和滾刀直徑的TBM刀具消耗預(yù)測模型相比其他預(yù)測模型，計算結(jié)果更接近實際計算耗刀率。2)對于Ⅱ類圍巖，本文給出的TBM刀具消耗預(yù)測公式的計算結(jié)果與實際計算耗刀率最接近，略高于實際計算耗刀率。由于Ⅱ類圍巖質(zhì)量好，巖體完整性好，節(jié)理裂隙不發(fā)育，因此本文預(yù)測耗刀率略高是合理的。3)對于Ⅲ類圍巖，本文給出的預(yù)測公式的結(jié)算結(jié)果與實際計算耗刀率最為接近，略低于實際計算耗刀率，而其余兩種預(yù)測方法計算結(jié)果均偏大。由于Ⅲ類圍巖節(jié)理裂隙相對發(fā)育，有利于TBM破巖和掘進，因此本文預(yù)測耗刀率略低也是合理的。4)TBM工作條件等級數(shù)直接影響刀具消耗計算結(jié)果，如何根據(jù)地質(zhì)條件和TBM掘進效率，準確給出TBM施工圍巖分級和對應(yīng)的TBM工作條件等級數(shù)，是利用上述刀具消耗預(yù)測模型進行刀具消耗計算的關(guān)鍵。

5 結(jié)論與建議

TBM刀具消耗受地質(zhì)條件、機械因素和掘進參數(shù)等影響，是多種因素綜合作用的結(jié)果。TBM刀具消耗預(yù)測應(yīng)基于掘進性能和效率，充分考慮地質(zhì)適宜性和滾刀自身因素的影響。本文主要結(jié)論如下：

1)利用TBM工作條件等級進行刀具消耗預(yù)測，可以反映地質(zhì)條件適宜性特點。

2)滾刀直徑越大，耗刀率越低。在刀具消耗預(yù)測模型中引入滾刀直徑影響因子，可反映滾刀直徑的影響。

3)通過工程實例驗證表明，同時考慮地質(zhì)適宜性和滾刀直徑的TBM刀具消耗預(yù)測模型的計算結(jié)果更接近實際耗刀率，更具合理性。

4)刀具消耗與巖體完整性相關(guān)，巖體完整性好，本文預(yù)測計算結(jié)果略高，反之計算結(jié)果略低。

5)鑒于地質(zhì)條件、設(shè)備性能和掘進參數(shù)等影響因素的復(fù)雜性，下一步應(yīng)利用更多工程實例數(shù)據(jù)來驗證TBM刀具消耗預(yù)測模型的有效性。