不同巖體質量隧道TBM施工性能評價方法

楊延棟, 趙建兵, 周建軍*, 王斌, 米迪, 耿超

(1.盾構及掘進技術國家重點實驗室， 鄭州 450001； 2.中鐵隧道局集團有限公司， 廣州 511458; 3.中鐵開發投資集團有限公司， 昆明 650118)

評價巖石隧道掘進機(tunnel boring machine,TBM)施工性能最顯著的指標為TBM施工速度，即TBM單位時間的平均掘進距離，施工速度越高，表明TBM施工性能越強。TBM施工速度為掘進速率與設備利用率的乘積，掘進速率反映TBM純掘進工序的能力，設備利用率反映其他工序對純掘進工序的影響程度。因此，評價TBM施工性能需要從設備利用率和掘進速率兩方面進行研究。

TBM設備利用率為TBM掘進時間與總時間的比值，影響TBM設備利用率的因素可以分為三個方面，第一方面是隧道圍巖質量的影響，第二方面是TBM設備本身完好率的影響，第三方面是TBM施工工序銜接的影響。目前，可靠的設備廠商以及充分的維護保養一般可保證設備完好率達到90%以上；合理的施工組織也便于實現施工工序的緊密銜接，最難控制的是隧道圍巖質量對TBM利用率的影響。TBM在不穩定圍巖施工時，需要花費大量的時間進行初期支護或超前加固；一旦TBM卡機，需要更長時間停機進行脫困，嚴重影響設備利用率。因此，隧道圍巖質量對TBM設備利用率的影響尤為關鍵。

TBM掘進速率為TBM連續掘進時掘進距離與純掘進時間的比值，可以用刀盤轉速和貫入度的乘積計算。貫入度與圍巖強度密切相關，巖體完整性相同的情況下，巖石強度越高，貫入度相對越低；刀盤轉速與圍巖穩定性密切相關，一般穩定性好的圍巖刀盤轉速高，穩定性差的圍巖刀盤轉速低。可見，隧道圍巖巖石強度和巖體完整性對TBM掘進速率影響顯著。

劉泉聲等[1]通過對國內外30多個理論和經驗TBM性能預測模型歸納總結，得到通過室內實驗數據開發理論預測模型暫時行不通，可行的途徑是通過TBM施工現場數據開發經驗預測模型；曹瑞瑯等[2]、張全太等[3]對國內外多個TBM凈掘進速度預測模型進行了歸納總結，并對預測能力進行了排序，得到合理選擇評價參數是建立TBM性能預測模型的關鍵，已建立的模型在實際工程應用中的準確性存在不足，提煉反映巖機相互作用的評價參數具有重要意義。上述研究為TBM施工性能評價方法的研究指明了研究方向，即通過大量的TBM現場數據開發經驗模型，但目前國內外TBM性能預測多針對單一工程，多工程TBM性能參數獲取困難、缺乏TBM施工數據庫。

Sapigni等[4]、Frough等[5]等針對伊朗Karaj隧道等國外幾個隧道工程的TBM設備利用率、掘進速率等施工性能參數進行了統計分析，但中國TBM施工習慣與國外有很大差異，且隧道圍巖條件也不相同，無法直接照搬。龔秋明等[6]針對引漢濟渭嶺北TBM段對設備利用率、掘進速率、施工速度進行了統計分析；王健等[7]針對引松供水四標TBM隧道工程，通過回歸分析建立了TBM利用率、掘進速率、施工速度以及貫入度指數與巖體質量指標的經驗公式；閆長斌等[8]、姜曉迪[9]針對蘭州水源地TBM隧道工程，基于巖石單軸抗壓強度、抗拉強度、變形模量、泊松比、巖石磨蝕性等巖體指標，建立了TBM掘進速率預測模型；段志偉等[10]、崔久華[11]等針對新疆YE隧道工程，統計了TBM利用率、掘進速率、施工速度、貫入度、刀盤轉速、可掘性指標等參數與圍巖級別的對應關系，王利明等[12]等針對該工程提出調整鋼拱架間距和增設錨桿，有利于提升敞開式TBM的施工安全性；李昌博等[13]等針對西藏某公路隧道，提出豆粒石回填可以控制圍巖收斂變形，有利于提升雙護盾TBM施工性能。上述國內外對于TBM施工性能評價的研究多針對某特定工程，難以推廣應用到其他工程，缺乏普遍性和準確性。

因此，有必要針對國內外已建和在建的多個TBM工程數據，建立TBM設備利用率、掘進速率等施工性能參數與圍巖質量的關系，有利于評價TBM在不同地質條件的適應性。

1 不同巖體質量隧道工程TBM施工性能統計

1.1 TBM施工性能評價指標

TBM施工速度是評價TBM施工性能最直接的評價指標，TBM施工速度越高，則TBM施工性能AR越強(m/h)。表達式為

AR=PRU

(1)

式(1)中：PR為TBM掘進速率，m/h；U為設備利用率，%。

TBM設備利用率為TBM掘進時間占施工總時間的比值，TBM設備利用率表達式為

(2)

式(2)中：Tb為TBM純掘進時間，h；Td為TBM停機時間，h；Ts為TBM施工總時間，h。

TBM掘進速率為TBM連續掘進階段掘進距離L與純掘進時間Tb的比值，也可以表示為貫入度與刀盤轉速的乘積，表達式為

(3)

式(3)中：L為TBM掘進距離，m；Tb為TBM純掘進時間，h；P為貫入度，mm/r；RPM為刀盤轉速，r/min。

TBM施工現場一般通過周報的形式統計一周內TBM的掘進距離、純掘進時間、停機時間等，從而可以獲取這一周的平均施工速度、設備利用率等，掘進速率通過TBM的PLC(programmable logic controller)記錄的掘進參數得到。

1.2 隧道巖體質量評價指標

不同國家和地區的隧道工程巖體質量往往千差萬別，評價隧道圍巖質量的指標也各不相同。目前國外TBM性能預測中使用的參數大多與巖體質量評分(rock mass rating，RMR)指標相關，中國圍巖穩定性分級評價大多采用BQ法。《工程巖體分級標準》[14]《鐵路工程地質勘察規范》[15]《公路工程地質勘察規范》[16]等標準規范中采用巖體基本質量指標(basic quality，BQ)評價法，對于TBM隧道工程巖體質量RMR評價法在國內外均有廣泛的應用，該方法綜合考慮了巖石強度、巖體完整性、節理間距、節理條件以及地下水等多個方面的影響因素。為了數據庫的統一性，采用文獻[17]統計回歸得出的BQ與RMR換算關系可將隧道圍巖BQ值換算成RMR值，關系式為

(4)

1.3 不同隧道工程TBM施工性能參數統計

通過現場測試和文獻調研，基于國內外11個TBM工程，統計了隧道概況、圍巖質量以及施工性能三個方面的參數，共計128組數據，如表1所示。隧道概況參數主要包括：工程名稱、隧道所在國家、隧道開挖直徑、TBM機型以及地層巖性；圍巖質量參數主要包括巖體質量評分指標RMR或巖體基本質量指標BQ，二者可以相互換算，國外隧道工程統計的均為RMR，中國隧道工程統計的均為BQ，最終均換算為RMR；TBM施工性能指標包括設備利用率、掘進速率等。

在所統計TBM隧道工程范圍內，TBM設備利用率范圍為6～55%、掘進速率范圍為0.7～6.7 m/h，可見在目前TBM技術水平條件下，TBM隧道圍巖條件特別好的時候，TBM設備利用率可超過50%；按照6.7 m/h的掘進速率推算，TBM設備利用率達到50%時，月進尺可超過2 000 m/月，目前國外TBM最高月進尺為2 187 m[1]，中國TBM最高月進尺為引洮供水的1 868 m。但由于地質、機械等多方面原因的限制，絕大部分TBM施工性能還未能完全發揮，因此，深入挖掘TBM設備利用率、掘進速率與圍巖質量的相互關系，對于充分發揮TBM施工性能具有重要價值。

2 不同巖體質量隧道工程TBM施工性能指標回歸分析

2.1 TBM設備利用率與巖體質量回歸分析

基于國內外11個隧道工程數據，利用多種函數關系對TBM設備利用率U與巖體質量指標RMR的相關性進行了線性和非線性回歸分析，其中二次函數關系相關性高，更能反映TBM設備利用率與巖體質量之間的統計關系，如表2所示，各個工程二次函數擬合關系如圖1所示。一般認為相關系數絕對值大于0.8時，擬合變量極強相關；相關系數絕對值在0.6～0.8時，擬合變量強相關；相關系數絕對值0.4～0.6時，擬合變量較強相關；相關系數絕對值0.2～0.4時，擬合變量弱相關；相關系數絕對值小于0.2時，擬合變量極弱相關。從表2的擬合結果可得，絕大部分隧道工程TBM設備利用率U與巖體指標RMR強相關。

2.2 TBM掘進速率與巖體質量回歸分析

利用多種函數關系對TBM掘進速率PR與巖體質量指標RMR進行回歸分析，發現二次函數的相關性高，更能反映TBM掘進速率與巖體質量之間的統計關系，二次函數的回歸曲線如圖2所示、擬合關系如表3所示。從表3的擬合結果可得，8個TBM工程掘進速率PR與巖體質量指標RMR部分為極強相關(4組)、部分為強相關(4組)，但相關系數R絕對值均超過0.6，可認為TBM掘進速率PR與巖體質量指標RMR具有較強的相關性，且呈二次函數關系。

表1 多個TBM隧道工程施工性能參數統計表

表2 多個TBM隧道工程設備利用率U與巖體質量指標RMR擬合關系

圖1 多個隧道工程TBM設備利用率U與巖體質量 指標RMR回歸曲線Fig.1 Regression curve of TBM utilization U and rock mass quality index RMR of multiple tunnel engineering

圖2 多個TBM隧道工程掘進速率PR與巖體質量 指標RMR回歸曲線Fig.2 Regression curve of TBM penetration rate PR and rock mass quality index RMR of multiple tunnel engineering

3 不同巖體質量隧道工程TBM施工性能評價方法

上述11個TBM工程設備利用率U與巖體質量指標RMR的二次函數擬合關系(決定系數0.607 7)為式(5)。上述8個TBM工程掘進速率PR與巖體質量指標RMR的二次函數擬合關系(決定系數0.461 2)為如式(6)。TBM設備利用率U、掘進速率與巖體質量指標RMR的擬合關系如圖3和圖4所示，圖中圍巖分級按照《工程巖體分級標準》[14]中BQ法分級標準劃分，通過式4換算關系可與RMR對應，不同圍巖級別對應的BQ值和RMR值如表4所示。

U=0.000 3RMR2+0.416 4RMR+4.336 7

(5)

PR=-0.001 1RMR2+0.102 3RMR+0.988 5

(6)

分析TBM設備利用率與巖體質量指標RMR擬合關系式(5)的單調性，當RMR>0時，該函數單調遞增，說明隧道圍巖質量越差，TBM設備利用率越低；隧道圍巖質量越好TBM設備利用率越高。TBM在巖體質量差的圍巖施工時，需要停機進行大量的支護作業，有時還需要通過超前加固提前處理前方地層，隧道圍巖坍塌或變形時甚至造成TBM卡機，因此，隧道圍巖質量較差時進行的支護作業是導致TBM設備利用率低的主要原因。

表3 多個隧道工程TBM掘進速率PR與巖體 質量指標RMR擬合關系Table 3 Fitting relationship between TBM penetration rate PR and rock mass quality index RMR of multiple tunnel engineering

圖3 TBM利用率與巖體質量指標RMR擬合關系Fig.3 Fitting relationship between TBM utilization and rock mass quality index RMR

圖4 TBM掘進速率與巖體質量指標擬合關系Fig.4 Fitting relationship between TBM penetration rate and rock mass quality index

表4 不同圍巖級別BQ值與RMR值表

分析TBM掘進速率與巖體質量指標RMR擬合關系[式(6)]的單調性，當RMR<46.5時，該函數單調遞增；當RMR>46.5時，該函數單調遞減。說明極好質量的巖體與極差質量的巖體都不利于TBM掘進，掘進速率不高；中等質量的巖體有利于TBM掘進，掘進速率較高，當RMR為40～60時(即Ⅲ級圍巖)，TBM掘進速率達到最高水平，適宜于TBM掘進；文獻[4]通過統計意大利的3條隧道得到類似的結果。TBM掘進速率可表示為貫入度與刀盤轉速的乘積，當圍巖質量極好時，巖石單軸抗壓強度高、巖體完整性好，滾刀貫入度極低，即使提高刀盤轉速，掘進速率也不能達到較高的水平；當圍巖質量極差時，巖石單軸抗壓強度低、巖體完整性差，而且掌子面不平整，此時為了保護刀具、降低開挖對圍巖的擾動，一般設置較低的刀盤轉速，導致TBM掘進速率低；巖體質量適中時，貫入度和刀盤轉速適中，二者乘積掘進速率才能發揮到極致。

利用擬合的關系式繪制TBM設備利用率、掘進速率、施工速度隨巖體質量指標RMR的變化規律如圖5所示，TBM設備利用率隨巖體質量參數的增大逐漸增大，設備利用率的理想狀態可超過50%；TBM掘進速率隨巖體質量參數的增大先升高再降低，在Ⅲ級圍巖時達到峰值，掘進速率的理想狀態為達到3.5 m/h，即接近60 mm/min；TBM施工速度隨巖體質量參數的增大先升高再降低，但在Ⅱ級圍巖時達到峰值，施工速度的理想狀態為達到1.0 m/h，即月進尺持續超過720 m/月。

圖5 TBM施工性能指標隨巖體質量的變化規律Fig.5 Variation of TBM construction performance index with rock mass quality

基于TBM隧道工程巖體質量指標RMR或BQ，利用式(5)、式(6)以及圖5，可以對TBM施工性能指標設備利用率、掘進速率以及施工速度進行預測和評價。TBM施工前，通過施工性能指標預測可準確預期施工成本和工期；TBM施工中，通過施工性能指標評價可發現施工中存在的問題，便于及時作出調整措施。如在特定巖石條件下，若TBM設備利用率明顯低于統計水平，則說明施工組織方面可能存在問題，其他工序過多占用了TBM掘進時間；若TBM掘進速率明顯低于統計水平，則說明掘進參數控制方面存在問題，需要通過貫入度和刀盤轉速的控制盡可能達到甚至超過統計水平。

4 TBM施工性能評價方法工程驗證

滇中引水工程是國務院確定的172項重大水利工程中的10大標志性工程之首，總干渠全長663.23 km，其中隧洞長度占92.03%，分為大理Ⅰ段、大理Ⅱ段、楚雄段、昆明段、玉溪段及紅河段等6段。香爐山隧洞位于大理Ⅰ段的首部，是滇中引水工程全線最具代表性的超長深埋隧洞，全長62 km，最大埋深1 512 m。香爐山隧洞采用鉆爆法和TBM法組合施工，鉆爆法洞段長27 km，TBM掘進段長35 km，采用兩臺TBM施工，TBM開挖直徑為9.83 m。中鐵隧道局施工的滇中引水工程大理Ⅰ段施工3標正洞線路長約26.542 km，其中，TBM掘進總長度為20.802 km，鉆爆段4.845 km，雙孔U形渡槽595 m。

該臺TBM穿越的地層巖性主要為灰巖、白云質灰巖以及玄武巖等，截至2021年5月底，該TBM已掘進接近2 km，通過統計2021年4月TBM的施工性能參數，對提出的TBM施工性能評價方法進行驗證。該段地層巖性主要為北衙組白云質灰巖，圍巖分級為III級。根據地勘和現場巖樣測試，白云質灰巖的單軸抗壓強度Rc為45～55 MPa，取平均值50 MPa；地勘給出的完整性系數Kv為0.72，該掘進段地下水極不發育，根據文獻[14]計算圍巖BQ值為430，再利用式(4)的換算關系計算巖體質量指標RMR為57，利用式(5)預測TBM設備利用率為30%，利用式(6)預測TBM掘進速率為3.2 m/h，則TBM施工速度預測值為0.96 m/h，即預測月進尺為691.2 m/月。TBM該月實際設備利用率平均值為35%、掘進速率為2.63 m/h，實際月進尺為663 m/月。

設備利用率預測結果偏小于實際值，掘進速率預測結果偏大于實際值，但偏差不大。首先，預測所取得巖石單軸抗壓強度、巖體完整性參數可能與實際存在差異，可能導致預測結果偏差；其次，實際掘進速率低于統計水平，說明該TBM貫入度和刀盤轉速的匹配還有潛力可挖，也為下一步通過匹配掘進參數提升掘進速率指明了研究方向；另一方面，該TBM直徑接近10 m，刀盤邊緣滾刀線速度限制了刀盤轉速，在提升TBM掘進速率時需要考慮該因素。總之，該TBM施工性能評價方法對于預測TBM性能具備有效性。

5 結論與討論

TBM施工性能與隧道圍巖質量密切相關，基于國內外多個隧道工程TBM施工性能參數統計分析，建立了不同巖體質量隧道TBM施工性能評價方法，為擬建隧道TBM施工速度預測和在建隧道TBM施工性能評價提供了參考依據。

(1)通過對國內外多個隧道工程TBM施工性能數據回歸分析，得到TBM設備利用率、掘進速率均與巖體質量指標具有強的相關性，利用巖體質量指標預測設備利用率可采用二次函數的回歸經驗公式；利用巖體質量指標預測TBM掘進速率也可采用二次函數的回歸經驗公式；在所統計隧道工程范圍內，不同巖體質量圍巖TBM設備利用率范圍為6%～55%、掘進速率范圍為0.7～6.7 m/h。

(2)建立了設備利用率、掘進速率等TBM施工性能指標隨巖體質量的變化規律，TBM設備利用率隨巖體質量參數的增大遞增，設備利用率的理想狀態可超過50%；TBM掘進速率隨巖體質量參數的增大先升高再降低，在III級圍巖時達到峰值，掘進速率的理想狀態可達3.5 m/h，即接近60 mm/min；TBM施工速度隨巖體質量的先升高再降低，但在II級圍巖時達到峰值，施工速度的理想狀態可持續超過1.0 m/h，即月進尺持續超過720 m/月。

(3)利用建立的TBM掘進性能指標與巖體質量指標的回歸模型，提出了不同巖體質量隧道TBM施工性能評價方法，可為擬建隧道TBM施工速度預測和在建隧道TBM施工性能評價提供參考依據。

本研究更多考慮了巖石堅硬程度和巖體完整程度對TBM施工性能的影響，斷層破碎帶、軟巖大變形、巖爆等不良地質也對TBM施工性能有影響，下一步將針對上述影響因素開展定量研究；另外，下一步將針對決定TBM掘進速率的貫入度、刀盤轉速，建立其與圍巖質量的相關性，進而指導TBM掘進參數的優化控制。