復雜地質條件下雙護盾TBM 掘進性能研究

楊繼華，閆長斌

（1.黃河勘測規劃設計研究院有限公司， 河南 鄭州 450003；2.鄭州大學 土木工程學院，河南 鄭州 450001）

在水利水電、鐵路、公路、國防及城市軌道交通等領域的長隧洞施工中，隧道掘進機（TBM）以其快速、安全、 優質、 高效的特點正得到越來越廣泛的應用［1-4］。

TBM 掘進是機（TBM）-巖（圍巖）相互作用的過程。 一方面，TBM 通過推力、刀盤旋轉作用到開挖面巖體上，從而破碎圍巖獲得掘進速度；另一方面，巖體對刀具有一定的磨損，對TBM 的推進、驅動及出渣系統產生一定負荷，可能造成設備的故障，從而降低TBM 的利用率。 TBM 掘進性能是機-巖相互作用的結果。 在掘進性能的各項指標中，TBM 的利用率、滾刀損耗及掘進速度是重點指標，直接關系到施工成本及施工工期［5-6］。 對于長隧洞，地質條件往往復雜多變，不同地質條件下機-巖的相互作用差別較大。 因此，研究復雜地質條件下的TBM 的利用率、滾刀損耗及掘進速度等對于提高TBM 的掘進性能具有重要的意義。

針對TBM 掘進性能問題，較多學者及工程技術人員開展了相關的研究：龔秋明等［7］采用RMR 法巖體分類系統預測了TBM 利用率，得出了TBM 利用率與RMR 正相關、施工速度隨RMR 增大而增大的結論；石曲［8］分析了影響開敞式TBM 掘進效率的主要因素，并提出了設備改進建議；楊慶輝［9］研究了錦屏二級水電站引水隧洞的開敞式TBM 掘進效率的主要影響因素，包括掘進模式、掘進參數、地質條件及初期支護等；吳曉志［10］、楊曉迎等［11］分別以中天山鐵路隧道、大伙房輸水隧洞為例，在分析開敞式TBM 掘進效率的基礎上，提出了提高TBM 掘進效率的建議。

但以上研究多集中在開敞式TBM 施工，而對雙護盾TBM 涉及較少，雙護盾TBM 在掘進模式、支護方式等方面與開敞式TBM 有較大的不同，在掘進性能方面有一定的差別。 本文以蘭州市水源地建設工程輸水隧洞TBM1 施工段雙護盾TBM 施工為工程背景，研究復雜地質條件下TBM 的掘進性能，并提出提高TBM 掘進性能的幾點思考，以供類似工程參考。

1 工程概況

蘭州市水源地建設工程輸水隧洞全長31.57 km，其中TBM1 施工段長10.728 km，采用1 臺雙護盾TBM施工，開挖洞徑5.48 m，管片襯砌后洞徑4.60 m［12-14］。

輸水隧洞最大埋深約550 m，平均埋深約400 m；隧洞沿線穿越的地層巖性較為復雜，主要有加里東中期石英閃長巖、前震旦系馬銜山群黑云石英片巖和角閃石英片巖、加里東中期花崗巖、白堊系下統河口群泥質砂巖與泥巖互層、砂礫巖等。 其中，石英閃長巖、石英片巖、花崗巖為硬巖，泥質砂巖為軟巖。 隧洞各類巖性地層比例見圖1。 根據《水利水電工程地質勘察規范》（GB 50487—2008）［15］附錄N 的圍巖分類方法，該隧洞以Ⅱ類、Ⅲ類圍巖為主，各類圍巖比例見圖2。 隧洞沿線的地下水類型主要為第四系孔隙潛水、基巖裂隙水，隧洞總體位于地下水位以下。 隧洞區地應力場的三向應力特征為σH＞σh＞σV，最大主應力方向NE40°—NE70°，與輸水隧洞主洞方向接近平行，最大水平應力與自重應力之比為1.5～2.9。

圖1 隧洞各類巖性地層比例

圖2 隧洞各類圍巖比例

輸水隧洞地層巖性多，存在多處巖性分界及接觸帶，隧洞施工中不良地質條件易造成破碎帶節理密集帶塌方、涌水及圍巖大變形等，總體地質條件較為復雜。

該工程所采用的雙護盾TBM 技術參數見表1。

表1 雙護盾TBM 技術參數

2 TBM 利用率分析

TBM 利用率一般定義為純掘進時間與施工時間的比值［16-17］。 在相同的地質條件下，TBM 利用率越高，則掘進進尺越大。 雙護盾TBM 利用率受多種因素的影響，如掘進模式、掘進參數、設備故障、刀具更換、不良地質條件處理等。

2.1 TBM 整體利用率分析

圖3 為蘭州市水源地建設工程輸水隧洞TBM1 施工段施工期間TBM 利用率統計（由于2017 年9 月TBM 在滑行步進，沒有掘進，因此沒有數據）。 在整個施工期間TBM 的平均利用率為27.8%，在掘進初始階段的兩個月內，利用率分別為16.7%和25.8%，低于平均利用率，這主要是因為設備處于調試及試掘進階段，設備故障率較高。 隨著設備調試及試掘進的完成，利用率基本維持在30%以上，與國內外其他工程對比，這基本上處于正常水平。 受硬巖段刀具大量更換及設備故障等的影響，在2016 年11 月—2017 年3 月，TBM利用率降低到30%以下；在2017 年4—5 月，發生了卡機和涌水事件，TBM 的掘進基本上處于停滯狀態，因此兩時段利用率僅為1.9%和16.7%；隨后在2017 年6—12 月，利用率多在30%以上，最高達到了40.2%；2018 年1 月發生了兩次卡機事件，利用率只有19.3%。

圖3 不同月份TBM 利用率統計

2.2 不同地質條件下利用率分析

表2 為不同地質條件下TBM 利用率統計。 在表2中：純掘進時間是指正常掘進的時間；換步時間是雙護盾模式下每掘進循環結束后，主推進油缸復位，支撐靴重新撐緊洞壁所需要的時間，一般為5 ～10 min；刀具問題時間指的是刀具更換、刀盤內刀具維修所占用的時間；設備故障時間指的是推進油缸、導向系統、管片拼裝機、豆礫石吹填系統等故障的停機時間；管片拼裝時間主要有兩個，一是雙護盾模式下，管片拼裝和掘進同時進行，管片每環拼裝時間多出每環掘進的時間，二是單護盾模式下每環掘進停止后，拼裝管片所需要的時間；連續皮帶機時間指皮帶機跑偏、皮帶割裂、托輥損壞所導致的停機時間；其他指的是皮帶硫化、設備強制維保、設備部件更換及其他所導致的停機時間。

由表2 可以看出地質條件對TBM 的利用率影響較大。 對于Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類圍巖，TBM 利用率隨著圍巖類別的降低而提高，如Ⅱ類石英片巖的利用率為26.8%，而Ⅲ類和Ⅳ類石英片巖分別提高至41.6%和42.5%，石英閃長巖、花崗巖及泥質砂巖也有類似的規律。 其主要原因如下：①圍巖類別越高，其巖石強度及巖體完整性越高，TBM 破巖掘進則需要較高的推力，長時間在高負荷的條件下工作，TBM 的設備故障率明顯升高；而從不同地質條件下TBM 設備故障時間占總時間百分比來看，隨著圍巖類別的降低，設備故障率逐漸下降。 ②圍巖類別越高，刀具的損耗越大，刀具更換及維修所占用的時間越多，從而純掘進時間減少。 但是，由不同地質條件下TBM 刀具問題占總時間百分比可以看出，隨著圍巖類別的降低，相同巖性條件下刀具問題時間亦減少。

表2 不同地質條件下TBM 利用率統計

對于Ⅴ類花崗巖及泥質砂巖，TBM 利用率下降明顯，分別為1.4%及5.4%，主要是由于在Ⅴ類花崗巖洞發生了圍巖擠壓變形導致的卡機及破碎圍巖涌水事故，不得不停機處理，時間長達近2 個月，在Ⅴ類泥質砂巖洞段發生了軟巖收斂變形導致的卡機事故，共花費了20 余d 進行處理。

由以上分析可以看出，雙護盾TBM 利用率與開敞式TBM 利用率差別較大，開敞式TBM 在局部穩定性差和不穩定的Ⅲ類、Ⅳ類圍巖中施工時，為保證圍巖的穩定及人員、設備的安全，需要停機進行鋼筋排、錨桿、掛網、鋼拱架、灌漿及噴混凝土等初期支護，同時為保證有足夠的支撐反力，有時需要對撐靴部位圍巖進行加固，這會大量占用掘進時間，導致設備利用率較低［18-19］。 而雙護盾TBM 施工時，受護盾的保護作用，少量的頂拱圍巖坍塌不需要進行初期支護，也不影響管片的安裝；在軟弱破碎圍巖洞段可采用輔助推進系統進行單護盾模式掘進，亦不需要加固撐靴處圍巖。因此，在Ⅲ類、Ⅳ類圍巖中掘進時，雙護盾TBM 可保持較高的設備利用率，這也是雙護盾TBM 相對于開敞式TBM 的優勢所在。 但在Ⅴ類圍巖洞段，斷層破碎帶塌方、涌水、圍巖收斂變形等不良地質問題較多，雙護盾TBM 超前處理手段較少，易發生卡機、TBM 掘進受阻等事故，TBM 利用率極低，在蘭州水源地建設工程輸水隧洞的花崗巖及泥質砂巖的Ⅴ類圍巖洞段，發生了卡機及涌水等事故，TBM 利用率僅為1.4%及5.4%，遠低于正常掘進時的利用率。

3 滾刀損耗分析

在TBM 掘進過程中，受巖石的摩擦、沖擊等作用，會發生滾刀的正常磨損、偏磨、刀圈斷裂、漏油、斷軸等損耗。 大量的滾刀損耗及更換，一方面會占用施工時間、降低TBM 的利用率及掘進速度，另一方面會顯著增加施工成本［20-22］。 滾刀的損耗受多種因素的影響，如地質條件、滾刀質量及掘進參數等，其中地質條件是客觀因素，其對滾刀的損耗起主要作用。 蘭州市水源地建設工程輸水隧洞TBM1 施工段存在較高比例的石英閃長巖、石英片巖、花崗巖等硬巖段，其對滾刀的損耗不容忽視，研究不同地質條件下的滾刀損耗規律對類似工程降低滾刀的損耗具有一定的參考意義。

蘭州市水源地建設工程輸水隧洞TBM1 施工段開挖洞徑5.48 m，刀盤上共配備盤形滾刀37 把，共掘進長度10.729 km，施工中損耗滾刀708 把，平均每15.15 m損耗1 把滾刀。 隧洞沿線地質條件復雜，地層巖性共有石英閃長巖、石英片巖、花崗巖、泥質砂巖4 種，而每種巖性亦有不同的類別。 對不同地質條件下的滾刀損耗進行統計，統計結果見表3。

表3 不同地質條件下滾刀損耗統計

對于泥質砂巖等軟巖段，其滾刀損耗明顯低于石英閃長巖、石英片巖及花崗巖等硬巖段，對比地質資料，單軸飽和抗壓強度石英片巖為135 ～175 MPa、石英閃長巖為90 ～147 MPa、花崗巖為127～134 MPa、泥質砂巖為11～85 MPa，可以看出巖石強度對滾刀的損耗影響較大，單軸飽和抗壓強度高的巖石對滾刀的損耗明顯高于單軸飽和抗壓強度低的巖石。

對于硬巖，石英閃長巖的滾刀損耗高于石英片巖及花崗巖，如Ⅱ類石英閃長巖、石英片巖及花崗巖洞段每把滾刀的平均掘進距離分別為6.82、9.85、16.96 m，3 種巖石的單軸飽和抗壓強度相差較小，但3 種巖石的石英、長石等耐磨性礦物含量相差較大，導致其滾刀損耗有較大的差異。

對于同一種巖性，無論是硬巖還是軟巖，隨著圍巖類別的降低，滾刀損耗隨之降低。 如Ⅱ類石英片巖平均每掘進9.85 m 消耗1 把滾刀，而Ⅲ類石英片巖則延長至23.23 m，Ⅳ類石英片巖進一步延長至66.00 m，石英閃長巖、花崗巖也有類似的規律。 究其原因，這與TBM 滾刀破巖機制相關：在刀盤推力的作用下，TBM滾刀刀圈壓入巖石，在巖石中產生微裂紋，當相鄰滾刀間的裂紋貫通后會形成巖片剝落，TBM 完成破巖。 在破巖的過程中，如果巖石堅硬完整，其對滾刀的損耗主要體現在兩個方面：①完整硬巖中滾刀貫入度較低，為增加貫入度進而提高掘進速度，需要增加推力，刀具受力大，磨損及發生非正常損壞的可能性大；②硬巖中的貫入度往往低于軟巖，在相同掘進距離下，刀盤需要轉動更多的轉數，滾刀在開挖巖石面的摩擦距離長，從而磨損量增大。 隨著圍巖類別的降低，巖石的強度及完整性均會降低，巖體中本身存在較多的節理裂隙，在不需要較大推力的情況下即可獲得較高的貫入度，且在相同的掘進距離條件下，刀盤轉動的轉數少，滾刀與開挖巖石面的摩擦距離短，因此軟弱破碎圍巖對滾刀的損耗小。

對比國內其他工程，蘭州市水源地建設工程輸水隧洞TBM1 施工段的滾刀損耗低于西康鐵路秦嶺隧道及引漢濟渭工程秦嶺隧洞的花崗巖洞段的滾刀損耗，總體上處于正常損耗的范圍。

4 掘進速度分析

掘進速度是TBM 施工評價中的一個重要指標，對隧洞早日貫通、發揮經濟效益具有重要的意義。 在國內外的TBM 掘進速度評價中，常采用兩個指標來表示掘進速度，即凈掘進速度及平均掘進速度。 凈掘進速度又稱貫入速度（penetrate rate，簡寫為PR），指的是TBM 掘進時單位時間的進尺，單位為mm／min 或m／h，其主要影響因素為地質條件、設備性能等。 平均掘進速度又稱施工速度（advance rate，簡寫為AR），指的是一段時間內TBM 進尺，一般用平均日進尺、平均周進尺、平均月進尺等表示，計算時包括掘進時間和停機時間。 日平均掘進速度為凈掘進速度與TBM 利用率的乘積。

式中：AR為日平均掘進速度；PR為凈掘進速度；U為TBM 利用率。

掘進速度是TBM 與圍巖相互作用的結果，其體現在不同地質條件下的TBM 掘進參數，每種地質條件均有其對應的最優掘進參數，如在完整硬巖段，一般采用高推力、高轉速、低扭矩掘進；而在軟弱破碎圍巖段，多采用低推力、低轉速、高扭矩掘進。

蘭州市水源地建設工程輸水隧洞TBM1 施工段不同地質條件下所采用的掘進參數及凈掘進速度見表4。

表4 不同地質條件下掘進參數及凈掘進速度

由表4 可以看出，對于Ⅱ類石英閃長巖，其刀盤推力達到了8 000～11 000 kN，基本上達到了所有滾刀的最大承載力，刀盤轉速維持在高轉速，而其貫入度僅為2 ～4 mm／r，凈掘進速度為15～30 mm／min，每掘進1 環（1.50 m）需要50～100 min，凈掘進速度較低。 隨著圍巖類別的降低，所需的推力及刀盤轉速均降低，而貫入度及凈掘進速度均明顯提高，如Ⅳ類石英片巖，在2 000～4 000 kN 的刀盤推力下，其最高凈掘進速度可達到75 mm／min，是Ⅱ類圍巖的2～3 倍。

根據式（1）及不同地質條件下的TBM 利用率，計算得出不同地質條件下的TBM 日平均掘進速度，見圖4。

圖4 不同地質條件下的TBM 日平均掘進速度統計

由圖4 可以看出，對于Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類圍巖，日平均掘進速度隨著圍巖類別的降低而提高，如石英片巖，Ⅳ類圍巖時相對Ⅱ類時提高了216%，其他巖性與此規律類似。 其主要原因有兩點：一是TBM 利用率隨著圍巖類別的降低而提高；二是凈掘進速度隨著圍巖類別的降低而提高。 在這兩者的共同影響下，日平均掘進速度隨著圍巖類別的降低而大幅提高。 但對于Ⅴ類圍巖，雖然能獲得較高的凈掘進速度，但由于發生涌水或卡機等事故，需要較長的時間來停機處理，導致TBM利用率極低，因此其日平均掘進速度極低。

綜上所述，雙護盾TBM 在Ⅲ類、Ⅳ類圍巖條件下，能獲得較高的掘進速度；而在Ⅱ類、Ⅴ類圍巖條件下，由于設備利用率、凈掘進速度低等原因，導致掘進速度較低。

5 結 論

以蘭州市水源地建設工程輸水隧洞復雜地質條件下雙護盾TBM 施工為背景，分析TBM 利用率、滾刀損耗及掘進速度，得到以下結論：

（1）只有在適宜的地質條件下，TBM 才能發揮較好的掘進性能，雙護盾TBM 在Ⅲ類、Ⅳ類圍巖條件下能獲得較高的設備利用率、掘進速度及較低的滾刀損耗；而對Ⅱ類、Ⅴ類圍巖適應性較差，TBM 利用率、掘進速度等處于較低水平。

（2）雙護盾TBM 易在Ⅴ類圍巖中發生卡機事故，脫困處理一般需要較長的時間，導致TBM 利用率極低，這是雙護盾TBM 應用的明顯劣勢。 在今后的研究中，可重點研究在圍巖擠壓變形或收斂變形條件下的雙護盾TBM 快速通過技術，從而提高TBM 利用率，進而提高掘進速度。

（3）本文研究了TBM 利用率、滾刀損耗及掘進速度與圍巖類別的關系，實際上圍巖類別受巖石強度、節理裂隙發育情況等多種因素的影響，下一步的研究可采用室內和現場試驗相結合的方法，研究TBM 的掘進性能與巖石強度、節理裂隙發育程度的定量關系。