刁振興， 薛亞?wèn)|， 王建偉

(1. 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院地下建筑與工程系， 上?！?00092； 2. 同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)室， 上?！?00092； 3. 中鐵十八局集團(tuán)隧道工程有限公司， 重慶　400700)

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引漢濟(jì)渭工程嶺北隧洞TBM利用率分析

刁振興1，2， 薛亞?wèn)|1，2， 王建偉3

(1. 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院地下建筑與工程系， 上海200092； 2. 同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)室， 上海200092； 3. 中鐵十八局集團(tuán)隧道工程有限公司， 重慶400700)

摘要：為了分析TBM利用率的主要影響因素，統(tǒng)計(jì)分析引漢濟(jì)渭工程嶺北隧洞連續(xù)掘進(jìn)2 100 m的圍巖特征和掘進(jìn)記錄，確定了導(dǎo)致TBM非正常停機(jī)的底事件，建立了TBM非正常停機(jī)故障樹(shù)模型，結(jié)果表明出渣系統(tǒng)故障、支護(hù)設(shè)備故障、刀盤(pán)刀具故障和電氣故障是導(dǎo)致TBM利用率不高的主要因素。通過(guò)TBM利用率及主要故障與場(chǎng)切深指數(shù)(Field Penetration Index，F(xiàn)PI)相關(guān)性分析，表明節(jié)理破碎巖體中TBM利用率與FPI之間不存在明顯相關(guān)性，出渣系統(tǒng)故障、支護(hù)設(shè)備故障、刀盤(pán)刀具故障與FPI有較強(qiáng)的相關(guān)性。分析主要故障發(fā)生原因，從設(shè)備管理和現(xiàn)場(chǎng)施工管理2個(gè)方面提出TBM利用率提高措施。

關(guān)鍵詞：引漢濟(jì)渭輸水隧洞； TBM利用率； 故障樹(shù)；FPI； 相關(guān)性分析

0引言

近年來(lái)，全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)(Tunnel Boring Machine，TBM)在全世界鐵路、水利水電、煤炭、礦山和城市軌道交通等硬巖隧道施工中得到了廣泛應(yīng)用。TBM是一種集機(jī)械、電氣、液壓和自動(dòng)控制等技術(shù)于一體的高度機(jī)械化和自動(dòng)化的全斷面一次成型隧道開(kāi)挖設(shè)備。TBM相對(duì)于傳統(tǒng)鉆爆法，具有高效、快速、安全、優(yōu)質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)[1]，尤其在長(zhǎng)大隧道中優(yōu)勢(shì)明顯。近幾年的隧道工程建設(shè)中有30%～40%是采用TBM進(jìn)行開(kāi)挖的[2]。隨著我國(guó)TBM制造技術(shù)的逐漸成熟，TBM必將在我國(guó)隧道和地鐵建設(shè)中得到越來(lái)越多的應(yīng)用和發(fā)展[3]。

對(duì)于TBM開(kāi)挖隧道的施工效率，一般用掘進(jìn)速度、施工進(jìn)度、掘進(jìn)機(jī)利用率及刀具磨損4個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量。其中，將掘進(jìn)機(jī)利用率U定義為T(mén)BM掘進(jìn)時(shí)間與總當(dāng)班時(shí)間的百分比。當(dāng)掘進(jìn)速度一定時(shí)，TBM利用率越高，施工進(jìn)度越快。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，TBM施工項(xiàng)目中掘進(jìn)機(jī)利用率一般為15%～65%，不同工程掘進(jìn)機(jī)利用率差別較大，主要因?yàn)榫蜻M(jìn)機(jī)利用率除了受地質(zhì)因素和機(jī)械因素的影響之外，受人為因素影響較大，包括施工團(tuán)隊(duì)的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)水平、不同環(huán)境下的工作狀態(tài)、現(xiàn)場(chǎng)施工組織水平以及對(duì)施工過(guò)程中突發(fā)事故處理能力等。因此，在項(xiàng)目前期規(guī)劃和施工過(guò)程中很難對(duì)施工進(jìn)度及工期準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。目前，針對(duì)TBM利用率影響因素的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者多基于工程實(shí)踐考慮單因素和多因素進(jìn)行分析。Frough等[4-5]基于巖體條件對(duì)TBM掘進(jìn)速率及利用率進(jìn)行研究；Kim[6]基于模糊邏輯法建立了TBM利用率預(yù)測(cè)模型；劉明月等[7]和余潔[8]分別結(jié)合秦嶺隧道和中天山隧道工程實(shí)踐探討了地質(zhì)因素對(duì)TBM掘進(jìn)效率的影響；楊宏欣[9]指出影響TBM施工進(jìn)度的因素主要有工程地質(zhì)、TBM設(shè)備和管理3個(gè)方面；吳曉志[10]論述了工程地質(zhì)條件、掘進(jìn)模式與掘進(jìn)參數(shù)、初期支護(hù)對(duì)于TBM掘進(jìn)效率的影響?？傊?，目前學(xué)者的研究主要針對(duì)圍巖地質(zhì)條件、TBM設(shè)備、掘進(jìn)及支護(hù)過(guò)程、管理等方面對(duì)TBM利用率進(jìn)行定性討論，尚未對(duì)影響TBM利用率的底層因素進(jìn)行定量分析。

本文基于引漢濟(jì)渭工程嶺北隧洞敞開(kāi)式TBM連續(xù)掘進(jìn)2 100 m范圍內(nèi)的圍巖特征和掘進(jìn)記錄，包括地層巖性、巖體完整性、掘進(jìn)參數(shù)、停機(jī)故障和利用率等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，研究導(dǎo)致TBM停機(jī)的底層基本因素及其對(duì)利用率的影響大小。通過(guò)底層因素重要度排序，確定TBM利用率主要影響因素。針對(duì)TBM利用率與主要故障類(lèi)型，分析與場(chǎng)切深指數(shù)(FPI)的相關(guān)性，得出不同F(xiàn)PI區(qū)段主要故障導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間范圍。最后，從設(shè)備管理和現(xiàn)場(chǎng)施工管理2個(gè)方面提出提高TBM利用率的措施，期望對(duì)類(lèi)似條件下的隧道施工提高TBM利用率提供借鑒。

1工程概況

引漢濟(jì)渭輸水隧洞全長(zhǎng)98.3 km，設(shè)計(jì)輸水流量70 m3/s，縱坡1/2 500，最大埋深2 000 m，其中穿越秦嶺段39.08 km，采用2臺(tái)TBM分別從嶺南和嶺北相向施工，其他洞段采用鉆爆法施工。嶺北隧洞全長(zhǎng)16 176 m，TBM施工段長(zhǎng)度為16 066 m，檢修洞室(長(zhǎng)60 m)和拆卸洞室(長(zhǎng)50 m)采用鉆爆法施工，隧洞位于秦嶺嶺脊高中山區(qū)，最大埋深約1 300 m。

1.1地質(zhì)條件

對(duì)嶺北隧洞連續(xù)掘進(jìn)2 100 m的圍巖特征和掘進(jìn)記錄進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其中Ⅲ類(lèi)圍巖883 m，Ⅳ類(lèi)圍巖942 m，Ⅴ類(lèi)圍巖295 m，圍巖以千枚巖、變砂巖為主，巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度16～92 MPa，節(jié)理裂隙發(fā)育、極發(fā)育。隧洞地層特征統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。所統(tǒng)計(jì)掘進(jìn)里程范圍內(nèi)未發(fā)生TBM卡機(jī)、突水涌泥等災(zāi)害性事故。

表1　隧洞地層特征統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)西康鐵路秦嶺隧道和吐庫(kù)二線中天山隧道TBM施工與巖石相關(guān)性研究，一般而言，巖石抗壓強(qiáng)度為30～120 MPa，巖體較完整和較破碎狀態(tài)最適合TBM掘進(jìn)[8]。統(tǒng)計(jì)區(qū)段內(nèi)除部分Ⅴ類(lèi)圍巖段巖石飽和抗壓強(qiáng)度低于30 MPa，巖體極破碎之外，絕大部分巖石飽和抗壓強(qiáng)度處于30～120 MPa，巖體完整性多呈完整性差-較破碎狀態(tài)。對(duì)掘進(jìn)速度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，平均掘進(jìn)速度為51 mm/min，最大掘進(jìn)速度為100 mm/min，掘進(jìn)速度較為理想。因此，該區(qū)段適于采用TBM施工。

1.2TBM特性

該段隧洞采用海瑞克敞開(kāi)式TBM，直徑8.02 m，刀盤(pán)布置19″滾刀50把，其中雙刃滾刀8把，布置刮刀6組；采用皮帶連續(xù)出渣，皮帶系統(tǒng)包括TBM皮帶和連續(xù)皮帶。TBM具體性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表2　TBM主要特性

2TBM利用率影響因素分析

2.1TBM非正常停機(jī)統(tǒng)計(jì)

TBM施工是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，任何一個(gè)部件或過(guò)程出現(xiàn)故障都可能導(dǎo)致TBM停止掘進(jìn)，而TBM掘進(jìn)過(guò)程受地質(zhì)環(huán)境和人為操作的影響，故障發(fā)生具有一定的隨機(jī)性，不同故障對(duì)施工的影響程度以及故障修復(fù)所需時(shí)間也各不相同。為了獲取各種故障發(fā)生的可能性大小，對(duì)2 100 m的TBM掘進(jìn)故障記錄進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。TBM非正常停機(jī)原因包括設(shè)備原因和操作管理原因2個(gè)方面。設(shè)備原因包括設(shè)備上所有系統(tǒng)及單項(xiàng)設(shè)備故障造成的停機(jī)，如： 刀盤(pán)刀具故障，出渣系統(tǒng)故障，支護(hù)設(shè)備故障，液壓、潤(rùn)滑系統(tǒng)故障，電氣系統(tǒng)故障，導(dǎo)向測(cè)量系統(tǒng)故障，風(fēng)、水系統(tǒng)故障，其他各單項(xiàng)設(shè)備故障等。操作管理原因包括軌道運(yùn)輸故障、調(diào)度等設(shè)備外部原因造成的停機(jī)，以及組織管理不善造成的工序相互干涉，交接班、供料不及時(shí)等其他時(shí)間延遲。

總當(dāng)班時(shí)間分布見(jiàn)圖1。由圖1可知，根據(jù)TBM利用率的定義，所統(tǒng)計(jì)區(qū)段的TBM平均利用率為21.45%；支護(hù)時(shí)間占比較大，為15.65%，主要因?yàn)榻y(tǒng)計(jì)區(qū)段圍巖整體較破碎，開(kāi)挖后穩(wěn)定性差，支護(hù)耗時(shí)較長(zhǎng)；而占比最大的是非正常停機(jī)導(dǎo)致的時(shí)間消耗，占比高達(dá)40.88%，是影響TBM利用率的主要因素。

圖1　總當(dāng)班時(shí)間分布圖

依據(jù)直接產(chǎn)生原因歸類(lèi)的停機(jī)時(shí)間分布見(jiàn)圖2。由圖2可知，TBM因設(shè)備故障導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間比例明顯高于因管理因素導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間，因此，TBM設(shè)備故障是TBM停機(jī)的主要原因，需要對(duì)TBM設(shè)備故障產(chǎn)生原因及影響重點(diǎn)進(jìn)行分析。

圖2　停機(jī)時(shí)間分布圖

2.2TBM非正常停機(jī)故障樹(shù)

故障樹(shù)分析法是一種判明基本故障、確定故障原因和發(fā)生概率的簡(jiǎn)單可靠而又行之有效的診斷方法。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者采用故障樹(shù)分析法對(duì)隧道及地下工程相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了定性和定量研究[11-17]。

在統(tǒng)計(jì)工作基礎(chǔ)上，對(duì)可能造成TBM停機(jī)的各種故障進(jìn)行歸類(lèi)，建立TBM非正常停機(jī)故障樹(shù)模型(見(jiàn)圖3)，需要說(shuō)明的是故障樹(shù)中無(wú)工業(yè)水底事件指TBM設(shè)備水系統(tǒng)故障造成的無(wú)工業(yè)水情況，高壓電故障指TBM高壓電設(shè)備故障。外部高壓電停電、外部無(wú)工業(yè)水供應(yīng)等其他故障的發(fā)生及其造成的停機(jī)影響，因工程項(xiàng)目不同差異較大，并且與組織管理和設(shè)備配置是否合理等因素相關(guān)，因此不做進(jìn)一步分析。

圖3　非正常停機(jī)故障樹(shù)模型

在TBM非正常停機(jī)的故障樹(shù)分析中，最小割集代表導(dǎo)致TBM非正常停機(jī)事故發(fā)生的一種原因，可以求得TBM非正常停機(jī)的最小割集如下：{X1}，{X2}，{X3}，{X4}，{X5}，{X6}，{X7}，{X8}，{X9}，{X10}，{X11}，{X12}，{X13}，{X14}，{X15}，{X16}，{X17}，{X18}，{X19}，{X20}，{X21}，{X22}，{X23}，{X24}，{X25}，{X26}，{X27}，{X28}，{X29}，{X30}，{X31}，{X32}。代號(hào)具體說(shuō)明見(jiàn)表3。導(dǎo)致TBM非正常停機(jī)的最小割集為32個(gè)，表示共有32種主要故障可能導(dǎo)致TBM停機(jī)。

表3　符號(hào)說(shuō)明及底事件統(tǒng)計(jì)概率

2.3TBM利用率影響因素重要度分析

TBM非正常停機(jī)對(duì)TBM利用率的影響大小可用底事件故障恢復(fù)時(shí)間表示。底事件故障發(fā)生具有一定的隨機(jī)性，連續(xù)掘進(jìn)過(guò)程中不同底事件發(fā)生次數(shù)和單次事件發(fā)生后所需恢復(fù)時(shí)間不同，對(duì)TBM利用率的影響大小也不同。因此，為確定不同底事件對(duì)TBM利用率的影響大小，定義底事件的統(tǒng)計(jì)概率為本事件發(fā)生導(dǎo)致的總停機(jī)時(shí)間與總當(dāng)班時(shí)間的比值，底事件統(tǒng)計(jì)概率越大表示對(duì)TBM利用率的影響越大。

(1)

式中： Pi為底事件Xi的統(tǒng)計(jì)概率；TXi為底事件Xi導(dǎo)致的總停機(jī)時(shí)間；T為連續(xù)掘進(jìn)的總當(dāng)班時(shí)間。

對(duì)底事件進(jìn)行重要度排序[18]，得出對(duì)TBM利用率影響較大的前10種因素依次為： 硫化皮帶，皮帶刮傷、斷裂修補(bǔ)，更換刀具，卡石、堵渣、跳閘急停，皮帶架、滾筒、鏈條故障，高壓電故障，皮帶啟動(dòng)故障，噴、注漿系統(tǒng)故障，仰拱安裝故障，刮渣器、擋板維保。進(jìn)一步分析可知，在10種影響因素中， 有6種屬于出渣系統(tǒng)， 2種屬于支護(hù)設(shè)備， 1種屬于刀盤(pán)刀具， 1種屬于電氣系統(tǒng)。

3基于FPIblocky的掘進(jìn)機(jī)利用率分析

如前文所述，掘進(jìn)機(jī)利用率與地質(zhì)因素、機(jī)械因素、人為因素相關(guān)，為了分析TBM利用率在不同掘進(jìn)狀態(tài)下的差異以及不同故障造成的停機(jī)影響與TBM掘進(jìn)狀態(tài)相關(guān)性，對(duì)場(chǎng)切深指數(shù)(Field Penetration Index,FPI)[19-24]進(jìn)行計(jì)算。FPI表示掘進(jìn)單位切深所需的推力

(2)

式中： Fn為單刀推力，kN； PR為貫入度，mm/rev。

FPI通常用來(lái)反映巖石的可掘性。巖石強(qiáng)度越高，完整性越好，單位切深所需的推力越大，F(xiàn)PI值越高(可掘性低)；反之，巖石強(qiáng)度低，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，完整性差，F(xiàn)PI值低(可掘性高)[23-24]。針對(duì)塊狀巖體開(kāi)挖掌子面不平整、單刀推力分布不均的問(wèn)題，文獻(xiàn)[25]提出塊狀巖體場(chǎng)切深指數(shù)FPIblocky，并選用單位體積節(jié)理數(shù)和巖石單軸抗壓強(qiáng)度2個(gè)獨(dú)立變量建立了預(yù)測(cè)塊狀巖體場(chǎng)切深指數(shù)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

(3)

式中TF為刀盤(pán)推力，kN。

由于刀盤(pán)推力由刀盤(pán)直徑和滾刀數(shù)量決定，一般情況下，刀盤(pán)直徑越大，滾刀數(shù)量越多，刀盤(pán)推力越大。在相同地質(zhì)條件下，根據(jù)式(3)得出，TBM直徑和刀盤(pán)配置的差異性導(dǎo)致FPIblocky不同，因此引入推力密度TF/D的概念[26]，采用式(4)進(jìn)行FPIblocky值計(jì)算

(4)

式中D為刀盤(pán)直徑，m。

根據(jù)TBM掘進(jìn)記錄，沿隧洞劃分116個(gè)掘進(jìn)單元，分別計(jì)算FPIblocky實(shí)測(cè)值(見(jiàn)圖4)。由圖4可知，F(xiàn)PIblocky實(shí)測(cè)范圍為40～400kN/m/mm/rev，其中絕大部分處在50～200kN/m/mm/rev，F(xiàn)PIblocky與圍巖條件對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表4，故選擇50～200kN/m/mm/rev的掘進(jìn)單元數(shù)據(jù)進(jìn)行掘進(jìn)機(jī)利用率及主要故障分析。

圖4　FPIblocky實(shí)測(cè)值分布范圍

Table 4Quantative correlation betweenFPIblockyand rock mass conditions

FPIblocky/(kN/m/mm/rev)圍巖條件50～100極破碎100～150破碎150～200較破碎

3.1TBM利用率與FPIblocky相關(guān)性分析

根據(jù)FPIblocky計(jì)算結(jié)果，對(duì)50～100、100～150、150～200 kN/m/mm/rev分區(qū)段進(jìn)行利用率統(tǒng)計(jì)，如圖5所示。結(jié)果表明，TBM利用率基本不隨FPIblocky變化，很難直接建立TBM利用率與FPIblocky的相關(guān)關(guān)系，與文獻(xiàn)[25]結(jié)論一致。不同F(xiàn)PIblocky分段的利用率變化范圍見(jiàn)表5，由表5可見(jiàn)，在相同F(xiàn)PIblocky分段區(qū)間內(nèi)，TBM利用率變化范圍較大。因此，在節(jié)理破碎巖體中，考慮FPIblocky單一指標(biāo)，難以對(duì)TBM利用率進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

3.2主要故障與FPIblocky相關(guān)性分析

由上文分析可知，TBM利用率受諸多因素影響，主要故障有出渣系統(tǒng)故障、支護(hù)設(shè)備故障、刀盤(pán)刀具故障和電氣故障等，其中電氣故障主要是高壓電故障，受管理因素影響，與FPIblocky無(wú)關(guān)。分別針對(duì)出渣系統(tǒng)故障、支護(hù)設(shè)備故障和刀盤(pán)刀具故障按照FPIblocky分段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，故障導(dǎo)致的停機(jī)影響大小用該故障導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間與相應(yīng)掘進(jìn)距離比值表示。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6和表6所示。

圖5　不同F(xiàn)PIblocky區(qū)間平均利用率

Table 5Range of variation of TBM availability under different intervals ofFPIblocky

FPIblocky/(kN/m/mm/rev)利用率/%50～10013.95～31.14100～15014.03～30.30150～20012.36～32.99

圖6　主要故障影響與FPIblocky相關(guān)性

由圖6可知，隨著FPIblocky值增大，出渣系統(tǒng)故障影響先減小后增大，支護(hù)設(shè)備故障影響逐漸減小，刀盤(pán)刀具影響變化不大。表6給出不同F(xiàn)PIblocky區(qū)間各主要故障導(dǎo)致的停機(jī)影響變化范圍。

4TBM利用率提高措施

基于以上分析，減少TBM非正常停機(jī)次數(shù)和故障修復(fù)所需時(shí)間，能有效提高TBM利用率，從而提高TBM施工進(jìn)度，縮短工程總工期。為此，對(duì)影響TBM利用率主要故障產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，并分別從設(shè)備管理和現(xiàn)場(chǎng)施工管理2個(gè)方面提出控制措施。

表6不同F(xiàn)PIblocky區(qū)間故障影響

Table 6Effect of different downtime under different intervals ofFPIblocky

故障類(lèi)型FPIblocky/(kN/m/mm/rev)停機(jī)影響/(h/m)出渣系統(tǒng)支護(hù)設(shè)備刀盤(pán)刀具50～1000.27～0.37100～1500.17～0.26150～2000.32～0.4250～1000.23～0.29100～1500.07～0.12150～2000.04～0.0850～1000.08～0.11100～1500.05～0.08150～2000.07～0.11

4.1主要故障產(chǎn)生原因

4.1.1出渣系統(tǒng)

統(tǒng)計(jì)區(qū)段內(nèi)圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，掘進(jìn)速度快，巖渣塊體不均(見(jiàn)圖7)，存在異形大塊巖渣(見(jiàn)圖8)；皮帶轉(zhuǎn)換處渣斗設(shè)計(jì)偏小，容易卡石、堵渣(見(jiàn)圖9)；刀盤(pán)開(kāi)口處擋渣塊磨損嚴(yán)重(見(jiàn)圖10)，導(dǎo)致大塊巖渣未經(jīng)破碎直接進(jìn)入運(yùn)輸皮帶；皮帶運(yùn)輸距離長(zhǎng)，發(fā)生皮帶跑偏，皮帶架、滾筒故障的可能性增加。

圖7　巖渣不均

圖8　異形大塊巖渣

圖9　皮帶轉(zhuǎn)渣艙卡石

圖10　刀盤(pán)擋渣塊磨損嚴(yán)重

4.1.2支護(hù)設(shè)備

統(tǒng)計(jì)區(qū)段圍巖完整性差-破碎，初期支護(hù)量大，支護(hù)設(shè)備使用強(qiáng)度大，發(fā)生故障的次數(shù)增加。

4.1.3刀盤(pán)刀具

圍巖節(jié)理發(fā)育，呈塊狀，掌子面圍巖自穩(wěn)性較差，易坍塌或大塊巖石脫落。掘進(jìn)時(shí)滾刀與巖面不密貼(見(jiàn)圖11)，造成刀盤(pán)滾刀力分布不均，滾刀受沖擊破壞。刀盤(pán)與掌子面之間積渣嚴(yán)重，造成刀盤(pán)磨損和滾刀偏磨嚴(yán)重(見(jiàn)圖12)，刀盤(pán)維修以及換刀頻率增加。

圖11　掌子面不平整

圖12　刀圈偏磨

4.2控制措施

4.2.1設(shè)備管理

對(duì)皮帶轉(zhuǎn)渣處進(jìn)行設(shè)備改進(jìn)，增大轉(zhuǎn)渣艙；強(qiáng)制維保時(shí)間內(nèi)加強(qiáng)對(duì)設(shè)備故障的預(yù)判，提前處理潛在故障，減少正常掘進(jìn)停機(jī)次數(shù)。

4.2.2現(xiàn)場(chǎng)施工管理

根據(jù)實(shí)際開(kāi)挖圍巖情況以及皮帶出渣量確定合理的掘進(jìn)參數(shù)，控制出渣量，減小皮帶運(yùn)輸壓力；對(duì)皮帶進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的同時(shí)，安排專(zhuān)員對(duì)運(yùn)輸皮帶進(jìn)行巡視，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，防止惡化。在圍巖破碎段，減小刀盤(pán)推力，控制掘進(jìn)速度，減小掌子面與刀盤(pán)之間積渣，減少刀盤(pán)磨損與刀具偏磨故障。加強(qiáng)專(zhuān)業(yè)人員故障預(yù)判和處理能力，縮短故障修復(fù)時(shí)間。

5結(jié)論與討論

1)對(duì)2 100 m的TBM掘進(jìn)記錄進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出TBM平均利用率為21.45%；非正常停機(jī)導(dǎo)致的時(shí)間消耗為40.88%，是導(dǎo)致TBM利用率低的主要因素。

2)建立非正常停機(jī)故障樹(shù)，分析得出對(duì)TBM利用率影響較大的10種因素依次為： 硫化皮帶，皮帶刮傷、斷裂修補(bǔ)，更換刀具，卡石、堵渣、跳閘急停，皮帶架、滾筒、鏈條故障，高壓電故障，皮帶啟動(dòng)故障，噴錨注漿系統(tǒng)故障，仰拱安裝故障，刮渣器、擋板維保。

3)通過(guò)主要故障與FPIblocky相關(guān)性分析，得出TBM利用率與FPIblocky之間不存在明顯相關(guān)性。隨著FPIblocky值增大，出渣系統(tǒng)故障影響先減小后增大，支護(hù)設(shè)備故障影響逐漸減小，刀盤(pán)刀具影響變化不大。

4)對(duì)主要故障原因進(jìn)行分析，并從設(shè)備管理和現(xiàn)場(chǎng)施工管理2個(gè)方面提出相應(yīng)的控制措施，以減少故障發(fā)生次數(shù)，縮短故障修復(fù)所需時(shí)間，從而提高TBM利用率。

5)由于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)建立在特定隧洞TBM掘進(jìn)施工基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)樣本覆蓋范圍存在局限性，結(jié)論僅適用于類(lèi)似隧洞。因此，有必要擴(kuò)大數(shù)據(jù)樣本，對(duì)TBM利用率進(jìn)行全面分析。

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Analysis on TBM Availability in Construction of Lingbei Tunnel of

Hanjiang River-Weihe River Water Conveyance Project

DIAO Zhenxing1,2, XUE Yadong1,2, WANG Jianwei3

(1.DepartmentofGeotechnicalEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China; 2.KeyLaboratoryof

GeotechnicalandUndergroundEngineeringoftheMinistryofEducation,TongjiUniversity,Shanghai200092,China;

3.TunnelEngineeringCo.,Ltd.,ChinaRailway18thBureauGroup,Chongqing, 400700,China)

Abstract:The purpose of the paper is to analyze the main factors that affect TBM availability. In the paper, the characteristics of the surrounding rock and the 2 100 m-long boring record of Lingbei tunnel of Hanjiang River-Weihe River Water Conveyance Project are analyzed, the factors causing the abnormal downtime of TBM are determined, the fault tree model for the abnormal downtime of TBM is established. The results show that the mucking system failure, support equipment failure, cutter head and cutter failure and electric power failure are the main factors leading to the low availability of TBM. The correlation between TBM availability in fractured rock mass conditions and Field Penetration Index (FPI) is analyzed. The results show that there is no obvious correlation between TBM availability andFPI, while the mucking system failure, support equipment failure and cutter head and cutter failure have strong correlation withFPI. The main causes for the failures are analyzed and countermeasures in terms of equipment management and construction management are proposed.

Keywords:Hanjiang River-Weihe River water conveyance project; water conveyance tunnel; TBM availability; fault tree;FPI(Field Penetration Index); correlation analysis

中圖分類(lèi)號(hào)：U 45

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-741X(2015)12-1361-08

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2015.12.020

作者簡(jiǎn)介：第一 刁振興(1989—)，男，山東青島人，同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院地下建筑與工程系在讀碩士，主要從事TBM掘進(jìn)性能和刀盤(pán)刀具研究。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41072206)

收稿日期：2015-07-03; 修回日期: 2015-08-05