趙力　蘇巖　王博　龔秋明　段慶偉　劉立鵬

摘要：為更好掌握TBM掘進性能，以引漢濟渭工程秦嶺隧洞花崗巖段為研究對象，通過滾刀破巖試驗與施工參數(shù)分析，獲得了滾刀破巖機理，揭示了掘進速度、設(shè)備利用率等TBM掘進性能指標的變化規(guī)律。結(jié)果表明：在設(shè)定地應力條件下，隨著貫入度增加，滾刀法向力增大，且其變化幅度增加、變化頻率加快，增加了相鄰滾刀間形成大巖片的數(shù)量；高地應力條件下，因多次發(fā)生巖爆，TBM平均掘進速度、設(shè)備利用率均較低；現(xiàn)場貫入指標、巖石掘進效率指標沿樁號的變化基本同步，但現(xiàn)場貫入指標能更好評價TBM破巖性能。通過調(diào)整支護、清渣和施工組織方式，提高輔助作業(yè)效率，并及時調(diào)整TBM掘進參數(shù)、改進滾刀刀刃材質(zhì)，可保障TBM高效運行，為該隧洞TBM后續(xù)掘進提供相應對策。

關(guān) 鍵 詞：花崗巖； TBM； 掘進性能； 掘進速度； 設(shè)備利用率； 貫入度； 秦嶺隧洞； 引漢濟渭工程

中圖法分類號： TV53

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.04.024

0 引 言

隨著工程建設(shè)要求的提高和施工技術(shù)的不斷發(fā)展，全斷面巖石隧道掘進機（TBM）得到了廣泛應用，其機械化程度高，在安全高效施工、環(huán)境保護、成本控制方面具有顯著優(yōu)勢［1］。TBM與巖石間相互作用機制復雜，施工過程中巖體條件的變化對TBM掘進速度、設(shè)備利用率等會有較大影響，有可能導致工期延誤和經(jīng)濟損失，TBM的適應性研究受到普遍關(guān)注［2-3］。TBM施工是動態(tài)過程，隨著地質(zhì)環(huán)境的變化，需要對掘進參數(shù)、施工方案等做出針對性調(diào)整，因此開展TBM掘進性能分析具有重要的現(xiàn)實意義。

TBM的掘進性能研究一直是行業(yè)關(guān)注的熱點，許多學者對此開展了深入研究。朱學賢等［4］針對滇中引水工程的香爐山隧洞開展了TBM法及鉆爆法施工方案研究。夏毅敏等［5］依托實際工程分析了TBM 掘進參數(shù)與巖性地層相關(guān)性，得出不同巖性地層中推進速度、總推力的平均值差距較大，且有較大波動。黃俊閣［6］對TBM在高磨蝕性硬巖地段掘進中掘進速度的影響因素及敞開式TBM適應能力進行了分析。薛亞東等［7］選取巖石強度、巖體完整性、地下水狀態(tài)等5方面因素指標，對 TBM推力、貫入度、利用率和施工速度進行了綜合分析。周建軍等［8］對深埋脆性硬巖條件下TBM施工開展了針對性研究。施虎等［9］對復雜條件破巖、掘進荷載傳遞、刀盤動力學行為及刀盤系統(tǒng)設(shè)計進行研究，認為通過提高TBM掘進電液動力傳遞效率，能夠提升TBM破巖效率，降低破巖能耗。近年來，在TBM掘進性能預測方面也有較多研究。朱杰兵等［10］對TBM施工中巖石可鉆性測試與評價技術(shù)展開了綜述，為刀盤設(shè)計、刀具磨損及掘進速率預測提供了資料與參考。王健等［11］基于吉林引松供水工程TBM 數(shù)據(jù)庫，應用RMR巖體分級系統(tǒng)對TBM的掘進性能參數(shù)進行預測。杜立杰等［12］通過建立貫入度指數(shù)FPI與巖石單軸抗壓強度和完整性系數(shù)的多元回歸關(guān)系式，預測了貫入度和所需推力。曹瑞瑯等［13］對國內(nèi)外多個典型模型進行參數(shù)分析，認為巖體結(jié)構(gòu)不連續(xù)性是影響施工效率的最重要參數(shù)，建立適用于描述TBM施工新參數(shù)的關(guān)鍵在于描述TBM與巖體的相互作用。龔秋明等［14］采用NTNU模型和巖體特性預測模型對錦屏二級水電站引水隧洞TBM掘進速度進行了預測，并與施工效果進行了對比。此外，設(shè)備利用率是隧洞是否適于掘進的另一體現(xiàn)，其高低體現(xiàn)了TBM對隧洞地質(zhì)條件的適應程度。TBM利用率的準確評估預測可降低工程的工期和經(jīng)濟風險［15］。刁振興等［16］結(jié)合TBM掘進性能對TBM利用率進行了分析研究。

本文針對引漢濟渭工程秦嶺輸水隧洞花崗巖洞段，采用室內(nèi)全尺寸滾刀破巖試驗分析了不同貫入度條件下巖面及滾刀法向力等的變化規(guī)律?；赥BM掘進實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過分析凈掘進速度、平均掘進速度、設(shè)備利用率、現(xiàn)場貫入指標和巖石掘進效率指標等的變化，并結(jié)合現(xiàn)場施工情況，對TBM現(xiàn)場掘進特征進行了研究，可為TBM掘進參數(shù)和進度安排的調(diào)整提供指導依據(jù)。

1 工程概況

引漢濟渭工程是國家“十三五”期間172項重大水利工程之一，秦嶺輸水隧洞作為其控制性工程，連接長江、黃河兩大流域，隧洞全長 98.3 km，縱坡1/2 500，設(shè)計流量70 m3/s。隧洞埋深大，地應力高，水平構(gòu)造應力作用顯著，最大埋深2 012 m。隧洞沿線巖性復雜，如圖1所示，其中嶺北施工段以變質(zhì)砂巖、千枚巖、千枚巖夾變質(zhì)砂巖為主，局部地段為碳質(zhì)千枚巖、角閃石英片巖等，巖性屬中硬巖，在其中穿越兩條區(qū)域性大斷層、10條次一級斷層，這些斷層大都為壓剪性斷層，斷層影響帶寬度大；嶺南施工段以花崗巖、閃長巖、石英巖為主，巖性屬硬巖，隧洞沿線發(fā)育有一條斷層。隧洞TBM施工長度約39 km，采用2臺TBM相向施工，2臺掘進機分別從3號、6號斜井運入進行組裝，隧洞斷面為直徑8.02 m的圓形，隧洞底部鋪設(shè)仰拱塊，選用皮帶機出渣。

2 TBM滾刀破巖規(guī)律分析

為了得到秦嶺隧洞花崗巖段TBM滾刀破巖的規(guī)律，開展了室內(nèi)全尺寸滾刀破巖試驗。根據(jù)引漢濟渭秦嶺隧洞工程中TBM的設(shè)計參數(shù)，試驗采用與現(xiàn)場相同型號的19″盤形滾刀，滾刀間距選為80 mm，切割速度20 mm/s，貫入度分別為1.0，2.0，2.5，3.0，3.5 mm和4.0 mm。巖樣為花崗巖，試樣尺寸為780 mm×765 mm×450 mm，巖石單軸抗壓強度為172.2 MPa，抗拉強度為9.3 MPa，根據(jù)嶺南花崗巖段地應力條件，本次試驗設(shè)置雙向圍壓條件為15 MPa-15 MPa。試驗數(shù)據(jù)采集頻率選擇為100次/s。為了貼近真實施工情況，預先在平整的巖石表面切槽，然后開展不同貫入度破巖試驗。

貫入度為1 mm時，巖面和巖片如圖2所示?？梢钥闯?，滾刀破巖產(chǎn)生的巖面不平整，巖脊相對較高，部分巖脊高達10 mm，巖片的厚度、長度較大，隔多層在同一部位產(chǎn)生巖片，巖片數(shù)量較少。滾刀破巖過程中，聲響較小，以吱吱聲及悶響為主，滾刀法向力呈鋸齒狀波動變化，但法向力波動較小，且最大值不超過250 kN，如圖3所示。

貫入度為2 mm時，試驗巖面和巖片如圖4所示。滾刀破巖產(chǎn)生的巖面巖脊較明顯，巖面不平整，產(chǎn)生巖片數(shù)量明顯增多，仍存在隔層或隔數(shù)層在同一部位產(chǎn)生巖片的現(xiàn)象，切割過程中刀具兩側(cè)時有石片崩裂飛射現(xiàn)象。滾刀破巖過程中，吱吱聲響變大變急變長，悶響相較貫入度1 mm時更多，時而有巨響產(chǎn)生。滾刀法向力顯著提高，波動加快，突變更多，法向力最大值達到370 kN，如圖5所示。

貫入度為4 mm時，試驗巖面和巖片如圖6所示。滾刀破巖過程中，聲響巨大，吱吱聲多且急，巨響聲多且持續(xù)不斷，滾刀兩側(cè)揚灰現(xiàn)象尤為嚴重，大量碎石飛出，甚至有巖片飛出。巖片較大，但長度較短，巖片極為破碎，粉末較多，厚度相對較小，巖面較為平整。法向力變化幅度增加、變化頻率加快，刀具抖動和偏移變大，如圖7所示。

破巖巖屑由典型大巖片、破碎體、粉碎體、粉末顆粒等不同尺度巖屑體組成。貫入度為1.0，2.0 mm時，由于法向力較低，滾刀破巖時處于研磨狀態(tài)，滾刀下方巖體宏觀裂紋擴展范圍小，不利于相鄰滾刀間大巖片的形成，破巖產(chǎn)生的大巖片占總巖屑重量的比例相對較低，而巖渣、巖粉的比例相對較高。貫入度為2.5，3.0 mm時，法向力增大，加深了宏觀裂紋的擴展，增加了相鄰兩滾刀間形成大巖片的數(shù)量，降低了巖渣、巖粉的比例。隨著貫入度繼續(xù)增大，達到4.0 mm時，滾刀的法向力不斷增大，在提高大巖片數(shù)量的同時，由于過度破碎，也造成了巖渣、巖粉比例的增大。

在雙向圍壓15 MPa-15 MPa條件下，滾刀破巖試驗數(shù)據(jù)如表1所列。由表1可以看出：當貫入度較小時，會產(chǎn)生較大的平均法向力，而平均滾動力較??；當貫入度逐漸遞增，平均法向力和平均滾動力均隨之增加。貫入度增大到一定程度，平均滾動力的增幅會變大，這主要是由于貫入度越大，滾刀刀圈與巖石的接觸面積會越大，滾刀滾動時會受到更大的摩擦阻力。因此實際施工中，當掘進機的掘進速度超過某個臨界值，刀盤的扭矩會大幅度地增加。在現(xiàn)場施工中，應根據(jù)地應力條件及時調(diào)整TBM運行參數(shù)，采用破巖效率最高的貫入度控制破巖。

3 TBM掘進性能指標分析

TBM掘進施工中，通常以凈掘進速度、平均掘進速度和設(shè)備利用率來表征TBM的施工性能，其中，凈掘進速度是僅考慮TBM刀具破巖過程的推進速度，

即刀頭開挖距離與開挖時間的比值；平均掘進速度是考慮了支護、換刀等非破巖時間的推進速度，即一天或一個班次時間內(nèi)TBM開挖的距離與一天或一個班次工作時間的比值［17-18］。設(shè)備利用率用以反映TBM的時間利用效率，為TBM貫入圍巖或開挖的時間占工作班次時間的百分比。文中采用Pr，AR和UI分別表示凈掘進速度、平均掘進速度和設(shè)備利用率，凈掘進速度、平均掘進速度和設(shè)備利用率的關(guān)系如式（1）所示。

AR=Pr×UI（1）

TBM掘進施工中，通常以現(xiàn)場貫入指標和巖石掘進效率指標來反映圍巖性能?，F(xiàn)場貫入指標為巖石單位切深所需的滾刀推力，其排除了刀盤直徑、推力、刀盤轉(zhuǎn)速等非地質(zhì)參數(shù)的影響，可作為衡量巖石可掘進性的標準。本文采用FPI，TPI分別表示現(xiàn)場貫入指標和巖石掘進效率指標，現(xiàn)場貫入指標可定義為式（2）。FPI值越大，產(chǎn)生同樣切深所需的推力越大，表明巖體越難掘進。

FPI=Fn/p（2）

式中：FPI為現(xiàn)場貫入指標；Fn為單刀推力，kN；p為貫入度，即TBM刀盤旋轉(zhuǎn)一圈所掘進的長度。

巖石掘進效率指標TPI表征刀盤扭矩與貫入度之間的關(guān)系，是建立在實測刀盤扭矩基礎(chǔ)上衡量破巖效率的參數(shù)，如式（3）所示。

TPI=Tn/p（3）

式中：TPI為巖石掘進效率指標；Tn為單刀扭矩，kN·m。

TBM會自動監(jiān)測記錄其實時數(shù)據(jù)，包括刀盤推力、轉(zhuǎn)速、油缸推進行程等。滾刀推力、每轉(zhuǎn)進尺等TBM掘進參數(shù)與巖石強度、節(jié)理面發(fā)育程度等巖體條件密切相關(guān)。

室內(nèi)全尺寸滾刀破巖試驗研究了秦嶺隧洞巖性、圍壓、滾刀尺寸、間距等條件下滾刀破巖規(guī)律，為了更全面反映秦嶺隧洞花崗巖洞段TBM的掘進特征，考慮巖體完整性、設(shè)備檢修、刀具更換、圍巖支護等綜合因素的影響，選取樁號段K35+298～K36+040和K39+543～K39+820進行分析。所選洞段的基本情況如表2所列。

K35+298～K36+040和K39+543～K39+820隧洞段凈掘進速度、平均掘進速度、設(shè)備利用率沿樁號的變化基本同步，其最值、均值及標準差如表3和表4所列。

由表3～4可得：K35+298～K36+040隧洞段凈掘進速度均值為32.77 mm/min，平均掘進速度均值為2.71 mm/min，設(shè)備利用率均值為9%。K39+543～K39+820隧洞段凈掘進速度均值為32.70 mm/min，平均掘進速度均值為2.16 mm/min，設(shè)備利用率均值為7%。該花崗巖隧洞段平均掘進速度、設(shè)備利用率均較低。

TBM設(shè)備利用率對TBM的掘進速度具有至關(guān)重要的影響。由式（1）可以看出，即使施工時遇到堅硬完整的巖體條件，可通過TBM低速掘進將TBM設(shè)備利用率保持在較高水平，仍使施工速度處在合適范圍，實現(xiàn)TBM的高效運行。

秦嶺隧洞花崗巖段穿越硬巖及遭遇巖爆，現(xiàn)場施工時在TBM設(shè)備維護和處理不良地質(zhì)環(huán)境方面需要耗費大量時間。TBM完成一個掘進循環(huán)后，需要對圍巖進行支護處理，對滾刀進行檢查維護，當?shù)刭|(zhì)條件極差時，上述措施導致的停機時間會進一步加長。

K39+543～K39+820隧洞段現(xiàn)場貫入指標、巖石掘進效率指標沿樁號的變化如圖8，9所示。

由圖8和圖9可以看出，花崗巖隧洞段現(xiàn)場貫入指標、巖石掘進效率指標沿樁號的變化基本同步，相關(guān)性較好。

K35+298～K36+040和K39+543～K39+820隧洞段現(xiàn)場貫入指標和巖石掘進效率指標的相關(guān)性如圖10和圖11所示。

由圖10可得K35+298～K36+040隧洞段FPI和TPI相關(guān)性擬合結(jié)果為

TPI=3.12lnFPI+11.61－7.80，R2=0.86（4）

由圖11可得K39+543～K39+820隧洞段FPI和TPI相關(guān)性擬合結(jié)果為

TPI=2.86lnFPI+11.57－6.80，R2=0.78（5）

花崗巖隧洞段FPI 和TPI呈現(xiàn)對數(shù)關(guān)系，刀盤推力和扭矩相互促進，F(xiàn)PI 和TPI同步增長，隨著刀盤扭矩增加到一定程度后，通過增大推力進一步提高破巖效率，F(xiàn)PI增長快于TPI增長。巖石質(zhì)量越好，刀盤扭矩對破巖的貢獻占比越低，此時需要推力發(fā)揮更大的作用。

K35+298～K36+040和K39+543～K39+820隧洞段現(xiàn)場貫入指標、巖石掘進效率指標的最值、均值及標準差如表5和表6所列。

由表5和表6可得：K35+298～K36+040隧洞段現(xiàn)場貫入指標最大值為100.99 kN/（mm·r-1），均值為26.45 kN/（mm·r-1）；巖石掘進效率指標最大值為21.22 kN·m/（mm·r-1），均值為3.14 kN·m/（mm·r-1）。K39+543～K39+820隧洞段現(xiàn)場貫入指標最大值為 84.85 kN/（mm·r-1），均值為 22.62 kN/（mm·r-1）；巖石掘進效率指標最大值為11.65 kN·m/（mm·r-1），均值為3.02 kN·m/（mm·r-1）。以上結(jié)果表明，由于存在大量高石英含量的花崗巖洞段，不利于TBM掘進施工。

4 TBM現(xiàn)場掘進特征分析

結(jié)合施工現(xiàn)場情況綜合分析，可知K35+298～K36+040、K39+543～K39+820兩個施工段受到高地應力、高強度及高磨蝕性巖石的影響，出現(xiàn)了巖爆、刀具磨損等現(xiàn)象。

秦嶺隧洞花崗巖段處于高地應力環(huán)境，巖石強度高，多次發(fā)生巖爆，對刀盤、滾刀及支護系統(tǒng)等造成破壞，使施工安全及效率受到影響。如圖12所示，高地應力條件下，掌子面巖石發(fā)生板裂及剝落，容易形成大塊巖石，且難以進入TBM巖片收集口，導致巖塊的二次破碎與碾磨。另外，巖爆形成的巖片易造成滾刀口的堵塞，導致滾刀出現(xiàn)異常磨損以及軸承破壞，如圖12（a）所示。高地應力作用使得掘進時產(chǎn)生大塊不規(guī)則巖石，如圖12（b）所示，這些不規(guī)則巖石會對運輸皮帶造成損壞，增加了傳送帶的維修和更換時長。同時秦嶺隧洞花崗巖段圍巖完整性好、強度高，磨蝕性大，TBM刀盤及滾刀磨損量大，如圖13所示。檢測維修刀盤、更換刀具所占用時間為14.38%，皮帶（TBM皮帶、連續(xù)皮帶以及洞外皮帶）故障維修時間占15.82%，TBM設(shè)備利用率較低。

因此，針對隧洞高地應力環(huán)境作用以及高磨蝕性硬巖條件，應及時調(diào)整和優(yōu)化支護、清渣及施工組織方式，并對巖爆災害做好應對措施，在保證人員、設(shè)備安全的前提下及時提高輔助作業(yè)效率，提高TBM的施工效率。

同時，在TBM掘進過程中，應及時調(diào)整TBM運行參數(shù)，如在板裂及巖爆時，降低TBM總推力、減少TBM每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)及降低滾刀線速度等控制參數(shù)，既能保障TBM高效運行，也可以減少刀具刀盤的損壞。也可通過改進滾刀刀刃材料，增強滾刀刀刃的韌性，減小巖爆和高磨蝕性硬巖帶來的不利影響。

5 結(jié) 論

（1） 隨著貫入度增加，滾刀法向力增大、變化幅度增加、變化頻率加快，加深了宏觀裂紋的擴展，增加了相鄰滾刀間形成大巖片的數(shù)量，降低了巖渣、巖粉的比例，平均法向力和平均滾動力均隨之增加。當貫入度增大到一定程度時，平均滾動力的增長幅度會變大，在提高大巖片數(shù)量的同時，由于過度破碎，也造成了巖渣、巖粉比例的增大。

（2） 秦嶺隧洞花崗巖段平均掘進速度、設(shè)備利用率均較低，主要是由于高地應力條件下，巖石強度高，多次發(fā)生巖爆，對刀盤、滾刀及支護系統(tǒng)等造成破壞，在TBM設(shè)備維護和支護方面需要耗費大量時間。

（3） 秦嶺隧洞花崗巖段現(xiàn)場貫入指標、巖石掘進效率指標沿樁號的變化基本同步，相關(guān)性較好，呈對數(shù)關(guān)系。

（4） 針對隧洞高地應力環(huán)境作用以及高磨蝕性硬巖條件，通過調(diào)整優(yōu)化支護、清渣和施工組織方式，提高輔助作業(yè)的施工效率，及時調(diào)整TBM控制參數(shù)，從而保障了TBM的高效運行。

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（編輯：鄭 毅）

Study on rock breaking rules by rolling cutter and TBM tunneling features in granite sections of Qinling Tunnel

ZHAO Li1，SU Yan1，WANG Bo1，GONG Qiuming2，DUAN Qingwei3，LIU Lipeng3

（1.Hanjiang-to-Weihe River Valley Water Diversion Project Construction Co.，Ltd.，Xi′an 710024，China； 2.Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering of MoE，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China； 3.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100048，China）

Abstract：

In order to better grasp the excavation performance of TBM，the granite sections of Qinling Tunnel in water diversion project from Hanjiang River to Weihe River were taken as the research object in this paper.Through an analysis on rock breaking experiments by rolling cutter and on-site construction parameters，the rock breaking mechanisms by the rolling cutter were obtained，and the variation characteristics of indicators for TBM performances such as excavation speed and equipment utilization rate were revealed.The results showed that under given situ geo-stress，as the penetration depth increased，the normal force of the rolling cutter would increase with a larger variation amplitude and a faster variation frequency，which increased the number of large rock slices between adjacent cutters.Under high ground stress conditions，as the rock bursts were frequent，the average tunneling speed and equipment utilization rate were low.The changes of the on-site penetration index and rock tunneling efficiency index along the milepost were basically synchronous with each other.The on-site penetration index could better evaluate the rock breaking performance of TBM.By adjusting the methods of supporting，slag cleaning and construction organization，the auxiliary construction efficiency could be increased.The TBM tunneling parameters were adjusted and the material of the cutter was improved to ensure the TBM efficient operation.The construction experiences can provide corresponding countermeasures for the follow-up TBM tunnelling of the Qinling Tunnel.

Key words： granite；TBM；excavation performance；excavation speed；equipment utilization rate；penetration degree；Qinling Tunnel；water diversion project from Hanjiang River to Weihe River

收稿日期：2022-03-18

基金項目：國家自然科學基金項目（51879284）；國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFC0401802）；陜西省水利科技計劃項目（2021slkj-1）；陜西省自然科學基礎(chǔ)研究計劃項目（2021JM-601）

作者簡介：趙 力，男，高級工程師，主要從事水利工程建設(shè)管理及研究工作。E-mail：zhaoli@hwrvwd.cn