隧洞高磨蝕性硬（yìng）岩地段 TBM 法施工刀具消耗（hào）分析-刀具網-數控機床市場網

您現在的位（wèi）置：刀具網> 技術前沿> 隧洞高磨蝕（shí）性硬（yìng）岩地段（duàn） TBM 法施（shī）工刀具消耗（hào）分析

隧洞高磨蝕性硬岩地段 TBM 法（fǎ）施工刀具（jù）消耗分析

2020-4-13 來源（yuán）：陝西引漢濟渭工程建設有限公（gōng）司作者（zhě）：李金霖

摘要：隨著國內地（dì）下（xià）長大（dà）隧道施工數量不斷增加,TBM 硬（yìng）岩掘進機在長（zhǎng）大隧道的施工技術逐漸成熟（shú），不同地質情況下刀具消（xiāo）耗數量差別極大，如何在高磨蝕地段合理預測（cè）刀具消耗數量（liàng），成為（wéi） TBM 施工招投標階段及施工過程中刀具成本預測的難題，以引漢濟渭工（gōng）程秦嶺隧（suì）洞（dòng） TBM 段嶺南工程（chéng）為依托（tuō），根據前 5000m掘進段工程的圍岩強度、石英含量與現場刀具實際消耗情況（kuàng），實踐研究岩石強度、石（shí）英含（hán）量與刀具消耗之間（jiān）的關係，為 TBM 在類似地質情（qíng）況下刀具（jù）消（xiāo）耗數量（liàng）的準（zhǔn）確預測、工程投資、施工成本控製、現場施工進（jìn）度和設備管理提供較好的參考依據。

關鍵詞：強度；石英；TBM；刀具;消（xiāo）耗；係數；預測

0 引言

引漢濟渭工程（chéng）秦嶺隧洞 TBM 施工段嶺南工（gōng）程自（zì） TBM 掘進以來，受岩石石（shí）英含量高、圍岩強度高、圍岩完整性好等不良（liáng）地質條件的影響，造成（chéng）掘進（jìn）過程中刀具（jù）消耗（hào）數量極高，換刀數量極大，經常出現停機等待更換刀具的現象，既增（zēng）加（jiā）了刀（dāo）具更換數量和維修的人員（yuán），又影響了正常掘進時間，由於前期未能準（zhǔn）確預測到圍岩強度及石英含量超高問題，導致了高磨蝕性硬岩地（dì）段 TBM 法施工刀（dāo）具消耗數量增加、相關工序時間延長及施工成（chéng）本增加的問題，為了更準確的預測類似工程延米刀具消耗數量，為後期（qī）施工成本控製及進度控製提供參考（kǎo），現根據已經掘進完成的 5000 m 刀具（jù）消耗（hào）情況，綜合分析、預測不同圍岩強度、石英含量情況下刀具消耗數（shù）量情況。

1、工程概況

1.1 工（gōng）程總體情況

引漢濟渭工程是由漢江向渭河關中地區調水的省內南水北調（diào）骨幹工程，工（gōng）程主要由黃金峽水庫樞紐、黃金峽水源泵站、黃金峽至三河口輸水工程、三河口水庫和秦嶺（lǐng）輸水隧洞等五部分組成，秦（qín）嶺輸水隧洞進水口（kǒu）位於三河（hé）口水庫壩後（hòu）匯（huì）流池（chí），出口位於渭河一級支流黑河金盆水庫右側支溝黃池（chí）溝內，工程（chéng）任務是將漢江流域調（diào）出水量自流送入渭河（hé）流域關中地區，隧洞（dòng）為無壓洞，全長 81.78 km，設計流量 70 m3/s，多年平均輸水量 15.05億 m3，縱坡 1/2500，鑽爆法施工橫斷麵為馬蹄形，斷麵尺寸 7.0 m×7.0 m，TBM 法施工斷麵為圓型，斷麵直徑 7.16 m/8.02 m。

1.2 嶺南（nán） TBM 標段概況

本標段為引漢濟渭工程秦嶺隧洞 TBM 施工段嶺南工（gōng）程，采用一台（tái）羅賓斯公司製造的 Φ8.02 m 全新敞開式硬岩掘進機施工，標段範圍包括：修建主洞工程（chéng） 18275 m（K28+085～K46+360）。由 TBM 後配套組裝洞（100 m）、TBM 主機組裝洞（80m）、TBM步進洞（200 m）、TBM 始發洞（25 m）、TBM 第一掘進施（shī）工段（8310m）、TBM 檢修洞（60m）、檢（jiǎn）修（xiū）洞下遊方向步進（jìn）洞 240 m、4# 支洞主洞上下遊鑽爆接應 TBM 段各 1500 m 和 TBM 第二掘進施工段（6260 m）組成。修建輔助施工（gōng）支洞 4 號支洞，斜距5820.21 m，平距 5784 m，最大坡度 -11.96% , 綜合坡（pō）度 -10.79%，斷麵為城門洞型（xíng），成洞（dòng）尺寸為 6.70 m×6.50 m。4 號支洞采用無軌斜井施工，主要解決 TBM 長距（jù）離施工通風、出渣及 TBM 第二階段施工組織的（de）問（wèn）題，TBM 標段平麵（miàn）布置圖見圖 1。

圖 1 標段平麵布置圖

1.3 工程地質（zhì）

TBM 已掘進段（duàn）以石英岩、花崗岩為主，圍（wéi）岩強度高、完整性好、圍（wéi）岩石英含（hán）量高、耐磨值大，圍岩抗壓強度為109 MPa～267 MPa，平均 163 MPa，耐磨值 4.65～5.71，平均（jun1）耐磨值 5.26，石英含量為 43.6%～92.6%，平均石英含量 69.4%，完整性係數平均為 0.8 以上。

2 、TBM 已掘進段刀具消耗

2.1 滾刀消耗

TBM 在已掘進的前 5000 m 段中，共計更換單刃滾刀 3532把，正常磨（mó）損更換 3060 把，占比 86.64%，非正常損壞更換 472把（岩爆及圍岩破碎（suì）地段（duàn）），占比 13.36%，單刃滾刀磨損情況見

圖 2。

圖 2 刀具正常磨損

2.2 中心刀消耗

在已掘進的（de） 5000 m 中，共計（jì）更換雙刃中（zhōng）心刀 95 把，正常更換 74 把，占（zhàn）比 77.9%，非正常損（sǔn）壞更（gèng）換 21 把，占比（bǐ） 22.1%，具體消耗情況見圖 5 刀具正常磨損；非正常損壞換刀主要原因一方麵是由於圍岩強度（dù）硬，導致中心刀（dāo）刀座的接觸麵位（wèi）置頻繁磨（mó）損，螺栓易鬆動，刀具承受不均衡力而損壞,另一方麵為岩石坍塌掉塊砸壞刀圈而崩刃，卡滯刀具導致無法（fǎ）轉動而偏磨，中心刀異常磨（mó）損情況見圖 3。

圖（tú） 3 中心刀正常磨損情況

3 、刀（dāo）具消（xiāo）耗分析

3.1 刀具消耗分析

影響刀具消耗的因素有（yǒu）圍岩單軸抗壓強度、石英含量（liàng）、圍岩完整性係數，其中，圍岩單（dān）軸抗壓強度與石英含量（liàng）是影響刀具消耗的主要因素，通過對（duì） TBM 施工段前 5000 m 的圍岩（yán）取芯試驗及刀具消耗情況的（de）統計, 對（duì）施工岩石（shí）石英含量數據與滾刀（dāo）消耗數量生成折線圖，可以看出岩石石英含量與（yǔ）刀具消耗數（shù）量存在（zài）正比例關係如圖 4，K29+160～K29+250 段和K29+963～K30+100 段掌（zhǎng）子麵圍岩破碎大塊石頭砸壞刀具，導致刀具異常磨損嚴重，K32+110～K32+210 段存在石英含（hán）量低、刀具消耗量高的情況，原因是本段施工過程（chéng）中停機檢修刀盤，在檢修刀盤時全部刀（dāo）具都進行了更（gèng）換，造成刀具消耗數（shù）量大，去掉本段特殊情況的刀（dāo）具消（xiāo）耗數據，調（diào）整後的折線圖如圖 5。

圖 4 施工樁號 - 石英含量、刀具消耗圖

圖（tú） 5 施工樁號 - 石英含量、刀具消耗圖（修正後）

圖 6 施工樁號 - 圍岩強度、石（shí）英含量、刀具消耗圖（tú）

通過（guò）圖 5 可以很直觀的（de）看出岩石（shí）石英含量與刀具消耗數（shù）量存在正比例關係，折線圖基本完全起伏相似，由很強度的線性規律，刀（dāo）具的（de）廠家和刀具的材（cái）料（liào）型號隻會影響波峰[1]的高低，然後（hòu）我們再將圍岩（yán）強度、石英含量和刀（dāo）具消耗數量合並在一個圖上分析，從圖 6 可以看出，TBM 掘進（jìn）前 5000 m 圍岩平均單軸幹燥抗壓強度約為 163 MPa，平均石英含（hán）量約為 69.4%，平均刀具延米消耗量[2]為 0.73 把/m。在分析之前，需要將數據進行篩（shāi）選，去掉偏離實際較大的數（shù）據，如：圍岩強（qiáng）度低、石英（yīng）含量低但刀（dāo）具消耗量又較大的數據。

數據篩（shāi）選（xuǎn）原則：假設標（biāo）準基數 W=PS/CP 為圍岩單軸抗（kàng）壓強度；S 為圍岩石英含量；T 為刀具延米消耗量計算（suàn）每組數據的（de）基數 Wn=PnSn/Cn然後計算數據偏離值 Wx=W-Wn，並（bìng）取絕對值，去（qù）掉偏差值（zhí）過大的數（shù）據。數據篩選後重新繪製施工（gōng）樁號（hào）—圍岩（yán）強度、石英含量、刀具延米消耗折線圖見如圖 7。

圖 7 數（shù）據篩選後的施工樁號（hào） - 圍岩強度、石英含量、刀具延米消耗折線圖

從圖 7 可以看出，圍（wéi）岩強度越高，圍岩石英含（hán）量越高，刀具消耗量越大，但刀具消耗量是受圍岩抗（kàng）壓強度與石英（yīng）含量疊加影響的，為便於分析，可以在固定單一因（yīn）素的情況來分析另一因素對刀具消耗的（de）影響，從而分別得出圍岩抗壓強度與石英含量對刀具消耗量的影響程度[3]。實際施工（gōng）中不同區段圍岩強度及不同區段石英含量條件下刀（dāo）具消耗情況見表 1。從（cóng）表 1 可以看出，個別數據並不遵從刀具消（xiāo）耗隨石英（yīng）與圍岩強度變化的規律（lǜ） [4]，因此需要進一步分析其變化規律。

3.2 圍（wéi）岩單軸抗壓強度對刀具消耗（hào）的影（yǐng）響

在石英含量 70%左右的情況下，繪製圍岩強度（dù）—刀具消耗曲線如（rú）圖（tú） 8。

圖 8 圍岩強度 - 刀具消耗曲線圖

表 1 不同圍岩強度不同石英含量下刀具消耗情況

3.3 圍岩石英含量對刀具消耗的影響

在圍岩強度 150 MPa 左右的情況下，繪製（zhì）石（shí）英含量—刀（dāo）具消耗曲線如圖 9。

圖 9 石英含量 - 刀具消耗曲線圖

從（cóng）圖 8、圖 9 可以看出，圍岩（yán）強度（dù）—刀具消耗以及石（shí）英含量—刀具消耗類似於線性關係，據此進行不同區段圍（wéi）岩強度及不同區段石英含量條件下刀具（jù）消耗數據修正見表 2。

4 、結（jié）論

在相同的地質條件下，不同類型的刀（dāo）具消耗數（shù）量是有差別的，以石英含量在 45%～55%、圍岩強度在 75 MPa～100 MPa 消耗刀具 0.34 把（bǎ）/m 為基數，將表 3 中所有延米刀具消耗量除以0.34 再乘以 a（a 為其他 TBM 工程圍岩在石英含量 45%～55%、圍岩強度（dù） 75MPa～100 MPa 之間實際的延米刀具消耗數量），根據表 3 可推算出該工程的（de）刀具（jù）消耗量。

表 2 修訂後不同圍岩強度不同石英含量（liàng）下刀具消耗情況（kuàng）

表 3 不同圍岩（yán）強度不同石英含量下刀具消耗係數表

通過引漢濟渭嶺南 TBM 段前（qián） 5000 m 不同刀位累計磨（mó）損量的統計，確定了（le）不同圍岩強（qiáng）度不同石英含（hán）量下刀具消耗係數，用於類似地（dì）質的 TBM 施工法隧道刀具預測，由於影響刀具消耗的因素有地質（zhì）原（yuán）因包括圍岩完整性、特殊地質（岩爆、塌方）[5]，有人為原因（yīn）包括刀具的安裝質量及日常檢查維修方（fāng）法，都（dōu）會影響刀具的日常異常消耗，對於本論文的刀具預測方法數據還僅限於引漢濟渭工程（chéng）秦嶺隧洞 TBM 施工（gōng）段嶺南工程，而在不同地層下 TBM 施工的刀盤（pán）等核（hé）心部件的適用性（xìng）[6]以及刀具適用類型也不盡相同，因此本文中對刀具（jù）消耗預測具有（yǒu）一定的局限（xiàn）性，但由於（yú）綜合了圍岩強（qiáng）度（dù）與石英含量兩項主要影響因素，具有也有一定的參考性，希望後期不斷（duàn）總結完善。

投稿箱：
如果（guǒ）您有機床行業、企（qǐ）業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯係本網編輯部，郵箱：skjcsc@vip.sina.com

更多相關（guān）信息（xī）

名（míng）企推（tuī）薦（jiàn）

業界視點

| 更多

行業數據

| 更多

博文選（xuǎn）萃

| 更多