TBM施工影響刀具成本的相關因素和成本預測公式

劉宏，簡曉輝，張愛武

（1.中國水利水電第八工程局有限公司，湖南長沙410004；2.吉林省盾構與掘進刀具技術重點實驗室，吉林 吉林市132011）

1 前言

從TBM 的發展趨勢來看，針對不同地質條件的專用掘進機將得到進一步發展，智能化、信息化的數據采集和控制是TBM 施工的發展方向。隨著我國經濟的飛速發展，在水利、電力、煤炭、礦山、交通等施工領域，隧道建設給TBM 提供了巨大的應用空間，大尺寸、長距離隧道工程越來越多，TBM 的施工優勢已經得到充分展現，基本替代了勞動密集型的傳統隧道施工模式。但在TBM 施工中，刀具成本占施工成本比例較高，施工單位和建設單位都需要對TBM 施工刀具成本做出初步的預測，才能在工程成本預算和施工成本預算中做出科學的報價。但是目前在TBM刀具預測方面，沒有相對系統的預測辦法，主要是由于TBM 刀具的損耗因素太多，給刀具成本預測帶來太多困擾。本文主要從TBM 刀具的破巖機理、圍巖對刀具損耗影響較大的幾個因素進行分析探討，通過筆者親歷的TBM 施工刀具消耗分析及其他TBM 隧道施工數據，總結出一種對TBM 施工刀具預測的計算方法，希望能給TBM 隧道建設單位或TBM 施工單位提供一些參考，從而使TBM 刀具成本預算與工程報價更接近于實際情況。

2 刀具成本預測的意義

TBM 施工過程中，一般情況下，刀具的運行成本會占到TBM 施工成本的10%左右，特殊情況下，刀具成本可達到TBM 施工成本的30%以上。隨著刀具成本增加，TBM 掘進過程中刀具維修時間也會增加，使TBM 設備利用率下降，直接影響到TBM 施工的整體效率。因此，對隧道的工期設計、成本預算，都需要參考刀具的預測成本。TBM 刀具損耗情況與掘進速度、施工進度、掘進機利用率是評價TBM 隧道施工效率的主要指標；刀具損耗不僅與巖石的礦物組成及結構相關，也與機器的運行參數和掌子面圍巖條件相關，還與滾刀的特性相關。刀具磨損是TBM 開挖隧道過程中的綜合運行結果，本文從圍巖情況對刀具預測的影響方面進行分析探討。

刀具成本預測中，刀具磨損指的是隨時間磨耗的滾刀刀圈磨損值，它可以用每把滾刀的工作時間表示（h/cutter），或以每把滾刀的滾動距離（km/cutter）表示，也可以表示為每把滾刀的開挖體積量（m3/cutter），或每把滾刀的隧道開挖長度（m/cutter）。本文以掘進累計進尺需要更換滾刀的間隔H （m/cutter）來表示滾刀更換和消耗頻率，便于直觀反映刀具的消耗程度和進行橫向比較。但是TBM 滾刀在實際運行中，除正常的磨損消耗外，還有很多因素導致滾刀出現非正常磨損的情況，滾刀的非正常磨損與操作水平、掘進參數、巖體變化、滾刀的裝配質量及刀圈的耐磨性都有密切關系。如在引大濟湟隧道工程中，采用德國Wirth 公司一臺雙護盾TBM 施工，開挖直徑5.93 米。數據反應，在6 km 的掘進中刀具損壞總數為244 把，其中刀圈平直磨損和刀具漏油是主要損壞形式。刀具非正常磨損多，開挖不太順利。在厄瓜多爾美納斯水電站引水隧道工程施工中，采用意大利SELI 一臺雙護盾TBM 設備，在前期掘進2.64 km 過程中，損壞刀具480 把，其中非正常磨損占比高達32%。西北某工地一臺敞開式TBM 施工過程中，2018年8月到2019年2月掘進4.26 km 過程中的數據顯示，期間損壞刀具617 把，非正常損壞占比達41%。以上TBM 隧道施工都存在刀具實際消耗較大的現象，直接導致TBM 施工成本超出預算，施工工期延誤等情況。因此，科學客觀的刀具預測對TBM 施工工期安排和施工成本報價是非常重要的。

3 TBM 刀具破巖機理分析

TBM 是靠擠壓、碾壓巖石，使巖石形成碎片剝離來實現掘進的，破巖過程分兩個階段，包括滾刀擠壓侵入巖體、滾刀之間巖石裂紋貫通形成碎片的過程，見圖1。

圖1 滾刀破巖示意圖

滾刀侵入巖石加載過程分四個階段，包括應力場建立、形成壓碎區、裂紋擴展貫通形成碎片掉落及出現侵入坑。壓碎區的形成取決于刀具的承受能力和所獲得推力的大小，而巖石裂紋貫通形成碎片的過程則被諸多因素影響，如作用于滾刀的載荷、滾刀的間距、巖石的物理力學性質等；從巖石的破巖過程來看，巖體的強度、結構和成分對TBM 破巖影響很大。施工現場常見巖塊的魚鱗狀碎片、三角形碎片和掌子面兩滾刀之間凹槽（巖脊）的形成，與巖石的強度、脆性、成分、節理間距、節理的方向等都有著密切的關系。

在刀具侵入及破巖過程中，隨著滾刀與圍巖接觸位置的應力逐漸增加，巖石出現破碎現象，但是由于巖石碎片被周圍的巖石限制不能錯動及擴張，在應力進一步加大的情況下，這些粉碎的巖石向內及向兩側擴張造成巖石產生放射狀裂紋，當側向裂紋到達圍巖表面時，巖石脫離形成碎片；當側向裂紋擴展與相鄰刀具所產生的裂紋或圍巖中的節理貫通時，圍巖出現較大的碎片或塊狀剝離。在巖石的侵入試驗中，當侵入載荷小于圍巖抗壓強度的45%之前，圍巖很少會發生破壞，當達到巖石的抗壓強度時，巖石壓碎區就出現了；試驗也反映出，圍巖裂紋的產生與滾刀的載荷大小相關，同時也與滾刀同巖體的接觸面積相關。而TBM 掘進過程中，滾刀的逐漸磨損必然使滾刀與圍巖的接觸面積逐漸加大，反映出刀具破巖效果逐漸變差；在不受節理影響的情況下，刀具的破巖效能會逐漸下降甚至失效。滾刀磨損量增加與滾刀對巖體破壞壓強下降的關系見圖2。

圖2 200 kN 推力作用下滾刀磨損增加與滾刀對巖體破壞壓強降低的關系

4 巖體特征可倔性指數對刀具消耗的影響

為了更加準確地預測TBM 掘進施工成本，很多研究機構和設備廠家都建立了專有的TBM 數據庫，但其中數據被視為機密，主要用于咨詢或設計，在公共的論文中幾乎找不到這類試驗數據。

美國工程與技術系統委員會1984年把巖石的可倔性定義為巖石可掘特征的一個值。此值是力作用于一定數量刀具上產生的掘進速度，表征TBM 開挖某一類巖石的難易程度?？删笮灾笖悼捎糜诜治鰩r體條件的變化，依賴于滾刀載荷作用下形成巖片的效率，它不能單獨代表巖石的可倔性。在后來的TBM 掘進數據研究中，研究人員提出以掘進速度為1 mm/r 的情況下巖體的可掘進指數來表達巖體特征可掘進指數。巖體特征可倔進指數與TBM 的運行參數無關，僅與刀盤設計參數有關，如滾刀直徑、刀間距和刀刃寬度，它可以在消除機器設計因素外獨立評價巖體的可倔性。巖體的可倔進指數隨著掘進速度的降低逐漸增加，不同巖體的試驗結果顯示，實際狀態下預測公式的冪指數變化范圍在0.60-0.79 之間?？傮w來講，用冪指數0.75 來預測掘進速度，可以指導TBM 施工掘進的速度及成本預測。因此，在沒有進行掘進試驗前，巖體特征可倔進指數可用滾刀設計推力、掘進速度和冪指數為0.75 來進行計算。如下式：

p＝F·x-0.75

p——巖體特征（預測）可倔進指數，kN/cutter 或mm/r

F——單滾刀推力，kN

x——預測貫入度，mm/r

在掘進試驗中，也可以通過掘進機自帶的數據采集系統所記錄的實際滾刀推力、掘進速度來校核巖石的特征可倔性指數。如下式：

p1——巖體特征可倔性指數，kN/cutter 或mm/r

F——實際單刀推力，kN

x1——實際貫入度，mm/r

通過以前的施工數據比較，上式中對巖體的特性可倔性指數預測比較符合實際情況。見圖3、圖4。

圖3 Meinas水電站TBM 掘進實際數據與公式預測巖體特性可倔性指數對比

圖4 新疆XE-VI 標TBM 掘進實際數據與公式預測巖體可倔性指數對比

通過巖石特性預測可倔性指數，還需要考慮高地應力的影響。在高地應力作用下，TBM 開挖的掌子面前方和洞壁普遍存在板裂化現象，如地應力足以使巖體發生巖爆，則TBM 開挖的主要工作已不再是破碎巖體，而是清渣支護；如地應力不足以產生巖爆，而只是產生巖體板裂化時，地應力對滾刀破巖有促進作用，掘進速度會超過預測值；當地應力不足以產生巖體板裂化時，地應力對圍巖破碎有抑制作用，掘進速度會低于預測值。

在某些完整的花崗巖地質洞段，TBM 施工中基本不存在支護的問題，主要存在破巖效率不高，推力較大，滾刀需要多次重復碾壓才能實現破巖，導致刀盤振動加大，刀盤容易開裂、刀座容易變形，在這類地質的開挖過程中，刀具的磨損和異常損壞情況會明顯增加；滾刀在重復碾壓過程中，不能在完全重疊的軌跡上運動，導致刀具側向力變大，刀具崩刃、平直磨損等滾刀異常損壞情況上升，甚至出現小于每滾刀100 m3的情況。如在Meinas 水電站引水隧道施工過程中，由于巖體強度較高，節理不發育，刀具消耗極高，見表1。

5 圍巖節理對刀具消耗的影響

從TBM 滾刀破巖機理可以看出，巖體節理對破巖效果影響極大。節理性質包括節理產狀、平直度、粗糙度、間距、延伸長度、張開度、填充物情況、風化程度等。其中節理間距及節理與隧道軸線夾角對掘進破巖或施工速度影響顯著。在圍巖RMR 分級法預測圍巖的掘進狀態時，就大量地采集了圍巖節理的實際信息，比如節理長度、節理間距、粗糙程度、空隙填充物性質、風化程度等，但這些節理的具體情況，在工程前期地質勘測資料描述中不詳細，導致工程前期施工成本預測與實際結果偏差較大。

以前的研究結果顯示出，巖體節理的發育情況和破巖效果之間的關系表現為，巖體中不連續面越多，越容易破巖；節理間距越大，掘進速度越低，但節理間距密集后，可能導致圍巖失穩。節理方向和隧道軸線的夾角對掘進和破巖效果也有較大影響，當夾角在60°左右時，最利于TBM 破巖。

表1 Meinas水電站TBM 掘進月進尺與刀具消耗數據

格里菲斯強度理論指出，巖體受力后使裂紋尖端附近應力升高值超過其抗拉強度，從而引起裂紋擴展所需滿足的應力條件，即格里菲斯初始破裂準則 （criterion of Griffith' Sinitial fracturing）。即在巖體中節理發育的情況下，滾刀破巖已經不是完全靠克服巖體的抗壓強度而產生破壞，而是由于節理導致巖體內空腔的出現，巖體主要受到拉應力和剪切應力的破壞。而一般巖石的抗壓強度是抗拉強度的8 倍，比如花崗巖的抗壓強度為100-250 MPa，而抗拉強度僅為7-25 MPa；所以，節理發育的巖體更容易實現破巖。如圖5所示，節理間距小于200 mm 時，滾刀應力隨著節理間距增加呈擬線性增加。節理間距大于200 mm 后時，滾刀應力隨著節理間距增大而緩慢增加，增速放緩。節理間距不超過40 mm 時，掘進速度近似完整巖體時的9 倍，主要是由于裂紋擴展到達節理面，更容易產生巖片。當節理間距為50-80 mm 時，掘進速度大約為完整巖體的4倍。當節理間距為90-100 mm 時，掘進速度大約為完整巖體的2 倍。主要原因是當節理間距在80 mm 以內時，側向節理平面擴展，提高了切割效率。一般情況下，工程前期地勘資料中會有巖石強度、巖石成分（石英含量）、節理分布、節理與隧道軸線夾角及地下水推斷結論等地質信息。

圖5 不同節理間距下巖片形成時的滾刀應力變化

6 混合地層對刀具消耗的影響

TBM 隧道施工受到地表地形的影響，除軟巖地層和硬巖地層外，更多的地層表現為軟硬混合開挖地層。如西北某TBM 施工隧道，由于軸線埋深較淺，受到地表風化地質影響較大，出現了典型的軟硬巖混合地層。這種地層特性表現為隧道上部相對松軟，穩定性較差，下部巖體強度較高，掌子面常為新鮮巖石與風化巖石交界，無明顯的過渡風化帶，巖性變化以突變性居多。

混合地層對TBM 設備的影響表現為作用在滾刀上的推力高頻大幅變化，從而引起TBM 刀盤、滾刀及其軸承上的沖擊載荷，造成機頭振動，定向困難，滾刀異常損壞情況增加，磨損速度加快。

滾刀在運行過程中，除隨刀盤旋轉外，還需要繞滾刀軸自轉。讓滾刀自轉的力量來自于刀盤帶動滾刀在掌子面上旋轉運動時滾刀與掌子面之間接觸所產生的摩擦力，其大小取決于滾刀裝配時的最小轉動扭矩。但是當滾刀經過軟巖部分，軟巖的破巖阻力不足以使滾刀轉動，而是被滾刀擠開時，滾刀就出現平直磨損現象。當滾刀平直磨損面的寬度和阻力不能阻止滾刀繼續滾動時，滾刀接觸硬巖的阻力又使其繼續旋轉。這也是滾刀有時候會出現多個平直磨損方向的原因。如果沒有及時發現滾刀平直磨損現象并更換滾刀，就會導致與此滾刀相鄰的滾刀負載增加，加劇鄰近滾刀的磨損和損壞。

7 TBM 施工刀具消耗成本的預測公式

根據以上分析，說明刀具消耗除了與滾刀裝配質量、刀圈本身耐磨性關系密切外，還與巖性有密切關系。刀具的裝配質量和刀圈本身的耐磨性能在生產過程中可以通過人為介入使其可控，所以巖性是決定刀具消耗預測數據的關鍵因素。而巖體的可倔性我們可以用巖體特征可倔性指數來計算，所以我們提出TBM 施工刀具正常損耗的成本預測公式如下：

H＝13.3×（F額-F空）/（D×d2總×p×s）

H ——預測換刀頻率，m/cutter

F額——TBM 設計額定推力，kN

F空——TBM 空推阻力，kN

D ——TBM 刀盤直徑，m

d總——TBM 滾刀刀刃總數

p ——巖體特征可倔性指數，kN/cutter 或mm/r

s ——刀圈在額定負載情況下滾動1000 米的磨損量，mm

8 實際運行情況與刀具預測數據的對比

在以前的施工過程中，刀具實際消耗情況與預測公式計算結果比較見表2。

通過對比反映出，在掌子面圍巖強度高，節理不發育，巖體石英含量極高和掌子面混合地層特征突出的情況下，實際刀具消耗遠大于預測消耗，而在一般情況下，實際值與預測值比較接近，掘進距離越長，實際值與預測值的誤差越小。

因此，在實際刀具成本預測計算中，必須根據勘測單位所提供的施工地質資料，按圍巖類別統計各類圍巖的距離和長度，分析圍巖強度、巖性、石英含量、地應力、混合地層占比和節理的發育情況。對其中圍巖強度極高，石英含量極高或混合地層段，在做刀具成本預測時要適當增大成本系數，如（1.2-1.5）×H；對地應力較大、滲水較大、節理發育的地質段，可適當降低成本系數，如（0.7-0.8）×H。

另外，TBM 滾刀在運行過程中，因掌子面混合地層的出現、凹凸不平的現象導致刀圈出現沖擊載荷，刀具異常損壞的情況是不能完全杜絕的，因此，在刀具成本預測中需要適當考慮刀具異常損壞導致的成本增大，一般情況下，異常損壞刀具成本可按預測總成本的8%-10%進行估算。

9 結語

TBM 施工刀具的運行成本與圍巖條件、TBM設備設計參數、TBM 刀盤刀箱刀座的質量、TBM刀具的本身質量、操作人員和刀具維護人員的技能水平和責任心都有著密切關系，文中僅從圍巖方面提出一種刀具成本的預測公式，作為施工單位或建設單位工程前期成本預測的參考，不能完全代表準確的TBM 掘進施工刀具成本。本預測公式由于筆者數據有限，還需要通過更多的實際工程數據來校核其準確性和普及性。

表2 公式預測換刀間距與實際施工換刀間距比較