胡天然

（中鐵二局工程有限公司城通分公司，四川 成都 610306）

1 概述

全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)（Tunnel Boring Machine），簡(jiǎn)稱TBM，因其掘進(jìn)速度快，地質(zhì)適宜性強(qiáng)，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)開(kāi)挖掘進(jìn)和襯砌管片拼裝的平行交叉作業(yè)等而逐漸被長(zhǎng)大隧道推廣運(yùn)用。但是，在TBM施工過(guò)程中，TBM刀具的不正確配置會(huì)在一定程度上增加工程項(xiàng)目成本，甚至還會(huì)導(dǎo)致工期延誤，特別是在地質(zhì)復(fù)雜和地勘粗略的長(zhǎng)大山嶺隧道中，這種情況尤為突出。國(guó)內(nèi)外刀具種類眾多，質(zhì)量參差不齊，選擇刀具至關(guān)重要。

2 工程概況

2.1 工程簡(jiǎn)介

尼泊爾巴瑞巴貝引水隧道工程項(xiàng)目工程引水隧道為單線隧道，線路全長(zhǎng)12.2 km，采用TBM工法施工。成型隧道過(guò)水?dāng)嗝?.2 m，建成后，可灌溉尼泊爾中西部與遠(yuǎn)西部交界處的巴迪亞和班克地區(qū)51 000 hm2的農(nóng)田，解決該區(qū)域極度缺水的問(wèn)題。同時(shí)，還可利用約152 m的水位差異建造發(fā)電站，為尼泊爾提供48 MW的電力支持。

2.2 地質(zhì)和水文情況

該工程地質(zhì)位于亞喜馬拉雅，由中新世中期至更新世早期的河流沉積組成，分為西瓦利克下段、西瓦利克中段和西瓦利克上段（Auden，1935）。隧道與區(qū)域巖體分層線基本垂直，沿線貫穿西瓦利克上中下地層，主要由泥巖、砂巖、礫巖組成，總體屬軟巖地層，最高強(qiáng)度為55.38 MPa，砂巖地層石英含量豐富。工程區(qū)地下水補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水，地下水分為孔隙潛水和基巖裂隙潛水。

3 TBM刀具選型要素

3.1 刀具選型依據(jù)

刀具選型依據(jù)主要有以下幾點(diǎn)：①需與地質(zhì)特性充分匹配，對(duì)于長(zhǎng)距離軟巖地層，要保證切削效率；②對(duì)于全風(fēng)化軟土地層（尤其是泥巖），需具備良好的適應(yīng)性，防止黏刀、偏磨、刀盤(pán)扭矩過(guò)大；③對(duì)于石英含量高的砂巖地層，需具備較高的耐磨性；④對(duì)于長(zhǎng)隧道，除了刀圈匹配性外，對(duì)刀具軸承、刀轂、密封適應(yīng)性的要求同樣很高；⑤按照軟巖的特性，刀具硬度不是主控指標(biāo)，綜合性能至關(guān)重要，但仍需充分考慮在可能出現(xiàn)的極端地層條件下的匹配性。

3.2 刀具選型方案

由于尼泊爾的地域特殊性和TBM工況特性，刀具針對(duì)性選擇主要包含3個(gè)方面的內(nèi)容：①市場(chǎng)調(diào)查。初選一批有自主研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造能力，并具同類業(yè)績(jī)的供應(yīng)商。②國(guó)內(nèi)試驗(yàn)。邀請(qǐng)合格供應(yīng)商參與試驗(yàn)，提供樣品和性能參數(shù)，同時(shí)，在國(guó)內(nèi)進(jìn)行關(guān)鍵指標(biāo)的物理性能試驗(yàn)，選擇備選供應(yīng)商。③試掘進(jìn)試驗(yàn)。將備選供應(yīng)商的樣品刀具送至施工現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)500 m試掘進(jìn)階段進(jìn)行實(shí)際性能測(cè)評(píng)，優(yōu)中選優(yōu)確定滿足項(xiàng)目TBM掘進(jìn)條件、技術(shù)服務(wù)優(yōu)質(zhì)的作為備選供應(yīng)商，然后再進(jìn)行招標(biāo)和價(jià)格比選。

3.3 市場(chǎng)調(diào)查

在國(guó)內(nèi)外50余家供應(yīng)商中，通過(guò)對(duì)其資質(zhì)、自主研發(fā)能力、業(yè)績(jī)、刀具性能和技術(shù)服務(wù)等的考察，選擇8家參與刀具選型和國(guó)內(nèi)試驗(yàn)。

3.4 國(guó)內(nèi)試驗(yàn)

刀圈作為滾刀最核心的部件，為了簡(jiǎn)化評(píng)定流程，重點(diǎn)進(jìn)行刀圈物理力學(xué)性質(zhì)解剖分析。供應(yīng)商各提供2把17寸的單刃滾刀樣品，隨機(jī)取1把用于解剖取樣檢測(cè)，另1把封存于現(xiàn)場(chǎng)，防止在試驗(yàn)階段質(zhì)量達(dá)標(biāo)、入圍后供應(yīng)質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的情況發(fā)生。同時(shí)，委托國(guó)內(nèi)專業(yè)的試驗(yàn)室對(duì)試驗(yàn)刀具進(jìn)行切割取樣和物理試驗(yàn)。

3.4.1 取樣

在平行于刀圈直徑方向用線切割取寬度為55 mm的樣塊，在樣塊上沿平行圓周切線方向取5個(gè)10.2 mm×10.2 mm標(biāo)準(zhǔn)試樣毛坯作為一組，并按照國(guó)標(biāo)GB/T299—2007的要求，磨削4個(gè)V形口或U形口作為試驗(yàn)樣品。樣品編號(hào)為：前1位數(shù)為供應(yīng)商編號(hào)，后1位數(shù)為樣品順序號(hào)，比如“1-1”為1#供應(yīng)商1號(hào)樣品。

3.4.2 室內(nèi)試驗(yàn)

試驗(yàn)檢測(cè)指標(biāo)包括：基本硬度值，沖擊韌度值，金相圖，晶粒度評(píng)定。室內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 室內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)一覽表

圖1 國(guó)內(nèi)試驗(yàn)——洛氏硬度曲線圖

圖2 國(guó)內(nèi)試驗(yàn)——沖擊韌性曲線圖

表2 國(guó)內(nèi)試驗(yàn)——晶粒度表

3.4.3 試驗(yàn)結(jié)果

洛氏硬度如圖1所示。國(guó)內(nèi)沖擊韌性試驗(yàn)曲線如圖2所示。金相組織的相關(guān)內(nèi)容如表2和圖3所示。通過(guò)對(duì)刀具洛氏硬度、沖擊韌性、金相組織的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)綜合性能比較好的是6#、2#、8#和4#刀具供應(yīng)商，所以，將它們作為第三階段現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的備選供應(yīng)商，相關(guān)排名如表3所示。

3.5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.5.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方案

刀盤(pán)開(kāi)挖直徑5.06 m，共33把刀，平均刀間距83 mm，刀盤(pán)最大轉(zhuǎn)速為11.4 r/min。由于邊刀磨耗速率大于面刀，為了快速測(cè)試刀具的各項(xiàng)性能指標(biāo)，從4個(gè)廠家中各隨機(jī)抽取1把試驗(yàn)刀與30#、31#、32#、33#號(hào)刀座的原裝刀具更換。刀座信息如表4所示。

圖3 國(guó)內(nèi)試驗(yàn)——晶粒度曲線圖

表3 國(guó)內(nèi)試驗(yàn)——綜合排名前四清單

表4 TBM刀盤(pán)部分刀座信息表

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，當(dāng)設(shè)備掘進(jìn)至70 m時(shí)，掌子面出現(xiàn)砂泥巖互層，具備現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試刀具的條件，并再掘進(jìn)150 m后，再進(jìn)行兩兩二次互換，然后繼續(xù)掘進(jìn)150 m。每日測(cè)量刀具的崩刃、偏磨、漏油、溫度和磨耗程度。刀具安裝位置如表5、圖4所示。

表5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)刀具安裝計(jì)劃表

圖4 前150 m試驗(yàn)刀具安裝位置圖

圖5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)刀具溫度曲線圖

圖6 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)刀刀圈磨耗曲線圖

表6 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)階段刀具供應(yīng)商排名表

3.5.2 測(cè)試階段掘進(jìn)參數(shù)

在55～500 m范圍內(nèi)均屬于砂泥巖互層，局部含有礫巖和砂巖夾層，整體地質(zhì)穩(wěn)定，TBM掘進(jìn)參數(shù)正常，所以，可排除地層和掘進(jìn)參數(shù)的差異對(duì)現(xiàn)場(chǎng)刀具測(cè)試的影響。

3.5.3 刀具測(cè)試結(jié)果

在刀具現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)期間，試驗(yàn)刀具均不存在崩刃、偏磨、漏油等質(zhì)量問(wèn)題，這主要是因?yàn)闇囟群偷度δズ牟煌?/p>

3.5.3.1 溫度測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)刀具溫度變化曲線如圖5所示。觀察刀具溫度測(cè)試記錄發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)刀具的溫度在測(cè)量時(shí)基本一致，未出現(xiàn)個(gè)別刀具與其他刀具溫差比較大的情況，測(cè)溫曲線正常。

3.5.3.2 磨耗測(cè)試

2017-11-13—2017-11-22為前150 m測(cè)試時(shí)間，2017-11-23—2017-12-03為后150 m測(cè)試時(shí)間，磨損曲線如圖6所示。由刀圈磨耗曲線可知，在2017-11-22前，即掘進(jìn)長(zhǎng)度為142 m前，4家供應(yīng)商的刀具磨耗完全一致，2017-11-23刀具位置互換后，2#供應(yīng)商的刀具磨耗明顯增大，4#和8#供應(yīng)商基本一致，6#供應(yīng)商的刀具磨耗最小。另一方面，2#試驗(yàn)刀具為厚刃口刀圈，其余3家為標(biāo)準(zhǔn)刃口刀圈，具體排名如表6所示。

3.6 測(cè)試結(jié)論

結(jié)合市場(chǎng)調(diào)查、國(guó)內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的情況，可以明確最適合該工程項(xiàng)目的TBM刀具，并結(jié)合報(bào)價(jià)和現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)情況，為刀具招標(biāo)提供技術(shù)資料。供應(yīng)商綜合排名依次為6#、8#、4#、2#。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于TBM高度機(jī)械化和自動(dòng)化，被廣泛用于隧道施工。同時(shí)，因?yàn)榈刭|(zhì)的復(fù)雜性和粗略性，TBM刀具的合理配置將直接影響項(xiàng)目成本和掘進(jìn)效率，特別是在不可預(yù)見(jiàn)的不良地層條件下，更要減少換刀、清刀的時(shí)間，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。國(guó)內(nèi)外TBM刀具供應(yīng)商數(shù)量眾多，發(fā)展不一，各個(gè)供應(yīng)商研究的方向和發(fā)展市場(chǎng)也不一樣，如果不能選擇最適合工程項(xiàng)目的刀具，就會(huì)導(dǎo)致施工成本高、工期長(zhǎng)，影響刀盤(pán)結(jié)構(gòu)，甚至引發(fā)工程事故。所以，TBM刀具的選型極為重要，首先需充分考慮刀具物理性能與地質(zhì)的一致性，根據(jù)地質(zhì)情況選擇合理的刀具，不要一味地追求高硬度、高韌性；其次需綜合考慮經(jīng)濟(jì)分析；最后應(yīng)根據(jù)實(shí)際推進(jìn)情況，不斷優(yōu)化刀具選型，使之更加匹配工程項(xiàng)目的實(shí)際情況。

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