TBM施工影响刀具成本的相关因素和成本预测公式

摘

要院通过TBM施工中刀具运行工况和损坏原因的分析袁得出地质变化对TBM施工刀具运行成本的主要

刘宏1袁简晓辉1袁张爱武2

影响因素袁提出了TBM施工刀具成本的一种预测公式袁并通过实际施工数据与预测公式推导的数据进行比较袁验证了预测公式的可靠性和普及性遥

关键词院TBM曰盾构刀具曰岩体特征曰可倔性曰刀具成本预测中图分类号院TD421.5+4

文献标志码院B

RelatedFactorsandCostPredictionFormulaofToolCostAffectedbyTBMConstruction

LIUHong1袁JIANXiao-hui1袁ZHANGAi-wu2渊1.ChinaWaterResourcesandHydropowerEighthEngineeringBureauCo.,LTD袁Changsha

Province袁Jilincity132011袁Jilin冤

410004袁Hunan曰2.KeyLaberatoryofCuttingToolTechnologyofShieldandTunnelofJilin

Abstract:Inthispaper,throughTBMcutteroperationconditionandanalyzingthecauseofdamageinthefieldofconstruction,itisconcludedthatgeologicalchangesonthemaininfluencingfactoroftheTBMconstructiontoolrunningthepredictionformulaofdatacomparison,itverifiesthereliabilityofthepredictionformulaandpopularity.

Keywords:TBM曰TBMcutter曰Characteristicsofrockmass曰diggability曰toolcostforecast

cost曰itputsforwardapredictionformulaofTBMconstructiontoolcost曰andthroughtheactualconstructiondataand

1前言

从TBM的发展趋势来看袁针对不同地质条件的专用掘进机将得到进一步发展袁智能化尧信息化的数据采集和控制是TBM施工的发展方向遥随着我国经济的飞速发展袁在水利尧电力尧煤炭尧矿山尧交通等施工领域袁隧道建设给TBM提供了巨大的应用空间袁大尺寸尧长距离隧道工程越来越多袁TBM的施工优势已经得到充分展现袁基本替代了劳动密集型的传统隧道施工模式遥但在TBM施工中袁刀具成本占施工成本比例较高袁

施工单位和建设单位都需要对TBM施工刀具成本做出初步的预测袁才能在工程成本预算和施工成本预算中做出科学的报价遥但是目前在TBM刀具预测方面袁没有相对系统的预测办法袁主要是由于TBM刀具的损耗因素太多袁给刀具成本预测带来太多困扰遥本文主要从TBM刀具的破岩机理尧围岩对刀具损耗影响较大的几个因素进行分析探讨袁通过笔者亲历的TBM施工刀具消耗分析及其他TBM隧道施工数据袁总结出一种对TBM施工刀具预测的计算方法袁希望能给TBM隧道建设单位或TBM施工单位提供一些参

收稿日期院2019-04-08

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渊总第176期冤考袁从而使TBM刀具成本预算与工程报价更接近于实际情况遥2刀具成本预测的意义

成本TBM会占到施工TBM过程施中工袁成一本的般情况下10%左右袁刀具袁的特运殊行

情况下袁刀具成本可达到TBM施工成本的30%以上遥随着刀具成本增加袁TBM掘进过程中刀具维修时间也会增加袁使TBM设备利用率下降袁直接影响到TBM施工的整体效率遥因此袁对隧道的工

期设计尧成本预算袁都需要参考刀具的预测成本遥TBM机利用刀具率是损耗评情况价TBM与掘进隧道施速度工尧施效率工进度的主尧掘进要指标曰刀具损耗不仅与岩石的矿物组成及结构相关袁也与机器的运行参数和掌子面围岩条件相关袁还与滚刀的特性相关遥刀具磨损是TBM开挖隧道过程中的综合运行结果袁本文从围岩情况对刀具预测的影响方面进行分析探讨遥

刀具成本预测中袁刀具磨损指的是随时间磨耗的滚刀刀圈磨损值袁它可以用每把滚刀的工作时间表示渊h/cutter冤袁或以每把滚刀的滚动距离渊体km/cutter积量渊m冤3/cutter表示袁冤袁也或可每以把表滚示刀为的每隧道把滚刀开挖的开挖渊m/cutter冤遥本文以掘进累计进尺需要更换消滚长耗频刀度

的间隔H渊m/cutter冤来表示滚刀更换和率袁便于直观反映刀具的消耗程度和进行横向比较遥但是TBM滚刀在实际运行中袁除正常的磨损消耗外袁还有很多因素导致滚刀出现非正常磨损的情况袁滚刀的非正常磨损与操作水平尧掘进参数尧岩体变化尧滚刀的装配质量及刀圈的耐磨性都有密切关系遥如在引大济湟隧道工程中袁采用德国Wirth公司一台双护盾TBM施工袁开挖直径5.93数为米244遥数据把袁其中反应刀袁在圈6平km直磨的损掘进和中刀刀具具漏损油坏是总主

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要损坏形式遥刀具非正常磨损多袁开挖不太顺利遥在厄瓜多尔美纳斯水电站引水隧道工程施工中袁采用意大利SELI一台双护盾TBM设备袁在前期掘进2.64km过程中袁损坏刀具480把袁其中非正常磨损占比高达32%遥西北某工地一台敞开式TBM进4.26施工km过程过程中中的数据袁2018年显8月示到袁2019期间损年坏刀2月掘具617施工把都袁存在非正刀常具损实坏际占比消耗达较41%大的遥现以象上袁TBM直接隧道导致TBM因此袁施科工学成客本观的超出刀预算具预袁施测工工对TBM期延施误工工等情况期安遥排和施工成本报价是非常重要的遥3TBM刀具破岩机理分析

剥离TBM来实现是掘进靠挤的压袁尧破碾岩压岩过程石分袁使岩两个石阶段形成袁碎包片

括滚刀挤压侵入岩体尧滚刀之间岩石裂纹贯通形成碎片的过程袁见图1遥

压碎区过渡区形成岩片剥离张拉裂纹

图1滚刀破岩示意图

滚刀侵入岩石加载过程分四个阶段袁包括应力场建立尧形成压碎区尧裂纹扩展贯通形成碎片掉落及出现侵入坑遥压碎区的形成取决于刀具的承受能力和所获得推力的大小袁而岩石裂纹贯通形成碎片的过程则被诸多因素影响袁如作用于滚刀的载荷尧滚刀的间距尧岩石的物理力学性质等曰从岩石的破岩过程来看袁岩体的强度尧结构和成分对TBM破岩影响很大遥施工现场常见岩块的

鱼鳞状碎片尧三角形碎片和掌子面两滚刀之间凹槽渊岩脊冤的形成袁与岩石的强度尧脆性尧成分尧节理间距尧节理的方向等都有着密切的关系遥

在刀具侵入及破岩过程中袁随着滚刀与围岩接触位置的应力逐渐增加袁岩石出现破碎现象袁但是由于岩石碎片被周围的岩石限制不能错动及扩张袁在应力进一步加大的情况下袁这些粉碎的岩石向内及向两侧扩张造成岩石产生放射状裂纹袁当侧向裂纹到达围岩表面时袁岩石脱离形成碎片曰当侧向裂纹扩展与相邻刀具所产生的裂纹或围岩中的节理贯通时袁围岩出现较大的碎片或块状剥离遥在岩石的侵入试验中袁当侵入载荷小于围岩抗压强度的45%之前袁围岩很少会发生破坏袁当达到岩石的抗压强度时袁岩石压碎区就出现了曰试验也反映出袁围岩裂纹的产生与滚刀的载荷大小相关袁同时也与滚刀同岩体的接触面积相关遥而TBM掘进过程中袁滚刀的逐渐磨损必然使滚刀与围岩的接触面积逐渐加大袁反映出刀具破岩效果逐渐变差曰在不受节理影响的情况下袁刀具的破岩效能会逐渐下降甚至失效遥滚刀磨损量增加与滚刀对岩体破坏压强下降的关系见图2遥

姻

姻

姻

姻

姻

姻

姻

姻

刀圈磨损值袁mm

荫姻贯贯入入度度1mm5mm时时滚滚刀刀对对岩岩体体的的破破坏坏压压强强袁袁MPa

MPa图2200kN推力作用下滚刀磨损增加与滚刀对岩体破

坏压强降低的关系

4岩体特征可倔性指数对刀具消耗的影响

TBM施工影响刀具成本的相关因素和成本预测公式为了更加准确地预测TBM掘进施工成本袁很多研究机构和设备厂家都建立了专有的TBM数据库袁但其中数据被视为机密袁主要用于咨询或设计袁在公共的论文中几乎找不到这类试验数据遥

美国工程与技术系统委员会1984年把岩石的可倔性定义为岩石可掘特征的一个值遥此值是力作用于一定数量刀具上产生的掘进速度袁表征TBM可用于开挖分析某岩一体类条件岩石的的变难化易袁程依度赖遥于可滚倔刀性载指荷数作用下形成岩片的效率袁它不能单独代表岩石的可倔性遥在后来的TBM掘进数据研究中袁研究人员提出以掘进速度为1mm/r的情况下岩体的可掘进指数来表达岩体特征可掘进指数遥岩体特征可倔进指数与TBM的运行参数无关袁仅与刀盘设计参数有关袁如滚刀直径尧刀间距和刀刃宽度袁它可以在消除机器设计因素外独立评价岩体的可倔性遥岩体的可倔进指数随着掘进速度的降低逐渐增加袁不同岩体的试验结果显示袁实际状态下预测公式的幂指数变化范围在0.60-0.79之间遥总体来讲袁用幂指数0.75来预测掘进速度袁可以指导TBM施工掘进的速度及成本预测遥因此袁在没有进行掘进试验前袁岩体特征可倔进指数可用滚刀设计推力尧掘进速度和幂指数为0.75来进行计算遥如下式院

p=F窑x-0.75p要要要岩体特征渊预测冤可倔进指数袁kN/cut鄄F要要要单ter滚或刀mm/r

推力袁kNx要要要预测贯入度袁mm/r

在掘进试验中袁也可以通过掘进机自带的数据采集系统所记录的实际滚刀推力尧掘进速度来校核岩石的特征可倔性指数遥如下式院

p1=xF1圆园19年第3期

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渊总第176期冤pmm/r

1要要要岩体特征可倔性指数袁kN/cutter或F要要要实际单刀推力袁kN

x1通要要要过以实前际的贯施入工度数据袁mm/r

比较袁上式中对岩体的

特性可倔性指数预测比较符合实际情况遥见图3尧图4遥

姻姻姻姻姻姻姻姻姻姻姻姻姻姻姻姻姻姻姻贯入度袁mm/r

荫姻预实测围际围岩岩特特性可性可倔倔性性指指数数袁袁kN/cutterkN/cutter或或mm/r

mm/r图3Meinas水电站TBM掘进实际数据与公式预测岩

体特性可倔性指数对比

姻姻姻姻姻姻姻姻姻姻姻姻姻姻姻贯入度袁mm/r

荫姻预围测围岩特岩性可特性可倔性倔指性数指袁kN/cutter数袁kN/cutter或mm/r或mm/r

图4新疆XE-VI标TBM掘进实际数据与公式预测岩

体可倔性指数对比

通过岩石特性预测可倔性指数袁还需要考虑高地应力的影响遥在高地应力作用下袁TBM开挖的掌子面前方和洞壁普遍存在板裂化现象袁如地应力足以使岩体发生岩爆袁则TBM开挖的主要工作已不再是破碎岩体袁而是清渣支护曰如地应

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力不足以产生岩爆袁而只是产生岩体板裂化时袁地应力对滚刀破岩有促进作用袁掘进速度会超过预测值曰当地应力不足以产生岩体板裂化时袁地应力对围岩破碎有抑制作用袁掘进速度会低于预测值遥

在某些完整的花岗岩地质洞段袁TBM施工中基本不存在支护的问题袁主要存在破岩效率不高袁推力较大袁滚刀需要多次重复碾压才能实现破岩袁导致刀盘振动加大袁刀盘容易开裂尧刀座容易变形袁在这类地质的开挖过程中袁刀具的磨损

和异常损坏情况会明显增加曰滚刀在重复碾压过

程中袁不能在完全重叠的轨迹上运动袁导致刀具

侧向力变大袁刀具崩刃尧平直磨损等滚刀异常损坏情况上升袁甚至出现小于每滚刀100m3的情况遥如在Meinas水电站引水隧道施工过程中袁由于岩体强度较高袁节理不发育袁刀具消耗极高袁见表1遥

5围岩节理对刀具消耗的影响

从TBM滚刀破岩机理可以看出袁岩体节理对破岩效果影响极大遥节理性质包括节理产状尧平直度尧粗糙度尧间距尧延伸长度尧张开度尧填充物情况尧风化程度等遥其中节理间距及节理与隧道

轴线夹角对掘进破岩或施工速度影响显著遥在围岩RMR分级法预测围岩的掘进状态时袁就大量地采集了围岩节理的实际信息袁比如节理长度尧节理间距尧粗糙程度尧空隙填充物性质尧风化程度等袁但这些节理的具体情况袁在工程前期地质勘测资料描述中不详细袁导致工程前期施工成本预测与实际结果偏差较大遥

以前的研究结果显示出袁岩体节理的发育情况和破岩效果之间的关系表现为袁岩体中不连续面越多袁越容易破岩曰节理间距越大袁掘进速度越低袁但节理间距密集后袁可能导致围岩失稳遥节理

TBM施工影响刀具成本的相关因素和成本预测公式表1Meinas水电站TBM掘进月进尺与刀具消耗数据

项目

时间2015年3月月进尺袁m260.11滚刀非正常单刀开挖体积量损耗占比m3/把19.67%20.51%29.58%46.43%54.55%15.15%107.5835.3350.6449.94113.8274.43月最高围岩强度

MPa218318276284257241掌子面围岩描述掌子面岩石整体性好袁节理不发育袁掌子面约潮湿袁无滴水曰岩性为灰黑色中粒安山质凝灰岩袁块状结构袁在岩石不连续结构面中可见有碳酸钙质发育袁含少量的黄铜矿及较多的绿泥石化尧绿帘石化产生的矿物曰RMR评分在74要85分之间遥Meinas水电2015年5月站引水隧

道工程2015年6月2015年7月2015年8月2015年4月198.67150.39268.39139.81100.79方向和隧道轴线的夹角对掘进和破岩效果也有较大影响袁当夹角在60毅左右时袁最利于TBM破岩遥

格里菲斯强度理论指出袁岩体受力后使裂纹尖端附近应力升高值超过其抗拉强度袁从而引起裂纹扩展所需满足的应力条件袁即格里菲斯初始破裂准则渊criterionofGriffith'Sinitialfractur鄄ing冤遥即在岩体中节理发育的情况下袁滚刀破岩已经不是完全靠克服岩体的抗压强度而产生破坏袁而是由于节理导致岩体内空腔的出现袁岩体主要受到拉应力和剪切应力的破坏遥而一般岩石的抗压强度是抗拉强度的8倍袁比如花岗岩的抗压强度为100-250MPa袁而抗拉强度仅为7-25图5所示袁节理间距小于200mm时袁滚刀应力随着节理间距增加呈拟线性增加遥节理间距大于200mm后时袁滚刀应力随着节理间距增大而缓慢增加袁增速放缓遥节理间距不超过40mm时袁掘进速度近似完整岩体时的9倍袁主要是由于裂纹扩展到达节理面袁更容易产生岩片遥当节理间距为50-80mm时袁掘进速度大约为完整岩体的4倍遥当节理间距为90-100mm时袁掘进速度大约为完整岩体的2倍遥主要原因是当节理间距在80mm以内时袁侧向节理平面扩展袁提高了切割MPa曰所以袁节理发育的岩体更容易实现破岩遥如

效率遥一般情况下袁工程前期地勘资料中会有岩石强度尧岩石成分渊石英含量冤尧节理分布尧节理与隧道轴线夹角及地下水推断结论等地质信息遥

节理间距袁mm

图5不同节理间距下岩片形成时的滚刀应力变化

6混合地层对刀具消耗的影响

TBM隧道施工受到地表地形的影响袁除软

岩地层和硬岩地层外袁更多的地层表现为软硬混合开挖地层遥如西北某TBM施工隧道袁由于轴线埋深较浅袁受到地表风化地质影响较大袁出现了典型的软硬岩混合地层遥这种地层特性表现为隧道上部相对松软袁稳定性较差袁下部岩体强度较高袁掌子面常为新鲜岩石与风化岩石交界袁无明显的过渡风化带袁岩性变化以突变性居多遥

混合地层对TBM设备的影响表现为作用在滚刀上的推力高频大幅变化袁从而引起TBM刀

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渊总第176期冤盘尧滚刀及其轴承上的冲击载荷袁造成机头振动袁定向困难袁滚刀异常损坏情况增加袁磨损速度加快遥

滚刀在运行过程中袁除随刀盘旋转外袁还需要绕滚刀轴自转遥让滚刀自转的力量来自于刀盘带动滚刀在掌子面上旋转运动时滚刀与掌子面之间接触所产生的摩擦力袁其大小取决于滚刀装配时的最小转动扭矩遥但是当滚刀经过软岩部分袁软岩的破岩阻力不足以使滚刀转动袁而是被滚刀挤开时袁滚刀就出现平直磨损现象遥当滚刀平直磨损面的宽度和阻力不能阻止滚刀继续滚动时袁滚刀接触硬岩的阻力又使其继续旋转遥这也是滚刀有时候会出现多个平直磨损方向的原因遥如果没有及时发现滚刀平直磨损现象并更换滚刀袁就会导致与此滚刀相邻的滚刀负载增加袁加剧邻近滚刀的磨损和损坏遥

7TBM施工刀具消耗成本的预测公式

根据以上分析袁说明刀具消耗除了与滚刀装配质量尧刀圈本身耐磨性关系密切外袁还与岩性有密切关系遥刀具的装配质量和刀圈本身的耐磨性能在生产过程中可以通过人为介入使其可控袁所以岩性是决定刀具消耗预测数据的关键因素遥而岩体的可倔性我们可以用岩体特征可倔性指数来计算袁所以我们提出TBM施工刀具正常损耗的成本预测公式如下院

H=13.3伊渊F额-F空冤/渊率D伊袁d总2H要要要预测换刀频m/cutter伊p伊s冤

F额F要要要TBM设计额定推力袁kN

空D要要要要要要TBMTBM空刀推盘阻直力径袁袁kNm

d总p要要要要要要

岩TBM体特滚征刀刀可倔刃性总数指数袁kN/cutter或

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s要要要刀mm/r

圈在额定负载情况下滚动1000米

的磨损量袁mm

8实际运行情况与刀具预测数据的对比

在以前的施工过程中袁刀具实际消耗情况与预测公式计算结果比较见表2遥

通过对比反映出袁在掌子面围岩强度高袁节理不发育袁岩体石英含量极高和掌子面混合地层特征突出的情况下袁实际刀具消耗远大于预测消耗袁而在一般情况下袁实际值与预测值比较接近袁掘进距离越长袁实际值与预测值的误差越小遥

因此袁在实际刀具成本预测计算中袁必须根据勘测单位所提供的施工地质资料袁按围岩类别统计各类围岩的距离和长度袁分析围岩强度尧岩性尧石英含量尧地应力尧混合地层占比和节理的发育情况遥对其中围岩强度极高袁石英含量极高或混合地层段袁在做刀具成本预测时要适当增大成本系数袁如渊1.2-1.5冤伊H曰对地应力较大尧渗水较大尧节理发育的地质段袁可适当降低成本系数袁如渊0.7-0.8另外冤伊袁HTBM遥

滚刀在运行过程中袁因掌子面混

合地层的出现尧凹凸不平的现象导致刀圈出现冲击载荷袁刀具异常损坏的情况是不能完全杜绝的袁因此袁在刀具成本预测中需要适当考虑刀具异常损坏导致的成本增大袁一般情况下袁异常损坏刀具成本可按预测总成本的8%-10%进行估算遥9结语

设备设计TBM参施工数刀尧TBM具的刀运盘行刀成箱本刀与座围的岩条件质量尧尧TBM

TBM刀具的本身质量尧操作人员和刀具维护人员的技能水平和责任心都有着密切关系袁文中仅从围岩

TBM施工影响刀具成本的相关因素和成本预测公式表2公式预测换刀间距与实际施工换刀间距比较

围岩预测换刀间实际换刀间类别距袁m/cutter距袁m/cutter玉玉域域IIIaIIIaIIIb郁郁域7.062.287.977.5510.009.785.311.633.984.619.739.219.239.07误差

备注

24.83%2015年3月,岩性最高试验单轴抗压强度257MPa曰掌子面完整袁节理不发育28.51%50.06%38.87%2.72%5.80%2015年4月,岩性最高试验单轴抗压强度308MPa曰掌子面完整袁节理不发育袁破岩效果极差袁掌子面岩凸出高达30-50mm

2018年7月26日要7月31日袁域类围岩袁岩芯化学分析石英含量跃60%袁切片物理分析石英含量大于35%

2018年9月1日要9月4日袁域类围岩袁岩芯化学分析石英含量跃60%袁切片物理分析石英含量大于35%

2019年1月22日要2月14日袁域类围岩渊闪长岩冤2018年11月20日要11月25日袁IIIa类围岩10.119.722019年3月13日要3月29日袁IIIa类围岩袁掌子面出现较为突出的混合地质

8.71%情况袁下部围岩强度较高袁节理不发育袁上部围岩强度较低袁节理发育袁有掉块

现象6.73%2019年1月6日要11日,IIIb类围岩2019年4月5日要4月11日袁郁类围岩inhardrockloadedbyanindenter[J]援InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences&GeomechanicAbstracts,1984,21(2):97-107援2019年1月1日要4日袁郁类围岩11.8711.2212.2311.10-3.10%1.05%方面提出一种刀具成本的预测公式袁作为施工单位或建设单位工程前期成本预测的参考袁不能完全代表准确的TBM掘进施工刀具成本遥本预测公式由于笔者数据有限袁还需要通过更多的实际工程数据来校核其准确性和普及性遥参考文献院

[1]尉旭平袁刘朋援TB593E/TS双护盾TBM刀具使用分析[2]CookNGW袁HoodM,TsaiF援Observationofcrackgrowth[J]援工程机械袁2009袁40渊1冤院34-37援

[3]吴世勇袁龚秋明袁王鸽袁等援锦屏二级水电站深部大理岩板岩裂化破坏实验研究及其对TBM开挖的影响[J]援岩石力学与工程学报袁2010袁29渊6冤院1089-1095援

[4]龚秋明袁赵坚袁张喜虎援岩石隧道掘进机施工预测[J]援岩石力学与工程学报袁2004袁23渊s2冤院4709-4714援

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