TBM施工成本影响因素分析

王元红

摘要：TBM施工组织是由多个复杂系统构成，各个系统之间相互制约与依赖，必须同步协调工作，才能保证TBM施工正常开展。影响TBM施工成本的因素很多，但主要因素包括岩石特性参数、TBM性能设计、TBM刀盘布局、TBM掘进参数、刀具质量等。作者根据工程实例，分析本工程中影响TBM施工成本的主要因素，并对TBM施工成本管理提出建议。

关键词：TBM施工成本；影响因素

TBM施工成本影响因素分析

TBM施工组织是由多个复杂系统构成，各个系统之间相互制约与依赖，必须同步协调工作，才能保证TBM施工正常开展。影响TBM施工成本的因素很多，但主要因素包括岩石特性参数、TBM性能设计、TBM刀盘布局、TBM掘进参数设置、刀具质量等。

（1）岩石特性参数的准确性。Williamson和Schmidt（1972）研究了掘进机在岩石单轴干抗压强度（UCS>160MPa）较高、较完整的岩体掘进的特性，发现其贯入率PR降低，但机械利用率U较高；而在完整的、强度较低的岩体中（UCS<80MPa）其贯入率和利用率都比较高[3]。本工程TBM招标阶段工程甲方提供的岩石饱和抗压强度小于100MPa的围岩占比为88.41%，但实际揭露围岩饱和抗压强度小于100MPa的围岩占比仅为35.35%；TBM招标阶段工程甲方提供的岩石英含量小于25%的围岩占比为85.04%，但实际揭露围岩石英含量小于25%的围岩占比仅为33.27%。根据西康线秦岭隧道围岩岩性、岩石强度、岩石耐磨性和可钻性的研究，发现岩石坚硬程度和耐磨性越高，刀具、刀盘的磨损就越大[4]。TBM换刀量和换刀时间的增大，势必影响到TBM应用的经济效益和掘进效率。本工程刀具消耗量为预算量的2.2倍，刀盘在设备累计掘进约5km发生开裂、刀箱及耐磨条磨损等严重问题，一方面是由于岩石强度和石英含量较合同水平明显提高，但根本原因在于岩石特性参数发生大幅变化，对TBM性能设计带来了不可逆转的缺陷。

（2）TBM性能参数设计的适应性。本工程TBM掘进系统主要包括刀盘、可伸出式刀盘护盾、主驱动、撑靴系统、推进系统、数据采集系统、Tunls导向系统、支护系统及后配套系统等。TBM设计最小贯入度为6mm/rpm，额定推力为22278KN，最小/最大掘进速度为2m/6m，预估平均月掘进进尺为400m～600m，预估设备利用率为40%～45%，同时也明确设备的性能取决于地质状况以及掘进机的使用及保养情况。本工程TBM利用率=纯掘进时间&pide;有效工作时间=40.83%，利用率基本达到预期，但平均月进尺仅为435m，与预期相差较大，其主要原因是地质特性参数出现较大差异，致使主机部分设计性能与实际地层不相适应，从而产生主机振动明显、刀盘开裂、刀具消耗量较大、液压油管爆裂、刀盘连接螺栓断裂等一系列非正常现象，导致TBM非正常停机时间过多，造成施工资源浪费，增加施工成本。另外，支护系统中的喷射混凝土系统管线过长且弯管较多，再加上现场骨料级配不稳定，喷混凝土过程经常出现堵管现象，这样以来不仅浪费了混凝土材料，同时浪费了施工资源，又增加了清理回弹料的资源，从而造成施工成本增加。

（3）刀盘布局的合理性。刀盘设计对提高TBM破岩能力和掘进效率，降低挖掘成本具有重要的作用，是影响TBM掘进性能的决定性因素。刀盘系统需针对具体工程的地质条件和施工要求进行适应性设计，因而破岩过程机理、施工性能预测、刀具受力分析，以及刀具类型、刀盘布局、切削参数与围岩特性之间的相互关系的研究至关重要。刀盘设计最常用的围岩属性是岩石强度（抗压强度、抗拉强度和剪切强度）和研磨性[5]。TBM刀盘布局除主要布置刀具外，还需合理布置铲刀、喷水孔、排渣开口、进人孔等。刀盘布局尤其是刀具布置是优化刀盘设计和掘进机性能的最重要因素。刀盘布局设计主要指满足给定的工程技术和性能约束条件，在有限空间的刀盘上布置各种有效工具，实现高效的掘进性能。如新加坡深层隧道排污系统的克兰芝隧道工程中，由于地质条件的频繁多变，以及挖掘过程中存在远超过期望的更长距离混合挖掘界面，造成海瑞克公司最初设计的刀盘/刀具磨损严重、停机时间过长，经采取重新修改刀盘布局（增大开口率、扩大刀间距、减小盘刀数量）等措施后，刀具磨损量降低8.5%，机械利用率提高1倍以上[6]。本工程由于围岩特性参数发生较大变化，导致最初设计的刀盘布局，特别是边刀间距、铲刀尺寸、滚刀规格、切削参数等均不能很好适应于实际围岩，致使刀盘变形、开裂，加快磨损速度，不仅增了设备维修成本，而且加大了刀具消耗成本。

（4）掘进参数设置的科学性。根据不同地质情况正确选择掘进参数是保证TBM安全、快速掘进的重要因素，因此作为主司机须更多了解TBM的机、液、电各系统工作原理，据此作出合理的参数选择，并根据岩石的变化情况随机应变，发挥TBM的最佳效率[7]。TBM掘进参数主要有：刀盘转速、刀盘扭矩、电机电流值、推进缸压力、贯入度和推进速度电位器值。围岩特性参数不同，刀盘扭矩和掘进推力值不同，实际达到的掘进速度也不尽相同，TBM主司机应根据扭矩、推力的情况及刀盘振动、皮带出渣等情况科学设置掘进参数。本工程选用的是敞开式TBM，掘进模式只有手动模式，没有自动模式，故TBM主司机的工作经验、对TBM工作原理熟悉程度、综合分析能力等是科学设置掘进参数的基础和前提。本工程使用的TBM出厂设定最大允许推力为25991KN，但由于施工过程中刀盘与主驱动连接螺栓持续异常断裂及刀盘背部隔板开裂等原因，实际工作中将刀盘推力上限值设定为18000KN。设定刀盘推力上限值，一定程度上缓解了连接螺栓断裂和隔板开裂情况，但降低了掘进速度，加剧了滚刀磨耗，增加了施工成本。

（5）刀具检查更换的及时性。TBM刀盘每天必须进行冲洗，一方面将粘附在滚刀和铲刀的石粉清理掉，另一方面可以检查刀盘、滚刀及铲刀的磨损程度。由于工程刀具磨损率一直较高，在刀具管理中增加了对刀盘和刀具检查频次，如根据TBM出渣及掘进参数情况，每掘进2～3个行程必须进行刀具磨损值量测，同时查看刀具磨损形状、刀具紧固螺栓是否松动。TBM刀具更换标准没有一个固定的值，需要刀具工根据工作实际情况来判断是否需要更换和什么时候更换[9]。但一般正常磨损情况下，当边刀刀圈磨损掉10～15mm左右、面刀和中心双刀磨损掉20～25mm左右时就需要对它们进行更换。延迟更换刀具，刀具切削岩石的能力降低，TBM掘进时所需要的扭矩和推力就会增大，加大了TBM液压系统和电机系统的负荷，同时降低了掘进速度；过早更换刀具，一方面不能发挥每一个刀圈应有的效能，另一方面频繁更换刀具将造成时间浪费，影响TBM掘进效率。另外，在出现刀具非正常磨情况下，如发生刀圈偏磨、崩刃或卷刃、密封漏油等情况，必须及时更换故障刀具，否则会造成相邻刀具受损。

参考文献

[1]张武.TBM施工索赔管理.水电站设计.第24卷第1期

[2]徐则民，黄润秋，张倬元.TBM刀具设计中围岩力学参数的选择.岩石力学与工程学报.第20卷第2期

[3]宋克志，袁大军，王梦恕.盘型滚刀与岩石相互作用研究综述.铁道工程学报.2005年12月第6期（总90）

[4]罗华，冯涛.基于TBM施工的隧道岩石耐磨性与岩石强度的相关性分析.四川建筑.第28卷1期2008.02

[5]刘志杰，腾弘飞，史彦军.TBM刀盘设计若干关键技术.中国机械工程.第19卷第16期