秦岭隧洞花岗岩段掘进机滚刀破岩规律及掘进特征

赵力　苏岩　王博　龚秋明　段庆伟　刘立鹏

摘要：为更好掌握TBM掘进性能，以引汉济渭工程秦岭隧洞花岗岩段为研究对象，通过滚刀破岩试验与施工参数分析，获得了滚刀破岩机理，揭示了掘进速度、设备利用率等TBM掘进性能指标的变化规律。结果表明：在设定地应力条件下，随着贯入度增加，滚刀法向力增大，且其变化幅度增加、变化频率加快，增加了相邻滚刀间形成大岩片的数量；高地应力条件下，因多次发生岩爆，TBM平均掘进速度、设备利用率均较低；现场贯入指标、岩石掘进效率指标沿桩号的变化基本同步，但现场贯入指标能更好评价TBM破岩性能。通过调整支护、清渣和施工组织方式，提高辅助作业效率，并及时调整TBM掘进参数、改进滚刀刀刃材质，可保障TBM高效运行，为该隧洞TBM后续掘进提供相应对策。

关 键 词：花岗岩； TBM； 掘进性能； 掘进速度； 设备利用率； 贯入度； 秦岭隧洞； 引汉济渭工程

中图法分类号： TV53

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.04.024

0 引 言

随着工程建设要求的提高和施工技术的不断发展，全断面岩石隧道掘进机（TBM）得到了广泛应用，其机械化程度高，在安全高效施工、环境保护、成本控制方面具有显著优势［1］。TBM与岩石间相互作用机制复杂，施工过程中岩体条件的变化对TBM掘进速度、设备利用率等会有较大影响，有可能导致工期延误和经济损失，TBM的适应性研究受到普遍关注［2-3］。TBM施工是动态过程，随着地质环境的变化，需要对掘进参数、施工方案等做出针对性调整，因此开展TBM掘进性能分析具有重要的现实意义。

TBM的掘进性能研究一直是行业关注的热点，许多学者对此开展了深入研究。朱学贤等［4］针对滇中引水工程的香炉山隧洞开展了TBM法及钻爆法施工方案研究。夏毅敏等［5］依托实际工程分析了TBM 掘进参数与岩性地层相关性，得出不同岩性地层中推进速度、总推力的平均值差距较大，且有较大波动。黄俊阁［6］对TBM在高磨蚀性硬岩地段掘进中掘进速度的影响因素及敞开式TBM适应能力进行了分析。薛亚东等［7］选取岩石强度、岩体完整性、地下水状态等5方面因素指标，对 TBM推力、贯入度、利用率和施工速度进行了综合分析。周建军等［8］对深埋脆性硬岩条件下TBM施工开展了针对性研究。施虎等［9］对复杂条件破岩、掘进荷载传递、刀盘动力学行为及刀盘系统设计进行研究，认为通过提高TBM掘进电液动力传递效率，能够提升TBM破岩效率，降低破巖能耗。近年来，在TBM掘进性能预测方面也有较多研究。朱杰兵等［10］对TBM施工中岩石可钻性测试与评价技术展开了综述，为刀盘设计、刀具磨损及掘进速率预测提供了资料与参考。王健等［11］基于吉林引松供水工程TBM 数据库，应用RMR岩体分级系统对TBM的掘进性能参数进行预测。杜立杰等［12］通过建立贯入度指数FPI与岩石单轴抗压强度和完整性系数的多元回归关系式，预测了贯入度和所需推力。曹瑞琅等［13］对国内外多个典型模型进行参数分析，认为岩体结构不连续性是影响施工效率的最重要参数，建立适用于描述TBM施工新参数的关键在于描述TBM与岩体的相互作用。龚秋明等［14］采用NTNU模型和岩体特性预测模型对锦屏二级水电站引水隧洞TBM掘进速度进行了预测，并与施工效果进行了对比。此外，设备利用率是隧洞是否适于掘进的另一体现，其高低体现了TBM对隧洞地质条件的适应程度。TBM利用率的准确评估预测可降低工程的工期和经济风险［15］。刁振兴等［16］结合TBM掘进性能对TBM利用率进行了分析研究。

本文针对引汉济渭工程秦岭输水隧洞花岗岩洞段，采用室内全尺寸滚刀破岩试验分析了不同贯入度条件下岩面及滚刀法向力等的变化规律。基于TBM掘进实时监测数据，通过分析净掘进速度、平均掘进速度、设备利用率、现场贯入指标和岩石掘进效率指标等的变化，并结合现场施工情况，对TBM现场掘进特征进行了研究，可为TBM掘进参数和进度安排的调整提供指导依据。

1 工程概况

引汉济渭工程是国家“十三五”期间172项重大水利工程之一，秦岭输水隧洞作为其控制性工程，连接长江、黄河两大流域，隧洞全长 98.3 km，纵坡1/2 500，设计流量70 m3/s。隧洞埋深大，地应力高，水平构造应力作用显著，最大埋深2 012 m。隧洞沿线岩性复杂，如图1所示，其中岭北施工段以变质砂岩、千枚岩、千枚岩夹变质砂岩为主，局部地段为碳质千枚岩、角闪石英片岩等，岩性属中硬岩，在其中穿越两条区域性大断层、10条次一级断层，这些断层大都为压剪性断层，断层影响带宽度大；岭南施工段以花岗岩、闪长岩、石英岩为主，岩性属硬岩，隧洞沿线发育有一条断层。隧洞TBM施工长度约39 km，采用2台TBM相向施工，2台掘进机分别从3号、6号斜井运入进行组装，隧洞断面为直径8.02 m的圆形，隧洞底部铺设仰拱块，选用皮带机出渣。

2 TBM滚刀破岩规律分析

为了得到秦岭隧洞花岗岩段TBM滚刀破岩的规律，开展了室内全尺寸滚刀破岩试验。根据引汉济渭秦岭隧洞工程中TBM的设计参数，试验采用与现场相同型号的19″盘形滚刀，滚刀间距选为80 mm，切割速度20 mm/s，贯入度分别为1.0，2.0，2.5，3.0，3.5 mm和4.0 mm。岩样为花岗岩，试样尺寸为780 mm×765 mm×450 mm，岩石单轴抗压强度为172.2 MPa，抗拉强度为9.3 MPa，根据岭南花岗岩段地应力条件，本次试验设置双向围压条件为15 MPa-15 MPa。试验数据采集频率选择为100次/s。为了贴近真实施工情况，预先在平整的岩石表面切槽，然后开展不同贯入度破岩试验。

贯入度为1 mm时，岩面和岩片如图2所示。可以看出，滚刀破岩产生的岩面不平整，岩脊相对较高，部分岩脊高达10 mm，岩片的厚度、长度较大，隔多层在同一部位产生岩片，岩片数量较少。滚刀破岩过程中，声响较小，以吱吱声及闷响为主，滚刀法向力呈锯齿状波动变化，但法向力波动较小，且最大值不超过250 kN，如图3所示。

贯入度为2 mm时，试验岩面和岩片如图4所示。滚刀破岩产生的岩面岩脊较明显，岩面不平整，产生岩片数量明显增多，仍存在隔层或隔数层在同一部位产生岩片的现象，切割过程中刀具两侧时有石片崩裂飞射现象。滚刀破岩过程中，吱吱声响变大变急变长，闷响相较贯入度1 mm时更多，时而有巨响产生。滚刀法向力显著提高，波动加快，突变更多，法向力最大值达到370 kN，如图5所示。

贯入度为4 mm时，试验岩面和岩片如图6所示。滚刀破岩过程中，声响巨大，吱吱声多且急，巨响声多且持续不断，滚刀两侧扬灰现象尤为严重，大量碎石飞出，甚至有岩片飞出。岩片较大，但长度较短，岩片极为破碎，粉末较多，厚度相对较小，岩面较为平整。法向力变化幅度增加、变化频率加快，刀具抖动和偏移变大，如图7所示。

破岩岩屑由典型大岩片、破碎体、粉碎体、粉末颗粒等不同尺度岩屑体组成。贯入度为1.0，2.0 mm时，由于法向力较低，滚刀破岩时处于研磨状态，滚刀下方岩体宏观裂纹扩展范围小，不利于相邻滚刀间大岩片的形成，破岩产生的大岩片占总岩屑重量的比例相对较低，而岩渣、岩粉的比例相对较高。贯入度为2.5，3.0 mm时，法向力增大，加深了宏观裂纹的扩展，增加了相邻两滚刀间形成大岩片的数量，降低了岩渣、岩粉的比例。随着贯入度继续增大，达到4.0 mm时，滚刀的法向力不断增大，在提高大岩片数量的同时，由于过度破碎，也造成了岩渣、岩粉比例的增大。

在双向围压15 MPa-15 MPa條件下，滚刀破岩试验数据如表1所列。由表1可以看出：当贯入度较小时，会产生较大的平均法向力，而平均滚动力较小；当贯入度逐渐递增，平均法向力和平均滚动力均随之增加。贯入度增大到一定程度，平均滚动力的增幅会变大，这主要是由于贯入度越大，滚刀刀圈与岩石的接触面积会越大，滚刀滚动时会受到更大的摩擦阻力。因此实际施工中，当掘进机的掘进速度超过某个临界值，刀盘的扭矩会大幅度地增加。在现场施工中，应根据地应力条件及时调整TBM运行参数，采用破岩效率最高的贯入度控制破岩。

3 TBM掘进性能指标分析

TBM掘进施工中，通常以净掘进速度、平均掘进速度和设备利用率来表征TBM的施工性能，其中，净掘进速度是仅考虑TBM刀具破岩过程的推进速度，

即刀头开挖距离与开挖时间的比值；平均掘进速度是考虑了支护、换刀等非破岩时间的推进速度，即一天或一个班次时间内TBM开挖的距离与一天或一个班次工作时间的比值［17-18］。设备利用率用以反映TBM的时间利用效率，为TBM贯入围岩或开挖的时间占工作班次时间的百分比。文中采用Pr，AR和UI分别表示净掘进速度、平均掘进速度和设备利用率，净掘进速度、平均掘进速度和设备利用率的关系如式（1）所示。

AR=Pr×UI（1）

TBM掘进施工中，通常以现场贯入指标和岩石掘进效率指标来反映围岩性能。现场贯入指标为岩石单位切深所需的滚刀推力，其排除了刀盘直径、推力、刀盘转速等非地质参数的影响，可作为衡量岩石可掘进性的标准。本文采用FPI，TPI分别表示现场贯入指标和岩石掘进效率指标，现场贯入指标可定义为式（2）。FPI值越大，产生同样切深所需的推力越大，表明岩体越难掘进。

FPI=Fn/p（2）

式中：FPI为现场贯入指标；Fn为单刀推力，kN；p为贯入度，即TBM刀盘旋转一圈所掘进的长度。

岩石掘进效率指标TPI表征刀盘扭矩与贯入度之间的关系，是建立在实测刀盘扭矩基础上衡量破岩效率的参数，如式（3）所示。

TPI=Tn/p（3）

式中：TPI为岩石掘进效率指标；Tn为单刀扭矩，kN·m。

TBM会自动监测记录其实时数据，包括刀盘推力、转速、油缸推进行程等。滚刀推力、每转进尺等TBM掘进参数与岩石强度、节理面发育程度等岩体条件密切相关。

室内全尺寸滚刀破岩试验研究了秦岭隧洞岩性、围压、滚刀尺寸、间距等条件下滚刀破岩规律，为了更全面反映秦岭隧洞花岗岩洞段TBM的掘进特征，考虑岩体完整性、设备检修、刀具更换、围岩支护等综合因素的影响，选取桩号段K35+298～K36+040和K39+543～K39+820进行分析。所选洞段的基本情况如表2所列。

K35+298～K36+040和K39+543～K39+820隧洞段净掘进速度、平均掘进速度、设备利用率沿桩号的变化基本同步，其最值、均值及标准差如表3和表4所列。

由表3～4可得：K35+298～K36+040隧洞段净掘进速度均值为32.77 mm/min，平均掘进速度均值为2.71 mm/min，设备利用率均值为9%。K39+543～K39+820隧洞段净掘进速度均值为32.70 mm/min，平均掘进速度均值为2.16 mm/min，设备利用率均值为7%。该花岗岩隧洞段平均掘进速度、设备利用率均较低。

TBM设备利用率对TBM的掘进速度具有至关重要的影响。由式（1）可以看出，即使施工时遇到坚硬完整的岩体条件，可通过TBM低速掘进将TBM设备利用率保持在较高水平，仍使施工速度处在合适范围，实现TBM的高效运行。

秦岭隧洞花岗岩段穿越硬岩及遭遇岩爆，现场施工时在TBM设备维护和处理不良地质环境方面需要耗费大量时间。TBM完成一个掘进循环后，需要对围岩进行支护处理，对滚刀进行检查维护，当地质条件极差时，上述措施导致的停机时间会进一步加长。

K39+543～K39+820隧洞段现场贯入指标、岩石掘进效率指标沿桩号的变化如图8，9所示。

由图8和图9可以看出，花岗岩隧洞段现场贯入指标、岩石掘进效率指标沿桩号的变化基本同步，相关性较好。

K35+298～K36+040和K39+543～K39+820隧洞段现场贯入指标和岩石掘进效率指标的相关性如图10和图11所示。

由图10可得K35+298～K36+040隧洞段FPI和TPI相关性拟合结果为

TPI=3.12lnFPI+11.61－7.80，R2=0.86（4）

由图11可得K39+543～K39+820隧洞段FPI和TPI相关性拟合结果为

TPI=2.86lnFPI+11.57－6.80，R2=0.78（5）

花岗岩隧洞段FPI 和TPI呈现对数关系，刀盘推力和扭矩相互促进，FPI 和TPI同步增长，随着刀盘扭矩增加到一定程度后，通过增大推力进一步提高破岩效率，FPI增长快于TPI增长。岩石质量越好，刀盘扭矩对破岩的贡献占比越低，此时需要推力发挥更大的作用。

K35+298～K36+040和K39+543～K39+820隧洞段现场贯入指标、岩石掘进效率指标的最值、均值及标准差如表5和表6所列。

由表5和表6可得：K35+298～K36+040隧洞段现场贯入指标最大值为100.99 kN/（mm·r-1），均值为26.45 kN/（mm·r-1）；岩石掘进效率指标最大值为21.22 kN·m/（mm·r-1），均值为3.14 kN·m/（mm·r-1）。K39+543～K39+820隧洞段现场贯入指标最大值为 84.85 kN/（mm·r-1），均值为 22.62 kN/（mm·r-1）；岩石掘进效率指标最大值为11.65 kN·m/（mm·r-1），均值为3.02 kN·m/（mm·r-1）。以上結果表明，由于存在大量高石英含量的花岗岩洞段，不利于TBM掘进施工。

4 TBM现场掘进特征分析

结合施工现场情况综合分析，可知K35+298～K36+040、K39+543～K39+820两个施工段受到高地应力、高强度及高磨蚀性岩石的影响，出现了岩爆、刀具磨损等现象。

秦岭隧洞花岗岩段处于高地应力环境，岩石强度高，多次发生岩爆，对刀盘、滚刀及支护系统等造成破坏，使施工安全及效率受到影响。如图12所示，高地应力条件下，掌子面岩石发生板裂及剥落，容易形成大块岩石，且难以进入TBM岩片收集口，导致岩块的二次破碎与碾磨。另外，岩爆形成的岩片易造成滚刀口的堵塞，导致滚刀出现异常磨损以及轴承破坏，如图12（a）所示。高地应力作用使得掘进时产生大块不规则岩石，如图12（b）所示，这些不规则岩石会对运输皮带造成损坏，增加了传送带的维修和更换时长。同时秦岭隧洞花岗岩段围岩完整性好、强度高，磨蚀性大，TBM刀盘及滚刀磨损量大，如图13所示。检测维修刀盘、更换刀具所占用时间为14.38%，皮带（TBM皮带、连续皮带以及洞外皮带）故障维修时间占15.82%，TBM设备利用率较低。

因此，针对隧洞高地应力环境作用以及高磨蚀性硬岩条件，应及时调整和优化支护、清渣及施工组织方式，并对岩爆灾害做好应对措施，在保证人员、设备安全的前提下及时提高辅助作业效率，提高TBM的施工效率。

同时，在TBM掘进过程中，应及时调整TBM运行参数，如在板裂及岩爆时，降低TBM总推力、减少TBM每分钟转数及降低滚刀线速度等控制参数，既能保障TBM高效运行，也可以减少刀具刀盘的损坏。也可通过改进滚刀刀刃材料，增强滚刀刀刃的韧性，减小岩爆和高磨蚀性硬岩带来的不利影响。

5 结 论

（1） 随着贯入度增加，滚刀法向力增大、变化幅度增加、变化频率加快，加深了宏观裂纹的扩展，增加了相邻滚刀间形成大岩片的数量，降低了岩渣、岩粉的比例，平均法向力和平均滚动力均随之增加。当贯入度增大到一定程度时，平均滚动力的增长幅度会变大，在提高大岩片数量的同时，由于过度破碎，也造成了岩渣、岩粉比例的增大。

（2） 秦岭隧洞花岗岩段平均掘进速度、设备利用率均较低，主要是由于高地应力条件下，岩石强度高，多次发生岩爆，对刀盘、滚刀及支护系统等造成破坏，在TBM设备维护和支护方面需要耗费大量时间。

（3） 秦岭隧洞花岗岩段现场贯入指标、岩石掘进效率指标沿桩号的变化基本同步，相关性较好，呈对数关系。

（4） 针对隧洞高地应力环境作用以及高磨蚀性硬岩条件，通过调整优化支护、清渣和施工组织方式，提高辅助作业的施工效率，及时调整TBM控制参数，从而保障了TBM的高效运行。

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（编辑：郑 毅）

Study on rock breaking rules by rolling cutter and TBM tunneling features in granite sections of Qinling Tunnel

ZHAO Li1，SU Yan1，WANG Bo1，GONG Qiuming2，DUAN Qingwei3，LIU Lipeng3

（1.Hanjiang-to-Weihe River Valley Water Diversion Project Construction Co.，Ltd.，Xi′an 710024，China； 2.Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering of MoE，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China； 3.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100048，China）

Abstract：

In order to better grasp the excavation performance of TBM，the granite sections of Qinling Tunnel in water diversion project from Hanjiang River to Weihe River were taken as the research object in this paper.Through an analysis on rock breaking experiments by rolling cutter and on-site construction parameters，the rock breaking mechanisms by the rolling cutter were obtained，and the variation characteristics of indicators for TBM performances such as excavation speed and equipment utilization rate were revealed.The results showed that under given situ geo-stress，as the penetration depth increased，the normal force of the rolling cutter would increase with a larger variation amplitude and a faster variation frequency，which increased the number of large rock slices between adjacent cutters.Under high ground stress conditions，as the rock bursts were frequent，the average tunneling speed and equipment utilization rate were low.The changes of the on-site penetration index and rock tunneling efficiency index along the milepost were basically synchronous with each other.The on-site penetration index could better evaluate the rock breaking performance of TBM.By adjusting the methods of supporting，slag cleaning and construction organization，the auxiliary construction efficiency could be increased.The TBM tunneling parameters were adjusted and the material of the cutter was improved to ensure the TBM efficient operation.The construction experiences can provide corresponding countermeasures for the follow-up TBM tunnelling of the Qinling Tunnel.

Key words： granite；TBM；excavation performance；excavation speed；equipment utilization rate；penetration degree；Qinling Tunnel；water diversion project from Hanjiang River to Weihe River

收稿日期：2022-03-18

基金項目：国家自然科学基金项目（51879284）；国家重点研发计划项目（2016YFC0401802）；陕西省水利科技计划项目（2021slkj-1）；陕西省自然科学基础研究计划项目（2021JM-601）

作者简介：赵 力，男，高级工程师，主要从事水利工程建设管理及研究工作。E-mail：zhaoli@hwrvwd.cn