黄文鹏

(中铁隧道股份有限公司，郑州 450001)

0 引言

在特长硬岩隧洞工程中，TBM法具有其他施工方法无可替代的优越性。工程实践表明，TBM法具有掘进速度快、工作效率高、施工安全性好、施工作业环境好和隧道成型好等优点。国内有关专家学者对硬岩TBM施工技术进行了研究［1］，对硬岩TBM掘进与管理［2］，破岩刀具管理［3］、磨损失效［4］与受力分析［5］，刀具的质量控制、维修［6］和刀具异常磨损识别分析［7］等分别提出了相应的观点和见解。在长大隧道施工通过围岩破碎带等特殊地质段时，TBM由于受自身设计的限制，往往会出现不适宜的情况［8］。张学军等［9］、邓青力［10］分别提出了软弱围岩和节理密集带围岩TBM施工技术。

TBM在围岩自身强度高且节理发育密集的围岩破碎带施工时，由于受围岩节理的影响，岩体整体结构不稳定，垮落大量大块岩石。对TBM在该围岩段施工的刀盘刀具损坏以及采取的应对保护措施的研究相对较少。目前，正在施工的吐库二线中天山铁路特长隧道，采用敞开式硬岩掘进机TB880E施工。中天山隧道地质复杂，通过多种围岩地质段，其中TBM累计穿越花岗岩地段节理密集破碎带4条，石英眼脉发育的砂岩夹片岩节理密集破碎带1条。在TBM穿越节理密集破碎带施工中，TBM刀盘刀具损坏概率大大超出一般地质段，成为严重制约TBM施工生产进度和增加施工成本的主要因素之一。针对TBM刀盘刀具损坏问题，施工现场及时分析和总结，并在施工过程中采取相应的措施，取得了良好的效果。

1 中天山特长隧道节理密集带岩性特征

1.1 花岗岩节理密集地段岩性特征

花岗岩节理密集地段围岩软硬不均，抗压强度为90～134 MPa，节理十分发育，自身稳定性较差，地应力环境较复杂，主应力方向与隧道轴线方向基本一致，岩石易发生塌落，掘进岩面凹凸不平。掘进过程中表现为刀盘推力较小，刀具接触岩面时，掘进岩面容易失稳垮塌，刀盘底部积碴量大且岩石粒径较大(见图1)。

图1 刀盘前面的花岗岩石块Fig.1 Granite blocks in front of cutter head

1.2 石英眼脉发育的砂岩夹片岩节理密集地段

与花岗岩节理密集地段围岩类似，石英眼脉发育的砂岩夹片岩节理密集地段围岩软硬不均，抗压强度为60～178 MPa，节理十分发育，自身的稳定性较差，掌子面块状崩石严重，岩石易发生塌落 (如图2所示)。

图2 刀盘前面的砂岩片岩石块Fig.2 Sandstone and schist stone blocks in front of cutter head

2 TBM破岩掘进原理

目前隧道使用的TBM硬岩掘进机，其基本破岩原理是主机将推进力和旋转力矩通过刀盘，传递到安装在刀盘上的盘形破岩滚刀，破岩滚刀的刀刃挤压岩体，挤压强度超过岩石自身强度而被压碎、破裂进行破岩，刀盘转动进行掘进和出碴，破碎的岩石通过刀盘周边出碴刮刀进入刀盘碴仓，碴仓内的碴料再由皮带机输送至碴车或洞外。TBM集掘进、出碴、支护于一体，是一种新型先进的隧道施工机械。

3 TBM刀盘破岩刀具种类和布局

中天山铁路特长隧道采用TB880E全断面敞开式硬岩掘进机，刀盘直径为8 800 mm，共有62把正滚刀、6把中心刀、3把边刀和2把扩孔刀(合计73把)，采用定轴式17″盘形滚刀;另有刀盘出碴刮刀8组，正面齿刀4组(见图3)。

图3 TB880E刀盘Fig.3 Cutter head of TB880E TBM

4 TBM刀盘刀具损坏形式和主要原因

由节理密集带岩性特征可知，TBM在该地质段施工时，大量大块岩石从掘进岩面垮落。在垮落过程中，一方面大块岩石直接撞击破岩滚刀和刀盘面板;另一方面由于围岩自身抗压强度较高，掘进岩面垮落的岩石不易破碎，岩石在滑落过程及刀盘转动过程中，在刀盘和岩面之间将发生大量的二次撞击，会直接造成刀具螺栓失效和其他形式的刀具损坏。另外，由于垮落的岩石受力易滚动，破碎效率较低，块状岩石不能及时被破岩刀具破碎，大量堆积到刀盘底部;同时由于刀盘刮碴口空间的限制，刀盘底部的岩石不能及时被刀盘出碴刮刀刮进碴仓并输送至刀盘外，大量石块继续堆积在刀盘底部，重复冲击刀盘刀具和碴仓刮刀，使刀盘刀具损坏加剧。TBM刀盘刀具损坏形式主要有以下几个方面。

4.1 刀盘面板磨损、变形和破损

TBM刀盘面板在掘进过程中受到刀盘前面大石块的直接挤压、碰撞冲击和摩擦，导致刀盘磨损、变形和破损(见图4)。

4.2 破岩滚刀损坏形式

在节理密集带，破岩滚刀直接面对刀盘前方垮落的石块，由于石块对其撞击和冲击，失效形式和其他围岩段一样。主要表现为刀具漏油，刀具轴承损坏，刀圈弦磨，刀具挡圈脱落，刀圈断裂，刀圈移位，刀体砸坏变形，刀体端盖磨损，刀具螺栓松、掉、断等(见图5)。TBM在正常围岩段掘进时，这种刀具非正常失效比例占所有失效刀具的10%以下，而在这种节理密集带岩性下，破岩刀具非正常失效比例可达60%～70%，给TBM施工造成严重的损失，必须予以重视。

4.3 刀孔磨损、裂纹

由于岩面石块较多，破岩滚刀刀孔受到大块岩石的撞击、摩擦和挤压，磨损加剧，过大的冲击外力和振动致使刀孔磨损开裂。

4.4 破岩滚刀安装母座挤压变形

刀盘前方石块对刀具的冲击力和挤压力经刀具传递到刀具安装母座，使刀具安装母座挤压变形概率增加;特别是高刀号刀位，刀具线速度比较高，受到的冲击力和振动较大，破岩刀具安装母座的变形尤为严重(见图6)。

4.5 刮碴刮刀变形和脱落

刀盘前面大块岩石的撞击力超出刮刀连接螺栓的自身强度时，刮刀连接螺栓断裂失效，致使刮刀受力不均，最终导致刮刀变形或脱落。这种情况发生概率较大，严重影响刀盘出碴效率。如果发现或处理不及时，刀盘刀具损坏会加剧，可导致刮刀安装座严重磨损或脱落，不能再安装碴仓刮刀，致使刀盘出碴效率较低及功能严重丧失，也给刀盘修复带来困难。

4.6 刮碴刮刀安装座变形、磨损和断落

刮刀受到岩石冲击力过大或者刮刀脱落没有及时发现或处理，会直接导致刮刀安装座严重磨损或断裂脱落 (见图7)，碴仓刮刀彻底失效，致使刀盘出碴效率较低及功能严重丧失，刀盘前面大块岩石堆积更多，刀盘工作环境状况进一步恶化，刀盘刀具损坏更加严重。

4.7 刀盘碴仓磨损、裂纹和破损

经刮碴刮刀进入碴仓的大石块对刀盘碴仓进行撞击，同时刀盘前方的石块对刀盘面板产生的冲击力和振动也传递到碴仓，另外碴仓和碴斗之间的工作间隙较容易被石块卡住，综合各因素会导致碴仓磨损、开裂和破损(见图8)。

4.8 刀盘左侧护盾破损

刀盘刮刀刮碴时，石块撞击、挤压和摩擦左侧护盾，造成左侧护盾损坏(见图9)。

图9 损坏的侧护盾Fig.9 Damaged side shield

5 施工现场采取的防护和改进措施

综上所述，刀盘刀具各种形式损坏的直接原因是节理密集带垮落的大块岩石对刀具的撞击和冲击。现场施工所采取的防护和改进措施可从以下方面考虑: 1)从地质方面采取切实可行的措施稳固围岩，防止或减少掘进岩面大块岩石垮落;2)在TBM掘进过程中根据围岩情况合理选择掘进参数，以减小岩石对TBM刀盘和刀具的冲击和损坏;3)防护和改进刀盘刀具，提高其抵抗冲击力和磨损的强度，延缓失效时间。

5.1 注浆固结节理密集带围岩

结合施工现场实际情况，采用新型聚氨酯化学浆液对刀盘前方未掘进围岩进行注浆，固化围岩，每循环可固结1.5～3 m，并取得了良好的效果［10］。

5.2 选择合理的掘进参数

TBM在节理密集带掘进时，为减小刀盘对围岩的扰动和减轻刀盘前方岩石对刀盘和破岩刀具的冲击，掘进时必须合理选择TBM掘进参数。结合中天山TBM和掘进时实际围岩情况，选择低转速、低推力和低扭矩的刀盘(转速约为2.7 r/min，推力为6～12 MPa，扭矩不大于50%额定扭矩)。另外，在掘进时，TBM主操作司机可将顶护盾及侧护盾油缸撑出，压力撑至5 MPa左右，使护盾与洞壁保持浮动支撑，这样可大大减小振动，降低扭矩峰值，减小刀盘刀具所受冲击力并减少刀盘刀具异常损坏。

5.3 弱爆破刀盘前面垮落岩石

见图10。

图10 爆破刀盘前方岩石Fig.10 Blasting fragmentation of rocks in front of cutter head

根据刀盘前方现场围岩，对较大岩石进行弱爆破或人工清理，减少或避免大块岩石对刀盘和道具的损坏。在爆破刀盘前方岩石时，应采用弱爆破，控制好装药量，并对刀盘刀具进行防护，防止爆破时飞石砸伤刀盘刀具。

5.4 改进出碴刮刀

为提高出碴刮刀的整体强度，避免刮刀过早失效，结合围岩实际情况，可把2号和3号刮刀或1，2，3号刮刀用40 mm耐磨钢板做成合体刮刀，以提高抵抗岩石的冲击强度(见图11)。

5.5 修复刮刀座并进行加固

见图12。

为提高刮刀抵抗岩石冲击的能力，采用30 mm耐磨钢板修复刮刀座;为提高刮刀座强度，采用40 mm耐磨钢板加固刀座筋板。

5.6 修复和加固刀盘面板、刀孔护圈

用30 mm耐磨钢板对刀盘面板进行修复和加固，提高面板强度;用40 mm耐磨钢板切割成圆弧形护圈，对刀孔护圈进行加固，保护刀孔和面板免遭损坏(见图13)。

5.7 焊接修复刀孔裂纹

发现刀孔裂纹，应及时进行焊接修复(见图14)，避免裂纹进一步扩大，影响刀具和刀盘受力结构。

5.8 修复和加固刀盘碴仓和侧护盾

碴仓出口主筋板不仅起到输碴作用，而且要传递驱动刀盘的推力和扭矩，对刀盘的结构也起到很重要的作用，采用100 mm耐磨钢板进行修复加固。碴仓隔板受大石块冲击，变形比较严重，采用20 mm的耐磨钢板和三角筋板对碴仓隔板背面进行加固，采用30 mm耐磨钢板对侧护盾进行修复，确保刀盘碴仓结构稳固和出碴效果(见图15)。

5.9 减少、延缓破岩刀具损坏的措施

破岩刀具失效的形式较多，原因比较复杂，在普通地质条件下减少、延缓破岩刀具损坏的措施比较全面［2－7］。针对上述节理密集带岩性地质，刀具损坏的直接原因相对比较简单。为减少刀具的损坏，可从以下2个方面考虑:1)对节理密集带地质进行注浆加固，减少大块岩石出现的概率;2)从刀具本身着手，提高刀具抵抗岩石撞击和冲击能力，并对刀具进行适当保护。

5.9.1 定制采购专用刀具和刀具配件

目前，市场上刀具生产厂家较多，不同质量标准的刀具适应于不同类型的地质条件［11］。对于节理密集带地质，岩石对刀具的冲击力较大，定制采购抗断裂性刀具，以提高刀具抵抗冲击的能力，延缓失效;另外，采用加厚刀圈，提高刀圈韧性和刀体强度，从而提高刀具耐受冲击损坏的能力，对延缓刀具失效也起到了一定的作用。

5.9.2 加固刀孔护圈

采用40 mm耐磨钢板对刀孔护圈进行加固，提高刀孔护圈对破岩刀具的保护能力(见图16)。

图16 加固后的刀孔护圈Fig.16 Reinforced cutter hole ring

5.9.3 提高刀具与安装母座的安装质量

由于刀具安装母座受冲击力和振动的影响，存在不同程度的挤压塑性变形，特别是刀盘周边的高刀号刀位的安装母座尤为严重，致使刀具不能很好地与安装母座贴合，安装质量不佳，刀具抵抗外界冲击的能力严重下降，导致刀具提前失效。对于塑性变形较大的刀具母座，可进行修复;对于塑性变形不大的刀具母座，安装刀具时，根据变形不同情况，增设匹配厚度的母座垫片(见图17)。母座垫片是非标件，需要委外定制加工，确保刀具安装质量。

5.9.4 刀盘上适当增加过渡刀安装数量

节理密集段施工时，围岩整体强度较低，岩体松散，刀具接触岩面，岩面就自行垮落，刀盘推力较小。结合现场实际，在容易导致刀具失效刀盘部位，安设磨损量20 mm左右的过渡破岩滚刀代替新滚刀，减小刀具刀刃被岩石冲击的面积和提高刀具抵抗冲击能力，延缓刀具失效。

图17 刀具安装母座垫片Fig.17 Cushion of cutting tool installation seat

6 结论与建议

针对上述节理密集带地质岩性特征和该地质岩石对TBM刀盘损坏形式，对TBM施工刀盘刀具进行了加固和改进，经过在南疆铁路吐库二线中天山铁路隧道现场施工实践证明，能有效地减少和延缓TBM刀盘刀具的损坏，提高TBM利用率。

随着特长特大隧道的建设，硬岩TBM的应用越来越广泛，但是目前TBM还不能很好地应对岩性较硬的节理密集带等不良地质，作业效率还不高。如何更深层次地解决此类问题，提高硬岩TBM应对不同围岩地质的能力，克服TBM施工的局限性，提高TBM综合功效，是TBM施工业内专家值得调研的问题。

［1］ 王梦恕.开敞式TBM在铁路长隧道特硬岩、软岩地层的施工技术［J］.土木工程学报，2005，38(5):58－62.(WANG Mengshu.Construction technique of open TBM for long railway tunnels in very hard or soft rock strata［J］.China Civil Engineering Journal，2005，38(5):58－62.(in Chinese))

［2］ 康宝生.全断面硬岩条件下的盾构掘进与管理［J］.隧道建设，2012，32(1):127－132.(KANG Baosheng.Shield tunneling and its management under full-face hard rock conditions［J］.Tunnel Construction，2012，32(1):127－132.(in Chinese))

［3］ 陈建.全断面岩石掘进机(TBM)开挖刀具的管理探讨［J］.隧道建设，2007，27(4):94－95，99.(CHEN Jian. Comments on management of cutting tools for full-face hard rock tunnel boring machines(TBMs)［J］.Tunnel Construction，2007，27(4):94－95，99.(in Chinese))

［4］ 张照煌.全断面岩石掘进机平面刀盘上盘形滚刀磨损研究［J］.现代隧道技术，2007(6):35－39.(ZHANG Zhaohuang.Study on the abrasion of disc cutters on full face rock tunnel boring machine［J］.Modern Tunnelling Technology，2007(6):35－39.(in Chinese))

［5］ 董天鸿.硬岩掘进机刀具失效的受力分析［J］.隧道建设，2007，27(6):31－34.(DONG Tianhong.Mechanical analysis on cutter failure of hard rock TBMs［J］.Tunnel Construction，2007，27(6):31－34.(in Chinese))

［6］ 周雁领.TBM盘形滚刀质量控制及其检测维修技术［J］.现代隧道技术，2007(3):45－52.(ZHOU Yanling.Quality control，inspection and repair for disk cutters of TBM［J］.Modern Tunnelling Technology，2007(3):45－52.(in Chinese))

［7］ 赵维刚，刘明月，杜彦良，等.全断面岩石掘进机刀具异常磨损的识别分析［J］.中国机械工程，2007(2):27－30.(ZHAO Weigang，LIU Mingyue，DU Yanliang，et al.Abnormal cutter wear recognition of full face tunnel boring machine (TBM)［J］.China Mechanical Engineering，2007(2):27－30.(in Chinese))

［8］ 中国铁路总公司.铁建设(2007)106号铁路隧道全断面岩石掘进机法技术指南［S］.北京:中国铁道出版社，2007.

［9］ 张学军，胡必飞.软弱千枚岩地段TBM掘进施工技术［J］.隧道建设，2011，31(6):70－75.(ZHANG Xuejun，HU Bifei.TBM tunneling technology in weak phyllite section［J］.Tunnel Construction，2011，31(6):70－75.(in Chinese))

［10］邓青力.敞开式TBM掘进过节理密集带施工技术［J］.隧道建设，2011，31(6):97－100.(DENG Qingli.Technology for TBM tunneling through joint-densely-developed granite sections［J］.Tunnel Construction，2011，31(6):97－100.(in Chinese))

［11］晁焕清，王汉章.盘型滚刀的改进及应用［J］.隧道建设，2007，27(6):84－87.(CHAO Huanqing，WANG Hanzhang.Improvement and application of disc cutter［J］.Tunnel Construction，2007，27(6):84－87.(in Chinese))