秦岭隧洞TB M进度影响因素与对策研究刘贵雄一分为二的稿件Word文档格式.docx
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灰白色，主要矿物成份为石英、长石等，细粒变晶结构，块状构造，岩体表层强风化，风化层厚度1～3m。
K28+085～K28+630
545
2
花岗岩
灰白色，主要矿物成份为斜长石、钾长石、石英、黑云母及角闪石，粒状变晶结构，块状结构。
岩体表层强风化，风化层厚度1～3m。
K28+630～K42+380
13750
3
闪长岩
灰色及灰白色，主要成份为斜长石、石英、普通角闪石、黑云母，中细粒、中粗粒结构，节理裂隙不发育，岩体完整，岩质坚硬，岩体表层强风化，风化层厚度1～3m。
K42+380～K46+360
3980
4
碎裂岩糜棱岩
灰～灰白色，原岩以花岗岩、闪长岩为主，块状构造，岩体较破碎，结构面较发育。
K35+450～K35+480
K45+180～K45+370
220
断层
秦岭隧洞岭南TBM施工段岩石物理力学指标统计表表2-2
矿物组成
碎屑物（%）
石英
58～97
25～30
10～18
斜长石
3～19
26～39
50～70
长石
31～44
5～21
角闪石
4～6
绢云母
胶结物或基质（%）
黑云母
1～14
3～6
8～12
物理性质
颗粒密度（g/cm3）
2.75～2.89
2.65～2.81
2.73～3.01
重度（kN/m3）
自然γa
26.6～27.7
25.0～27.1
26.4～29.3
吸水率Wa2（%）
0.04～0.11
0.23～0.79
0.29～0.31
饱和吸水率Wsa（%）
0.06～0.14
0.27～0.88
0.33～0.34
孔隙率no（%）
0～8.7
0.04～2.8
0.2～0.3
抗压指标
（MPa）
干燥Ra
86.1～216
96.7～242
127.3～167
饱和Rb
74.9～184
85.0～193
116.4～138
变形指标
变形模量（×
104MPa）
5.35～7.84
1.31～10.60
3.19～5.20
弹性模量（×
3.66～6.05
3.52～9.39
3.24～5.60
泊松比
0.18～0.19
0.13～0.25
0.17～0.31
抗拉强度σt（MPa）
2.5～6.8
2.1～3.3
3.4～5.7
抗剪强度
内摩擦角φ（°
）
58.5～62.63
51～68.53
51.5～67.02
内聚力c（MPa）
2.98～16.21
1.44～12.53
1.8～15.21
波速
弹性波速（m）
3922～6950
2985～7250
3390～6250
完整系数
0.55～0.83
0.59～0.89
0.41～0.70
秦岭隧洞岭南施工段围岩类别统计表表2-3
名称
围岩类别
合计
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
TBM施工段
分类长度（m）
3050
13320
1185
530
190
18275
所占比例（%）
16.7
72.9
6.5
2.9
100
4号
支洞
/
5186
500
98
5784
89.7
8.6
1.7
主洞围岩类别统计饼状图图2.1
2.2招标阶段对TBM进度的估计偏差
杜彦良院士等人结合西康铁路秦岭隧道的资料研究给出了围岩类别与掘进速度的关系（见《石家庄铁道学院学报》2002年12期，《地质因素对TBM掘进效率的影响》），认为Ⅱ、Ⅴ类围岩掘进速率较低，Ⅲ、Ⅳ类围岩更适合TBM掘进施工，这种地质条件下TBM可以取得较高的掘进速度，见图2.2，月进度指标乘以大约200h就是TBM的月掘进速度。
招标设计阶段，设计单位按照传统方法对围岩类别进行了划分，并且提出了不同围岩类别TBM的掘进指标（见图2.3和表2-4），这是采用了杜彦良院士的这一研究成果。
引汉济渭岭北TBM的施工实践与这些指标有一定的相似度，但是，岭南TBM的掘进与这些指标相去甚远，为此，现场进行了一系列相关研究分析，得出了新的结论。
杜彦良院士关于围岩等级与掘进速度关系图2.2
图2.3招标文件围岩等级与月进度指标
TBM段围岩划分表及进度指标（岭南、岭北）表2-4
合计
18272
所占比例（%）
72.3
进度指标（m/月）
460
540
400
200
但这一指标显然不够精细，基本上还是钻爆法的思路，没有考虑地质因素对TBM的重大影响，这也暴露了当时参建各方对TBM地质因素适用性认识的局限。
直到2015年底，这一观念在部分人的脑海里还根深蒂固，以至于设计、施工、监理三方期望月进尺在600-800m之间。
3、岭南、岭北TBM进度比较分析
3.1试掘进以来岭南进度的分析
岭南TBM进度柱状图见图3.1，可以看出2015年10月份以前，进度稳中有升，最高月达282m/月，11月因发生涌水，排水能力不足，堵水效果不佳，导致进度直线下滑。
2016年2月28日发生特大涌水，TBM险些被淹，停工抢险抽排2个月，直到5月11日才恢复施工，就算是正常掘进的6、7、8三个月平均进尺只有182m/月，难以达到200m/月。
富水地段对TBM进度的影响初步显现。
综合前8个月总进尺826m,平均月进尺只有103m/月。
图3.1岭南TBM施工段分月进尺示意图
3.2岭南、岭北TBM月进度对比分析
将岭南、岭北试掘进以来的逐月进度进行对比，发现前8个月岭南与岭北虽然进度不同，但稳中有增的趋势相同，那么，什么原因导致岭南月进度指标远远落后岭北呢，为此我们就岭南岭北的岩石物理力学指标进行了系统的分析研究，终于解开了这个谜底。
图3.2秦岭岭北TBM施工与岭南TBM施工月进度对比示意图
3.3岭南岭北围岩情况对比
岭南TBM实际掘进过程中岩石采样各项指标折线图3.3、3.4、3.5。
从这些图可以看出，石英含量也高达70%以上，岩石的完整性较好，完整系数Kv基本在0.75以上，岭南岩石的抗压强度基本在150MPa以上，平均强度180MPa.
图3.3岭南TBM掘进段岩石采样石英含量折线图
图3.4岭南TBM掘进段岩石采样干燥抗压强度折线图
图3.5岭南TBM掘进段岩石采样完整系数折线图
受条件所限，目前只有岭北围岩的部分资料，但是，亦足以说明地质因素对TBM掘进速度的重大影响这一问题了。
在岭北TBM掘进中，岭北围岩为千枚岩、变质砂岩，属于中等硬度岩石，TBM月平均进度为438.9m/月；
对围岩抗压强度进行了检测，TBM进度分析K62+578-K55+911共检测41组，平均强度68.4MPa,最大强度109.6MPa，在K59+387-K59+300之间，只有区区87m.从表中可以发现，40-80MPa的围岩大了80%，详见图3.6和表3-1：
图3.6岭北TBM掘进段岩石点荷载强度折线图
岭北TBM施工段岩石强度统计表3-1
抗压强度（MPa）
40-60
60-80
80-100
＞100
数量（组）
19
14
5
41
%
46
34
7
12
而岭南TBM的掘进，我们遇到了很大的困难和挑战。
由岭南TBM的围岩抗压强度曲线图可以看出，强度大部分在150-200MPa之间，平均强度180MPa，比岭北的围岩强度高出约120MPa,完整系数大部分在0.75以上。
石英含量较高，这些地质因素是导致岭南TBM掘进速度大幅下降的主要原因。
众所周知，秦岭是中国南北分水岭，水分于南多为江，水分于北常称河，江河水量丰沛不均，差别甚大。
秦岭也是中国气候分界线，依次为界分南方北方，南方温暖，北方寒冷，冷暖有别。
引汉济渭秦岭隧洞揭示的地下地质情况也是南北有天壤之别，以46+360为界，岭南46km多为硬岩，其中越岭段TBM有14km的花岗岩，强度多在180MPa左右。
岭北多为千枚岩和变质砂岩，为中等硬度岩石，强度多在40-80MPa，亦呈现南硬北软的巨大差别。
这种地下的地质环境差别竟然与地上的大气环境、水环境有着类似的趋势，让人深深感觉到大自然的十分奥密和奇特。
4.影响TBM掘进速度的主要地质因素分析
岭南的施工实践证明，表2-4中的进度指标远远难以达到。
为此，中隧和罗宾斯分别对岩石的抗压强度、耐磨值、岩石凿碎比功进行了检测，研究发现这些指标与岭北差别很大。
证明影响TBM掘进效率的主要地质因素有岩石的单轴抗压强度RC、岩石的耐磨值Ah和岩石的完整性KC、岩石凿碎比功等。
4.1岩石抗压强度对TBM掘进速度的影响
比较岭南岭北抗压强度，可以得出十分明确的结论，岩石的单轴抗压强度对TBM影响最大，TBM适合在中等硬度的岩石中掘进。
图4.1单轴饱和抗压强度与掘进速度的关系：
从图中可以看出，掘进速度与岩石抗压强度具有一定的负线性相关性。
抗压强度小于150MPa时，掘进速度大于1.5m/h,抗压强度大于170MPa时，掘进速度就小于1.0m/h，这区间，强度越高，掘进速度越低，超过200MPa时，掘进速度接近0.6m/h，这时TBM一个循环将大于3h.掘进速度大大降低。
4.2岩石完整性对TBM掘进速度的影响
与此同时，围岩的完整性，岩石结构面的发育程度是决定围岩等级和TBM效率的又一主要因素，节理较发育或发育岩石，TBM掘进的效率较高；
而岩石完整，TBM破岩困难掘进效率则较低。
从图4.2中可得出大致的结论，TBM掘进速度随着岩石完整程度的提高，TBM掘进速度迅速下降，也基本呈负线性相关。
4.3高压集中涌水对TBM掘进速度的影响。
TBM进入K29+950施工段以后，地表水较发育，主要为萝卜峪沟、木河、东木河，为常年流水，水量较大，地下水为基岩裂隙水，受大气降水补给，水量较丰富。
原设计最大涌水量在以正常涌水量为参考计算时，结合已施工完成的隧洞最大涌水量与正常涌水量之比一般在1.44～2.77倍，最大4.79倍，综合分析所在区域地质及水文地质条件，可采用2倍，本标段为6113m3/d×
2=12226m3/d。
2016年7月，设计单位结合引汉济渭工程各标段突涌水情况，对本标段未开挖洞段可能发生的突涌水量重新进行了预测，估算目前TBM已施工完成段封堵完成后将剩余约15000m3/d，加上主洞未开挖洞段可能发生的最大涌水量约26000m3/d，则主洞段合计最大涌水量约41000m3/d。
岭南TBM施工段设计涌水量见图4.3。
图4.3岭南TBM施工段隧洞涌水量平面示意图
岭南2015年11月TBM进入K29+950富水地段后，一是发生了几次高压集中大流量涌水，排水难度陡增，TBM掘进放缓。
二是设备长期在水的浸泡和潮湿的环境中，机械锈蚀加快，排水设备故障频发。
三是物料运输、仰拱安装、工人的工作环境大大恶化。
四是岭南TBM富水地段反坡施工导致TBM掘进效率大大下降。
据统计，在贫水地段，TBM连续5个月进尺在230-280m之间，进入富水地段后，月进尺大幅下降，连续8个月小于200m,2015年11月至-2016年8月，平均在135m,3、4月份被淹停机2个月。
见图4.4：
5.岭南TBM与其他项目进度对比
我们在展开地质因素对TBM进度影响研究的同时，也对类似工程的进度进行对比分析。
5.1岭南TBM与中天山TBM月进度对比
中天山隧道位于新疆巴州和硕县境内，穿越中天山北支博尔托乌山，平均海拔1100～2950m，最高海拔为2951.6m，是南疆铁路增建二线吐鲁番至库尔勒段的控制性工程。
隧道全长22467m，设计坡度11‰，通过地层岩性以变质砂岩、变质角斑岩、花岗岩、片岩夹大理岩为主，其中Ⅱ、Ⅲ级围岩约占全隧长度的73.42％。
隧道进口采用TBM法施工，施工长度13982m；
出口采用钻爆法施工，施工长度8485m，设一长2545m斜井辅助施工。
中天山TBM施工平均进度为296.3m/月，在硬岩（花岗岩）地段平均月进度为129.8m/月。
引汉济渭岭南TBM与中天山进度对比见图5.1。
图5.1中天山隧洞TBM施工与岭南TBM施工月进度对比示意图
5.2岭南TBM与西康1#线月进度对比
西康秦岭I线隧道。
全长18.456km，岩性以混合片麻岩，混合花岗岩为主，大部分洞段岩体完整或较完整，节理不发育或较发育，岩石抗压强度105-325MPa。
Ⅰ、Ⅱ类围岩占比7.8%，其余均为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩，且石英含量低于30%，由铁道部1996年引进2台，原计划全部用TBM完成。
最终秦岭北口TBM掘进长度为5.244km，秦岭南口TBM掘进长度为5.621km，TBM施工中，1998年平均月进尺为252.36m，1999年平均月进尺为290.64m，最高月进尺为528.48m.最后调整的施工组织计划，中间段落钻改为爆法施工。
岭南TBM与西康铁路进度对比见图5.2.
图5.2西康秦岭线TBM施工与岭南TBM施工月进度对比示意图
5.3岭南TBM与岭北TBM月进度对比图
将引汉济渭工程岭南、岭北TBM试掘进以来的逐月进度进行对比见图5.3.岭北为砂岩地质，未接触到花岗岩地质及其他硬岩地质；
TBM月平均进度为438.9m/月。
图5.3引汉济渭工程岭北TBM与岭南TBM月进度对比示意图
5.4岭南TBM与锦屏东引1#TBM月进度对比图
锦屏隧洞大部分洞段以II"
-dll类围岩为主，约占82.8％，岩石坚硬完整致密，单轴湿抗压强度为55"
---114MPa，月平均进度为142.4m/月；
由图看出，引汉济渭岭南TBM的月进度比锦屏略好。
图5.4岭南TBM与锦屏TBM逐月进度对比示意图
5.5岭南TBM与其他段落TBM月进度对比图
引汉济渭TBM施工超大埋深2012m；
超硬超长超完整花岗岩14km，围岩强度200MPa,这种岩石地质情况，在石油行业，这类岩石就被界定为不可钻取的岩石；
超高损耗刀具接近1把/m，远大于正常施工；
超长出渣15.8km；
超大涌水，超难排水。
图5.5将五个类似工程的逐月进度进行的直观的对比，可以看出岭南TBM进度较低，是复杂的地质条件决定的。
图5.5TBM施工类似工程月进度对比示意图
6.关于TBM进度的两个指标讨论
6.1TBM利用率在20-30%是可以接受的
TBM总的施工时间是纯掘进、换步、刀具更换、保养维护、故障处理、后配套系统维护、管片和轨道铺设等多项时间的总和。
所以要十分重视TBM作业时间的利用率。
不管是喷锚支护、岩爆处置、正常设备维护，还是哪个环节发生故障，都将会导致TBM停机，主要因素有：
刀具磨损更换、电器故障、机械故障、液压故障、皮带机故障。
因此保证设备完好在90%以上，是提高设备利用率的关键一下是2015年的TBM利用率曲线图。
从2015年3月28—9月22日各因素时间统计看，利用率只有20.8%：
这种工况下，平均进尺约为192m/月。
引汉济渭TBM各工序时间统计表表6
支护
维护
刀盘
TBM故障
其它
换步
掘进
时间
16310
14598
64866
48639
53541
6372
53714
258040
岭南%
6.3
5.6
25.1
18.8
20.7
2.5
20.8
岭北%
15.65
16.67
40.88
4.64
21.45
岭北TBM对前2100m的掘进时间进行了统计分析，TBM平均利用率为21.45%；
支护时间比较大为15.65%，这与围岩情况相关，主要是围岩破碎，支护耗时较多；
非正常停机占比最大，高达40.88%是影响TBM利用率的主要因素。
对非正常停机的因素进一步分析，发现设备故障约占88%的时间，操作管理约占5%的时间，其他占7%左右。
引汉济渭工程TBM利用率偏低有其特殊性，一是埋深大支洞长，皮带机出渣长达6km以上，易发皮带机故障，占总停机时间的（11%+10%=）31%。
二是排水难度大，隧洞涌水量大点多，水泵较多，管线特长，加之反坡施工，排水故障频发，导致停机，占总停机时间的9%以上。
三是机械、电气、液压故障占总停机时间的15%。
四是正常的维护保养时间每天4-6小时。
五是刀具更换。
所以，从提高施工技术水平和管理水平入手，增加TBM掘进时间，从施工各个环节减少停机时间，提高TBM掘金的有效利用率，加强维护保养提高设备完好率，提高刀具维修安装质量与速度，建立工时利用动态优化分析系统，提高现场组织管理水平。
岭北TBM的利用率也在30%附近，西康铁路秦岭I号隧洞道混合花岗岩约有2910m,平均利用率为20.2%，平均掘进速度为2.45m/h,桃花铺1号隧道利用率为26%，十八局在锦屏的TBM利用率为22.36%，均低于30%，而情况与引汉济渭工程隧洞大致相当。
据此，我们认为，岭南掘进任重道远，TBM设备每天工作6-8h是合理的，不应片面追求一时一地的高利用率，切勿使TBM超负荷运转，这样将引汉济渭工程TBM的合理的利用率在20-30%都是合理的，可以接受的。
6.2岭南TBM特硬围岩进度指标200m/月还需要努力保证
TBM在特硬岩洞段掘进施工，无论围岩完整性如何，都必须加强刀具检查与维护，根据磨损状态及时更换滚刀以及刀牙（铲斗齿），否则严重影响掘进效率、加剧刀具损坏，甚至导致刀盘严重磨损。
如果围岩完整性好，则每循环的掘进时间会比较长，可能达到3h以上，甚至5～6h，如果连续掘进，对刀盘、刀盘驱动等系统都会产生不利影响，需要每隔2h左右暂停掘进，同时加强刀盘刀具以及其他部位的检查；
此时，刀盘破岩效率很低，较平时会产生更多的岩粉，且刀盘刀具发热现象严重，因而需要加强刀盘喷水。
TBM掘进速度除与设备和现场管理有关外，主要看TBM对岩石适应性，岩石的抗压强度、完整性、耐磨性等制约TBM的掘进效率，另外，岩爆、排水、皮带机、机械电气故障等等都降低了TBM的利用率。
岭南TBM施工段埋深大，岩石平均强度高达180MPa,完整性好，孔隙率低，石英含量高，耐磨值高，这些综合因素的组合，加之长距离的出渣和排水系统，大大降低了TBM的效率，所以说，施工难度世界第一，这与国内已建成的几个花岗岩隧道没有可比性。
所以，在超硬、特硬围岩的地质环境下，进度指标200m/月通过需要努力才能保证的。
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