一、隧道工程概況

　　中天山特長隧道位于托克遜、和碩間中天山東段的嶺脊地區。穿越中天山北支博爾托烏山中山山地，平均海拔1100~2950m，最高海拔為2951.6m。是南疆鐵路增建二線吐魯番至庫爾勒段的控制性工程。隧道起訖里程為DK141+593～DK164+042(左線)、DyK141+573～DK164+040(右線)，左線全長22449m，右線全長22467m，全隧道為單面上坡，除出口308m，位于曲線上外，其余均位于直線上，左右線線間距36m。本次依托工程為左線隧道，全長22467m，設計坡度11‰，通過地層巖性以變質砂巖、變質角斑巖、花崗巖、片巖夾大理巖為主。

　　二、TBM掘進效率主要影響參數

　　1、機械參數

　　TBM法隧道施工中，在相同的機況及地質情況下，對掘進參數的正確選擇是決定掘進安全、快速、經濟的主要因素。

　　TBM掘進機的掘進參數主要有8個：刀盤轉速、刀盤扭矩、電機電流值、推進力、推進缸壓力、實際掘進速度、貫入度(每轉進尺)和推進速度電位器選擇值。其中電機電流值與刀盤扭矩、推進缸壓力與推進力成正比，實際掘進速度=刀盤轉速×貫入度。

　　在選定刀盤轉速后，唯一能直接控制的就是選擇推進速度。通過調節推進速度來控制掘進。由于巖石情況不同，掘進所需的扭矩和推進力也不同，實際達到的掘進速度也不盡相同。在相同掘進速度情況下，刀盤轉速高速時的貫入度是低速時的一半，與貫入度成正比的刀盤扭矩、推進力相對較小。但是當刀盤高速運轉時，對軟弱圍巖的擾動較大，有可能造成圍巖的失穩坍塌，同時高速時出碴會加快，相應的增加膠帶機的工作負荷。因此在軟弱圍巖的地質情況下，刀盤的轉速主要選擇是低速。

　　1掘進機的總推進力

　　掘進機向前開挖掘進時所需總推力為各刀具推力之和加上機器與洞壁及內、外大梁之間摩擦力之和。

　　式中：F刀---破巖時所需刀具總推力-即各刀具沿洞軸方向的分力之和

　　F1---機器推進時-刀盤下部浮動支撐與洞壁之間的滑動摩擦力

　　F2---頂護盾與洞壁之間滑動摩擦力

　　F3---刀盤側支撐與洞壁之間滑動摩擦力

　　F4---大梁水平導軌間滑動摩擦力

　　F5---掘進時隨刀盤向前移動部分的后配套裝置對機器的拖動阻力

　　機器的總推力為需要的總推力乘以一個大于1的安全貯備系數。

　　2刀盤回轉功率與扭矩

　　刀盤回轉破巖時，要克服刀具破巖的總阻力矩M刀、鏟斗裝渣阻力矩M1及鏟斗與洞壁之間的摩擦阻力矩M2。

　　機器回轉所需總力矩 M總=f×(M刀+M1+M2)/η

　　式中：f---大于1的安全儲備系數

　　η---刀盤傳動機構的效率

　　機器回轉總功率 N=M總×n/716.2(馬力)

　　式中：n---刀盤轉速(r/min)

　　3掘進機的貫入度

　　貫入度(Net Penetration，又稱為凈切深)，也就是我們通常所說的切深，即定義為刀盤每旋轉一圈的前進距離，是研究掘進機推進力與掘進速度之間關系的主要參數。

　　4掘進機工作參數之間的相互關系

　　通常認為影響掘進機性能的機器因素包括每把刀具的推進力、刀具的磨損程度、刀間距、刀具直徑、扭矩、轉速、刀盤直徑和曲率、TBM推進力、后配套設備、機器處理大塊巖石的能力以及抗沖擊和振動的穩定性等。由于刀盤及刀具的幾何尺寸在機器制造后已經確定，不能更改。所以對于掘進機工作性能影響可控的主要因素只能為推進力、轉速，或者為由以上兩者影響的掘進機推進速度和扭矩。

　　掘進機在開挖隧道時其刀間距保持不變，同時掘進機可提供的刀盤推進力和扭矩能力是有一定限值，所以其開挖能力受到一定的限制。首先是刀盤推進力對掘進機掘進速度的限制作用。在一定的切深范圍內，掘進機刀盤的切深隨著推進力的增大，將不斷增大。但是對特定的掘進機其推進力是有限的定值，所以，切深必將受到最大推進力的限制。其次在軟巖中開挖時，開挖性能將受到掘進機扭矩的限制;當在硬巖中開挖時，開挖性能將受到掘進機推力的限制。

　　(1)每轉切深與刀盤推力的關系

　　刀盤推力是產生刀盤切深和一定掘進速率的主要因素之一。根據掘進試驗結果[1]，由刀盤每轉切深與刀盤推力關系的散點圖和回歸分析曲線(如圖2-1所示)可知：①刀盤每轉切深隨刀盤推力的提高而逐漸增大，且切深增大率高于推力的提高率;②刀盤轉速較大時的每轉切深明顯低于低轉速時的刀盤切深。

　　掘進機的掘進速率等于刀盤每轉切深與刀盤轉速之積，即掘進速率與切深成正比。因此，掘進速率與巖石強度及刀盤推力的關系與每轉切深的關系是相同的。

　　(2)刀盤扭矩與切深的關系

　　刀盤扭矩是在刀盤施加推力后產生的，一開始主要是摩擦產生的扭矩，隨切深的增大，滾刀對巖石產生切割壓碎作用，扭矩逐漸增大。根據刀盤扭矩與每轉切深關系的散點圖和回歸分析曲線(如圖2-2所示)可知：

　　①刀盤扭矩與切深呈線性增長關系[2];

　　②當巖石強度低時，刀具切深較大，掘進時表現出的刀盤扭矩總體高于巖石強度高的地層[3]。是由于，巖石強度較低，刀具易切入巖石獲得較大的切深，刀盤旋轉阻力增大，因而需要較大的扭矩。

　　2、地質參數

　　1巖石的強度

　　TBM是利用巖石的抗拉強度和抗剪強度明顯小于抗壓強度這一特征而設計的，抗壓強度的高低是影響TBM掘進效率的關鍵地質因素之一。一般常采用巖石的單軸抗壓強度(Rc)來判斷TBM工作條件下隧道圍巖開挖的難易程度。一定范圍內Rc越低，TBM的掘進速度越高，則掘進越快;Rc越高，TBM的掘進速度越低，則掘進越慢。但是，Rc太小，圍巖穩定性差，嚴重影響掘進速度; Rc太大，TBM掘進困難，效率低下[4]。

　　2巖石的耐磨性

　　國內外大量TBM施工隧道的工程實踐表明，滾刀的磨損情況對TBM掘進效率以及掘進的經濟性影響很大。而對刀具的磨損判斷和預測，僅根據巖石抗壓強度是不夠的。主要應結合巖石的硬度以及巖石所含石英顆粒的大小、數量來決定。

　　一般情況下，巖石的耐磨性越高，對TBM刀具、刀圈和軸承的磨損程度也越嚴重，刀具消耗和施工成本就越高，并造成停機換刀次數增加，影響TBM正常掘進，相應的TBM掘進效率也就越低[5]。

　　3巖石的完整性

　　巖體的結構面(節理、層理、片理、小斷層)發育程度，即巖體的裂隙化程度或巖體的完整性與掘進效率有很大關系，是影響TBM工作效率的又一重要的地質因素。各表征巖體完整程度的指標，較普遍選用的有巖體完整性系數Kv、巖體體積節理數Jv、節理平均間距pd等。

　　巖石的抗壓強度、硬度、耐磨性相同或相近的巖體，結構面發育程度不同，TBM的凈掘進速度會產生明顯差異。巖體結構面越發育，密度越大，節理間距越小，完整性系數越小，TBM掘進速度就越高。但當結構面極為發育，即節理密度極大，巖體完整性很小時，巖體已呈碎裂狀或松散狀，其整體強度很低，作為工程圍巖已不具有自穩性，此時TBM掘進的速度非但不會提高，反會因對不穩定圍巖進行的大量加固處理而大大降低。因此，巖體的結構面特別發育和極不發育時往往都不利于TBM掘進。在這里，主要論述巖體完整性系數Kv的影響。

　　3、其他因素

　　除以上影響TBM效率的主要地質因素外，巖體主要結構面或稱優勢結構面的產狀與隧道軸線間的組合關系、圍巖的應力狀態、含水和出水情況對TBM掘進速度和利用率也有一定的影響。

　　當巖體主要結構面與隧道軸線夾角50~70°時，有利于掘進速度的提高;如果與洞軸線平行或小于45°，則上部圍巖容易坍塌或掉塊，不利于TBM掘進。當圍巖處于高地應力狀態時，對堅硬的較完整或完整巖體，極可能發生巖爆危及TBM機具和人員的安全;對軟弱巖體，則可能發生大的擠壓變形，給TBM推進造成困難。圍巖含水和出水狀態對TBM掘進的影響程度則視含水量及出水量的大小和范圍，同時決定于圍巖是硬巖還是軟質巖。一般富水段和涌水段，圍巖的強度和穩定性會有不同程度的降低，同時有可能惡化TBM的工作條件和環境，影響掘進速度。

　　據已有資料顯示，TBM施工中出現的主要工程地質問題包括：圍巖大變形、突(涌)水、巖爆以及瓦斯突出等，尤以軟巖大變形、巖爆和突(涌)水問題最為嚴重[6][7]，據尚彥軍等對國內外已發生的98次TBM重大工程事故的統計發現，約有72%是由這兩者引起的(圖2-6)，在TBM施工過程中必須給予足夠的重視[8]。

　　三、結語

　　通過TBM在中天山隧道中的應用，研究分析總結出了影響TBM掘進效率的關鍵參數，包括機械參數和地質參數，并且簡要的分析了相關參數之間的關系。地質因素對TBM的影響主要表現在宏觀、微觀兩大方面。宏觀方面主要是指隧道圍巖的總體地質環境是否適宜采用掘進機施工;微觀方面要考慮巖石的單軸抗壓強度、硬度、耐磨性和整體性等主要地質因素對TBM掘進速度、利用率、刀具磨損等機器性能指標的影響程度。只有充分考慮這些影響關系，才能更好的發揮掘進機的掘進效率，合理安排施工，提高掘進機利用率。

　　參考文獻

　　1、宋克志,孫謀.復雜巖石地層盾構掘進效能影響因素分析[J].巖石力學與工程學報, 2007,02(9).

　　2、TEALE R. The concept of specific energy in rock drilling[J] .Int.J.Rock Mech.Min.Sci.and Geomech.Abstr, 1965, 2 (1) :57–73 .

　　3、GERTSCHR R. Tunnel boring machine disc cutter vibrations[C] .Golden,CO,Colorado of Mines, 1993:144 .

　　4、隆威,尹俊濤,劉永正,等.TBM掘進技術的發展應用及相關工程地質問題探討[J],探礦工程,2(X)5,2:55-59

　　5、S. Okubo,K. Fukui,W. Chen. Expert System for Applicability of Tunnel Boring Machines in Japan[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 36 (4) .

　　6、Pelizzas,orassoP,徐書林著,翟進營譯.TBM法隧道掘進綜述.建筑機械,2002,(5):21-28

　　7、隆威,尹俊濤,劉永正,等.TBM掘進技術的發展應用及相關工程地質問題探討.探礦工程,2005,(2):52-62

　　8、尚彥軍,史永躍,曾慶利,等.TBM隧道工程地質條件評價和問題研究.大直徑隧道與城市軌道交通工程技術.上海國際隧道工程研討會文集,2005