中国葛洲坝集团第一工程有限公司 湖北省宜昌市 443002
摘要：TBM是掘进、支护、出渣等工序连续且能并行作业，是机、电、液、光、气等系统集于一体的隧道施工装备，具有掘进速度快、利于环保、综合效益高等优点，可实现传统钻爆法难以实现的复杂地理地貌深埋长隧洞的施工，在铁道、水电、交通、矿山、市政等隧洞工程中都已得到实际应用。本文分析了TBM设备现阶段在工程中应用的情况，探究影响设备利用效率的因素，提供相应措施帮助企业高效利用TBM设备。
关键词：TBM设备；设备利用率；影响因素
引言：TBM分为敞开式隧道掘进机和护盾式隧道掘进机，有着大型化、机械化和系统化的特点。TBM设备应用了电子信息技术、远程监测和控制技术对施工的整个过程进行全面的监控。但TBM设备运行过程中需要多种设备协同配合，增加了出现故障的可能性，影响了该设备的正常使用，因此，TBM设备的管理和应用是否达标可以从设备的利用率上体现。
一、对TBM设备掘进速度进行分析
为了分析硬岩的TBM掘进速度的经济评价，要掌握TBM的掘进速度和掘进任务完成的时间。可以对隧道岩体矿物的强度和挖掘表面岩体的特征，评估TBM设备的穿透速度和利用效率。隧道围岩的处理和非生产时间也能够在一定程度上给穿透速度带来影响。在各种因素的作用下TBM设备平均利用率限制在在0-66%之间。掘进速度的计算公式如下：
掘进速度（m/h）=穿透速度（m/h）×TBM利用率。
（一）分析穿透速度
在过去的研究中，主要根据完整岩石的各种特性来进行TBM设备穿透速度的研究。应用这种方法能够得到单轴抗压的强度（σc）。但在实际操作中存在围岩的不完整性和不可预见性因素影响了穿透的速度。对于这种情况的出现，相关研究人员通过裂压因子K，针对不同情况的围岩控制相应的穿透速度。
（二）分析TBM利用程度
围岩级别是影响TBM利用程度的主要因素，我国将铁路工程隧道的围岩等级划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级别，根据等级的划分确定掘进速度。TBM设备的利用率能够解释为机械设备在掘进某一岩体时占总时间的百分比。岩层不连续频率增多一定会造成TBM设备的利用率减少，某研究人员根据岩体的特征，提出了岩石的类别可能会影响设备的利用率这一理论。
（三）分析掘进速度
对岩体的强度和TBM设备的穿透速度之间的关联，以及岩体性质对TBM设备利用率的影响等进行分析，能够明确研究TBM设备掘进速度的重要性。通过TBM刀盘上的滚刀对掌子面的压力和相应的滚刀旋转速度可以确定实际的掘进速度。滚刀对掌子面压力和刀盘旋转带动同心滚刀旋转的速度能够体现出穿透岩石的密集度和整个岩体的强度系数。平均掘进速度能够从TBM利用率减少实际的穿透速度来得出，相反能够得到TBM利用率与隧道洞顶FS之间的关系，如图1。
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图1
TBM设备在良好状态下推力不变，刀盘转速不变掘进速度可以进一步反映出来隧道内的地质条件。能够更准确将岩体进行划分，让开挖合同制定的目标更明确，降低未知地质给施工带来的风险。根据不同岩体矿物的强度和岩体的特征进行调整TBM推力和刀盘旋转速度，可以了解TBM设备开挖的参数，如表1[1]。
表1 受TBM主要任务影响的岩体分类因素
二、设备利用率和影响因素
对 TBM设备利用率的计算可采用掘进时间与施工总时间相除的百分比。根据TBM设备的利用率能够将施工过程中应用该设备完成的有效值，进一步反映了设备利用过程中的水平和项目管理的水平。根据相关的数据统计，TBM设备在施工项目中的利用率大约在15~66%。
虽然TBM设备的利用效率计算方式简单，但因为不同工程项目之间存在的影响因素不同，所得出的利用效率差距较大。在某地施工过程中，将影响设备利用率的因素分为以下几种：地质条件差需停机支护、TBM在掘进过程中主机故障问题、后配套设备及连续机皮带故障问题、辅助系统故障问题等。而在主观方面造成的影响不能进行准确地衡量，而是在各种方面上体现出来，例如TBM设备利用率的程度能够直接反映出施工的组织水平、团队整体的技术能力以及施工项目管理能力。
三、探究提高设备利用率措施
（一）降低刀具损耗的措施
在施工过程能够造成刀具损耗的原因有很多种，但对其采取的措施有一定的限制，大多数都是先天因素造成的损耗问题，比如刀盘设计刀间距等，要么是不可抗力的地质条件，要么是滚刀本身对岩石的抗磨、抗压性能等问题。现阶段能够采用降低损耗的措施有：选择与实际工程更加合适的刀具、加强刀具检查工作、对变换的岩层及时更换相应刀具及优先选择更加适用设备的掘进参数[2]。
（二）降低TBM设备故障的措施
想要提高TBM设备利用的效率需要保证设备的完好，要按照生产制造商的要求对设备进行定期的维护保养工作，按9、6、9或是选择10、4、10的掘进整备时间工作要保障设备在掘进中处于良好状态，需要工作人员加强对设备的监测，做到及时发现故障问题，迅速将故障问题解决，禁止出现设备带病工作的情况。还需要从技术人员、运行维护管理制度和执行力等方面来降低TBM设备出现故障的概率。首先，可以通过增加有丰富经验的技术人员，给设备的维护工作做好保障。然后，制定维修保养的管理制度，要严格按照制度内容进行设备的维修和保养的工作，要设定维修保护的时间、内容和频率，确保设备应用过程期间的稳定性。最后，要工程项目中的每个工作人员都能够熟知有效执行各自工作任务，要将责任落实到设备管理人员身上，提高管理人员责任心按照要求完成设备维修保养管理制度。
（三）完善指挥调度工作
在施工前要能详细掌握施工方案内容，根据施工现场的地质情况制定完善的应急方案，以防止突发情况的出现，施工现场的指挥人员要能掌握TBM 施工的流程和突发事件的处理措施，这样能减少处理故障的时间，提升了设备利用效率。
（四）降低连续机皮带系统故障时间的应对措施
在降低皮带系统出现的故障问题，可以从TBM主机皮带和后配套皮带的两个位置入手，分别是设备的皮带机和连续机皮带机。
TBM皮带机部位需要解决的问题是出现大块石堵塞转斗以及皮带受损。解决方法如下。
1.如果原设计的皮带是CC传输带可以换成防止撕裂的NN或ST钢丝传输带。
2.可以对转渣斗的设计方案进行优化调整，可以适当调整转渣斗的高度、加大转渣斗的缓冲能力、调整皮带机缓冲床距离及刮渣板、刮浆刀的力度等。
3.对刀盘上的各刀具做好及时检查检修工作，防止松动脱落后随渣土落入传输带，还要对挡渣块和铲斗尺及时做好修复工作，在主机皮带处安装电磁铁，这样加强了设备内对意外脱漏的金属及大块石的阻拦，防止其进入皮带系统，从根本解决大块石和脱落的刀具、刮刀造成皮带机故障问题。
4.及时将主机区的积水排出，这样能防止积水进入皮带，进一步降低皮带出现故障的可能性。
以上是解决TBM皮带机出现故障的措施，针对连续皮带机主要靠保养和维护工作来解决出现的故障问题，工作人员要加强检查和巡视，要能将皮带头子这些小的故障问题及时处理好，以防止皮带出现长距离划破的问题，导致整个连续皮带机处于停机状态。
（五）减少停机支护时间的措施
能够从塌方支护和岩爆段加强支护两个方面减少停机支护时间的问题。
通常塌方支护能够及时确定支护方案，不会造成长时间的支护延误。岩爆段加强支护造成停机支护的处理方式如下。
1.引进微震检测，实时监控掌子面周围的微震强度和等级，并且预测岩爆发生的概率。
2.根据微震检测得出的预算结果，在短时间内设计出加强支护的方案，并且应用新型的材料和工艺完成加强支护工作。例如可以利用Mcnally系统、水涨式锚杆、格栅拱架、柔性钢丝网等，将岩爆发生的概率降低并且减少其造成的危害，给施工现场提供安全保障[3]。
总结：TBM设备在施工中利用的效率能准确反映出设备管理的水平，并直接影响了TBM掘进速度。对设备利用率和影响其效率的因素加以分析，可以直观了解TBM设备管理的情况，能够更准确找出影响TBM掘进的因素。为了能将TBM 设备的性能更全面地发挥出来，可以根据不同设备出现的问题针对性地制定解决方案，达成工程施工应用TBM设备快速掘进的目标。
参考文献：
[1]乔世范，王超，刘志新，等.基于磨粒磨损机理的全断面隧道掘进机滚刀寿命预测[J].吉林大学学报（工学版），2020，50（06）：2068-2073.
[2]李港，李晓军，杨文翔，等.基于深度学习的TBM掘进参数预测研究[J].现代隧道技术，2020，57（05）：154-159+176.
[3]邢阿龙，王红.TBM设备利用率分析及提高措施[J].四川水利，2019，40（03）：57-62.