硬巖掘進機技術(shù)發(fā)展與趨勢

陸曉輝，齊夢學(xué)

(1.中鐵十八局集團有限公司，天津 300222;2.中鐵十八局集團隧道工程有限公司，重慶 400700)

0 引言

我國自20世紀50年代開始研制硬巖掘進機，于80年代開始引進硬巖掘進機(TBM)應(yīng)用于水工隧道工程施工，于1997年在西康鐵路秦嶺隧道成功實現(xiàn)獨立使用和管理TBM。近年來，TBM在鐵路、水利、水電、交通領(lǐng)域不斷得以推廣，在TBM設(shè)計、制造、施工應(yīng)用過程中，制造商與施工企業(yè)結(jié)合工程實踐不斷深入交流和探索，促進了設(shè)備性能的不斷提升，并且呈現(xiàn)出一些新的技術(shù)特色。文獻［1］介紹了TBM施工技術(shù)，文獻［2-3］介紹了TBM刀具、刀盤驅(qū)動、同步襯砌等內(nèi)容，文獻［4-7］介紹了TBM選型的影響因素。隨著TBM技術(shù)的不斷進步和發(fā)展，TBM整機壽命、機型、刀盤性能、主軸承密封與潤滑、殘渣清理等方面有了很大進步，但對此進行總結(jié)和分析方面的文章較少。本文結(jié)合施工實踐，從以上方面展望了TBM技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用趨勢，以期為TBM設(shè)備選型與功能配置提供一定的借鑒，以提升TBM的整機性能與適應(yīng)性。

1 整機使用壽命延長

TBM整機使用壽命主要是由關(guān)鍵部件的壽命決定的，如主軸承、刀盤、刀盤驅(qū)動系統(tǒng)等。不同品牌的的TBM對設(shè)備壽命的設(shè)計理念有所區(qū)別，歐美系列的TBM關(guān)鍵部件設(shè)計壽命按照工作小時計算，通常在首項隧道工程完工后剩余壽命富裕度較大，而日本TBM的壽命設(shè)計以滿足某一具體工程為準，該工程完工后設(shè)備隨之壽終正寢。

隨著環(huán)境保護和水土保持意識的不斷增強，長隧短打的方式正在逐漸被淘汰，TBM單次掘進長度大大增加，這就對TBM的使用壽命與可靠性提出了更高的要求。以往，TBM施工10 km以上的隧道需要在中途施工支洞，對TBM實施中間檢修(焊接刀盤裂紋、在刀盤表面堆焊耐磨層、更換主軸承內(nèi)外密封、檢修刀盤驅(qū)動及液壓電氣系統(tǒng)損壞的部件等)。TBM與配套關(guān)鍵部件及設(shè)備的技術(shù)發(fā)展相互促進，整機壽命與可靠性大大提升。目前長大隧道采用TBM施工仍然設(shè)置施工支洞，但其功能已經(jīng)發(fā)生變化，主要是為施工通風(fēng)、物料運輸提供便利，利用支洞大規(guī)模檢修TBM的情況越來越少。

再制造TBM的應(yīng)用越來越普遍［8］，可充分發(fā)揮TBM的價值，降低工程成本，節(jié)約工期，但再制造過程中必須嚴格控制質(zhì)量，否則將會對工程施工造成極大影響。

2 多種機型并存

眾所周知，硬巖掘進機主要分為單護盾、雙護盾和開敞式3種形式。單護盾和雙護盾TBM從結(jié)構(gòu)形式上變化不大，而開敞式TBM結(jié)構(gòu)形式又可分為雙X型支撐凱式結(jié)構(gòu)和水平支撐主梁式結(jié)構(gòu)。

2.1 雙X型支撐凱式TBM

早期開敞式TBM多采用雙X型支撐凱式結(jié)構(gòu)，撐靴分為前后2組，共16個;撐靴安裝在外機架上，外機架套裝在內(nèi)機架上，推進油缸的兩端分別作用于內(nèi)外機架。其優(yōu)點如下:1)16個撐靴都可實現(xiàn)單獨控制，遇到局部圍巖坍塌時便于調(diào)整;2)撐靴總面積相對較大，有利于降低撐靴接地比壓;3)掘進過程中以雙X型支撐作為主機的支撐點，可減少底護盾的接地比壓，有效減小刀盤由于重力作用而向下“低頭”的趨勢。

但雙X型支撐凱式TBM存在如下問題:1)刀盤、主軸承、刀盤驅(qū)動組件、護盾等總質(zhì)量大，這些結(jié)構(gòu)件的組合體安裝于內(nèi)機架的前端，處于懸臂狀態(tài)，TBM掘進過程中產(chǎn)生的振動大，對于設(shè)備狀態(tài)和壽命造成無法克服的不利影響;2)刀盤驅(qū)動需配置大長度的傳動軸，運轉(zhuǎn)過程中長傳動軸容易出現(xiàn)撓曲變形、跳動等現(xiàn)象，容易導(dǎo)致前方小齒輪、后部變速箱或者離合器的損傷;3)推進油缸的反力作用在外機架上，再傳遞到撐靴，不利于改善撐靴油缸和導(dǎo)向柱的受力狀態(tài);4)鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工難度大、制造成本相對較高，施工過程中維護難度和成本較高;5)16個撐靴所配置的液壓油缸多達32根，推進油缸多達8根，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)制造成本高、掘進過程中的維修保養(yǎng)成本高。

2.2 水平支撐主梁式TBM

水平支撐主梁式TBM只有一對水平布置的撐靴，每個撐靴的面積較大;以底護盾和撐靴作為主機的支撐點;推進油缸安裝于前主梁和撐靴之間。其優(yōu)點如下:1)撐靴面積大，對于范圍較小的圍巖坍塌，不必采用過多的措施就可以直接通過;2)掘進過程中主機相當(dāng)于簡支梁結(jié)構(gòu)，利于減輕刀盤區(qū)域的振動;3)推進油缸直接作用在撐靴上，利于改善撐靴油缸的受力狀態(tài);4)撐靴油缸以及推進油缸數(shù)量大大減少，利于減小維修保養(yǎng)工作量;5)取消了刀盤驅(qū)動的傳動軸，變速箱與小齒輪直接相連，結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高。

水平支撐主梁式TBM存在的問題:1)刀盤后部的區(qū)域由于安裝了刀盤驅(qū)動電機、變速箱等部件，導(dǎo)致空間狹小，對初期支護要求高并且需要加強設(shè)備防護措施;2)主機頂部的作業(yè)平臺面積較雙X型支撐凱式TBM小。

2.3 DSU型TBM

為了拓展單臺TBM對地質(zhì)條件的適應(yīng)性，克服雙護盾TBM護盾容易卡死的現(xiàn)象，設(shè)計制造了DSU型TBM［9］。DSU型TBM設(shè)備取消了雙護盾TBM的尾盾和管片拼裝器，代之以開敞式TBM的錨桿鉆機、鋼拱架拼裝器等初期支護設(shè)備。前盾、伸縮盾、支撐盾呈臺階布置，直徑逐步縮小，縮小幅度與預(yù)計的圍巖收斂、掘進速度相適應(yīng)，可有效避免護盾被卡的現(xiàn)象。開敞式TBM掘進過程中，安裝完畢的鋼拱架經(jīng)過撐靴時，必須鑲嵌在撐靴預(yù)留的凹槽內(nèi)，否則鋼拱架極易被損毀，而DSU型TBM的撐靴在支撐盾內(nèi)，規(guī)避了對鋼拱架支護的損壞。DSU型主機如圖1所示。

DSU型TBM同樣存在著一些自身結(jié)構(gòu)無法克服的問題:1)初期支護設(shè)備到掌子面之間的距離比開敞式TBM長，不利于實現(xiàn)及時支護，可能會由于支護不及時而造成更大的圍巖坍塌;2)超前鉆探、超前加固設(shè)備距離掌子面較遠，實施效果較差。

圖1 DSU主機結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of main body of Double Shield Universal TBM

2.4 其他機型

為了適應(yīng)工程需求的發(fā)展，TBM結(jié)構(gòu)形式也在不斷推陳出新，如基于單護盾的復(fù)合式TBM以及基于盾構(gòu)機的復(fù)合式TBM具有單護盾和土壓平衡盾構(gòu)機的特點［10］。

3 刀盤壽命長、性能高

刀盤是TBM的關(guān)鍵部件之一，由于其工作環(huán)境惡劣、受力復(fù)雜，設(shè)計與制造水平在一定程度上可代表TBM的設(shè)計與制造水平。

刀盤結(jié)構(gòu)不斷改進、材質(zhì)不斷優(yōu)化，促使其整體性能不斷提高，在掘進長度為10 km甚至20 km以上的隧道施工中連續(xù)掘進而無需大范圍整修。刀盤結(jié)構(gòu)形式可分為整體式和分塊式，整體式刀盤往往用于小直徑TBM，且受洞內(nèi)外運輸條件限制不利于推廣，因此大多數(shù)情況下采用分塊式結(jié)構(gòu)。分塊式刀盤存在平分為二、中心塊加邊塊2種形式，前者對于中心刀安裝質(zhì)量、刀具布置影響較大，因而應(yīng)用較少;后者刀盤結(jié)構(gòu)與刀具布置更加合理、刀具安裝質(zhì)量更可靠、刀盤無故障連續(xù)掘進距離更長，且有利于運輸，成為當(dāng)今刀盤的主流結(jié)構(gòu)。目前刀盤多采用S355J2和Q345D及等同材質(zhì)，其力學(xué)性能、焊接性能、對環(huán)境的適應(yīng)能力較為出色。

近兩年又出現(xiàn)了一種新的刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計，總體上仍然是中心塊加邊塊的方式，但以厚板替代原來的箱形結(jié)構(gòu)。以往刀盤是在箱形結(jié)構(gòu)中焊接刀箱，刀盤面板厚度大多為40 mm;而該設(shè)計采用厚度為300 mm的鋼板，直接加工刀箱，后部設(shè)置隔板及法蘭，分別安裝溜渣槽以及與主軸承對接提供安裝面。厚板刀盤結(jié)構(gòu)提高了刀盤的整體性能，減少了應(yīng)力集中對刀座的影響，刀盤裂紋傾向減緩。

刀盤性能與壽命的提升，也得益于采用了性能優(yōu)異的表面耐磨措施。刀盤耐磨措施主要包括網(wǎng)格狀耐磨焊條堆焊層、耐磨釘、覆蓋耐磨鋼板、邊緣區(qū)域焊接耐磨環(huán)槽等(如圖2所示)，能夠經(jīng)受較長距離的強烈磨損考驗，甚至可以根據(jù)不同巖性選取不同材質(zhì)的刀盤耐磨材料。實踐證明，刀盤正面全面焊接Hardox、Trimay耐磨板、邊緣安裝耐磨釘或者耐磨環(huán)槽，耐磨效果良好，可以較好地保護刀盤。

4 主軸承密封與潤滑

TBM主軸承對整機掘進性能影響大、造價高，并且在掘進過程中如果主軸承出現(xiàn)故障進行維修或者更換，工期長、成本高，因而有人稱主軸承為TBM的“心臟”，可見其重要性。一直以來，制造商以及施工企業(yè)對主軸承的保護措施都非常重視。

4.1 主軸承唇形密封

為了給主軸承提供清潔的運行環(huán)境，設(shè)置了內(nèi)外密封系統(tǒng)，密封形式為唇形密封，數(shù)量為2～4道。唇形密封強度高，唇口始終保持緊貼耐磨環(huán)，可保證密封性和可靠性。唇口朝向軸承的密封腔內(nèi)，通常注入齒輪油，其他密封腔內(nèi)以齒輪油、液壓油或者潤滑脂沖洗，也有的在最外側(cè)密封內(nèi)以水沖洗，不同的制造商有不同的設(shè)計理念。

圖2 刀盤耐磨保護Fig.2 Protection of wearing resistance of cutter head

經(jīng)過長時間的運轉(zhuǎn)，唇形密封與緊貼的耐磨環(huán)均會發(fā)生磨損，唇形密封可以更換，而耐磨環(huán)則可采取調(diào)整相對位置或者更換2種解決方式。耐磨環(huán)與唇形密封相對位置調(diào)整如圖3所示，有的是通過調(diào)整隔環(huán)實現(xiàn)的，有的是利用螺釘縱向推移耐磨環(huán)實現(xiàn)的。前者需要拆開密封、調(diào)整隔環(huán)的安裝順序，占用時間長，而后者可以利用日常整備時間完成，大大節(jié)省了軸承解體調(diào)整隔環(huán)的時間?？筛鼡Q耐磨環(huán)則是在密封腔鋼結(jié)構(gòu)上鑲嵌耐磨環(huán)，可以破壞性割除損壞的耐磨帶，以火焰加熱新的耐磨環(huán)使其適當(dāng)膨脹，迅速準確套入鋼結(jié)構(gòu)，待冷卻后與鋼結(jié)構(gòu)形成緊密的結(jié)合體。

4.2 主軸承潤滑

TBM主軸承具有直徑大、轉(zhuǎn)速低、負荷大的特點，對潤滑系統(tǒng)提出了較高要求。有的TBM主軸承采用噴淋潤滑設(shè)計，通過均布的油道將齒輪油泵送到潤滑點，齒輪油牌號為VG220，運動黏度較低，通過窄小縫隙的能力較強，始終可以保持嚙合面有油膜。但從潤滑油磁性過濾器收集的鐵磁性磨粒的照片以及分析式鐵譜的磨粒性狀圖可以看出，運動黏度較低的潤滑油中鐵磁性顆粒的尺寸較大，實際膠合、擦傷高溫變色的多。

有的TBM主軸承選用牌號為VG460的齒輪油，運動黏度偏于安全。由于該齒輪油運動黏度較大，在主軸承破巖承載時，油膜較易形成楔形油膜，擠壓條件下承載能力好;主軸承承受沖擊載荷時，金屬接觸面之間有油膜保護，金屬膠合(點蝕)概率大大下降，客觀上保護了磨料磨損產(chǎn)物的堆積。

鑒于上述情況以及近年來國內(nèi)施工實踐，認為TBM主軸承選用黏度較高的齒輪油較為適宜，更有利于保證其潤滑效果。

圖3 主軸承密封縱向位置可調(diào)Fig.3 Adjusting of main bearing sealing in longitudinal direction

5 底部殘渣清理方式

開敞式TBM施工過程中，主機底部經(jīng)常會出現(xiàn)大量殘渣，部分來源于刀盤破巖后鏟斗清理不徹底，部分來源于圍巖坍塌。由于主機底部作業(yè)空間、主機結(jié)構(gòu)的限制，主機底部殘渣清理作業(yè)效率低下，在一定程度上影響了TBM的正常掘進。

主機底部殘渣清理方式主要有以下幾種:

1)人力清渣。完全依靠人力，將殘渣倒運至有軌運輸車輛上，再運輸出洞，勞動強度大、作業(yè)效率低。

2)小皮帶機清渣。在主機主軸承后方、底部安裝小皮帶機，依靠人力將底部殘渣裝載到皮帶機上，再通過皮帶機、前下支撐的預(yù)留孔送回到刀盤區(qū)域，通過刀盤鏟斗裝載到主機皮帶機上。小皮帶機的作業(yè)環(huán)境惡劣、故障頻發(fā)，加之依靠人力裝載，作業(yè)效率低下。例如西康鐵路秦嶺隧道的TBM就是采用小皮帶機清渣，但在后續(xù)工程中，已經(jīng)取消。

3)真空清渣。目前，部分TBM制造商推薦采用真空清渣系統(tǒng)，將殘渣、泥漿、污水一并抽取到分離器內(nèi)并對固態(tài)和液態(tài)物料實施分離，之后固態(tài)殘渣通過TBM上的皮帶機運輸至后配套，液態(tài)物質(zhì)通過TBM排水系統(tǒng)排放。據(jù)說該系統(tǒng)在國外已經(jīng)有應(yīng)用實例，并且使用效果較好，但國內(nèi)尚無應(yīng)用。

4)機械化清渣。如果隧道斷面合適，通過優(yōu)化設(shè)計，在主機底部預(yù)留較大空間，可配置小型裝載機或者挖掘機，實施機械化清渣作業(yè)，其效率大大提升。但部分區(qū)域仍然會殘留少量的殘渣，仍然需要人工輔助。例如錦屏二級電站引水洞、吐庫二線鐵路中天山隧道TBM就是采用小挖機清渣，應(yīng)用效果較好，特別是遇到圍巖坍塌時，其優(yōu)勢更加明顯。

6 人性化設(shè)計

TBM掘進性能的正常發(fā)揮，不僅取決于主機性能，同時受到配套設(shè)備效能以及人員工作效率的影響，為此在TBM上引入了人性化設(shè)計，主要體現(xiàn)在以下4個方面。

1)初期支護作業(yè)空間的合理化設(shè)計。為錨桿鉆機、鋼拱架安裝器等設(shè)備提供較大的作業(yè)空間，為施工人員提供安全、便捷的作業(yè)平臺與空間。

2)通暢的物料運輸系統(tǒng)?？蓽p少施工材料在TBM上的倒運工序，提高工作效率。

3)貫通前后的人員通道。盡量減少爬梯或臺階，為作業(yè)人員提供方便、安全的通行環(huán)境。

4)合理利用TBM上的空間。在作業(yè)位置附近預(yù)留必要的鋼軌、錨桿、鋼拱架等施工材料存儲空間，存儲量基本上可供一天或者一個工班掘進之需。

7 結(jié)論與討論

TBM設(shè)計制造和施工技術(shù)是在工程實踐中不斷發(fā)展和完善的，經(jīng)過多年的發(fā)展，其適應(yīng)性、掘進性能、初期支護性能不斷提升，施工安全、質(zhì)量、速度不斷提高，這是制造商、施工企業(yè)、項目業(yè)主良好合作、共同努力、相互促進的結(jié)果。

TBM技術(shù)在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用，根據(jù)工程需求，機型更加豐富、適應(yīng)能力更強、設(shè)備性能更可靠、設(shè)備完好率不斷提高、初期支護手段更多、效率更高，主機底部與后配套尾部殘渣清理機械化程度和作業(yè)效率不斷提高，施工及維護成本相對降低。

根據(jù)目前TBM的工程應(yīng)用，超前地質(zhì)預(yù)報、超前地質(zhì)加固方面仍需進一步深入研究，使其能夠在施工過程中真正發(fā)揮指導(dǎo)施工、預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害的作用，可以極大拓展TBM對工程地質(zhì)條件的適應(yīng)能力。

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