CCS項目雙護盾硬巖掘進機調(diào)向控制及姿態(tài)調(diào)整

楊 飛

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

隨著雙護盾TBM廣泛使用于不同地質(zhì)條件下的隧洞開挖，其隧洞掘進方向的控制與工程質(zhì)量有著直接關(guān)系。在采用雙護盾施工的隧洞項目中，一般采用的是管片安裝一次成型的支護模式，若出現(xiàn)掘進方向過快或過猛，會對主機設(shè)備造成一定的損壞，亦給管片的安裝造成一定困難。對其進行處理，必定會在時間及隧洞成型質(zhì)量上出現(xiàn)一定的問題。

在TBM掘進過程中，因地質(zhì)條件或設(shè)備自身問題會造成TBM出現(xiàn)機頭下沉、滾動、正V字形或反V字形的非正常姿態(tài)等，若對其不及時進行處理調(diào)整，會對設(shè)備造成極大地?fù)p壞，并且會造成預(yù)支管片出現(xiàn)滾動等問題。

CCS項目位于厄瓜多爾共和國Napo和Sucumbios省內(nèi)，其輸水隧洞總長24.83 km，設(shè)計引水流量為222 m3/s，設(shè)計內(nèi)徑8.2 m，采用全襯砌結(jié)構(gòu)形式。輸水隧洞遇到的主要地質(zhì)問題有高地應(yīng)力、高地溫、涌水等。其中高地應(yīng)力區(qū)內(nèi)構(gòu)造運動劇烈，斷層較發(fā)育，巖性以堅硬、性脆的火山巖和侵入巖為主，易產(chǎn)生地應(yīng)力聚集，可能會發(fā)生變形、崩解、巖爆等破壞現(xiàn)象。鉆孔注水實驗表明，隧洞上覆巖體多屬弱透水(砂巖、石灰?guī)r)或透水(火山巖)，少量為不透水層(頁巖、侵入巖)，巖體本身不易發(fā)生規(guī)模較大的集中滲流、涌水或爆發(fā)性突水。但受地質(zhì)構(gòu)造力影響，局部可能會遇到突水(構(gòu)造裂隙水)。高地應(yīng)力和涌水給TBM施工帶來不同的挑戰(zhàn)和考驗。該輸水隧洞采用2臺雙護盾掘進機施工為主， 其中S-672 TBM2完成13.4 km的工程量 。

2 控制掘進方向的因素

CCS項目S-672TBM2采用的是VMT導(dǎo)向系統(tǒng)，VMT導(dǎo)向系統(tǒng)提供給操作手比較直觀的TBM姿態(tài)及掘進方向的趨勢信息。掘進方向控制的最終目標(biāo)是趨近或吻合隧洞設(shè)計軸線，達到隧洞成型的設(shè)計要求及質(zhì)量要求。掘進方向的影響因素是多方面的，如操作手自身的因素、盾體自重、TBM姿態(tài)及滾動、地質(zhì)原因、滾刀磨損程度等。

2.1 操作手自身因素

操作手在TBM操作、設(shè)備保護、規(guī)避風(fēng)險中起到?jīng)Q定性的作用，操作室是整個TBM的控制中心與指揮中心。操作手需具備對專業(yè)的理解。對地質(zhì)情況有一般性的了解，如地質(zhì)表達的含義，各種地質(zhì)現(xiàn)象的特性，推力的簡單計算，導(dǎo)航系統(tǒng)坐標(biāo)的簡單計算，扭矩的組成，對轉(zhuǎn)彎半徑的理解等；對TBM工作原理的理解,如對TBM運行中各項參數(shù)的理解，TBM盾體的長度、直徑、尾盾間隙等；對管片的理解，如轉(zhuǎn)彎時的管片安裝，管片的選擇與尾盾的關(guān)系等。操作手不僅是操作機器，而且要時刻關(guān)注設(shè)備的運行情況，操作手要有良好的身心素質(zhì)，遇事要進行冷靜的分析處理，切勿慌張忙亂。

2.2 盾體自重

S-672雙護盾硬巖掘進機由2個主要部分組成：撐靴盾和前盾(兩個盾體通過推進油缸相互連接)。前護盾內(nèi)有刀盤、刀盤支撐體、刀盤驅(qū)動馬達、變速箱和主軸承。撐靴盾內(nèi)有撐靴系統(tǒng)、輔助推進系統(tǒng)。硬巖掘進機既可以通過撐靴盾的支撐單元在隧洞中沿徑向充分撐住，在地質(zhì)條件差的情況下也可以支撐在已安裝好的管片上。在掌子面巖層不足以穩(wěn)定刀盤的情況下，就會出現(xiàn)TBM調(diào)向難以控制的狀況，一般表現(xiàn)為機頭快速下沉，造成TBM姿態(tài)出現(xiàn)偏差，從而給TBM調(diào)向工作帶來極大的困難，嚴(yán)重時會造成設(shè)備損壞。

2.3 TBM的姿態(tài)及滾動

這里所談到的TBM姿態(tài)主要是指TBM前盾和撐靴盾體的相對位置，TBM前盾及撐靴盾體的滾動。TBM本身具有自動滾動糾正的功能，但有時也會出現(xiàn)無法正常糾正的問題，若出現(xiàn)姿態(tài)問題，要及時進行處理。若出現(xiàn)正“V”字或反“V”字等姿態(tài)時，在巖層較好的情況下也不能進行可控的調(diào)向或調(diào)向偏差過大，此時會造成隧洞成型質(zhì)量問題或滾刀損壞、管片安裝困難、油缸損壞等問題。

2.4 地質(zhì)原因

在TBM施工過程中會遇到不同巖層，以及巖層節(jié)理發(fā)育的方向、掌子面巖層軟硬不均、撐靴盾體及前盾外側(cè)圍巖大面積垮塌等。在軟弱圍巖中，撐靴壓力不宜太高，否則可能會壓碎洞壁巖石，造成坍塌；撐靴壓力的大小取決于洞壁巖石的完整性及其飽和抗壓強度。撐靴部位由于圍巖抗壓強度不能抵抗撐靴的反力，易造成撐靴打滑，致使撐靴部位遭受二次擾動，從而引起調(diào)向困難、不可控。在硬巖情況下，調(diào)向相對比較穩(wěn)定，但在對刀具磨損較嚴(yán)重后還是可能造成TBM調(diào)向難以控制。在CCS項目S-672 TBM2前期施工過程中遇到多次問題，嚴(yán)重影響TBM的管片安裝質(zhì)量和整個隧洞成型質(zhì)量。

2.5 滾刀的磨損程度

對于TBM調(diào)向，滾刀的更換和日常維護尤為重要，其對TBM的掘進參數(shù)和掘進方向具有決定性作用。CCS項目S-672 TBM2一般使用刀具的數(shù)量為：滾刀(單刃)53把、中心雙刃滾刀4把(滾刀直徑為19in,1in=2.54 cm)。其中刀號為58、59、60、61的四把邊滾刀對調(diào)向影響較大。在巖層較硬的情況下，邊刀磨損過量直接導(dǎo)致機頭快速抬頭或快速朝一邊滑動而難以控制；反而在巖層較軟的情況下，邊刀若為新刀或沒有較大磨損，機頭極易快速下沉且方向不宜控制。

3 解決措施

為了及時進行TBM軸線調(diào)整，更好地控制掘進方向，激光器的安裝應(yīng)準(zhǔn)確，應(yīng)定期對VMT的測量點進行校準(zhǔn)，保證VMT導(dǎo)向偏差在±50 mm，從而給TBM調(diào)向提供良好的基礎(chǔ)。在CCS項目TBM2作業(yè)過程中，根據(jù)不同的掘進方式，我們總結(jié)出了一套操作理論，用以指導(dǎo)操作手的掘進工作，從而更好地進行了調(diào)向和姿態(tài)控制。在S-672 TBM2操作過程中，一般情況下，對刀盤轉(zhuǎn)矩、電流大小、推力制定了一組參考值，其中刀盤轉(zhuǎn)矩最大為4.5 MN·m、電流大小為最大值的80%、推力最大為17 500 kN。在此參考值下進行調(diào)向和姿態(tài)調(diào)整，可以保證對主軸承、主機油缸、刀盤結(jié)構(gòu)、滾刀等起到保護作用。

3.1 對于操作手自身因素引起的故障

操作手應(yīng)該隨時注意操作界面的掘進參數(shù)變化以及TBM所處的姿態(tài)，并時刻觀察皮帶出渣情況及巖石變化情況等。針對不同情況制定不同掘進參數(shù)的設(shè)定，以最優(yōu)方案進行TBM掘進。而且操作手必須要規(guī)避風(fēng)險，更好地保護TBM設(shè)備上的工作人員安全、設(shè)備安全及隧洞成型質(zhì)量等，并確保TBM的掘進效率。

要求操作手本人應(yīng)具有較好的專業(yè)素質(zhì)和心理素質(zhì)，在調(diào)向處理問題上要冷靜分析，對自己的每一個操作負(fù)責(zé)，最大限度地避免因操作失誤引起的設(shè)備損壞和施工質(zhì)量問題等。

3.2 對于盾體自重問題

在不同的地質(zhì)情況下，作為操作手，在操作過程中應(yīng)盡量避免主推缸油缸A組行程大于C組，若A組油缸大于C組油缸行程，在掘進過程中，機頭會快速下沉而難以控制；若遇到不良地質(zhì)條件，其掘進過程肯定會遇到機頭趨勢難以控制等問題。此時，應(yīng)盡快進行姿態(tài)調(diào)整，最大限度地保證設(shè)備安全。

3.3 TBM姿態(tài)和滾刀問題

在操作過程中，應(yīng)盡量避免TBM姿態(tài)扭曲或出現(xiàn)異常姿態(tài)，如正“V”字形、反“V”字形、滾動嚴(yán)重等。出現(xiàn)此類問題后，切勿盲目進行掘進工作，應(yīng)停止掘進，要求電氣人員對液壓和電氣系統(tǒng)進行檢查，若正常則可開始進行姿態(tài)校正，以保證TBM正常運行。對于姿態(tài)問題，在掘進過程中要保證TBM前盾體和撐靴盾體的趨勢方向要趨向隧洞設(shè)計軸線，前盾和撐靴盾的中心軸線要在同一條直線上。在S-672 TBM2上，我們采用換步糾正的方法，在換步過程中利用Brake鍵調(diào)整撐靴盾的姿態(tài)，即俯仰角、輔助缸行程差值、盾尾管片間隙等。

3.4 地質(zhì)因素

在軟巖情況下，應(yīng)保證撐靴壓力在180 bar左右。一般情況下，當(dāng)掘進速度高于50 mm/min時必須密切關(guān)注皮帶出渣量的大小，考慮皮帶承渣量的能力。如若超出皮帶承渣量則必須進行掘進參數(shù)的調(diào)整，保證設(shè)備正常運行。在硬巖情況下，應(yīng)保證撐靴壓力在240 bar左右，若巖石過硬，將造成各項掘進參數(shù)過高，可根據(jù)參考值進行掘進參數(shù)的調(diào)整。在換步過程中，要對撐靴盾體進行控制。在保護設(shè)備的最大限度下進行TBM調(diào)向控制和TBM姿態(tài)調(diào)整。

3.5 滾刀磨損程度影響因素

在日常的換刀過程中，應(yīng)結(jié)合最近兩天巖層的變化情況確定換刀方案。切勿大面積一次性更換，如此實施不僅加大了刀具耗損量，而且給TBM調(diào)向控制造成了一定困難。在日常工作中，應(yīng)加強操作手和刀盤維護人員的溝通工作，使刀盤維護人員對巖層變化有一定的了解，從而制定出適合不同巖石變化情況的換刀方案。

4 S-672 TBM2調(diào)向控制及姿態(tài)調(diào)整研究

在正常掘進條件下，我們盡量保證TBM運行效率最高，保證正常生產(chǎn)進度及設(shè)備的安全。在TBM調(diào)向過程中，TBM的姿態(tài)對于調(diào)向尤為重要。在S-672 TBM2的操作過程中，一般情況下，對刀盤轉(zhuǎn)矩、電流大小、推力制定了一組參考值，其中刀盤轉(zhuǎn)矩最大為4.5 MN·m、電流大小為最大值的80%、推力最大為17 500 kN。在S-672 TBM2的操作中，我們常用的調(diào)向方法和姿態(tài)調(diào)整方法及操作過程中的注意事項介紹如下。

在具體的調(diào)向過程中，當(dāng)掘進方向偏離隧洞設(shè)計軸線±30 mm內(nèi)，基本調(diào)向控制原則是“以穩(wěn)為主”，不進行調(diào)向，僅在此范圍內(nèi)進行控制。當(dāng)掘進方向偏離隧洞設(shè)計軸線±30 mm時，進行掘進方向的調(diào)整，將每一掘進循環(huán)調(diào)整在5 mm以內(nèi)為好，否則會引起管片安裝困難等問題的出現(xiàn)。一般油缸行程設(shè)置參數(shù)如下：主推行程1.87 m，輔助油缸行程2.35 m。CCS項目采用管片砌襯的方式進行支護，管片有兩種類型：左環(huán)和右環(huán)。可通過管片的選型對盾尾間隙進行控制，但僅允許以一環(huán)左環(huán)、一環(huán)右環(huán)的方式進行管片安裝。一般情況下，一左環(huán)一右環(huán)安裝完成后，在操作室輔助缸左右兩組油缸行程顯示基本上一致(排除因非正常原因引起的管環(huán)轉(zhuǎn)動造成的行程差異)。

4.1 在雙護盾模式下對掘進方向進行的控制

在S-672 TBM2調(diào)向過程中，我們基本上依照的原則是“以撐靴盾位置定TBM調(diào)向控制”。在前期操作調(diào)向過程中，發(fā)現(xiàn) TBM極易向右偏移，盡管主推行程左側(cè)行程小于右側(cè)行程，但是依據(jù)VMT導(dǎo)向系統(tǒng)測出TBM向右偏移且偏移較快,導(dǎo)致我們調(diào)向控制不可控，成為不可控制因素。

在雙護盾模式下，一般要求主推上下兩組油缸行程差值最大為12 cm(A組和C組)，左右兩組油缸行程差最大為6 cm(B組和D組)，但盡量避免主推行程A組大于C組的情況出現(xiàn)。而對于輔助油缸，一般要求上下兩組油缸差值在7 cm以內(nèi)(A組和C組)，左右兩組油缸差值在3 cm 以內(nèi)(B組和D組且在理論上管片平面垂直TBM所處軸線)。在S-672 TBM2上采用Brake組控制鍵在換步過程中進行輔助油缸行程控制，并保證A組行程大于C組，其行程差值保證在0～7 cm(此范圍參考撐靴盾體的仰角進行控制，仰角一般保證在0～4 mm/m，保證管片在換步過程中不會產(chǎn)生較大錯臺、變形和損壞，且保證為下一環(huán)的安裝提供合適的盾尾間隙)，保證右邊行程大于左邊行程不大于3 cm( 此差值克服機頭向右偏離的差值)，從而給主推行程差值控制提供參考，使調(diào)向變成很準(zhǔn)確的可控調(diào)整。在換步過程，我們不僅要控制差值，還要從換步聲音和換步速度上判斷盾尾間隙是否控制合理及撐靴盾體與圍巖的相對間隙是否合適。在雙護盾模式時要保證選擇“Displacement thrust cylinder negative”選項，對所有輔助油缸進行多次收回和頂出動作，以確保采用校正油缸來調(diào)整輔助油缸位置。

4.2 在單護盾模式下對掘進方向的控制

在長距離不良地質(zhì)條件下，一般采取單護盾模式進行掘進，以保證管片的安裝質(zhì)量。如若繼續(xù)采取雙護盾模式掘進，會出現(xiàn)撐靴盾滑動造成已安裝管片的破損及TBM姿態(tài)失去控制從而造成掘進方向不可控制的情況。在切換單護盾模式時，要保證選擇“Displacement thrust cylinder positive”選項，對所有輔助油缸進行多次收回和頂出動作，以確保采用校正油缸來調(diào)整輔助油缸位置，以保證在單護盾模式下掘進不會造成安裝好的管環(huán)快速轉(zhuǎn)動(非正常轉(zhuǎn)動)。在單護盾模式時，一般要保證主推上下兩組行程差值設(shè)置在10 cm以內(nèi)(A組大于C組)，將左右行程差值控制在±5 cm以內(nèi)。將輔助油缸上下兩組油缸差值控制在7 cm 以內(nèi)(TBM調(diào)向趨于穩(wěn)定)；對于左右油缸行程的控制，以雙護盾模式下對其差值控制要求為準(zhǔn)。每一掘進行程TBM調(diào)向保證在5 mm以內(nèi)，以保證盾體與圍巖之間間隙均勻，不會對圍巖造成破壞性的擾動。

4.3 在混合模式下掘進

在不良地質(zhì)情況中進行掘進時，采用單護盾模式掘進也會出現(xiàn)撐靴盾體下沉且難以控制的情況，從而給方向控制帶來困難。對于單護盾出現(xiàn)的此類問題很難進行校正，而采用雙護盾模式則很容易進行調(diào)整。但在混合模式下進行掘進必須盡量少地對圍巖造成損壞，一般采用雙護盾掘進20 cm行程后換步調(diào)整撐靴盾體的仰角并以差值的小換步模式進行姿態(tài)調(diào)整，多次采用小換步模式進行調(diào)整以達到正常的TBM姿態(tài)，再改用單護盾模式進行掘進。小換步模式將巖層擾動的可能性降到最低，從而保證了巖層的穩(wěn)定性，糾正了TBM 姿態(tài)，并給掘進方向的控制提供了準(zhǔn)確的控制基礎(chǔ)。

4.4 TBM滾動的調(diào)整

TBM滾動主要是參考前盾體滾動和撐靴盾體的滾動值。一般出現(xiàn)滾動問題后，首先要求電氣人員進行查看是否滾動并糾正系統(tǒng)故障。只有在排除了電氣故障后，才可以采用手動模式進行滾動調(diào)整。在正常雙護盾模式掘進下不會有滾動異常情況發(fā)生，除非出現(xiàn)因電氣原因造成滾動自動糾正系統(tǒng)不能正常運行的情況；如若出現(xiàn)，僅采用反轉(zhuǎn)刀盤的方式即可解決，或在換步過程中進行自動調(diào)整。

一般情況下，采用單護盾模式掘進會出現(xiàn)前盾和撐靴盾體的滾動值為負(fù)值(與刀盤轉(zhuǎn)向有直接關(guān)系)的情況。由于巖層關(guān)系不能切換雙護盾模式進行掘進，就必須在單護盾模式下掘進而調(diào)整滾動值。在滾動調(diào)整過程中，先調(diào)整前盾體的滾動值(其滾動值在±3 cm內(nèi)均為正常值，)，主要采用手動開啟“Manuel anti-roll system front shield Left/Gripper Right”選項(其作用為前盾滾動由負(fù)值向正值調(diào)整)和 “Manuel anti-roll system front shield Right/Gripper Left”(正值向負(fù)值調(diào)整)。對于撐靴盾體的滾動只可以在推進中自動糾正。具體的操作方式如下：先將穩(wěn)定器壓力降到最低或直接收回→根據(jù)實際情況選取前盾調(diào)整手動模式選項 → 啟動刀盤(刀盤轉(zhuǎn)速1 r/min左右)，糾正滾動變化值為5 →穩(wěn)定器頂出為最大壓力、取消前盾糾正選項、停止刀盤 → 進行正常掘進，糾正撐靴盾體的滾動變化值為5時停止掘進→重復(fù)進行上述步驟進行調(diào)整，直至達到正常值。

5 結(jié) 語

筆者對厄瓜多爾CCS項目S-672 TBM2調(diào)向控制和姿態(tài)調(diào)整進行了分析和總結(jié)，并制定出了一套適合此TBM正常運行的操作調(diào)向方法及注意事項。CCS項目S-672 TBM2在施工過程中取得了優(yōu)異成績，隧洞成型質(zhì)量大幅度提升，筆者總結(jié)出了以下幾個特點：

(1) TBM 掘進方向在±30 mm內(nèi)，調(diào)向原則以穩(wěn)為主；掘進方向偏離隧道設(shè)計軸線大于±30 mm 時進行方向調(diào)整，掘進每一個行程調(diào)整 為5 mm以內(nèi)為最佳調(diào)向原則。

(2) TBM在雙護盾模式下其換步過程結(jié)合Brake控制組進行控制，可以進行撐靴盾體的調(diào)整，保證撐靴盾體仰角為0～4 mm/m，在管片一左環(huán)一右環(huán)安裝的平面上，輔助油缸上下差值為0～7 mm，左右油缸差值最大為3 mm。

(3) 保證TBM以正常姿態(tài)掘進，使TBM可以更加準(zhǔn)確地調(diào)向，保證管片的安裝質(zhì)量并最大限度地保護設(shè)備。

(4) 在不同的地質(zhì)條件下，操作手要合理的選擇單護盾模式、雙護盾模式、混合模式等，最大限度地規(guī)避風(fēng)險，保護設(shè)備及工作人員的安全，保證TBM的施工效率、質(zhì)量等。

作者簡介:

楊 飛(1987-)，男，陜西商洛人，助理工程師，學(xué)士， 從事TBM操作工作.

(責(zé)任編輯：李燕輝)