敞開(kāi)式TBM轉(zhuǎn)場(chǎng)檢修及步進(jìn)的關(guān)鍵問(wèn)題

劉 芳，羅曉軍

（1.遼寧省水利工程建設(shè)質(zhì)量與安全監(jiān)督中心站，遼寧沈陽(yáng)110003；2.遼寧省葠窩水庫(kù)管理局，遼寧遼陽(yáng)111000）

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敞開(kāi)式TBM轉(zhuǎn)場(chǎng)檢修及步進(jìn)的關(guān)鍵問(wèn)題

劉 芳1，羅曉軍2

（1.遼寧省水利工程建設(shè)質(zhì)量與安全監(jiān)督中心站，遼寧沈陽(yáng)110003；2.遼寧省葠窩水庫(kù)管理局，遼寧遼陽(yáng)111000）

摘要：文章基于遼寧某重點(diǎn)水利工程5臺(tái)敞開(kāi)式TBM轉(zhuǎn)場(chǎng)施工過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了滑板式步進(jìn)的保障措施及羅賓斯機(jī)型檢修需注意的問(wèn)題，可供后續(xù)施工人員參考。

關(guān)鍵詞：敞開(kāi)式TBM；步進(jìn)；檢修

1 背景及目的

1.1 背景

敞開(kāi)式 TBM每掘進(jìn)5～8km距離則需停機(jī)大范圍檢修一次，檢修后設(shè)備方可進(jìn)行下一段隧洞開(kāi)挖工作。兩段TBM掘進(jìn)隧洞間隔段常采用鉆爆法開(kāi)挖，長(zhǎng)度在300～4500m不等。在鉆爆段內(nèi)，由于洞壁不規(guī)則，TBM無(wú)法依靠撐靴向前推進(jìn)，而需依靠步進(jìn)進(jìn)行步進(jìn)式前進(jìn)。然而，因土建施工及TBM檢修項(xiàng)目的影響，后續(xù)設(shè)備掘進(jìn)效率受到較大制約以致影響總體施工工期，對(duì)施工單位造成一定程度的經(jīng)濟(jì)損失。

1.2 目的

如何保證設(shè)備快速步進(jìn)的同時(shí)完成設(shè)備檢修任務(wù)，確保后期掘進(jìn)過(guò)程中的穩(wěn)定運(yùn)行成為TBM轉(zhuǎn)場(chǎng)施工期間的重要技術(shù)難點(diǎn)。本文結(jié)合遼寧某重點(diǎn)水利工程5臺(tái)羅賓斯敞開(kāi)式TBM轉(zhuǎn)場(chǎng)過(guò)程中的使用經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)分析了滑板式步進(jìn)過(guò)程中的影響因素及羅賓斯機(jī)型檢修應(yīng)關(guān)注的問(wèn)題。

2 TBM步進(jìn)施工及設(shè)備檢修普遍存在問(wèn)題

2.1 步進(jìn)及其工作原理

敞開(kāi)式TBM步進(jìn)裝置的原理是運(yùn)用步進(jìn)滑板與混凝土地面的摩擦系數(shù)大于滑板與鋼板間摩擦系數(shù)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)裝置的推動(dòng)作用［1］。在步進(jìn)作業(yè)時(shí)，主要依靠步進(jìn)油缸推動(dòng)機(jī)頭架在步進(jìn)滑板上依靠滑動(dòng)摩擦前進(jìn)。由于鋼板與步進(jìn)油缸行程有限，每個(gè)步進(jìn)行程結(jié)束之后，左右護(hù)盾下方的舉升油缸伸出將主機(jī)部分頂起，以便步進(jìn)油缸能將鋼板向前拖動(dòng)。如此循環(huán)，TBM即可不斷向前移動(dòng)。

2.2 土建施工對(duì)步進(jìn)的影響

2.2.1 底板質(zhì)量對(duì)步進(jìn)的影響

首先，底板及導(dǎo)向槽的澆筑質(zhì)量直接影響著TBM步進(jìn)的速度。目前 TBM步進(jìn)底板澆筑后普遍平整度較差，TBM步進(jìn)過(guò)程中平整度誤差傳導(dǎo)至主機(jī)導(dǎo)致其將上下起伏，同時(shí)步進(jìn)油缸的壽命亦受到極大影響，當(dāng)步進(jìn)油缸前后高度差達(dá)到一定量時(shí)，油缸將出現(xiàn)不可逆的損害。其次，左右底板高度差亦尤為重要，當(dāng)千斤頂油缸向外伸出時(shí)，若作業(yè)底板高度差較大，整個(gè)刀盤及護(hù)盾部分將向一側(cè)傾斜，甚至倒向洞壁，這將迫使步進(jìn)過(guò)程終止。最后，確保導(dǎo)向槽直線度，因?yàn)橹鳈C(jī)部分將嚴(yán)格按照導(dǎo)向槽方向行走，一旦導(dǎo)向槽存在直線度誤差，誤差將傳遞給主機(jī)，并對(duì)主機(jī)結(jié)構(gòu)件造成額外應(yīng)力形成安全隱患。

2.2.2 傳統(tǒng)超欠挖測(cè)量方式的缺陷

傳統(tǒng)方法測(cè)量步進(jìn)段超欠挖一般以直角坐標(biāo)法、激光斷面儀法為主，該辦法雖然可在理論上測(cè)量隧洞超欠挖數(shù)據(jù)，但在實(shí)際施工中存在較大缺陷。從理論上看傳統(tǒng)檢測(cè)方法僅可保證隧洞欠挖處理按照設(shè)計(jì)圖紙執(zhí)行。但在實(shí)際施工中，TBM步進(jìn)是延底板導(dǎo)向槽行走，導(dǎo)向槽在澆筑過(guò)程中必將存在精度誤差，該誤差在TBM步進(jìn)過(guò)程中將通過(guò)步進(jìn)滑板逐級(jí)傳遞到TBM刀盤乃至后方結(jié)構(gòu)件上并導(dǎo)致刀盤前進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)欠挖區(qū)域。

2.2.3 積水對(duì)步進(jìn)滑板的破壞

由于機(jī)頭架與步進(jìn)滑板間布滿起到潤(rùn)滑作用的黃油，施工段常存在積水，一旦黃油遇水油脂會(huì)乳化失效并加速丟失。刀盤支撐下部鋼板與步進(jìn)滑板處于干磨狀態(tài)，很可能導(dǎo)致在步進(jìn)段尚未完成前滑板被磨穿或底護(hù)盾下方鋼板被磨變形。

2.3 機(jī)械部件的檢修對(duì)后續(xù)掘進(jìn)的影響

在TBM轉(zhuǎn)場(chǎng)過(guò)程中，主機(jī)檢修工作分兩個(gè)階段進(jìn)行，分別是檢修準(zhǔn)備階段和檢修階段。檢修準(zhǔn)備工作的任務(wù)是檢測(cè)并全面掌握TBM設(shè)備技術(shù)狀況，制定合理檢修方案及檢修計(jì)劃，完成檢修過(guò)程中的人員、設(shè)備、配件、材料等資源準(zhǔn)備工作。在貫通前1km逐部件、逐系統(tǒng)對(duì)TBM設(shè)備進(jìn)行調(diào)查和檢測(cè)。調(diào)查工作主要是對(duì)設(shè)備前期運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行摸底，根據(jù)運(yùn)轉(zhuǎn)情況判斷設(shè)備可能的狀態(tài)；檢測(cè)工作是通過(guò)一定的技術(shù)手段對(duì)每個(gè)部件、每個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)方法主要是使用檢測(cè)儀器進(jìn)行帶載、空載檢測(cè)、外觀目測(cè)、抽樣拆檢等方法。TBM主機(jī)部分主要檢測(cè)部件為刀盤、主軸承及其密封、推進(jìn)油缸、錨桿鉆機(jī)平臺(tái)、水平油缸十字銷軸、鞍架耐磨條、噴混凝土系統(tǒng)。

步進(jìn)洞段距離長(zhǎng)短根據(jù)相關(guān)工程的具體情況有所不同，一般步進(jìn)距離保持在0.3～4km之間。設(shè)備貫通后，按照羅賓斯技術(shù)規(guī)范要求，在TBM正式步進(jìn)開(kāi)始前，施工單位需拆除推進(jìn)油缸與撐靴的連接銷軸，以防油缸活塞及活塞桿在步進(jìn)過(guò)程中始終跟隨主梁和撐靴鞍架的前移往復(fù)伸縮。由于拆除連接銷軸費(fèi)時(shí)費(fèi)力，許多施工單位常常不按技術(shù)要求執(zhí)行。在此情況下，推進(jìn)油缸活塞將在主梁帶動(dòng)下反復(fù)前后伸縮，因此時(shí)油缸內(nèi)已無(wú)充足的液壓油，殘留的部分油脂僅堆積在油缸底部，加之設(shè)備步進(jìn)速度要遠(yuǎn)大于掘進(jìn)速度，因此油缸伸縮速度、磨損速度將大大加快，其磨損部位為活塞上部圓周；如混導(dǎo)向槽澆筑過(guò)程中存在水平方向偏差，則油缸亦將出現(xiàn)側(cè)向磨損。

在掘進(jìn)行程里，撐靴撐住洞壁，后支撐收起，主梁重力由鞍架承受并傳遞給撐靴，鞍架主要為下方耐磨條磨損；換步行程中，后支撐落下，撐靴縮回并隨鞍架向前行走，此時(shí)鞍架及撐靴重力由主梁承受，鞍架上方耐磨條磨損。因此，在一段距離的掘進(jìn)施工后，鞍架上下耐磨條均存在不同程度磨損，需在轉(zhuǎn)場(chǎng)檢修前購(gòu)買備件、制定相應(yīng)更換方案并在TBM轉(zhuǎn)場(chǎng)過(guò)程中及時(shí)更換。

上述情況將為設(shè)備后續(xù)掘進(jìn)埋下隱患，對(duì)掘進(jìn)效率造成較大影響。

3 TBM步進(jìn)檢修的改進(jìn)方案

3.1 土建施工的改進(jìn)方案

3.1.1 底板混凝土的質(zhì)量控制

TBM步進(jìn)段土建施工必須嚴(yán)格按照?qǐng)D紙要求施工，TBM前步進(jìn)裝置寬5743mm，需特別注意底部不允許欠挖，開(kāi)挖底板澆筑時(shí)嚴(yán)格控制平整度，在澆筑完成后，需對(duì)整個(gè)步進(jìn)段進(jìn)行尺寸復(fù)測(cè)，左右兩側(cè)底板高差保持在5cm以內(nèi)。

鑒于步進(jìn)滑板結(jié)構(gòu)上部為半圓弧型，其半徑、弧度與刀盤及機(jī)頭架相配合。若 TBM貫通時(shí)精度誤差較大，刀盤移至步進(jìn)滑板過(guò)程中將形成卡滯情況，在滑板與導(dǎo)向槽已安裝完畢無(wú)法移動(dòng)的情況下，刀盤及機(jī)頭架部分質(zhì)量約達(dá)300t，水平移動(dòng)難度極大。另外，應(yīng)考慮到貫通面圍巖穩(wěn)定性的問(wèn)題。若巖石較破碎，TBM貫通后刀盤及機(jī)頭架受重力影響會(huì)出現(xiàn)下沉現(xiàn)象，其下沉度在3～5cm左右。因此，建議在TBM貫通前應(yīng)開(kāi)挖Φ 0.3～0.5m，長(zhǎng)度30m的導(dǎo)洞并及時(shí)調(diào)整刀盤位置，使之貫通時(shí)水平誤差盡量減小，垂直誤差應(yīng)比設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高出8～10cm。

3.1.2 欠挖檢測(cè)

就步進(jìn)段超欠挖問(wèn)題，建議采用模擬刀盤法施工。該方法完全模擬了TBM步進(jìn)過(guò)程中的刀盤各點(diǎn)的軌跡，有效地確認(rèn)了欠挖區(qū)域，施工單位可提前處理，為TBM步進(jìn)做好準(zhǔn)備。

3.1.3 排水

對(duì)于長(zhǎng)距離、有坡度的步進(jìn)段，污水無(wú)法實(shí)現(xiàn)自流排水，施工人員需在洞內(nèi)安裝排水泵將污水排至主支洞交叉口，利用交叉口處集水池排水設(shè)備通過(guò)隧洞內(nèi)的多級(jí)梯級(jí)排水排除洞外。正常施工排水采取1套排水管路，如遭遇突發(fā)涌水可采取2套排水管路同時(shí)運(yùn)行，確保設(shè)備和人員安全。

3.2 拆除推進(jìn)油缸與撐靴連接銷軸

在拆卸連接銷時(shí)，需在銷軸下方焊接U型架，將20t千斤頂固定在U型架底部。操作手需以換步方式前后移動(dòng)撐靴，與此同時(shí)千斤頂逐步施加作用力，選擇銷軸摩擦力最小位置停止撐靴移動(dòng)并通過(guò)千斤頂逐步施加作用力將銷軸取出。銷軸取出時(shí)切忌不可在固定位置強(qiáng)行施加外力以防相關(guān)零件造成不可逆損壞。

3.3 更換鞍架耐磨條與水平十字銷軸

羅賓斯設(shè)備設(shè)有水平撐靴十字銷軸，其作用在于為撐靴及水平油缸提供前后旋轉(zhuǎn)的自由度。但在面對(duì)不良地質(zhì)時(shí)，撐靴受洞壁破碎圍巖影響，其位置常有前后擺動(dòng)或傾斜，當(dāng)其位移較大時(shí)，十字銷軸擋圈及軸瓦易因此損壞。故在檢修過(guò)程中施工單位需制定相應(yīng)更換準(zhǔn)備。在更換過(guò)程中，需在鞍架下方搭建腳手架，拆卸鞍架連接螺栓，之后使用千斤頂分別頂出前后鞍架中心部位并更換銷軸。在此期間需確保撐靴向外伸出并撐住洞壁，通過(guò)洞壁提供的支撐反力將前后鞍架的左右部分壓緊在主梁滑道上，鞍架與滑道間的摩擦力有效抵消鞍架自身重力并保證了左右鞍架有效固定。

4 結(jié)語(yǔ)

本工程采用了多臺(tái)TBM施工，其中TBM5步進(jìn)距離超過(guò)2800m，TBM6步進(jìn)距離多達(dá)4412m，在采用了文中的改進(jìn)方案后分別用時(shí)56天、57天既完成了全部轉(zhuǎn)場(chǎng)工作；TBM8步進(jìn)距離2800m，因施工過(guò)程中土建質(zhì)量差，整個(gè)步進(jìn)轉(zhuǎn)場(chǎng)耗時(shí)105天，對(duì)后續(xù)工期影響嚴(yán)重。如何做好步進(jìn)施工是控制TBM工期的關(guān)鍵因素之一。本文針對(duì)TBM步進(jìn)系統(tǒng)的前期準(zhǔn)備及TBM易損結(jié)構(gòu)件的更換進(jìn)行了分析并提出了建議，希望可以為施工人員提供參考，也為其他類似工程提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

［1］曹寧寧.TBM洞內(nèi)平底板步進(jìn)施工技術(shù)［J］.建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理，2014（07）：86-89.

［2］蔡文華，劉長(zhǎng)喜.引洮總干渠9#隧洞TBM設(shè)備施工應(yīng)用及技術(shù)探討［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2012（02）：61-64.

［3］王躍峰，王立選，邵月順.深埋特長(zhǎng)隧洞TBM施工初探［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2005（04）：42-45.

［4］梁承喜.TBM法在山西引黃入晉工程中的應(yīng)用［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2002（04）：38-39+44.

［5］李曉晗，趙琳，許愛(ài)萍.Mcna11y系統(tǒng)在TBM隧洞施工中的應(yīng)用［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2014（06）：70-73.

［6］賀紅效.TBM長(zhǎng)隧洞施工質(zhì)量控制的關(guān)鍵技術(shù)［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2008（01）：10-11+19.

中圖分類號(hào)：U455.3+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1008-1305（2016）02-0103-02

DOI：10.3969/j.issn.1008-1305.2016.02.041

收稿日期：2016-02-15

作者簡(jiǎn)介：劉 芳（1971年—），女，高級(jí)工程師。