TBM施工中的問題分析與對(duì)策

（中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

TBM施工中的問題分析與對(duì)策

武志鵬，劉素彥

（中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

TBM設(shè)備集機(jī)械、電氣、液壓、PLC控制以及連續(xù)皮帶系統(tǒng)于一體，結(jié)構(gòu)龐大且復(fù)雜，作業(yè)環(huán)境惡劣，施工過程中難免會(huì)遇到各種問題。選取一些在TBM施工過程中經(jīng)常遇到且影響范圍較大的機(jī)械故障、刀具異常磨損、潤(rùn)滑系統(tǒng)油污染、通風(fēng)和除塵問題以及振動(dòng)過大等問題，分析導(dǎo)致問題產(chǎn)生的原因以及可能引起的后果，并針對(duì)各個(gè)問題提出切實(shí)可行的對(duì)策和解決辦法。

TBM施工；機(jī)械故障；刀具；振動(dòng)

1 問題的提出

在TBM施工過程中，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題, 都會(huì)直接影響掘進(jìn)效率, 甚至導(dǎo)致停機(jī)。每一個(gè)問題的排查和解決都要消耗大量的人力、物力，且占用寶貴的掘進(jìn)時(shí)間，損失較大[1]。TBM施工過程中經(jīng)常遇到的問題主要有：機(jī)械故障、刀具異常磨損、潤(rùn)滑系統(tǒng)油污染、通風(fēng)和除塵以及振動(dòng)過大等問題，在分析和解決問題過程中，需要針對(duì)性地進(jìn)行專業(yè)檢測(cè)，提前預(yù)防問題擴(kuò)大化和嚴(yán)重化，以及加強(qiáng)設(shè)備的日常維護(hù)工作等。

2 TBM施工中的問題分析與對(duì)策

2.1 機(jī)械故障的分析與對(duì)策

機(jī)械故障是TBM施工過程中較常見的問題之一，對(duì)TBM施工的連續(xù)性影響較大，若不及時(shí)處理，存在引起更大故障問題的隱患。這里將對(duì)TBM施工中所遇到的一些典型的機(jī)械故障進(jìn)行分析研究，并給出相應(yīng)的處理解決方法[2]。

2.1.1 連接螺栓斷裂

刀盤連接螺栓是固定刀盤后部主密封系統(tǒng)以及主軸承系統(tǒng)的關(guān)鍵備件。刀盤連接螺栓被安裝于機(jī)頭架上，該部位在TBM掘進(jìn)施工過程中受振動(dòng)因素影響較大，極易發(fā)生脆性斷裂。在螺栓斷裂后若不及時(shí)更換，會(huì)造成“多米諾骨牌效應(yīng)”，引起附近刀盤連接螺栓的斷裂，使刀盤與機(jī)頭架結(jié)合面存在間隙，掘進(jìn)過程中的粉塵或洞壁涌水直接進(jìn)入主密封和主軸承系統(tǒng)，最終導(dǎo)致嚴(yán)重的設(shè)備故障。

TBM設(shè)備上連接螺栓的斷裂是常見的機(jī)械故障，每一個(gè)螺栓的斷裂都會(huì)增加設(shè)備故障、人身傷害的風(fēng)險(xiǎn)，因此，針對(duì)設(shè)備上的連接螺栓，尤其是關(guān)鍵部位（如機(jī)頭架、主梁部位等）的連接螺栓，要加強(qiáng)日常維護(hù)檢查，安排專職人員負(fù)責(zé)，并采用敲擊、提前預(yù)緊等措施，及時(shí)處理螺栓松動(dòng)，提前更換存在缺陷的螺栓等。

2.1.2 步進(jìn)系統(tǒng)故障

在TBM換步過程中，由于換步過程過猛過急，或者左右兩側(cè)拖拉油缸存在不同步的問題，在換步時(shí)很容易造成步進(jìn)系統(tǒng)油缸桿光面拉傷，尤其在連接橋采用步進(jìn)系統(tǒng)拖拉后配套的形式中，連接橋步進(jìn)機(jī)構(gòu)液壓支腿油缸損壞率更高：如造成連接橋下步進(jìn)支腿掉軌、支腿油缸損壞等。

步進(jìn)系統(tǒng)故障的解決：首先，做好步進(jìn)系統(tǒng)日常檢查維護(hù)工作；其次，在步進(jìn)過程中采用主副操作手溝通指揮的方式，由副操作手在連接橋部位觀察步進(jìn)進(jìn)展情況并及時(shí)反饋主操作手。步進(jìn)參數(shù)選擇合理，避免出現(xiàn)換步過猛、過急現(xiàn)象。

2.1.3 水平支撐故障

在TBM步進(jìn)過程中，由于TBM水平支撐系統(tǒng)左右兩側(cè)受后配套一側(cè)偏重（后配套系統(tǒng)放置的一側(cè)偏重，行走通道一側(cè)偏輕）的影響，在圍巖破碎、松軟洞段左右撐靴受力不均影響、以及在TBM水平支撐的液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)， 其支撐力不均勻，TBM主機(jī)部分會(huì)向支撐力較弱的一側(cè)傾斜。

在水平支撐發(fā)生故障時(shí)，會(huì)引起TBM掘進(jìn)偏向，掘進(jìn)參數(shù)難以確定、導(dǎo)向系統(tǒng)遮擋以及加重刀盤滾刀異常磨損等。遇此類機(jī)械故障時(shí)，需在換步過程中加強(qiáng)監(jiān)控，及時(shí)將撐靴調(diào)平；對(duì)圍巖破碎、松軟一側(cè)進(jìn)行回填混凝土或墊方木、鐵板等措施提高其抗壓強(qiáng)度；檢查修復(fù)撐靴油缸及楔塊支撐油缸等液壓管路漏油問題。

2.2 刀具異常磨損的分析與對(duì)策

在TBM施工過程中，作為破巖的主要部件，滾刀刀具的使用壽命和破巖效率直接影響著隧洞掘進(jìn)進(jìn)度和掘進(jìn)成本[3]。因此，在刀具維護(hù)和管理過程中，應(yīng)盡量避免刀具異常磨損的情況出現(xiàn)。

2.2.1 刀具磨損與巖石硬度和圍巖完整性密切相關(guān)

在硬巖地段或圍巖完整性較差的洞段，刀具磨損量加大，且在破硬巖過程中，常導(dǎo)致刀具刀圈蹦刃問題。當(dāng)巖石偏軟時(shí)（如砂巖），破巖后成細(xì)膩狀巖粉，如果刀具軸承浮動(dòng)密封環(huán)質(zhì)量不過關(guān)，細(xì)膩的巖粉極有可能進(jìn)入刀具軸承密封內(nèi)，楔入刀體內(nèi)圓錐軸承滾子、滾道、保持架之間，造成軸承旋轉(zhuǎn)不暢，進(jìn)而導(dǎo)致刀具偏磨問題。

針對(duì)刀具異常磨損受巖石硬度和圍巖完整性影響的問題，首先要根據(jù)不同的圍巖特性選取正確的操作與掘進(jìn)參數(shù)[4]，遇到硬巖，掘進(jìn)參數(shù)不宜過大，可適當(dāng)提高刀盤轉(zhuǎn)速，減小貫入度和推進(jìn)油缸壓力，柔和操作，避免大推力、大推進(jìn)速率掘進(jìn)。遇到軟巖或圍巖破碎時(shí)，應(yīng)降低掘進(jìn)速度，減小貫入度，掘進(jìn)過程中密切觀察皮帶機(jī)落渣情況，根據(jù)出渣情況及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)。

2.2.2 刀具磨損與裝刀預(yù)緊力的關(guān)系

裝刀預(yù)緊力過大或造成刀具轉(zhuǎn)動(dòng)性能降低，刀具多數(shù)出現(xiàn)多邊形偏磨問題，而裝刀預(yù)緊力偏小則很難達(dá)到高的破巖效果。

針對(duì)此類刀具異常磨損問題。在刀具的裝配過程中，應(yīng)根據(jù)TBM施工項(xiàng)目圍巖特點(diǎn)合理選用裝刀預(yù)緊力；同時(shí)，選擇合理的刀具擋圈的固定焊點(diǎn)位置和數(shù)量，也是減少刀具預(yù)緊力不足產(chǎn)生偏磨問題的一個(gè)措施，一般情況下選擇對(duì)稱的2 ～ 4個(gè)焊點(diǎn)為宜。

另外，日常維護(hù)檢查也是減少刀具異常磨損的重要手段。檢查刀盤噴水功能是否正常，保證掘進(jìn)中始終有高壓水霧狀噴射；及時(shí)更換或緊固松動(dòng)的刀具螺栓，嚴(yán)格按照刀具廠家提供的換刀標(biāo)準(zhǔn)和換刀規(guī)范進(jìn)行日常查刀、換刀工作。

2.3 潤(rùn)滑系統(tǒng)油污染的分析與對(duì)策

2.3.1 潤(rùn)滑系統(tǒng)控制閥件故障是導(dǎo)致油污染的重要原因

潤(rùn)滑系統(tǒng)中的比例調(diào)節(jié)閥、溢流閥等閥件是控制潤(rùn)滑系統(tǒng)進(jìn)回油速度，調(diào)節(jié)主軸承腔內(nèi)部氣壓平衡的關(guān)鍵部件。在相關(guān)閥件存在故障的情況下，將導(dǎo)致潤(rùn)滑系統(tǒng)進(jìn)回油速度失去平衡。在進(jìn)油量大于回油量時(shí)，主軸承腔內(nèi)油位超出臨界油位，不僅造成潤(rùn)滑油溢出浪費(fèi)，還會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑效果降低，長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)此狀態(tài)存在主密封系統(tǒng)故障風(fēng)險(xiǎn)；在進(jìn)油量小于回油量時(shí)，導(dǎo)致主軸承腔內(nèi)潤(rùn)滑油過低而失去潤(rùn)滑效果，同時(shí)主軸承腔內(nèi)形成負(fù)壓，存在將水分、雜質(zhì)吸入造成油污染的風(fēng)險(xiǎn)[5]。

針對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)閥件故障造成油污染的問題，首先應(yīng)加強(qiáng)日常檢查維護(hù)工作，加入PLC系統(tǒng)監(jiān)控各類閥件的工作狀態(tài)和工作性能；其次，在PLC監(jiān)控系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)控制閥件故障報(bào)警時(shí)，應(yīng)立即停機(jī)檢查并解決處理，避免設(shè)備帶故障作業(yè)。

2.3.2 潤(rùn)滑系統(tǒng)油污染受環(huán)境溫度影響較大

在洞溫較高的隧洞內(nèi)施工，潤(rùn)滑系統(tǒng)油溫普遍較高，造成潤(rùn)滑油油脂理化指標(biāo)性能下降，主密封部位潤(rùn)滑密封效果隨之降低造成油污染；反之，在洞溫較低的隧洞內(nèi)施工，主密封部位的潤(rùn)滑油變粘稠，無法及時(shí)通過唇形密封被擠出，造成洞內(nèi)粉塵、積水等進(jìn)入主密封系統(tǒng)造成油污染[6]。

此類污染的解決措施：首先，根據(jù)施工隧洞的洞溫選擇合適的潤(rùn)滑油（脂），在洞溫偏高的隧洞內(nèi)施工，選擇標(biāo)號(hào)較高的潤(rùn)滑油（脂）（如EP3潤(rùn)滑脂、320#潤(rùn)滑油等）；在洞溫偏低的隧洞內(nèi)施工則選擇標(biāo)號(hào)較低的潤(rùn)滑油（脂）；其次，可以采取相應(yīng)的降溫或升溫措施：在寒冷隧洞施工在油箱內(nèi)增加升溫裝置，保證施工時(shí)油溫達(dá)到規(guī)定的范圍；在洞溫較高的隧洞內(nèi)施工應(yīng)加裝散熱（或冷卻）裝置，避免施工過程中油溫過高（在達(dá)到警戒溫度時(shí)應(yīng)停機(jī)冷卻）。

2.4 通風(fēng)和除塵問題的分析與對(duì)策

在TBM施工過程中，具有良好的通風(fēng)和除塵效果，可以給隧洞內(nèi)作業(yè)人員提供足夠的新鮮空氣，可以稀釋并排出洞內(nèi)各種有害氣體和粉塵，可以調(diào)節(jié)隧道內(nèi)空氣的溫度、濕度，創(chuàng)造良好的作業(yè)環(huán)境，是保證安全、高效、優(yōu)質(zhì)施工的前提[7]。通風(fēng)和除塵不暢問題多見于長(zhǎng)大隧洞的施工，主要原因是設(shè)備整體布局過長(zhǎng)，通風(fēng)過程中受設(shè)備遮擋、洞壁阻力的影響大；通風(fēng)和除塵方案的選擇不合理[8]；沿線風(fēng)管漏風(fēng)點(diǎn)、打折情況多；除塵風(fēng)管內(nèi)粉塵堆積無法及時(shí)清理等。

通風(fēng)和除塵不暢的問題主要采用以下對(duì)策進(jìn)行解決。

2.4.1 加強(qiáng)通風(fēng)和除塵系統(tǒng)運(yùn)行管理

建立以崗位責(zé)任制和獎(jiǎng)懲制為核心的管理制度[9]，定人定崗負(fù)責(zé)軸流風(fēng)機(jī)、除塵風(fēng)機(jī)的運(yùn)行管理，安排維護(hù)工作隊(duì)負(fù)責(zé)風(fēng)管的安裝、日常維護(hù)、檢查和故障處理等工作。

2.4.2 提高風(fēng)管安裝質(zhì)量

風(fēng)管的安裝質(zhì)量直接影響通風(fēng)和除塵效果。在風(fēng)管的安裝過程中，要做到風(fēng)管平直順暢，接頭處嚴(yán)密，掛鉤間距均勻合理并與洞徑保持水平[10]。必要時(shí)，可在安裝過程中用激光筆找正。同時(shí)，及時(shí)處理沿線漏風(fēng)部位。

2.4.3 加接力風(fēng)機(jī)和風(fēng)管

在設(shè)備臺(tái)車上加接力風(fēng)機(jī)和風(fēng)管，降低由于設(shè)備整體布局過長(zhǎng)，通風(fēng)過程中受設(shè)備遮擋、洞壁阻力的影響。

2.4.4 除塵風(fēng)機(jī)沿線管路 “裁彎取直”

除塵風(fēng)機(jī)沿線管路進(jìn)行“裁彎取直”，盡量保證沿線風(fēng)管順直，避免過多陡彎的出現(xiàn)，必要時(shí)可將除塵風(fēng)管架空，使其管路通暢。同時(shí)，在除塵風(fēng)管沿線加開一些用于排出管道內(nèi)堆積粉塵的活門。

2.5 振動(dòng)問題的分析與對(duì)策

在TBM施工過程中，振動(dòng)產(chǎn)生的原因有多種：正常掘進(jìn)過程中破碎巖石產(chǎn)生的振動(dòng)，尤其是開挖圍巖完整性較差的洞段，刀盤旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)，設(shè)備上電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)等[11]。對(duì)于設(shè)備施工過程中正常運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)都是在允許的范圍內(nèi)，對(duì)設(shè)備部件一般不會(huì)造成損壞。但在非正常狀態(tài)下，如刀盤偏心、護(hù)盾力不足、主電機(jī)分布不均以及缺乏必要的減震措施的情況下，所造成的振動(dòng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出允許的范圍，對(duì)設(shè)備及其部件的影響較大。

（1） 由于設(shè)計(jì)和制造精度的問題，刀盤存在偏心的可能，在刀盤偏心情況下運(yùn)行時(shí)，在機(jī)頭部位形成“偏心輪”現(xiàn)象，是造成主機(jī)部位振動(dòng)過大的主要原因，加重刀具的損耗以及機(jī)頭架部位控制元件和閥件的損壞幾率。發(fā)現(xiàn)刀盤存在偏心問題時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取偏心修正的措施，如加配重或調(diào)整刀盤上刀座安裝位置等。

（2） 護(hù)盾力的選擇對(duì)振動(dòng)影響較大。過高會(huì)造成掘進(jìn)阻力變大，影響掘進(jìn)效率；過低則會(huì)使機(jī)頭架部位形成懸臂效應(yīng)，導(dǎo)致主機(jī)前部振動(dòng)偏大。 因此，護(hù)盾力的選擇應(yīng)根據(jù)TBM施工過程中刀盤推力以及圍巖情況進(jìn)行合理調(diào)節(jié)。按照設(shè)計(jì)要求，側(cè)護(hù)盾和頂護(hù)盾工作壓力一般情況下選取推進(jìn)力的20%左右為宜。

（3） 主電機(jī)在機(jī)頭架上的分布應(yīng)是均勻的，但在某一臺(tái)主電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)（如TBM采用6臺(tái)主電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，1 ～2臺(tái)主電機(jī)故障一般不會(huì)導(dǎo)致掘進(jìn)工作暫停），會(huì)在機(jī)頭架部位形成偏心問題，對(duì)振動(dòng)的影響也是巨大的，同時(shí)在較大振動(dòng)工況下，剩余主電機(jī)的故障率會(huì)相應(yīng)增加，出現(xiàn)惡性循環(huán)。因此，在出現(xiàn)1臺(tái)主電機(jī)故障時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行檢修處理，不可為趕進(jìn)度而使設(shè)備帶病作業(yè)。

在解決振動(dòng)過大問題過程中，對(duì)設(shè)備上電機(jī)、主機(jī)前部控制元件加裝減震墊也是不錯(cuò)的選擇。

3 結(jié) 語

在TBM施工過程中，只有通過加強(qiáng)設(shè)備的日常維護(hù)檢查、注重問題隱患檢測(cè)和排查、嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)備操作規(guī)程、提高工作人員技能等才能盡可能避免重大問題的發(fā)生。同時(shí)，在問題出現(xiàn)后，正確、迅速判斷造成問題的原因并及時(shí)加以解決，避免造成更大設(shè)備故障，對(duì)恢復(fù)生產(chǎn)、提高TBM利用率實(shí)現(xiàn)TBM設(shè)備快速、優(yōu)質(zhì)、安全、經(jīng)濟(jì)、高效的掘進(jìn)施工意義重大。

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（責(zé)任編輯 郎忘憂）（責(zé)任編輯 姚小槐）

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2016-02-21

武志鵬(1983 - ),男，工程師，大學(xué)本科，主要從事機(jī)械設(shè)備施工管理。