特長隧道內(nèi)TBM主軸承更換的施工技術(shù)

(中鐵十八局集團有限公司，天津　300222)

眾所周知，全斷面硬巖掘進(jìn)機(簡稱TBM)主軸承被稱為是機器的“心臟”。TBM掘進(jìn)中途發(fā)生的主軸承異常和損壞，都是人們最不愿意碰到的事情。

1　工程概況

西秦嶺特長隧道是蘭渝鐵路全線控制性工程，為兩座基本平行的分離式單線隧道，左線、右線兩個單線隧道長度均為28.36km，每個單線隧道的20km采用TBM施工。TBM選型為美國羅賓斯生產(chǎn)的敞開式全斷面硬巖掘進(jìn)機，刀盤直徑10.23m(刀具磨損后最小洞徑10.2m)，每循環(huán)掘進(jìn)行程為1.8m。右線里程DIyK395+116.582 -DIyK423+351.422，全長28 236.582m。進(jìn)口位于透防鄉(xiāng)潘家溝村，采取鉆爆法施工8 236m；出口位于洛塘鎮(zhèn)老盤底村，采用直徑為10.20m敞開式硬巖TBM掘進(jìn)機獨頭施工20km。隧道出口獨頭TBM掘進(jìn)距離長(20km)，正洞開挖斷面大，施工工期緊、任務(wù)重，對TBM掘進(jìn)的進(jìn)度指標(biāo)要求較高。目前無論是隧道長度，還是隧道TBM開挖斷面，該隧道在我國鐵路建設(shè)史上均屬首次[1]。

2　TBM主軸承更換難點

西秦嶺特長隧道TBM施工分兩個階段：第一階段TBM掘進(jìn)約8km后進(jìn)入整修洞室，經(jīng)過整修與皮帶機出渣位置調(diào)整后，進(jìn)入第二階段開始TBM掘進(jìn)。TBM在第二階段施工至DIyK409+140位置時，發(fā)現(xiàn)主軸承的磨損較大，需立即更換，否則無法再進(jìn)行掘進(jìn)施工。

TBM主軸承在洞內(nèi)更換過程比較繁瑣、復(fù)雜，需要解決2個難點。

(1)因為是獨頭掘進(jìn)，需要更換的新、舊主軸承要通過TBM的主機和后配套，而新、舊主軸承的外包裝直徑7.2m、高2m，TBM的主機占據(jù)整個洞室，沒有交換空間。

(2)在隧道洞內(nèi)更換主軸承需要將舊主軸承與刀盤脫離，而刀盤自重275t，在更換新主軸承后與刀盤對接時，刀盤不能產(chǎn)生下沉、傾斜和移位，否則108個刀盤與主軸承連接螺栓不能有效連接。因此固定刀盤成為難點之一。

3　主軸承更換的工藝流程與工作要點

TBM掘進(jìn)至第二階段DIyK409+140位置停機。在TBM后方保證20m的安全距離處施做換裝洞室和主軸承儲藏洞室，主軸承運輸?shù)絻Σ囟词液笙刃袃Σ?，固定刀盤和頂護(hù)盾后脫離掘進(jìn)機，主機及后配套整體后退220m至換裝洞室后，進(jìn)行換裝作業(yè)，然后步進(jìn)至掌子面與刀盤對接、調(diào)試，完成更換作業(yè)，繼續(xù)TBM掘進(jìn)施工。主軸承更換作業(yè)流程見圖1。

3.1　換裝洞室的施工

換裝洞室計劃在掘進(jìn)機尾拖板后方20m安全距離處開挖，即：DIyK409+340- DIyK409+365;換裝洞室在正洞斷面基礎(chǔ)上擴挖而成，具體尺寸(長×寬×高)：9m×10.23m×13.23m，采用III級圍巖綜合洞室支護(hù)參數(shù)支護(hù)。在左側(cè)開挖儲藏洞，儲藏洞凈空長×寬×高=8×7.5×4.3m(解決了難點1)，采用III級圍巖綜合洞室支護(hù)參數(shù)支護(hù)。為確保TBM后退時撐靴在儲藏洞處有足夠支撐力，在洞室口增加3榀H150鋼拱架加強支護(hù)。

圖1　換裝作業(yè)流程圖

3.2　固定刀盤

主要目的是為確保總重275t的刀盤順利脫離舊主軸承，待主軸承更換完后保證刀盤順利與新主軸承對接。所以，刀盤必須要固定牢穩(wěn)，確保機架與設(shè)計中線和高程不變化。刀盤拆卸過程中會產(chǎn)生下沉和移位，現(xiàn)場采取4點錨桿束鎖定、底部3位支撐鋼墊塊的總體方法(解決了難點2)，左上、右上、左下、右下4個包廂位置鎖定刀盤，每處各布設(shè)8根錨桿，使用φ22砂漿錨桿進(jìn)行鎖定，單根錨桿拉拔實驗承重16t以上，主要防止刀盤縱向產(chǎn)生偏移；刀盤底部采用分層加焊墊板全包圍方式固定，在刀盤底部和隧道中線左右各1.19m位置分層焊接墊實800mm×800mm×40mm鋼板，進(jìn)行焊接填充密實，防止刀盤下沉。刀盤固定示意見圖2。

圖2　刀盤固定示意圖

3.3　主軸承與刀盤分離

完成對刀盤“3位支撐”和“4點鎖定”后，對TBM原始方位包括撐靴位置、頂部撐靴油缸伸出長度，扭矩油缸伸出長度和側(cè)護(hù)盾后邊沿位置等，刀盤脫離前做好標(biāo)記。隨后拆除刀盤雙頭連接螺栓，TBM主機架后退，最終實現(xiàn)刀盤與主軸承分離。

3.4　整體拆除頂護(hù)盾

將頂護(hù)盾頂?shù)阶罡呶?，在頂護(hù)盾頂部按三角形布置焊接3個吊耳。利用導(dǎo)鏈起吊護(hù)盾，將滑軌與頂護(hù)盾焊接到一起起吊護(hù)盾與滑軌整體，前移；主機后退與頂護(hù)盾分離，這就整體拆除了頂護(hù)盾[2]。

3.5　主機后退

利用推進(jìn)油缸進(jìn)行主機后退220m到達(dá)換裝作業(yè)區(qū)，通過主軸承儲藏洞室時撐靴踩壓部位采用下部油缸浮動與鋼支撐鎖口加固等方式通過。

3.6　依次拆除輔助設(shè)備

依次拆除渣斗；外密封及其壓環(huán)和隔環(huán)；內(nèi)密封及其壓環(huán)和隔環(huán)；主驅(qū)動電機和小齒輪軸；轉(zhuǎn)接基座，使舊主軸承體裸露。

3.7　拆除舊主軸承

(1)主軸承參數(shù)重量26 661kg,直徑6 700mm，厚度550mm；雙頭螺栓545個。主要工具為M48×400頂絲6個，專用吊具1套。

(2)用頂絲向外頂主軸承，注意保持各處頂絲旋進(jìn)尺寸一致，以確保主軸承周向均勻地從安裝腔體內(nèi)滑出。同步調(diào)節(jié)各導(dǎo)鏈松緊度，保證主軸承姿態(tài)垂直。

(3)主軸承完全脫離安裝腔體后，翻轉(zhuǎn)主軸承，待其完全水平后，用煤油徹底清理，并轉(zhuǎn)移到指定位置存放。

3.8　安裝新主軸承

(1)舊主軸承轉(zhuǎn)移到位后，新主軸承移送到主機前部就位。

(2)起吊新主軸承至一定高度，利用輔助導(dǎo)鏈調(diào)整其姿態(tài)至垂直狀態(tài)。

(3)平移主軸承至安裝腔附近，安裝頂絲到安裝腔上，利用頂絲對正主軸承螺栓孔。

(4)在頂絲后邊加螺母，將主軸承壓入安裝腔內(nèi)。

(5)安裝雙頭螺柱，拆除頂絲。逐步校核螺栓拉拔壓力至標(biāo)準(zhǔn)值。

圖3　換裝作業(yè)示意圖

3.9　依次安裝轉(zhuǎn)接基座，主驅(qū)動電機和小齒輪軸，內(nèi)、外密封，渣斗。

3.10　步進(jìn)、安裝頂護(hù)盾、對接刀盤

(1)向前步進(jìn)220m、護(hù)盾安裝完成后，清理主機前部區(qū)域；

(2)向前步進(jìn)至主機前端距刀盤50cm時停止；

(3)慢速前進(jìn)，同時調(diào)整主機姿態(tài)至PPS顯示數(shù)據(jù)與刀盤脫離前完全吻合；

(4)密切觀察主機前端，前進(jìn)到與刀盤表面接觸后立即停機；

(5)在轉(zhuǎn)接基座上切向掛導(dǎo)鏈，微調(diào)螺栓孔位置；

(6)安裝雙頭連接螺栓；

(7)校核拉拔壓力，最后安裝螺栓保護(hù)帽。

(8)拆除“三位支撐”和“四點鎖定”。

4　結(jié)束語

長大隧道的TBM施工中，主軸承作為機器的“心臟”部件，一旦造成損壞，必將影響TBM正常掘進(jìn)、施工進(jìn)度。所以必須將維修與保養(yǎng)作為一道工序納入施工程序管理，不能為趕施工進(jìn)度而忽略維修與保養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]唐與，吳慶山，韓志遠(yuǎn).支撐式TBM掘進(jìn)中途的主軸承更換及處理[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2009(2).

[2]水利部科技推廣中心.全斷面巖石掘進(jìn)機(TBM)[M].北京：石油工業(yè)出版社,2005.