敞開式TBM組裝流程及關鍵技術

（中鐵工程裝備技術服務有限公司，河南 鄭州 450016）

1 工程概況

某引水工程項目隧道采用2 臺開挖直徑7.83m 的敞開式TBM 進行施工。TBM1 掘進長大約15km、TBM2 總掘進長20km。2 臺TBM均采用連續(xù)皮帶出渣，石渣匯集連接洞與支洞交叉口，再由支洞連續(xù)皮帶把石渣輸送出至洞外。其他洞段采用鉆爆法施工，包含TBM 組裝段、檢修段、通過段等。

本文介紹中鐵TBM1/TBM2 號敞開式TBM掘進機“一洞雙機”工地組裝流程及關鍵技術。

TBM 主機由刀盤、機頭架、1#、2#、3#主梁組成，刀盤?7.83m，主機長25m，主機總重量約615t、整體總重量約1 500t；設備橋分為1#設備橋、2#設備橋、3#設備橋，3 段設備橋總長約為27m；噴漿橋三段總長約20m，后配套拖車由1#至12#拖車組成，每節(jié)拖車長約10m；刀盤至后配套整機結構長120m，包含后面107m 加利福尼亞道岔，總長約為298m。主要結構尺寸重量規(guī)格如表1 所示。

如圖1 所示，組裝場地支洞長2 398m，縱坡設計為200m 長的12.9%的陡坡+20m 長3%的緩坡，綜合坡度12%，支洞中段有半徑為500m曲線、弧長509m 的轉彎段；組裝洞長80m，組裝洞凈寬11.96m，組裝洞凈高16.94m、最大起重高度為8.9m；上下游步進洞長200m、上下游始發(fā)洞直徑為20m。

表1 主要結構尺寸及重量

橋式起重機跨度應依據(jù)組裝洞室兩側橋吊軌道基礎進行選擇，其起重能力主要取決于起吊的TBM 最大構件的重量即刀盤重量。TBM 刀盤重量為162t,考慮選用1.1 倍的安全系數(shù)，計算可知用2×100t 橋式起重機滿足吊裝要求。

圖1 組裝場地圖

同時配備1 臺20t 橋式起重機用于小型部件的吊裝，2 臺橋式起重機可同時進行TBM 組裝作業(yè)。

2 敞開式TBM組裝洞內存放及組裝流程

2.1 組裝施工現(xiàn)場布置

由于洞內組裝洞內組裝場地限制，TBM 的組裝只能采取分段組裝、步進的形式。主機部件存放在組裝洞內需預先指定存放區(qū)域。主機組裝場地布置（TBM2 見圖2、TBM1 見圖3），現(xiàn)場組裝場地總長80m，寬12m，TBM 總長298m，無法滿足整機組裝場地需求。采取分段組裝方式，所有主機部件預先依次存放在組裝區(qū)域，各主機部件預先按照設計的尺寸位置放置，便于組裝。

2.2 TBM運輸進場順序

根據(jù)階段性組裝進度計劃及場地存放計劃，制定TBM 各部件的進洞順序，避免二次倒運及運輸支洞的堵塞。計劃2 臺TBM 各部件分為四批依次進場，具體進場順序如下。

1）TBM2 進場順序 第一批：后配套臺車（12-7 節(jié)）及附屬設備→后配套臺車（7-2 節(jié)）及附屬設備→噴漿橋→后配套臺車1 →主控室→主機皮帶機架→隨機工具。第二批：設備橋及組件→步進機構及組件→主機及組件（護盾、主驅動及附件、主大梁、撐靴組件、鞍架等）→拱架安裝器、平臺、運輸小車及附件→L1 錨桿鉆機及其旋轉、行走機構、鉆機平臺及相關附件→刀盤及組件。

2）TBM1 進場順序 第三批：刀盤及組件→步進機構及組件→主機及組件（護盾、主驅動及附件、主大梁、撐靴組件、鞍架等）→拱架安裝器、平臺、運輸小車及附件→L1 錨桿鉆機及其旋轉、行走機構、鉆機平臺及相關附件。第四批：設備橋及組件→主控室→后配套臺車1 →噴漿橋→后配套臺車（2-7 節(jié)）及附屬設備→主機皮帶、硫化機、硫化材料后配套臺車（7-12 節(jié)）及附屬設備。

2.3 TBM2和TBM1組裝流程

主機部分大件布置組裝工期緊張，兩臺TBM交替使用組裝洞室，施工組織復雜；TBM 整機組裝必須按照其各部件的安裝順序依次進行，避免出現(xiàn)順序錯亂導致返工，影響施工進度和組裝質量。

首先倒序安裝TBM2 后配套拖車（12#-2#-噴漿橋-1#），安裝好的拖車拉至TBM1 的步進洞存放。將TBM2 全部大件擺放在組裝間，主機與設備橋組裝完成后，將后配套拖車與設備橋連接并步進至TBM2 始發(fā)洞，進行管線連接，設備調試。TBM2 步進通過主支洞交叉口后，可開始安裝TBM1 主機與設備橋，組裝完成后步進至始發(fā)洞，后配套拖車按順序組裝（1#-噴混橋-2#-12#）完成后，推至步進洞并與設備橋連接，待整機連接后開始管線連接，設備調試。

圖2 TBM2主機組裝場地布置圖

圖3 TBM1主機組裝場地布置圖

TBM2 步進到位后，安裝TBM2 的連續(xù)皮帶機。TBM1 步進到位后，安裝TBM1 的連續(xù)皮帶機。TBM1 的連續(xù)皮帶機大件全部進洞后，可以安裝支洞皮帶機。最后，兩臺TBM 與皮帶機系統(tǒng)開始聯(lián)調聯(lián)試。

在以上過程中擇機完成風、水、電、通訊、運輸?shù)炔贾?，由于組裝場地限制且前期作用較小，故此階段不組裝加利福尼亞道岔。至此，TBM 洞內組裝、調試完成，具備掘進施工條件。

3 工地組裝關鍵技術

刀盤、機頭架、主大梁及撐靴等關鍵部件的組裝直接影響設備的整體性能，其組裝的關鍵技術尤為重要。

3.1 刀盤組裝關鍵技術

3.1.1 刀盤工地組裝技術

刀盤分為2 半塊不等分圓運輸?shù)焦さ亟M裝洞內后，需要將全部滾刀拆卸下來進行拼接組裝?，F(xiàn)場對刀盤法蘭結合面上的防銹油進行清洗和打磨，刀盤前面板朝下（吊耳方向朝隧道掌子面方向），平吊刀盤上半塊放置在墩子上，然后以刀盤法蘭端面為基準調平（通過液壓千斤頂），保證水平度1mm 以內。刀盤下半塊上安裝定位銷，刀盤前面板朝下，平吊下半塊，先通過3 顆定位銷將上下半塊刀盤組裝在一起，然后微調（通過行車、調整倒鏈與液壓千斤頂）下半塊刀盤的位置，將另外2 顆定位銷安裝在刀盤上，確定刀盤最終安裝位置。用塞尺及游標卡尺檢查刀盤法蘭接縫處錯臺，需滿足0.05m 以內。刀盤連接螺栓使用液壓扳手擰緊，螺栓從刀盤中心兩側逐步預緊，先從靠近定位銷的螺栓開始，各螺栓需順時針、交錯、對稱逐步擰緊。緊固過程分3 次完成，第一次達到規(guī)定扭矩的50%、第二次達到規(guī)定扭矩的75%、第三次達到規(guī)定的扭矩。進行刀盤平面度、圓度等重要參數(shù)測量，刀盤整體參數(shù)滿足設計要求，達到焊接條件后開始進行整體焊接。

3.1.2 刀盤工地焊接技術

為避免刀盤焊接時受洞內潮濕及刀盤加熱后溫度下降速度過快的影響，所以在刀盤焊接前先搭建保溫棚，焊接前對焊接區(qū)域50mm 范圍內進行打磨清理。同時在整個焊接區(qū)域采用火焰或加熱帶的方法預熱,待將焊接位置加熱至100～150 ℃后停止加熱,焊接時同時使用4 臺焊機進行作業(yè)，從刀盤錐板和后板面焊縫開始依次由外至內對稱同時焊接，所有焊縫采用多層多道焊接。焊接過程中進行層間清理，每道焊接前必須用測溫槍進行層間溫度測量，層間溫度在100～200℃范圍內，若低于該溫度則必須進行重新預熱。刀盤翻身后焊接刀盤前面板焊縫，采用從中心到兩側的分段退焊的焊接順序。對焊縫每層進行磁粉/超聲波探傷儀進行無損探傷以保證焊接合格，再焊接耐磨板及相關支撐筋板。當?shù)侗P組焊完成后拆除刀盤后板面翻身吊耳，安裝刀盤上全部滾刀。

3.1.3 刀盤翻身及主驅動連接技術

1）刀盤翻身技術 刀盤吊裝翻身（圖4），在刀盤起吊吊耳對面的下部墊上足夠的方木，掛上鋼絲繩開始起吊，吊鉤提升過程中緩慢移動大車，使鋼絲繩基本處于垂直的狀態(tài)。當?shù)侗P完全吊離地面后，移動大車向另一側移動到位后確保刀盤底部墊好方木，吊鉤開始下落，當?shù)侗P在地面上吃力后，開始緩慢移動大車，同時緩慢下鉤，使鋼絲繩基本處于垂直狀態(tài)，直到完全卸載。

圖4 刀盤吊裝翻身

2）刀盤與主驅動連接技術 刀盤與主驅動對接吊裝（圖5）是吊裝過程中安全性和工藝性要求最高的吊裝作業(yè)，螺栓孔對位時需保持精確，清洗刀盤連接螺栓孔及連接面表面。起吊刀盤時緩慢移動行吊小車，使小車間距基本與吊耳在一個垂直面上，鋼絲繩處于垂直狀態(tài)。緩慢提升兩個吊鉤，同時移動行吊大車，始終保持鋼絲繩在垂直的狀態(tài)，偏離不超過1°。直到刀盤完全吊離地面，將O 型密封圈用黃油貼在轉接座密封槽內。刀盤吊起后，在機頭架定位銷孔上裝上銷子，刀盤緩慢向機頭架移動，距離機頭架20cm，觀察定位銷孔位置，同時松開剎車，用倒鏈轉動轉接座使銷孔位置對齊，對齊后剎車，再將刀盤緩慢移動使兩個接觸面靠近，調整刀盤位置使螺栓孔對齊。裝配螺栓時，測量所有螺栓伸出長度，應先對稱裝配4 個螺栓（上下左右各一），使用拉拔器分3 次對稱拉緊螺栓，然后依次對稱循環(huán)完成所有的螺栓緊固，摘掉吊鉤完成連接。

圖5 刀盤與主驅動對接吊裝

3.2 機頭架翻身吊裝關鍵技術

1)機頭架翻身 機頭架單件重約136t，安裝前需要完成機頭架吊裝翻身（圖6）。翻身機頭架需要的工裝主要有機頭架吊裝工裝、翻身工裝及扁擔梁、卸扣、吊環(huán)和鋼絲繩組合。吊裝工裝、翻身工裝通過螺栓與機頭架連接，方便工裝的安裝及重復利用，吊裝工裝主要用于機頭架的豎直吊裝，翻身工裝主要輔助吊裝工裝完成機頭架的翻身和水平調運。機頭架平放，背面朝下，用200mm 的枕木墊在底下抬離地面。利用方木作為襯墊，進行機頭架用橫向往縱向進行翻轉，將2×100t 橋吊吊鉤裝置上安裝扁擔梁，卸扣、鋼絲繩與機頭架上的翻身工裝連好。起吊機頭架吊裝工裝，吊鉤慢速提升過程中緩慢移動大車，使鋼絲繩基本處于垂直的狀態(tài)，確保翻轉架不滑動，最終使機頭架整體豎直吊機為止，完成翻身后拆除機頭架下放的翻身工裝。

圖6 機頭架吊裝翻身

2）機頭架吊裝工裝及扁擔梁安全校核 機頭架單件重約136t，使用SolidWorks 建立吊裝工裝、扁擔梁的三維模型，再用ANSYS 進行網(wǎng)格劃分、受力加載，分析機頭架吊裝過程中起吊、扁擔梁受力情況以進行安全校核。仿真分析顯示，吊裝工裝最大應力發(fā)生在法蘭與筋板焊接處，最大應力值為69.8MPa，起吊機頭架時扁擔梁最大應力發(fā)生在橫梁與筋板連接處，最大應力值為69.6MPa，符合安全性要求。

3.3 機頭架與底護盾組裝

機頭架與底護盾對接吊裝,翻身完成后拆除機頭架下方翻身工裝，清洗機頭架與底護盾螺栓連接結合面和去除毛刺，然后進行機頭架起吊、移動和安放找準機頭架與低護盾定位鍵后吊裝至底護盾上方。此時每個方向應當保證有兩人以上用于對螺栓孔進行校正，在校正完螺栓孔后將螺栓帶入，機頭架除外部一排螺栓外，其余部分螺栓的連接都需人員在底護盾內部作業(yè)，對吊裝精度及安全性有極高要求。為保證安裝順利，應當全部螺栓安裝后放下機頭架。然后進行對稱緊固，使用液壓扭矩扳手緊固，分3次完成螺栓的緊固。

4 結語

“一洞雙機”TBM 工地組裝其構件種類多且數(shù)量大，由于前期合理安排了部件進場順序和組裝工序高效完成了組裝。TBM2 組裝時間僅用22天完，而TBM1 僅用18 天完成組裝。創(chuàng)造了國內TBM 新的組裝速度，在實際施工中既降低了組裝成本，又節(jié)約了施工工期，取得了非常好的效果。