大直徑TBM刀盤外密封更換技術(shù)研究

安飛翔

摘?要：引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞嶺南工程TBM施工過程中，由于隧洞具有“三高兩強(qiáng)一長”的工程特點(diǎn)，因此設(shè)備長期處于極限負(fù)荷狀態(tài)下掘進(jìn)，造成刀盤外密封泄壓。研究制定了洞內(nèi)更換刀盤外密封的方案和操作方法。刀盤總質(zhì)量為135 t，擬定將刀盤使用鋼支撐結(jié)合錨桿形式固定，進(jìn)行刀盤與主軸承分離，分離長度約為0.9 m，其后進(jìn)行外密封檢查更換以及螺栓更換工作。經(jīng)過更換后的刀盤外密封及主軸承油品檢測各項(xiàng)指標(biāo)正常，在引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞TBM施工段嶺南工程高磨蝕性硬巖地段掘進(jìn)施工中，刀盤貫入度明顯提高，節(jié)省了大量維修保養(yǎng)時間，提高了施工工效。

關(guān)鍵詞：大直徑刀盤;TBM主軸承;密封;更換技術(shù);引漢濟(jì)渭工程

中圖分類號：TV53;U455?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.02.024

Abstract：During the construction of the Lingnan TBM tunnel in Hanjiang-to-Weihe River Valley Water Diversion Project，due to the engineering characteristics of “three highs， two intensities and one length”， the equipment is driven under the limit load state for a long time， resulting in the sealing and pressure relief outside the cutterhead. The scheme and operation method for replacing the outer seal of the cutter head in the hole were studied and formulated. The total mass of the cutterhead was 135 t. It was proposed to fix the cutterhead in the form of steel support combined with anchor rod to separate the cutterhead from the main bearing. The separation length is about 0.9 m. Thereafter， the outer seal was inspected and replaced and the cutterhead link bolt shall be replaced. After replacing the outer seal of the cutterhead， all indexes of the main bearing oil inspection were normal. During the excavation of the highly abrasive hard rock section of the Lingnan TBM tunnel of Hanjiang-to-Weihe River Valley Water Diversion Project， the penetration of the cutter head had been obviously improved， which saved a lot of maintenance time and improved the construction efficiency.

Key words： large diameter cutter head; TBM main bearing; seal; replacement technology;Hanjiang-to-Weihe River Valley Water Diversion Project

全斷面隧洞掘進(jìn)機(jī)（TBM）因工作效率高、隧洞成型好、對周邊環(huán)境影響小及作業(yè)安全等優(yōu)點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外深埋長隧洞的施工中[1-3]。TBM作為長大隧道施工的主力軍，其設(shè)備各方面性能必須具備可靠性、穩(wěn)定性，否則將給工程建設(shè)造成極大損失。為更好滿足施工需求，通常根據(jù)工程地質(zhì)條件對TBM進(jìn)行選型、設(shè)計(jì)和制造，但仍無法避免掘進(jìn)施工過程中其出現(xiàn)故障的風(fēng)險(xiǎn)。如新疆吐庫二線鐵路中天山隧道TB880E型隧道掘進(jìn)機(jī)主軸內(nèi)外密封均出現(xiàn)過問題，曾在洞內(nèi)更換[4-5];秦嶺隧道TBM掘進(jìn)過程中曾出現(xiàn)后部撐靴無法收回的故障[6];錦屏TBM-319主軸承潤滑系統(tǒng)曾經(jīng)出現(xiàn)故障[7];遼寧某供水工程TBM4左右側(cè)撐靴分別脫落[8];TBM刀盤在中天山隧道上場前曾經(jīng)全面整修[9-10]，但施工過程中仍然出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的問題。筆者結(jié)合引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞嶺南工程TBM施工實(shí)踐，研究大直徑TBM刀盤外密封在洞內(nèi)狹小空間環(huán)境下的更換技術(shù)。

1?工程概況

引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞TBM施工段嶺南工程是針對關(guān)中地區(qū)缺水問題提出的陜西省南水北調(diào)工程的骨干調(diào)水工程，是促進(jìn)“關(guān)中-天水經(jīng)濟(jì)區(qū)”發(fā)展的大型水利工程。隧洞位于陜西省寧陜縣四畝地鎮(zhèn)境內(nèi)，全長18.275 km，設(shè)計(jì)流量70 m3/s，多年平均輸水量15.0億m3，隧洞平均坡降為1/2 500，采用一臺羅賓斯公司提供的Φ8.02 m全新敞開式隧道掘進(jìn)機(jī)施工，開挖直徑為8 050 mm（新刀）/8 020 mm（刀具磨損到極限），TBM整機(jī)長度為317 m，其中主機(jī)長度為25 m，設(shè)備橋長度為55 m，后配套長度為237 m（含加利福尼亞道岔），整機(jī)質(zhì)量約為1 400 t。

2?刀盤結(jié)構(gòu)及外密封狀況分析

刀盤面板為平面設(shè)計(jì)，由1個中心塊和4個邊塊組成，共裝有51把刀具，結(jié)構(gòu)見圖1。含4組（8把）雙刃中心刀和43把單刃滾刀，單刀承載力為31.5 t。刀盤設(shè)計(jì)8個鏟斗，采用10臺水冷式、單臺功率為330 kW的變頻電機(jī)驅(qū)動，刀盤轉(zhuǎn)速0～6.87 r/min，額定扭矩為9 743 kN·m，脫困最大扭矩為14 614 kN·m。

TBM于2015年2月28日始發(fā)，累計(jì)掘進(jìn)5 850 m后，刀盤主軸承無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，油品參數(shù)超標(biāo)，停機(jī)更換主軸承內(nèi)密封后再次掘進(jìn)2 700 m時主軸承油檢顯示硅含量頻繁超標(biāo)，經(jīng)檢查，內(nèi)密封運(yùn)行狀態(tài)良好，為保證后續(xù)施工順利進(jìn)行，避免設(shè)備隱患擴(kuò)大，決定對外密封進(jìn)行檢查更換。

刀盤總質(zhì)量為135 t，擬定對刀盤使用鋼支撐結(jié)合錨桿形式固定，然后使刀盤與主軸承分離，分離長度約為0.9 m，其后對外密封及刀盤進(jìn)行檢查更換。

3?更換刀盤外密封具體步驟

3.1?停機(jī)位置及設(shè)備姿態(tài)

保證機(jī)頭架、刀盤、隧道底面處于同一中線上，刀盤位于第二道耐磨環(huán)與錨桿孔所處的同一截面，轉(zhuǎn)動刀盤使16#倉位底部與地面垂直，以便于安裝時觀察定位銷位置，見圖2;抬起刀盤，利用步進(jìn)油缸調(diào)整步進(jìn)板位置，使得步進(jìn)小車前端與步進(jìn)板槽前端距離為10 cm，預(yù)留刀盤安裝對接余量;回收支撐油缸，將刀盤恢復(fù)至自由狀態(tài)，再利用支撐油缸將刀盤抬起3～5 mm，同時鋪墊鋼板防止其復(fù)位和預(yù)防機(jī)頭與刀盤分離后鋼支撐微小形變導(dǎo)致刀盤下沉;固定刀盤、后支撐并記錄設(shè)備姿態(tài)。

3.2?刀盤固定

刀盤固定方式采取錨桿支撐、鋼結(jié)構(gòu)支撐、鋼結(jié)構(gòu)墊撐的組合形式，具體固定形式如下。

（1）刀盤底部支撐。刀盤底部鋪設(shè)4 000 mm×2 000 mm×30 mm（長×寬×厚）鋼板，與步進(jìn)底板靠攏，利用分離時步進(jìn)板與刀盤間的反作用力增加刀盤穩(wěn)固作用;同時刀盤與鋼板連接增加其底部受力面積，增強(qiáng)穩(wěn)固程度，防止側(cè)偏;刀盤底部鋼板與刀盤第一道耐磨環(huán)和第三道耐磨環(huán)之間用50 mm厚的鋼板塞緊并焊接牢固;鋼板兩側(cè)增設(shè)立撐，與刀盤底部焊接支撐，支撐效果見圖3。

（2）刀盤前部斜支撐。刀盤前部斜支撐采用H150工字鋼并排焊接而成，斜撐底部并排使用H150工字鋼與鋼板進(jìn)行搭接焊接，如圖4所示，使用雙排焊接工字鋼延伸至洞底面與鋼板進(jìn)行焊接，左右各一根;對斜撐支架進(jìn)行三角支撐加固;底面兩根工字鋼之間視現(xiàn)場情況搭建橫梁。

（3）刀盤背部支撐。隧洞空間狹小，刀盤背部立柱支撐需設(shè)立在步進(jìn)板兩側(cè)及中間，使用雙排工字鋼對刀盤背部進(jìn)行支撐，中間支撐連接于步進(jìn)板上，兩側(cè)支撐立于步進(jìn)板兩側(cè)鋪底面上，刀盤兩側(cè)采用雙排H150工字鋼抵到邊墻作三角形支撐，形成外八字狀，按照護(hù)盾空間允許的最大傾斜度進(jìn)行搭建，如圖5所示。

（4）頂部錨桿固定。同一隧洞截面以頂部為基點(diǎn)施作40個直徑25 mm錨桿孔，錨固長度為3.5 m，待TBM步進(jìn)至指定位置時進(jìn)行錨桿安裝。

頂部錨桿固定、吊裝掛點(diǎn)示意見圖6，采用割槍加熱錨桿，前后交錯搭接至刀盤上，搭接、焊接部位為刀盤主受力板，長度不低于20 cm，如搭接處有耐磨板，需刨除。

（5）步進(jìn)板固定。步進(jìn)底板位置調(diào)整正確后，利用風(fēng)鉆在步進(jìn)底板兩側(cè)各打8根錨桿，將步進(jìn)底盤與鋪底面進(jìn)行錨固，防止機(jī)頭架前后移動導(dǎo)致步進(jìn)底板位移。

3.3?受力分析和驗(yàn)算

（1）型鋼支撐力。隧洞坡比為1/2 500，刀盤立于隧洞底部，依靠型鋼進(jìn)行支撐，處于靜止?fàn)顟B(tài)，采取假設(shè)法及平衡法進(jìn)行受力分析。刀盤未受到靜摩擦力，主要受重力、地面支持力、型鋼支撐力，受力如圖7所示（圖中G為刀盤所受重力，F(xiàn)N為地面支持力，F(xiàn)為型鋼支撐力）。

根據(jù)牛頓運(yùn)動定律可得：

由式（1）、式（2）計(jì)算得F=1 204.3 N、FN=1 498.9 kN。

查資料得到型鋼抗彎強(qiáng)度M=215 MPa，計(jì)算促使型鋼發(fā)生彎曲的作用力F0=840.7 kN>F，因此型鋼可以在不彎曲的情況下支撐刀盤。

（2）隧底混凝土支持力。刀盤重力沿垂直于隧底方向所產(chǎn)生的力由刀盤下部鋼板及兩側(cè)H150型鋼支撐承受。由此可知，刀盤所產(chǎn)生的重力通過鋼板作用于隧底。假設(shè)刀盤通過鋼板對地面產(chǎn)生的壓力為F′N，則F′N=FN=1 498.9 kN;鋼板尺寸為4.0 m×2.0 m，鋼板與地面的接觸面積S=8.0 m2，刀盤重力對地面產(chǎn)生的壓強(qiáng)為

P=F′N/S（3）

計(jì)算可得P=0.19 MPa，C20混凝土的抗壓強(qiáng)度P20=20 MPa>P=0.19 MPa，因此C20混凝土可以承受刀盤所產(chǎn)生的壓力。

（3）錨桿承載力驗(yàn)算。刀盤總質(zhì)量為150 t，刀盤分離時需離地一定高度，此時需要錨桿提供向上的拉力，確保刀盤不發(fā)生傾斜。錨桿采用Φ25螺紋鋼，其抗拉強(qiáng)度為335 MPa，必須滿足：

Nd≤FyAs（4）

式中：Nd為錨桿拉力設(shè)計(jì)值;Fy為普通鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;As為鋼筋截面面積。

通過計(jì)算可得As=43.9 cm2，單根錨桿截面面積約4.9 cm2，至少需施作9根錨桿方可滿足承載力要求。

錨桿承載力滿足要求的同時全長黏結(jié)受拉承載力應(yīng)滿足：

式中：La為錨固段長度;Fmg為錨固段注漿體與地層間極限黏結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，取1.5～2.5;Fms為錨固段注漿體與筋體間極限黏結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，取2.0;D為錨桿錨固段鉆孔直徑;K為錨桿段注漿體與地層間黏結(jié)抗拔安全系數(shù)，取2.0;ψ為錨固段長度對極限黏結(jié)強(qiáng)度的影響系數(shù)，取1.3～1.6;n為錨桿數(shù)量;ε為多根錨桿錨固效果折損系數(shù)，一般為0.60～0.85。

推算錨桿最大錨結(jié)長度需大于3.5 m，錨桿數(shù)量不小于40根即可滿足承載力要求。