狹窄空間內(nèi)TBM設(shè)備撐靴油缸更換技術(shù)研究

谷建強(qiáng) 任喜平

摘 要：穿越秦嶺腹地的引漢濟(jì)渭引水隧洞工程具有大埋深、高地應(yīng)力、高強(qiáng)度硬巖等不良地質(zhì)條件，因此TBM設(shè)備長(zhǎng)期處于高負(fù)荷狀態(tài)工作，設(shè)備關(guān)鍵部位零部件的損傷極為嚴(yán)重，出現(xiàn)了TBM設(shè)備撐靴油缸漏油現(xiàn)象。通過(guò)分析研究TBM設(shè)備撐靴油缸的損壞情況及影響，擬定了撐靴油缸更換方案和具體操作方法，并對(duì)更換過(guò)程的重難點(diǎn)進(jìn)行了分析，在狹窄空間內(nèi)快速、安全地進(jìn)行了撐靴油缸的拆卸、運(yùn)輸、更換，確保了 TBM設(shè)備撐靴油缸在不良地質(zhì)環(huán)境掘進(jìn)過(guò)程中可靠運(yùn)行，提高了TBM設(shè)備利用率和工作性能，降低了成本和設(shè)備故障率。

關(guān)鍵詞：狹窄空間;TBM;設(shè)備損傷;撐靴油缸;更換方案;秦嶺隧洞;引漢濟(jì)渭工程

中圖分類號(hào)：TV53 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.04.022

引用格式：谷建強(qiáng)，任喜平.狹窄空間內(nèi)TBM設(shè)備撐靴油缸更換技術(shù)研究[J].人民黃河，2021，43（4）：122-126.

Abstract： The project of diverting water from Hanjiang River to Weihe River through the hinterland of Qinling Mountains has unfavorable geological conditions such as large buried depth， high ground stress and high strength hard rock. So the Lingnan TBM equipment in excavation under high load condition for a long time， the damage of the key parts of the equipment is very serious and the oil leakage of TBM support boots oil cylinder is occurred. In this article， through the analysis and study on TBM equipment support boots cylinder damage and its influence， it formulated the boots cylinder replacement scheme and concrete operation methods， and analyzed the difficult point of the process of change， fast and safe in confined spaces hold boots cylinder transportation， disassembly and replacement. It ensured the reliable operation of Lingnan TBM equipment supporting oil cylinder in the process of excavation in poor geological environment， improved the utilization rate and working performance of TBM equipment and reduced the cost and expenses and equipment failure rate. It also had provided a reference for the replacement and repair of TBM boot cylinder in narrow space in China.

Key words： narrow spaces; TBM; equipment damage; boot oil cylinder; replace solution; Qinling tunnel; Hanjiang-to-Weihe River Water Diversion Project

我國(guó)水資源區(qū)域分布極不均衡，隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水資源的短缺已嚴(yán)重制約一些地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，為此一大批跨流域長(zhǎng)距離的引水工程相繼動(dòng)工建設(shè)。輸水隧洞采用TBM設(shè)備掘進(jìn)越來(lái)越普遍，尤其是在一些長(zhǎng)距離、高地應(yīng)力、大埋深等施工難度較大的隧洞應(yīng)用較多。與常規(guī)的鉆爆法施工相比，TBM施工法明顯具有工期短、速度快、施工環(huán)境好、整體效益高等特點(diǎn)。為確保施工過(guò)程中TBM設(shè)備高效、安全運(yùn)行，設(shè)備重點(diǎn)部位零部件的可靠性要求標(biāo)準(zhǔn)很高，撐靴油缸是TBM設(shè)備比較重要的零部件，其為TBM設(shè)備的推進(jìn)產(chǎn)生支撐反力，能使刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)中出現(xiàn)的大扭矩得以抵消，其性能的好壞對(duì)整個(gè)TBM設(shè)備運(yùn)行的質(zhì)量、效率起到關(guān)鍵作用。

近年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下TBM設(shè)備零部件的更換和修復(fù)進(jìn)行了分析研究，余海東等[1]研究了復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境情況下TBM設(shè)備撐靴液壓缸導(dǎo)向銅套損傷機(jī)理。馬以濤等[2]對(duì)撐靴夾緊油缸在TBM設(shè)備掘進(jìn)施工過(guò)程中出現(xiàn)的故障進(jìn)行了分析，根據(jù)設(shè)備的工作原理，提出了復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)急修復(fù)措施。史晉華[3]對(duì)TBM撐靴掘進(jìn)施工過(guò)程中的掉落修復(fù)及預(yù)防措施進(jìn)行了研究。李琳等[4]從斷裂力學(xué)的角度對(duì)TBM撐靴液壓缸O形圈斷裂進(jìn)行了理論分析和仿真計(jì)算。黨建濤等[5]研究了引漢濟(jì)渭嶺南隧洞TBM設(shè)備鞍架滑道的拆除、修復(fù)技術(shù)。安飛翔[6]對(duì)引漢濟(jì)渭嶺南TBM刀盤(pán)外密封更換的方案、操作方法進(jìn)行了研究。本文以引漢濟(jì)渭引水隧洞嶺南TBM施工段設(shè)備為例，通過(guò)分析TBM撐靴油缸損壞情況及影響，研究狹窄空間內(nèi)撐靴油缸更換方案、具體操作方法及更換的重難點(diǎn)。

1 撐靴油缸損壞情況及影響分析

引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞嶺南TBM施工段，采用一臺(tái)羅賓斯公司生產(chǎn)的Φ8.02 m全新敞開(kāi)式硬巖掘進(jìn)機(jī)施工，隧洞最大埋深2 100 m，巖石最大強(qiáng)度230 MPa，是秦嶺隧洞施工難度最大、巖爆最頻繁、圍巖強(qiáng)度最高的施工段，各種不良地質(zhì)條件的疊加對(duì)TBM設(shè)備的重點(diǎn)部位零部件可靠運(yùn)行構(gòu)成了極大的威脅[7]。

在掘進(jìn)過(guò)程中TBM兩側(cè)撐靴油缸出現(xiàn)泄壓?jiǎn)栴}，導(dǎo)致活塞桿與端蓋處出現(xiàn)了漏油現(xiàn)象，并不斷加重，撐靴在保壓情況下每天漏油100 L左右，造成了施工成本浪費(fèi)及TBM故障率增高。這些油品若不進(jìn)行妥善處理流到主梁下部的水中，將給現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員身體健康帶來(lái)一定的危害，同時(shí)主梁下部的水經(jīng)管道抽送到洞外，流入河水中會(huì)對(duì)水質(zhì)造成二次污染。因此，非常有必要進(jìn)行撐靴油缸更換，以減少成本支出、降低設(shè)備故障率、提升設(shè)備利用率、保護(hù)人員健康、防止污染水質(zhì)。

2 撐靴油缸更換總體方案

掌子面至后支撐段的圍巖穩(wěn)定后停機(jī)，在撐靴周圍采用YT28風(fēng)鉆打孔，施作錨桿并焊接在靴板上，將撐靴靴板固定在洞壁兩側(cè)[8-10]。用4臺(tái)20 t手拉葫蘆將油缸整體吊裝拆卸，拆卸后降落至平板車上，然后用30 t手拉葫蘆旋轉(zhuǎn)使其平行于隧道洞軸線方向，用25 t機(jī)車將油缸及平板車倒運(yùn)到組裝洞，更換新油缸及耳軸上的關(guān)節(jié)軸承。更換完畢后將油缸倒運(yùn)到TBM主梁下方，旋轉(zhuǎn)與撐靴中線位置對(duì)齊，用4臺(tái)20 t手拉葫蘆提升，在2 t和3 t手拉葫蘆輔助下將油缸安裝恢復(fù)，撐靴油缸整體示意見(jiàn)圖1。

3 吊裝設(shè)備選型及安裝

3.1 手拉葫蘆選擇

本文研究的撐靴油缸主要部件參數(shù)見(jiàn)表1。

吊裝荷載的計(jì)算公式為

式中：Q1為吊裝荷載;Q為設(shè)備及索吊具質(zhì)量總和;K1為動(dòng)荷載系數(shù)，取1.1;K2為不均衡荷載系數(shù)，取1.25。

由式（1）的計(jì)算結(jié)果可知，吊裝荷載為49.1 t，根據(jù)市場(chǎng)常用手拉葫蘆參數(shù)進(jìn)行選擇，采用4臺(tái)20 t手拉葫蘆進(jìn)行同步起吊。1個(gè)30 t手拉葫蘆輔助2個(gè)20 t手拉葫蘆進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，可滿足作業(yè)要求。

3.2 吊裝鋼結(jié)構(gòu)荷載計(jì)算

將2根H150型鋼并排上下縫焊接，平行布置3列，和支撐架焊接形成吊裝結(jié)構(gòu)體系，見(jiàn)圖2、圖3。

根據(jù)吊裝梁結(jié)構(gòu)分析可知，吊裝過(guò)程中的最大受力點(diǎn)在吊點(diǎn)位置，最大受力點(diǎn)應(yīng)力的計(jì)算公式為

式中：σ為最大受力點(diǎn)應(yīng)力;g為重力加速度;S為吊裝梁結(jié)構(gòu)橫截面面積。

計(jì)算得到吊裝梁結(jié)構(gòu)最大受力點(diǎn)的應(yīng)力為43 MPa，而H150型鋼為Q235型的普通結(jié)構(gòu)鋼，其屈服強(qiáng)度為235 MPa，規(guī)范取值為215 MPa，遠(yuǎn)大于吊裝梁結(jié)構(gòu)最大受力點(diǎn)的應(yīng)力，可以滿足施工要求。

3.3 靴板固定方案

（1）錨桿根數(shù)計(jì)算。TBM撐靴靴板采用Φ22 mm錨桿固定，錨桿分布于撐靴四周且與撐靴的每個(gè)接觸面滿焊固定，焊接固定后錨桿與撐靴成為一個(gè)受力結(jié)構(gòu)整體，結(jié)合其結(jié)構(gòu)形式的受力情況分析，錨桿的破壞主要出現(xiàn)在撐靴與巖面的接觸面處，即以剪切破壞為主，因此影響錨桿破壞的最主要的力學(xué)參數(shù)為錨桿的極限剪切力。鋼筋極限剪切力計(jì)算公式為

式中：T為鋼筋極限剪切力;F為鋼筋極限拉力;σ為鋼筋屈服應(yīng)力;r為鋼筋半徑。

錨桿數(shù)量的計(jì)算公式為

式中：n為錨桿根數(shù);G為撐靴總質(zhì)量。

通過(guò)式（5）計(jì)算可知，錨桿的數(shù)量為3根，取安全系數(shù)為1.8時(shí)，則所需錨桿數(shù)量為6根。為保證撐靴固定之后的穩(wěn)定性，再增加7根構(gòu)造錨桿，構(gòu)造錨桿僅起到穩(wěn)定撐靴的作用，不考慮其受力狀態(tài)，則最終需要的鋼筋總數(shù)為13根。

（2）錨固長(zhǎng)度的計(jì)算。根據(jù)《巖土錨桿（索）技術(shù)規(guī)程》（CECS 22—2005）第7.5.1條規(guī)定，錨桿錨固長(zhǎng)度可按式（6）進(jìn)行估算：

式中：La為錨桿錨固長(zhǎng)度，m;K為錨桿錨固體的抗拔安全系數(shù);Nt為錨桿或單元錨桿的軸向拉力設(shè)計(jì)值，kN;D為錨桿錨固段的鉆孔直徑，m;fmg為錨固段注漿體與地層間的黏結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，kPa。

根據(jù)實(shí)際參數(shù)及規(guī)程中對(duì)相關(guān)參數(shù)取值的規(guī)定，由式（6）計(jì)算可得，錨桿錨固長(zhǎng)度不應(yīng)小于0.92 m。

（3）鋼筋錨固角度計(jì)算。由于鋼筋主要承受剪切荷載，因此對(duì)鋼筋的錨固角度進(jìn)行分析。如圖4所示，假設(shè)錨桿沿F1方向進(jìn)行錨固，而錨桿受到的力為撐靴的重力，方向豎直向下，即沿F2方向;假設(shè)此時(shí)錨桿承受的力F為錨桿的極限拉力，若想讓鋼筋承受的拉力大于其承受的剪切力，則鋼筋錨固角度α為

只有鋼筋錨固角度α小于35.2°時(shí)，鋼筋才可能出現(xiàn)受拉破壞。

（4）錨桿極限拉力驗(yàn)算。由于計(jì)算時(shí)僅考慮了錨桿的極限剪應(yīng)力，因此根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，對(duì)錨桿的極限拉應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算。考慮極限狀態(tài)，假設(shè)所有錨桿均承受拉力，則每根錨桿所承受的拉應(yīng)力計(jì)算公式為

計(jì)算得到每根錨桿所承受的拉應(yīng)力為105.02 MPa，考慮最不利狀態(tài)，假設(shè)所有錨桿均承受拉力時(shí)，每根錨桿所承受的拉應(yīng)力均小于其設(shè)計(jì)屈服強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度要求。由此可知，在滿足抗剪強(qiáng)度要求后，錨桿的錨固角度對(duì)承載能力影響不大[11-13]。

通過(guò)上述計(jì)算可知，采用直徑為22 mm的鋼筋錨桿13根沿?fù)窝?cè)面錨固，錨固長(zhǎng)度不小于0.92 m，錨固角度大于35.2°，錨桿外露部分與撐靴側(cè)面滿焊固定在一起。撐靴靴板與錨桿焊接的位置保證在30 cm以上，焊接厚度不小于錨桿直徑的一半。錨桿與靴板距離較大時(shí)，采用氣割將其加熱使其彎曲和靴板接觸，貼在靴板上，彎曲的錨桿在兩側(cè)焊接筋板進(jìn)行加固，靴板鋼筋的具體排布方式如圖5所示。

3.4 斜坡軌延伸方案

因橋架和主梁下部空間有限，故25 t機(jī)車和平板車不能直接到達(dá)撐靴油缸下面。需要鋪設(shè)斜坡軌，才能使平板車抵達(dá)主梁下部。斜坡軌按照6%的坡比進(jìn)行設(shè)計(jì)，需從后支撐往后12.5 m開(kāi)始架設(shè)鋼枕軌排，軌枕采用2根H型鋼并在一起，合縫處焊接，下部根據(jù)軌枕所在位置高度加支腿支撐，見(jiàn)圖6。

4 撐靴油缸的拆卸和運(yùn)輸

4.1 撐靴油缸的拆卸

撐靴油缸與撐靴連接處拆卸前，必須確保吊梁已完全焊接完畢且無(wú)質(zhì)量問(wèn)題，撐靴已穩(wěn)定固定在巖壁上，耳軸的螺栓全部拆卸完畢，手拉葫蘆已受力，在主機(jī)室查看扭矩油缸壓力值，扭矩油缸壓力控制在0.5 MPa以內(nèi)。

（1）撐靴油缸與撐靴分離。扭矩扳手打到額定值拆卸螺栓，若螺栓未動(dòng)可利用手拉葫蘆調(diào)節(jié)油缸上下，直至螺栓松動(dòng)取出。螺栓拆掉后將球頭壓板向油缸方向移動(dòng)，掛在油缸上（移動(dòng)前取下調(diào)整墊子）。油缸收回時(shí)，必須保證對(duì)講機(jī)信號(hào)暢通，且兩端平臺(tái)上各有一人觀察，及時(shí)喊停。

（2）拆卸扭矩油缸銷子。拆卸扭矩油缸銷子前先將扭矩油缸油管拆卸，利用大錘和千斤頂將銷子取出，用大錘砸時(shí)必須墊銅棒，同時(shí)利用手拉葫蘆上下調(diào)節(jié)，以方便取出。

（3）油缸下落到平板上。確保所有油管及連接位置都拆除后，松動(dòng)手拉葫蘆將油缸往下放。下放過(guò)程中專人指揮，確保兩側(cè)平衡下落，左右落差不超過(guò)10 cm。平板車上墊方木（方木放在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，在油缸落實(shí)之前不能接觸到巖壁），油缸必須下落到平板方木上，利用30 t和20 t手拉葫蘆旋轉(zhuǎn)油缸，使油缸平行于軌線。油缸兩側(cè)焊H型鋼固定，并用小型手拉葫蘆鎖緊。

4.2 撐靴油缸的運(yùn)輸

油缸在橋架和主梁下部的運(yùn)輸過(guò)程中，機(jī)車進(jìn)入后配套在旋轉(zhuǎn)平板與機(jī)頭之間，必須連接3輛平板車。機(jī)車下坡時(shí)必須時(shí)刻注意速度，及時(shí)剎車，以免因慣性而失控;上坡時(shí)如果機(jī)車力量不夠，可借助手拉葫蘆掛在橋架上輔助將其從坡底拉到坡頂。機(jī)車離開(kāi)配套以后可在變軌位置將中間的3節(jié)平板摘掉，這樣可以保證機(jī)車運(yùn)行的平穩(wěn)性。

5 耳軸關(guān)節(jié)軸承的更換及撐靴油缸的安裝

5.1 耳軸關(guān)節(jié)軸承的更換

關(guān)節(jié)軸承拆卸后，將安裝軸承位置清理干凈，抹上抗咬合劑。清理軸承座，在軸承座內(nèi)圈表面涂抹抗咬合劑，將關(guān)節(jié)軸承裝進(jìn)軸承座，軸承外圈與軸承座臺(tái)階貼死。利用手拉葫蘆、大錘等工具將軸承座和軸承安裝到耳軸上，然后將軸承內(nèi)圈貼在耳軸臺(tái)階上。

5.2 撐靴油缸的安裝

（1）撐靴運(yùn)到主梁下部后調(diào)整位置，使油缸兩端中心與撐靴中心對(duì)齊，掛上吊具，開(kāi)始起吊。在撐靴油缸提升接近鞍架時(shí)觀察耳軸兩端軸承座的位置，利用2 t和3 t手拉葫蘆調(diào)節(jié)油缸位置，使軸承座對(duì)正卡槽，繼續(xù)提升撐靴油缸，直到能安裝扭矩油缸銷子為止。

（2）用千斤頂、2 t和3 t手拉葫蘆調(diào)節(jié)油缸位置，逐個(gè)安裝扭矩油缸銷子。然后用手拉葫蘆調(diào)節(jié)耳軸位置，穿上耳軸所有螺栓后取出螺栓，墊上調(diào)整墊再安裝螺栓。

（3）接上撐靴油缸和扭矩油缸的油管，將撐靴油缸伸出，接近撐靴球頭時(shí)停止伸出，利用扭矩油缸和千斤頂調(diào)節(jié)油缸，使球頭對(duì)正后再將油缸伸出，直到可安裝球頭蓋板位置。

（4）安裝球頭蓋板，螺栓（調(diào)節(jié)墊片提前穿在螺栓上）打扭矩，割掉固定撐靴的錨桿，將撐靴油缸收回。

6 更換的重難點(diǎn)分析

由于撐靴油缸整體質(zhì)量達(dá)35.4 t，因此在運(yùn)輸和旋轉(zhuǎn)過(guò)程中都有極大的風(fēng)險(xiǎn)和安全隱患，是施工的重難點(diǎn)。

6.1 撐靴油缸的運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)

由于撐靴油缸與平板車接觸面為圓弧面且超重，因此油缸下落到平板車上時(shí)，重心必須在平板車的中心位置，撐靴油缸落到平板車上之后利用方木、小型葫蘆、工字鋼等對(duì)其進(jìn)行固定，固定過(guò)程中不可移動(dòng)油缸。平板車載油缸通過(guò)后支撐下部時(shí)必須點(diǎn)動(dòng)前移，避免與后支撐相撞。平板車運(yùn)輸過(guò)程中需專人看護(hù)，油缸出現(xiàn)細(xì)微的移動(dòng)時(shí)必須停車對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。機(jī)車載油缸運(yùn)行時(shí)，速度不得超過(guò)5 km/h，且看護(hù)人員必須緊隨車后，離車不能超過(guò)5 m。

6.2 撐靴油缸的旋轉(zhuǎn)

旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，油缸受到偏心力，最容易導(dǎo)致油缸重心與平板中心偏離，偏心后會(huì)造成平板和油缸傾覆。因此，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中必須利用30 t手拉葫蘆將油缸重力平衡掉，手拉葫蘆的收放由專人指揮，隨時(shí)關(guān)注鏈條的松緊程度，以免操作不當(dāng)造成傾覆，手拉葫蘆鏈條的斜度不能超過(guò)10°。

7 結(jié) 語(yǔ)

受復(fù)雜地質(zhì)條件的影響，嶺南施工段TBM兩側(cè)撐靴油缸產(chǎn)生了泄壓?jiǎn)栴}，進(jìn)而出現(xiàn)漏油的情況，造成項(xiàng)目施工成本增加及TBM故障率增高，且液壓油流入地下水，造成水質(zhì)二次污染等。結(jié)合洞內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況研究了撐靴油缸更換的吊裝設(shè)備選型及安裝、撐靴油缸的拆卸和運(yùn)輸、耳軸關(guān)節(jié)軸承的更換及撐靴油缸的安裝等施工過(guò)程，并分析了快速更換修復(fù)的重難點(diǎn)及應(yīng)對(duì)方案，對(duì)TBM掘進(jìn)施工過(guò)程中減少成本、降低設(shè)備故障率、提升設(shè)備利用率和工作性能起到了較好的作用，也為洞內(nèi)狹窄空間條件下?lián)窝ビ透赘鼡Q、修復(fù)提供了參考實(shí)例。

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