大直徑TBM 主推進(jìn)油缸狹小空間內(nèi)更換技術(shù)研究

宋健健，王 俊，雷升云

（陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司,陜西 西安 710024）

大直徑敞開式隧洞TBM 掘進(jìn)機(jī)是一種高科技的隧洞施工設(shè)備,在城市地鐵、燃?xì)夤艿?、鐵路、引水隧洞等工程施工中得到了普遍應(yīng)用,和常規(guī)的鉆爆開挖方法相比,選用TBM 設(shè)備掘進(jìn)施工能夠減少工期、加快速度、提高綜合效益等優(yōu)點(diǎn),是國內(nèi)外地下隧洞工程施工中優(yōu)先考慮的施工方法,為保障TBM 整個(gè)機(jī)械設(shè)備高效和安全的運(yùn)行,對機(jī)械設(shè)備的重點(diǎn)部位零部件正常運(yùn)行有嚴(yán)格的要求,推進(jìn)油缸作為TBM 設(shè)備一個(gè)至關(guān)重要的零部件,其性能好壞直接影響到整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行質(zhì)量和工作效率,因此進(jìn)行TBM 設(shè)備推進(jìn)油缸在狹小空間內(nèi)更換技術(shù)研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

本文以引漢濟(jì)渭引水隧洞嶺南（MB266-395）TBM 硬巖掘進(jìn)機(jī)設(shè)備為例,通過分析主推進(jìn)油缸的現(xiàn)場使用情況及更換的必要性,主推進(jìn)油缸在洞內(nèi)狹小空間更換的總體方案,吊裝及運(yùn)輸設(shè)計(jì),更換實(shí)施的步驟及快速施工的重難點(diǎn)。

1 主推進(jìn)油缸現(xiàn)場使用情況描述及更換推進(jìn)油缸的必要性

1.1 主推進(jìn)油缸現(xiàn)場使用情況描述

調(diào)水工程秦嶺輸水隧洞嶺南TBM 掘進(jìn)段地處秦嶺腹地,選用美國羅賓斯公司生產(chǎn)的Φ8.02 m 硬巖掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行施工。隧洞穿越嶺脊段的最大埋深達(dá)到2100 m、圍巖最高強(qiáng)度達(dá)到230 MPa,洞內(nèi)溫度達(dá)40℃左右,濕度超過90%,不良地質(zhì)條件對掘進(jìn)時(shí)TBM 設(shè)備部件的安全高效運(yùn)轉(zhuǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。本臺TBM 于2018 年10 月掘進(jìn)換步過程中發(fā)現(xiàn),左下側(cè)推進(jìn)油缸活塞桿回收較為困難,并伴隨異響的發(fā)出,導(dǎo)致在換步過程中右側(cè)推進(jìn)油缸活塞回收完畢之后,左側(cè)推進(jìn)油缸活塞在進(jìn)行回收,經(jīng)長時(shí)間監(jiān)測顯示銅成分仍呈持續(xù)上漲趨勢,故而對主推進(jìn)油缸進(jìn)行檢測。檢測結(jié)果表明,隧道掘進(jìn)方向左側(cè)下方主推進(jìn)油缸存在嚴(yán)重內(nèi)泄情況,這一現(xiàn)象致使鞍架兩側(cè)靴板在移動過程中發(fā)生前后傾斜,容易與兩側(cè)邊墻發(fā)生摩擦,造成球頭及設(shè)備的損壞。

1.2 更換推進(jìn)油缸的必要性

油缸在內(nèi)部損壞情況下持續(xù)使用,會造成油缸內(nèi)部磨損產(chǎn)生機(jī)械雜質(zhì),對液壓油品及液壓系統(tǒng)的正常運(yùn)行存在眾多影響,例如：閥塊卡頓、執(zhí)行及動力元件損壞異常、密封損壞等眾多情況出現(xiàn),同時(shí)在換步過程中也存在較大的危險(xiǎn),影響正常的掘進(jìn),需對左下側(cè)推進(jìn)油缸進(jìn)行更換。

2 推進(jìn)油缸更換方案總體描述

在步進(jìn)到位后,利用風(fēng)鉆在方案指定位置打吊裝錨桿孔,安裝吊裝錨桿,當(dāng)TBM 掘進(jìn)至擬定停機(jī)位置后,將鞍架向后移動,直至推進(jìn)油缸活塞桿伸出1.5 m,扭矩油缸恢復(fù)到中位并將左右兩側(cè)鉆機(jī)行走至最前方,達(dá)到停機(jī)狀態(tài),然后使用4 臺5 t手拉葫蘆進(jìn)行油缸的拆卸及吊運(yùn)工作。將中心軌鋪至推進(jìn)油缸位置,使用27 t 小馬機(jī)車以及多節(jié)平板鏈接進(jìn)行舊油缸運(yùn)出以及新油缸到位的運(yùn)輸工作?？傮w施工流程見圖1。

圖1 總體施工流程圖

3 吊裝方案的設(shè)計(jì)

主推進(jìn)油缸需拆除部件參數(shù)見表1。

表1 更換期間需拆除部件參數(shù)表

3.1 吊裝孔位置的選取

在推進(jìn)油缸缸體前后兩端的垂直方向上,使用風(fēng)鉆打孔并安裝吊裝錨桿見圖2。

圖2 吊點(diǎn)位置選取示意圖

3.2 手拉葫蘆選擇

本次主推進(jìn)油缸的更換吊裝作業(yè),主要為主推進(jìn)油缸的起吊工作,不含油時(shí)的總重為4.2 t,涉及到在拆除過程中,部分工序使油缸為帶油狀態(tài),以5 t 計(jì)算,起吊作業(yè)的荷載計(jì)算見式（1）：

式中：Q1代表吊裝載荷；Q 代表主推進(jìn)油缸重量和吊具重量的總和；K1代表動載荷系數(shù),取值為1.1；K2代表不均衡載荷系數(shù),取值為1.25。

通過式（1）的計(jì)算可以得到,吊裝荷載為7.9 t,根據(jù)市場常用手拉葫蘆參數(shù)選擇,本次吊裝過程中選用4 臺5 t、2 臺3 t 手拉葫蘆進(jìn)行操作,可滿足作業(yè)要求。

3.3 錨桿受力驗(yàn)算

推進(jìn)油缸更換過程中的吊裝荷載為7.9 t,油缸在吊裝過程中離開隧洞底部時(shí)通過錨桿提供足夠的拉力,并且要保證油缸在吊裝過程中的平穩(wěn)起吊,錨桿選用抗拉強(qiáng)度為335 MPa的Φ22 螺紋鋼,其滿足的條件為：

式中：Nd代表鋼筋設(shè)計(jì)拉力數(shù)值；Fy代表普通鋼筋的設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度數(shù)值；As代表錨桿的截面積。

經(jīng)過上式計(jì)算可知,As=14.3 cm2,一根Φ22 鋼筋的截面積約為3.8 cm2,選用4 根該種錨桿能夠達(dá)到吊裝承載力的需要。

在錨桿的承載能力能夠達(dá)到需求時(shí),錨桿與圍巖之間的黏結(jié)摩擦力必須滿足：

式中：La代表錨桿錨固段的長度；Fmg代表錨固段落注漿體和巖體之間的黏結(jié)強(qiáng)度最大值,一般取值為1.5～2.5；D代表鉆孔的直徑；K 代表注漿體與巖體之間黏結(jié)程度的抗拔安全系數(shù),取值為2.0；代表錨桿的錨固長度和最大黏結(jié)強(qiáng)度之間的影響系數(shù),一般取值為1.3～1.6；n 代表錨桿的根數(shù)；ε 代表錨固效果的折損系數(shù),一般取值為0.60～0.85。

通過計(jì)算可以看到錨桿的最大錨固長度要大于3 m,錨桿的數(shù)量小于5 就可以達(dá)到承載力的要求。所以吊裝錨桿采用22 mm 螺紋鋼彎曲制成,錨固長度為3 m,并由實(shí)驗(yàn)室做拉拔試驗(yàn)后方可使用,錨桿制作見圖3。

圖3 吊點(diǎn)錨桿示意圖

3.4 吊裝拆卸、安裝

（1）油缸拆除。使用吊帶以及手拉葫蘆將推進(jìn)油缸缸體與吊裝錨桿鏈接,并使其受力,然后拆除推進(jìn)油缸活塞桿鏈接銷,拆除油缸大小腔液壓管路,使用手拉葫蘆將活塞桿收回,其后拆除油缸缸體鏈接銷,利用5 t 的手拉葫蘆以及側(cè)邊吊裝點(diǎn),將油缸向緩慢降至下方底面或平板車上。

（2）油缸安裝。在更換之前需要對維修后推進(jìn)油缸進(jìn)行保壓測試,避免在新油缸無法正常使用的情況下,仍然更換使用,造成人力物力的損失,同時(shí)對更換密封后的推進(jìn)油缸做保壓試驗(yàn)。油缸安裝即油缸拆除工序的反向?qū)嵤?使用5 t倒鏈將油缸拉升至合適位置,然后利用側(cè)邊吊裝點(diǎn)將新油缸移動至安裝孔位,進(jìn)行位置校核和安裝。

4 油缸的運(yùn)輸設(shè)計(jì)

在停機(jī)更換油缸之前需將軌排鋪設(shè)至推進(jìn)油缸下方,使用運(yùn)輸平板進(jìn)行更換油缸時(shí)的運(yùn)輸工作。在更換時(shí)由27 t 小馬機(jī)車鏈接多截平板,將首截平板頂至油缸更換處,推進(jìn)油缸直徑為572 mm 加上平板車的高度700 mm,總體最高高度為1272 mm。吊刀梁距離軌排的垂直距離為1340 mm,因此吊刀梁不妨礙油缸運(yùn)輸工作（此步驟在更換撐靴油缸時(shí),已將軌排鋪設(shè)完畢）。

圖4 平板車倒運(yùn)示意圖

5 推進(jìn)油缸更換的實(shí)施步驟

5.1 TBM 停機(jī)狀態(tài)準(zhǔn)備

（1）鞍架向后移動至推進(jìn)油缸活塞桿伸出1 m。（2）扭矩油缸處于中位。（3）鉆機(jī)走到最前端。（4）右側(cè)油管管排拉升至主梁上方。

5.2 更換過程

（1）在停機(jī)之后將右側(cè)推進(jìn)油缸上方的管排用手拉葫蘆吊起至主梁上方。（2）將推進(jìn)油缸的小腔完全伸出。（3）在停機(jī)之前在搭建的吊裝支架上各掛兩個(gè)5 t 的手拉葫蘆。（4）使用手拉葫蘆將油缸和吊裝點(diǎn)連接,使鏈條受力。（5）在小腔連接銷的外側(cè)焊接U 型卡,利用千斤頂將小腔處的連接銷取出。（6）拆除推進(jìn)油缸的油管管路,將油缸的活塞桿收回,然后用相同的方式拆除大腔的連接銷。（7）使用手拉葫蘆將油缸下放至平板車上。（8）將更換的新油缸用上述方法拉升至合適的位置,進(jìn)行對孔安裝。（9）恢復(fù)油缸大小腔油管,進(jìn)行排空試驗(yàn)工作。（10）驗(yàn)收合格后,更換完成,恢復(fù)設(shè)備使用。

5.3 更換完成后效果驗(yàn)證

在更換完成后對拆除小腔油口,進(jìn)行帶壓推進(jìn),觀察小腔泄露量,同時(shí)對油品銅含量以及機(jī)械雜質(zhì)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測,看是否還存在上漲趨勢。

6 快速施工的重難點(diǎn)分析

（1）作業(yè)空間的限制。因推進(jìn)油缸所處的位置化,所以此次更換有許多工作需要搭建操作平臺,并保證平臺的安全性能,因此在更換油缸時(shí)也要占取相對的時(shí)間。

（2）油缸的起吊工作。此次更換的油缸為左側(cè)下方的推進(jìn)油缸,在起吊的時(shí)候需要輔助性的側(cè)面拉伸方可完成更換工作,整個(gè)過程需要全體作業(yè)人員緊密配合,避免油缸起吊過程中發(fā)生側(cè)滑現(xiàn)象。

（3）油缸的安裝工作。在安裝推進(jìn)油缸兩端的連接銷時(shí),必須使油缸處于平行的狀態(tài),且需要輔助性的拉升使座子的銷孔位置與油缸的銷孔重合,方可安裝連接銷,另外在推進(jìn)小腔的時(shí)候需要多人同時(shí)操作,使其與銷孔重合,以上的操作空間有限,所以更換的時(shí)候需在保證自身安全的前提下進(jìn)行更換。

7 結(jié)語

（1）受深埋隧洞高強(qiáng)度硬巖等不良地質(zhì)環(huán)境的影響,TBM掘進(jìn)作業(yè)過程中的劇烈振動導(dǎo)致 左下側(cè)推進(jìn)油缸活塞桿回收較為困難,并伴隨異響的發(fā)出,經(jīng)檢測結(jié)果表明,隧道掘進(jìn)方向左側(cè)下方主推進(jìn)油缸存在嚴(yán)重內(nèi)泄情況,致使鞍架兩側(cè)靴板在移動過程中發(fā)生前后傾斜,容易與兩側(cè)邊墻發(fā)生摩擦,造成球頭及設(shè)備的損壞,使設(shè)備工作性能降低,存在較大安全隱患。

（2）結(jié)合嶺南TBM 工程實(shí)際介紹了主推進(jìn)油缸更換的總體方案,吊裝及運(yùn)輸設(shè)計(jì),更換實(shí)施的步驟及快速施工的重難點(diǎn),快速、安全地進(jìn)行了主推進(jìn)油缸的更換工作,確保了TBM 設(shè)備在高強(qiáng)度硬巖掘進(jìn)中的可靠運(yùn)行,減小了設(shè)備故障率,提高了刀盤貫入度和設(shè)備利用率。