敞开式TBM转场检修及步进的关键问题

刘 芳，罗晓军

（1.辽宁省水利工程建设质量与安全监督中心站，辽宁沈阳110003；2.辽宁省葠窝水库管理局，辽宁辽阳111000）



敞开式TBM转场检修及步进的关键问题

刘 芳1，罗晓军2

（1.辽宁省水利工程建设质量与安全监督中心站，辽宁沈阳110003；2.辽宁省葠窝水库管理局，辽宁辽阳111000）

摘要：文章基于辽宁某重点水利工程5台敞开式TBM转场施工过程中的经验，总结了滑板式步进的保障措施及罗宾斯机型检修需注意的问题，可供后续施工人员参考。

关键词：敞开式TBM；步进；检修

1 背景及目的

1.1 背景

敞开式 TBM每掘进5～8km距离则需停机大范围检修一次，检修后设备方可进行下一段隧洞开挖工作。两段TBM掘进隧洞间隔段常采用钻爆法开挖，长度在300～4500m不等。在钻爆段内，由于洞壁不规则，TBM无法依靠撑靴向前推进，而需依靠步进进行步进式前进。然而，因土建施工及TBM检修项目的影响，后续设备掘进效率受到较大制约以致影响总体施工工期，对施工单位造成一定程度的经济损失。

1.2 目的

如何保证设备快速步进的同时完成设备检修任务，确保后期掘进过程中的稳定运行成为TBM转场施工期间的重要技术难点。本文结合辽宁某重点水利工程5台罗宾斯敞开式TBM转场过程中的使用经验，总结分析了滑板式步进过程中的影响因素及罗宾斯机型检修应关注的问题。

2 TBM步进施工及设备检修普遍存在问题

2.1 步进及其工作原理

敞开式TBM步进装置的原理是运用步进滑板与混凝土地面的摩擦系数大于滑板与钢板间摩擦系数特点，实现步进装置的推动作用［1］。在步进作业时，主要依靠步进油缸推动机头架在步进滑板上依靠滑动摩擦前进。由于钢板与步进油缸行程有限，每个步进行程结束之后，左右护盾下方的举升油缸伸出将主机部分顶起，以便步进油缸能将钢板向前拖动。如此循环，TBM即可不断向前移动。

2.2 土建施工对步进的影响

2.2.1 底板质量对步进的影响

首先，底板及导向槽的浇筑质量直接影响着TBM步进的速度。目前 TBM步进底板浇筑后普遍平整度较差，TBM步进过程中平整度误差传导至主机导致其将上下起伏，同时步进油缸的寿命亦受到极大影响，当步进油缸前后高度差达到一定量时，油缸将出现不可逆的损害。其次，左右底板高度差亦尤为重要，当千斤顶油缸向外伸出时，若作业底板高度差较大，整个刀盘及护盾部分将向一侧倾斜，甚至倒向洞壁，这将迫使步进过程终止。最后，确保导向槽直线度，因为主机部分将严格按照导向槽方向行走，一旦导向槽存在直线度误差，误差将传递给主机，并对主机结构件造成额外应力形成安全隐患。

2.2.2 传统超欠挖测量方式的缺陷

传统方法测量步进段超欠挖一般以直角坐标法、激光断面仪法为主，该办法虽然可在理论上测量隧洞超欠挖数据，但在实际施工中存在较大缺陷。从理论上看传统检测方法仅可保证隧洞欠挖处理按照设计图纸执行。但在实际施工中，TBM步进是延底板导向槽行走，导向槽在浇筑过程中必将存在精度误差，该误差在TBM步进过程中将通过步进滑板逐级传递到TBM刀盘乃至后方结构件上并导致刀盘前进过程中出现欠挖区域。

2.2.3 积水对步进滑板的破坏

由于机头架与步进滑板间布满起到润滑作用的黄油，施工段常存在积水，一旦黄油遇水油脂会乳化失效并加速丢失。刀盘支撑下部钢板与步进滑板处于干磨状态，很可能导致在步进段尚未完成前滑板被磨穿或底护盾下方钢板被磨变形。

2.3 机械部件的检修对后续掘进的影响

在TBM转场过程中，主机检修工作分两个阶段进行，分别是检修准备阶段和检修阶段。检修准备工作的任务是检测并全面掌握TBM设备技术状况，制定合理检修方案及检修计划，完成检修过程中的人员、设备、配件、材料等资源准备工作。在贯通前1km逐部件、逐系统对TBM设备进行调查和检测。调查工作主要是对设备前期运转情况进行摸底，根据运转情况判断设备可能的状态；检测工作是通过一定的技术手段对每个部件、每个系统进行检测，检测方法主要是使用检测仪器进行带载、空载检测、外观目测、抽样拆检等方法。TBM主机部分主要检测部件为刀盘、主轴承及其密封、推进油缸、锚杆钻机平台、水平油缸十字销轴、鞍架耐磨条、喷混凝土系统。

步进洞段距离长短根据相关工程的具体情况有所不同，一般步进距离保持在0.3～4km之间。设备贯通后，按照罗宾斯技术规范要求，在TBM正式步进开始前，施工单位需拆除推进油缸与撑靴的连接销轴，以防油缸活塞及活塞杆在步进过程中始终跟随主梁和撑靴鞍架的前移往复伸缩。由于拆除连接销轴费时费力，许多施工单位常常不按技术要求执行。在此情况下，推进油缸活塞将在主梁带动下反复前后伸缩，因此时油缸内已无充足的液压油，残留的部分油脂仅堆积在油缸底部，加之设备步进速度要远大于掘进速度，因此油缸伸缩速度、磨损速度将大大加快，其磨损部位为活塞上部圆周；如混导向槽浇筑过程中存在水平方向偏差，则油缸亦将出现侧向磨损。

在掘进行程里，撑靴撑住洞壁，后支撑收起，主梁重力由鞍架承受并传递给撑靴，鞍架主要为下方耐磨条磨损；换步行程中，后支撑落下，撑靴缩回并随鞍架向前行走，此时鞍架及撑靴重力由主梁承受，鞍架上方耐磨条磨损。因此，在一段距离的掘进施工后，鞍架上下耐磨条均存在不同程度磨损，需在转场检修前购买备件、制定相应更换方案并在TBM转场过程中及时更换。

上述情况将为设备后续掘进埋下隐患，对掘进效率造成较大影响。

3 TBM步进检修的改进方案

3.1 土建施工的改进方案

3.1.1 底板混凝土的质量控制

TBM步进段土建施工必须严格按照图纸要求施工，TBM前步进装置宽5743mm，需特别注意底部不允许欠挖，开挖底板浇筑时严格控制平整度，在浇筑完成后，需对整个步进段进行尺寸复测，左右两侧底板高差保持在5cm以内。

鉴于步进滑板结构上部为半圆弧型，其半径、弧度与刀盘及机头架相配合。若 TBM贯通时精度误差较大，刀盘移至步进滑板过程中将形成卡滞情况，在滑板与导向槽已安装完毕无法移动的情况下，刀盘及机头架部分质量约达300t，水平移动难度极大。另外，应考虑到贯通面围岩稳定性的问题。若岩石较破碎，TBM贯通后刀盘及机头架受重力影响会出现下沉现象，其下沉度在3～5cm左右。因此，建议在TBM贯通前应开挖Φ 0.3～0.5m，长度30m的导洞并及时调整刀盘位置，使之贯通时水平误差尽量减小，垂直误差应比设计标准高出8～10cm。

3.1.2 欠挖检测

就步进段超欠挖问题，建议采用模拟刀盘法施工。该方法完全模拟了TBM步进过程中的刀盘各点的轨迹，有效地确认了欠挖区域，施工单位可提前处理，为TBM步进做好准备。

3.1.3 排水

对于长距离、有坡度的步进段，污水无法实现自流排水，施工人员需在洞内安装排水泵将污水排至主支洞交叉口，利用交叉口处集水池排水设备通过隧洞内的多级梯级排水排除洞外。正常施工排水采取1套排水管路，如遭遇突发涌水可采取2套排水管路同时运行，确保设备和人员安全。

3.2 拆除推进油缸与撑靴连接销轴

在拆卸连接销时，需在销轴下方焊接U型架，将20t千斤顶固定在U型架底部。操作手需以换步方式前后移动撑靴，与此同时千斤顶逐步施加作用力，选择销轴摩擦力最小位置停止撑靴移动并通过千斤顶逐步施加作用力将销轴取出。销轴取出时切忌不可在固定位置强行施加外力以防相关零件造成不可逆损坏。

3.3 更换鞍架耐磨条与水平十字销轴

罗宾斯设备设有水平撑靴十字销轴，其作用在于为撑靴及水平油缸提供前后旋转的自由度。但在面对不良地质时，撑靴受洞壁破碎围岩影响，其位置常有前后摆动或倾斜，当其位移较大时，十字销轴挡圈及轴瓦易因此损坏。故在检修过程中施工单位需制定相应更换准备。在更换过程中，需在鞍架下方搭建脚手架，拆卸鞍架连接螺栓，之后使用千斤顶分别顶出前后鞍架中心部位并更换销轴。在此期间需确保撑靴向外伸出并撑住洞壁，通过洞壁提供的支撑反力将前后鞍架的左右部分压紧在主梁滑道上，鞍架与滑道间的摩擦力有效抵消鞍架自身重力并保证了左右鞍架有效固定。

4 结语

本工程采用了多台TBM施工，其中TBM5步进距离超过2800m，TBM6步进距离多达4412m，在采用了文中的改进方案后分别用时56天、57天既完成了全部转场工作；TBM8步进距离2800m，因施工过程中土建质量差，整个步进转场耗时105天，对后续工期影响严重。如何做好步进施工是控制TBM工期的关键因素之一。本文针对TBM步进系统的前期准备及TBM易损结构件的更换进行了分析并提出了建议，希望可以为施工人员提供参考，也为其他类似工程提供借鉴经验。

参考文献

［1］曹宁宁.TBM洞内平底板步进施工技术［J］.建设机械技术与管理，2014（07）：86-89.

［2］蔡文华，刘长喜.引洮总干渠9#隧洞TBM设备施工应用及技术探讨［J］.水利规划与设计，2012（02）：61-64.

［3］王跃峰，王立选，邵月顺.深埋特长隧洞TBM施工初探［J］.水利技术监督，2005（04）：42-45.

［4］梁承喜.TBM法在山西引黄入晋工程中的应用［J］.水利技术监督，2002（04）：38-39+44.

［5］李晓晗，赵琳，许爱萍.Mcna11y系统在TBM隧洞施工中的应用［J］.水利技术监督，2014（06）：70-73.

［6］贺红效.TBM长隧洞施工质量控制的关键技术［J］.水利技术监督，2008（01）：10-11+19.

中图分类号：U455.3+1

文献标识码：B

文章编号：1008-1305（2016）02-0103-02

DOI：10.3969/j.issn.1008-1305.2016.02.041

收稿日期：2016-02-15

作者简介：刘 芳（1971年—），女，高级工程师。