双护盾TBM掘进轴线偏移控制浅析

韩小亮

中国水利水电第三工程局有限公司, 陕西 西安 710032

1 工程概况

本工程位于甘肃省某地，主体工程为输水隧洞。施工以双护盾TBM（Tunnel Boring Machine，隧道掘进机）为主，辅以钻爆法。本台双护盾TBM全长310m，主机部分长13m，最小曲率半径400m。本标段输水隧洞全长13.5km,开挖洞径5.46m，坡度0.0485%，为逆坡掘进。

2 现象及处理措施

隧洞轴线偏移包括轴线左、右偏移及轴线上、下偏移，可总结归纳为轴线水平偏移、高程偏移。双护盾TBM掘进施工中比较常见的轴线偏移现象主要是轴线向右偏移及轴线向下偏移。双护盾TBM盾体较长，刀盘距撑靴距离较远，掘进过程中由于刀盘正转的惯性作用，TBM刀盘慢慢向右侧偏斜，带动TBM盾体向右偏移。在软弱、破碎围岩中掘进时，围岩支承力不足，TBM主机在自身重力作用下整体向下掉落，造成掘进轴线向下偏移[1]。

双护盾TBM在双护盾模式下掘进时，主要依靠主推系统完成设备姿态调整，进而实现隧洞轴线控制。主推系统共10根油缸，其中A组油缸在+Y轴方向均布包括10号油缸、1号油缸，B组油缸在+X轴方向均布包括2号油缸、3号油缸，C组油缸在-Y轴方向均布包括4号油缸、5号油缸、6号油缸、7号油缸,D组油缸在-X轴方向均布包括8号油缸、9号油缸。

2.1 掘进轴线右偏现象

TBM掘进至第二掘进段2896m时，围岩变为Ⅳ类围岩。根据超前地质预报，该段地层围岩较破碎，节理裂隙发育，极易发生掉块或塌腔。在进入该段围岩后，TBM操作手发现水平轴线右偏趋势迅速加大，同时垂直轴线向下的趋势亦随之增大。操作手根据以往施工经验，先调垂直轴线后调水平轴线，采取以下措施进行纠偏：掘进过程中将C组主推油缸压力调大，A组主推油缸流量调为0，掘进100~200mm后，使左右（B组、D组）主推油缸行程保持一致，并将左右主推油缸流量调至正常稳定状态，保持这种掘进姿态完成该行程。在纠偏过程中发现，垂直向上调整2mm，水平向右偏20mm，TBM向上调整越多，水平轴线偏右越多。

2.2 处理措施

停止掘进后，进入刀盘检查掌子面围岩情况，发现：围岩较破碎，极不稳定，撑靴无法撑紧洞壁，掌子面复杂多变，掌子面渗水、中间有塌方现象，左侧围岩较为软弱松散，右侧上方为坚硬岩、可形成刀具轨迹，右侧下方围岩有掉块现象，已揭露围岩未发现有收敛态势。

对TBM设备进行全面检查，主要检查主推油缸压力、行程与传感器显示值是否一致；检查主推油缸球头卡板连接螺栓有无松动、断裂。经检查，主推油缸压力、行程与传感器显示数值一致，主推油缸球头卡板连接螺栓完好无松动、断裂，排除主推系统设备故障造成TBM纠偏失败。

对主推系统的液压系统进行功能分析，发现A组油缸无法实现背压功能。双护盾TBM由于盾体较长，撑靴距刀盘较远，无法通过撑靴有效调整TBM主机姿态。双护盾TBM掘进过程中，TBM姿态主要通过四组主推油缸的压力差、行程调整，即通过A组油缸与C组油缸调整TBM垂直方向姿态，通过B组油缸与D组油缸调整TBM水平方向姿态。掘进过程中C组油缸压力大于A组油缸压力，TBM刀盘呈上扬姿态，但在换步过程中A组油缸与C组油缸有杆腔同时泄压，刀盘上扬的姿态无法保持加上该段围岩较软弱造成TBM主机在自身重力作用下整体向下掉落。

经过讨论分析，在A组油缸有杆腔管路上串联安装一组溢流阀可实现背压功能。考虑到主推油缸球头卡板连接螺栓强度不足断裂的问题，经设备厂家校验计算，溢流阀压力设定在80～100bar。掘进过程中C组油缸无杆腔压力大于A组油缸无杆腔压力，但A组油缸有杆腔压力大于C组油缸有杆腔压力，此时刀盘下部向上顶、刀盘上部向下拉形成了刀盘上扬的掘进姿态，换步时A组油缸有杆腔压力始终大于C组油缸有杆腔压力可保持刀盘上扬的姿态。

3掘进轴线偏移造成的后果

轴线偏移将造成设备故障、施工质量缺陷、安全隐患增多及施工成本增加等严重后果。

3.1 设备故障

由于掘进轴线偏移导致全长310m的双护盾TBM设备不能直线向前移动，将造成一系列不可预见的设备故障。

3.1.1 主机皮带转渣器脱槽、卡住

主机皮带为可移动组件，TBM轴线水平偏移造成1号连接桥变形，主机皮带与连接桥憋劲，主机皮带被卡住无法移动，甚至造成主机皮带转渣器脱槽。

3.1.2 管片吊机行走故障

设备水平偏移造成连接桥及后配套台车钢结构变形，管片吊机轨道随之变形，管片吊机行走齿盘及管片吊机横梁与管片吊机轨道梁靠死，行走电机负载突然增大，造成电机烧坏。

管片吊机滑触线随轨道变形后，还会造成滑靴接触不良等故障。

3.1.3 管片拼装机蹭

轴线偏移造成管片内壁与拼装机间隙不均，管片安装过程中，拼装机与管片内壁蹭，造成拼装机比例阀损坏。

3.1.4 连续皮带跑偏

连续皮带安装在掘进方向左侧洞壁上，随洞轴线水平偏移，连续皮带要保持直线运行将自动向右侧或向左侧偏移，造成该段皮带运行过程中跑偏、掉渣等问题。

3.1.5 连续皮带形成上下波浪

连续皮带随轴线安装，轴线高程偏移造成连续皮带呈波浪状，皮带不能平直运行，皮带起伏颠簸掉渣严重。洞内环境恶化，需额外投入人员进行清理。同时，连续皮带长时间起伏颠簸、受力不均存在皮带架失稳、皮带架坍塌的风险。

3.1.6 导向系统

由于轴线偏移，导致激光靶脱出全站仪测量范围，全站仪无法测到激光靶，必须缩短换站距离、提高换站频次，增加了测量累计误差。

同时由于全站仪安装空间狭小，轴线偏移后造成管片内壁与TBM设备间隙不均，掘进过程中容易造成全站仪与其他设备蹭，必须全程跟踪监护，避免全站仪设备损坏。

3.1.7 运输车掉轨

由于轴线水平偏移，TBM主机与后配套台车形成折线，运输车在TBM台车上运行时，极容易掉轨。TBM台车上空间狭小，掉轨处理难度极大，严重影响材料运输。

3.1.8 TBM后配套台车掉轨

TBM后配套台车在底管片安装的轨道上行驶，TBM换步过程中后配套台车随之向前移动。由于轴线水平偏移，TBM主机与后配套台车形成折线，后配套台车在移动过程中极容易掉轨，且处理难度较大，影响施工效率。

3.1.9 运输车车轮轴承损坏严重

由于洞内积水无法及时排出洞外，运输车长时间在水中行驶，车轮轴承中的润滑油被水冲刷流走，车轮轴承无润滑油运行故障率极高，车轮轴承损坏严重。

3.2 质量缺陷

轴线偏移使管片安装错台增大、管片圆度偏差增大、管片连接螺栓无法安装等。管片安装顶紧过程中，由于轴线偏移造成管片受力不均，管片破损、掉角增多，破损管片修复工程量增加。工程施工质量整体下降。

3.3 安全隐患

由于轴线偏移，洞内小火车运输掉轨、翻倒等安全风险增加。施工废水无法及时排出，洞内作业环境恶化。洞内架设有抽水泵、敷设电缆，由于洞内比较潮湿增加了触电等用电安全风险。管片吊机因滑触线接触不良突然停机、溜钩等风险增加。连续皮带随洞轴线偏移使连续皮带在不利工况下运行，增加了连续皮带设备运行安全风险。洞内安全风险源增加，安全管理难度增大，作业人员人身安全得不到有效保障。

3.4 施工成本

因隧洞轴线偏移造成TBM设备故障增加、施工质量下降、洞内施工安全隐患增多等，为保证正常施工，采取了一系列的保障措施，直接增加了施工成本，如更换TBM设备零配件、安排专人进行施工修复及检测、增设洞内排水设施等[2]。同时，因隧洞轴线偏移导致施工降效间接造成施工成本增加，如，运输车在洞内行驶遇到积水坑、轨道折线时将减速行驶，导致洞内材料运输效率降低，影响掘进施工进度。

4 经验教训及总结

4.1 经验教训

回顾本次轴线偏移事件，可以吸取以下经验教训。

4.1.1 设备功能不完善

通过与国内外其他厂家同类设备进行对比分析，发现其他厂家同类设备均设计了A组主推油缸的背压功能。设备应在设计阶段充分考虑各种不利工况及环境下的应用，力求完善设备功能，尽可能降低施工过程中各种不可预测的施工风险。

4.1.2 施工管理存在漏洞

未制定《不良地质条件掘进施工流程》，不良地质条件掘进时的处置流程不明确；操作手在对当前掌子面围岩信息掌握不全面的情况下根据以往施工经验进行处理，导致轴线偏差继续扩大。应在TBM掘进施工开始前编制《不良地质条件掘进施工流程》，明确遇到不良地质条件时的处置流程，并确保技术交底到作业层。同时应建立文件、信息收发的跟踪及反馈制度，确保关键岗位能及时接收到关于施工的各种信息，以便于做出及时有效的施工安排，避免造成重大损失。

4.1.3 管理及施工人员质量意识及专业技能有待提高

在本次轴线偏移事件中，操作手向项目部汇报情况后，项目部对问题严重性认识不足，未及时采取有效措施进行控制。工程项目施工中，项目部全体人员应树立正确的质量观，凡是质量问题均应该认真对待及时处理。

4.2 总结

通过此次轴线偏移事件，对双护盾TBM掘进过程中的纠偏操作流程进行整理及总结。

4.2.1 纠偏作业指导原则

单一调整原则，即当水平和垂直偏差均发生时，每次纠偏操作时只纠正一个方向的偏差。

优先纠偏原则，即当水平和垂直偏差均发生时，优先纠正垂直偏差。

平滑微调原则，单次纠偏量不大于4/1000。

超前富余原则，根据双护盾TBM设备特点，掘进过程中容易向下、向右偏，在掘进过程中应该提前留出富余量。

及时会商原则，对于纠偏量大、纠偏难度大的操作应及时开会讨论纠偏方案。

4.2.2 纠偏具体操作流程

对于Ⅱ、Ⅲ类围岩可以进行正常调向，避免A组油缸行程大于C组油缸行程，B组和D组油缸行程差结合导向系统做微调以保持水平姿态。

若因俯仰过大导致垂直方向偏离轴线过多，可做以下调整：第一，选择后退刀盘至发现偏离处，重新推进，并调整A组油缸行程接近C组油缸行程或略微大于C组油缸行程。第二，若因A组油缸掘进过程中无压力，C组油缸行程伸出过快导致上偏，可降低C组分区流量至适当值(15%~20%)，在保证水平方向姿态的同时，适当降低B组D组分区流量值，增大A组分区流量值50%以上并将总推进流量值调至70%以上，开始推进时会发现A组油缸压力逐渐增大，然后降低A组分区流量并将其他三组分区流量恢复。

当TBM掘进方向偏左(或偏右)过大时，可做以下调整：若因D组(或B组)油缸掘进过程中无压力，B组(或D组)油缸行程伸出过快导致左偏，可将B组(或D组)分区流量值调0，在保证垂直方向姿态的同时，适当降低A组C组分区流量值，增大D组分区流量值至50%以上并将总推进流量值调至70%以上，开始推进时会发现D组(或B组)油缸压力逐渐增大，然后降低D组(或B组)分区流量并将其他三组分区流量恢复。不良地质段(Ⅳ类围岩)中经常碰到刀盘姿态偏低抬头困难的问题[3]。这时应将A组油缸分区流量值调0，将对应的C组油缸压力调至130bar以上，130bar以上的压力基本可以抵消刀盘自身重力造成的掘进方向的下偏并有上调趋势，同时控制刀盘的转速在1.0～3.0r/min，使刀盘转矩增大以达到增大C组油缸压力的目的，这样就可以将刀盘抬起来。对于有些特殊不良地质段中刀盘抬头同时，伴随水平轴线向右偏离过大时，此时垂直和水平方向调整不能同时兼顾，考虑到对工程质量的影响做以下调整：距离贯通较远时，优先考虑垂直方向的姿态调整，遵循平滑微调的原则，调整方法如前所述。即将贯通时，优先考虑水平方向的姿态调整，遵循平滑微调的原则，调整方法如前所述。

5 结语

软弱围岩中掘进轴线偏移的处理方案有效、可操作性强，纠偏方案的实施有效调整了TBM设备掘进姿态并控制隧洞轴线保持在设计允许偏范围内，安全平稳地通过该段不良地质地层。通过对案例的简单分析并对双护盾TBM掘进轴线偏移引起的若干后果及纠偏操作流程进行总结，期望能对类似工程提供一定的借鉴。