大直径TBM刀盘外密封更换技术研究

安飞翔

摘 要：引汉济渭工程秦岭隧洞岭南工程TBM施工过程中，由于隧洞具有“三高两强一长”的工程特点，因此设备长期处于极限负荷状态下掘进，造成刀盘外密封泄压。研究制定了洞内更换刀盘外密封的方案和操作方法。刀盘总质量为135 t，拟定将刀盘使用钢支撑结合锚杆形式固定，进行刀盘与主轴承分离，分离长度约为0.9 m，其后进行外密封检查更换以及螺栓更换工作。经过更换后的刀盘外密封及主轴承油品检测各项指标正常，在引汉济渭工程秦岭隧洞TBM施工段岭南工程高磨蚀性硬岩地段掘进施工中，刀盘贯入度明显提高，节省了大量维修保养时间，提高了施工工效。

关键词：大直径刀盘;TBM主轴承;密封;更换技术;引汉济渭工程

中图分类號：TV53;U455 文献标志码：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

全断面隧洞掘进机（TBM）因工作效率高、隧洞成型好、对周边环境影响小及作业安全等优点已被广泛应用于国内外深埋长隧洞的施工中[1-3]。TBM作为长大隧道施工的主力军，其设备各方面性能必须具备可靠性、稳定性，否则将给工程建设造成极大损失。为更好满足施工需求，通常根据工程地质条件对TBM进行选型、设计和制造，但仍无法避免掘进施工过程中其出现故障的风险。如新疆吐库二线铁路中天山隧道TB880E型隧道掘进机主轴内外密封均出现过问题，曾在洞内更换[4-5];秦岭隧道TBM掘进过程中曾出现后部撑靴无法收回的故障[6];锦屏TBM-319主轴承润滑系统曾经出现故障[7];辽宁某供水工程TBM4左右侧撑靴分别脱落[8];TBM刀盘在中天山隧道上场前曾经全面整修[9-10]，但施工过程中仍然出现了较为严重的问题。笔者结合引汉济渭工程秦岭隧洞岭南工程TBM施工实践，研究大直径TBM刀盘外密封在洞内狭小空间环境下的更换技术。

1 工程概况

引汉济渭秦岭隧洞TBM施工段岭南工程是针对关中地区缺水问题提出的陕西省南水北调工程的骨干调水工程，是促进“关中-天水经济区”发展的大型水利工程。隧洞位于陕西省宁陕县四亩地镇境内，全长18.275 km，设计流量70 m3/s，多年平均输水量15.0亿m3，隧洞平均坡降为1/2 500，采用一台罗宾斯公司提供的Φ8.02 m全新敞开式隧道掘进机施工，开挖直径为8 050 mm（新刀）/8 020 mm（刀具磨损到极限），TBM整机长度为317 m，其中主机长度为25 m，设备桥长度为55 m，后配套长度为237 m（含加利福尼亚道岔），整机质量约为1 400 t。

2 刀盘结构及外密封状况分析

刀盘面板为平面设计，由1个中心块和4个边块组成，共装有51把刀具，结构见图1。含4组（8把）双刃中心刀和43把单刃滚刀，单刀承载力为31.5 t。刀盘设计8个铲斗，采用10台水冷式、单台功率为330 kW的变频电机驱动，刀盘转速0～6.87 r/min，额定扭矩为9 743 kN·m，脱困最大扭矩为14 614 kN·m。

TBM于2015年2月28日始发，累计掘进5 850 m后，刀盘主轴承无法正常运转，油品参数超标，停机更换主轴承内密封后再次掘进2 700 m时主轴承油检显示硅含量频繁超标，经检查，内密封运行状态良好，为保证后续施工顺利进行，避免设备隐患扩大，决定对外密封进行检查更换。

刀盘总质量为135 t，拟定对刀盘使用钢支撑结合锚杆形式固定，然后使刀盘与主轴承分离，分离长度约为0.9 m，其后对外密封及刀盘进行检查更换。

3 更换刀盘外密封具体步骤

3.1 停机位置及设备姿态

保证机头架、刀盘、隧道底面处于同一中线上，刀盘位于第二道耐磨环与锚杆孔所处的同一截面，转动刀盘使16#仓位底部与地面垂直，以便于安装时观察定位销位置，见图2;抬起刀盘，利用步进油缸调整步进板位置，使得步进小车前端与步进板槽前端距离为10 cm，预留刀盘安装对接余量;回收支撑油缸，将刀盘恢复至自由状态，再利用支撑油缸将刀盘抬起3～5 mm，同时铺垫钢板防止其复位和预防机头与刀盘分离后钢支撑微小形变导致刀盘下沉;固定刀盘、后支撑并记录设备姿态。

3.2 刀盘固定

刀盘固定方式采取锚杆支撑、钢结构支撑、钢结构垫撑的组合形式，具体固定形式如下。

（1）刀盘底部支撑。刀盘底部铺设4 000 mm×2 000 mm×30 mm（长×宽×厚）钢板，与步进底板靠拢，利用分离时步进板与刀盘间的反作用力增加刀盘稳固作用;同时刀盘与钢板连接增加其底部受力面积，增强稳固程度，防止侧偏;刀盘底部钢板与刀盘第一道耐磨环和第三道耐磨环之间用50 mm厚的钢板塞紧并焊接牢固;钢板两侧增设立撑，与刀盘底部焊接支撑，支撑效果见图3。

（2）刀盘前部斜支撑。刀盘前部斜支撑采用H150工字钢并排焊接而成，斜撑底部并排使用H150工字钢与钢板进行搭接焊接，如图4所示，使用双排焊接工字钢延伸至洞底面与钢板进行焊接，左右各一根;对斜撑支架进行三角支撑加固;底面两根工字钢之间视现场情况搭建横梁。

（3）刀盘背部支撑。隧洞空间狭小，刀盘背部立柱支撑需设立在步进板两侧及中间，使用双排工字钢对刀盘背部进行支撑，中间支撑连接于步进板上，两侧支撑立于步进板两侧铺底面上，刀盘两侧采用双排H150工字钢抵到边墙作三角形支撑，形成外八字状，按照护盾空间允许的最大倾斜度进行搭建，如图5所示。

（4）顶部锚杆固定。同一隧洞截面以頂部为基点施作40个直径25 mm锚杆孔，锚固长度为3.5 m，待TBM步进至指定位置时进行锚杆安装。

顶部锚杆固定、吊装挂点示意见图6，采用割枪加热锚杆，前后交错搭接至刀盘上，搭接、焊接部位为刀盘主受力板，长度不低于20 cm，如搭接处有耐磨板，需刨除。

（5）步进板固定。步进底板位置调整正确后，利用风钻在步进底板两侧各打8根锚杆，将步进底盘与铺底面进行锚固，防止机头架前后移动导致步进底板位移。

3.3 受力分析和验算

（1）型钢支撑力。隧洞坡比为1/2 500，刀盘立于隧洞底部，依靠型钢进行支撑，处于静止状态，采取假设法及平衡法进行受力分析。刀盘未受到静摩擦力，主要受重力、地面支持力、型钢支撑力，受力如图7所示（图中G为刀盘所受重力，FN为地面支持力，F为型钢支撑力）。

根据牛顿运动定律可得：

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

查资料得到型钢抗弯强度M=215 MPa，计算促使型钢发生弯曲的作用力F0=840.7 kN>F，因此型钢可以在不弯曲的情况下支撑刀盘。

（2）隧底混凝土支持力。刀盘重力沿垂直于隧底方向所产生的力由刀盘下部钢板及两侧H150型钢支撑承受。由此可知，刀盘所产生的重力通过钢板作用于隧底。假设刀盘通过钢板对地面产生的压力为F′N，则F′N=FN=1 498.9 kN;钢板尺寸为4.0 m×2.0 m，钢板与地面的接触面积S=8.0 m2，刀盘重力对地面产生的压强为

P=F′N/S（3）

计算可得P=0.19 MPa，C20混凝土的抗压强度P20=20 MPa>P=0.19 MPa，因此C20混凝土可以承受刀盘所产生的压力。

（3）锚杆承载力验算。刀盘总质量为150 t，刀盘分离时需离地一定高度，此时需要锚杆提供向上的拉力，确保刀盘不发生倾斜。锚杆采用Φ25螺纹钢，其抗拉强度为335 MPa，必须满足：

Nd≤FyAs（4）

式中：Nd为锚杆拉力设计值;Fy为普通钢筋抗拉强度设计值;As为钢筋截面面积。

通过计算可得As=43.9 cm2，单根锚杆截面面积约4.9 cm2，至少需施作9根锚杆方可满足承载力要求。

锚杆承载力满足要求的同时全长黏结受拉承载力应满足：

式中：La为锚固段长度;Fmg为锚固段注浆体与地层间极限黏结强度标准值，取1.5～2.5;Fms为锚固段注浆体与筋体间极限黏结强度标准值，取2.0;D为锚杆锚固段钻孔直径;K为锚杆段注浆体与地层间黏结抗拔安全系数，取2.0;ψ为锚固段长度对极限黏结强度的影响系数，取1.3～1.6;n为锚杆数量;ε为多根锚杆锚固效果折损系数，一般为0.60～0.85。

推算锚杆最大锚结长度需大于3.5 m，锚杆数量不小于40根即可满足承载力要求。