CCS項目雙護盾硬巖掘進機調向控制及姿態調整

楊 飛

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

隨著雙護盾TBM廣泛使用于不同地質條件下的隧洞開挖，其隧洞掘進方向的控制與工程質量有著直接關系。在采用雙護盾施工的隧洞項目中，一般采用的是管片安裝一次成型的支護模式，若出現掘進方向過快或過猛，會對主機設備造成一定的損壞，亦給管片的安裝造成一定困難。對其進行處理，必定會在時間及隧洞成型質量上出現一定的問題。

在TBM掘進過程中，因地質條件或設備自身問題會造成TBM出現機頭下沉、滾動、正V字形或反V字形的非正常姿態等，若對其不及時進行處理調整，會對設備造成極大地損壞，并且會造成預支管片出現滾動等問題。

CCS項目位于厄瓜多爾共和國Napo和Sucumbios省內，其輸水隧洞總長24.83 km，設計引水流量為222 m3/s，設計內徑8.2 m，采用全襯砌結構形式。輸水隧洞遇到的主要地質問題有高地應力、高地溫、涌水等。其中高地應力區內構造運動劇烈，斷層較發育，巖性以堅硬、性脆的火山巖和侵入巖為主，易產生地應力聚集，可能會發生變形、崩解、巖爆等破壞現象。鉆孔注水實驗表明，隧洞上覆巖體多屬弱透水(砂巖、石灰巖)或透水(火山巖)，少量為不透水層(頁巖、侵入巖)，巖體本身不易發生規模較大的集中滲流、涌水或爆發性突水。但受地質構造力影響，局部可能會遇到突水(構造裂隙水)。高地應力和涌水給TBM施工帶來不同的挑戰和考驗。該輸水隧洞采用2臺雙護盾掘進機施工為主， 其中S-672 TBM2完成13.4 km的工程量 。

2 控制掘進方向的因素

CCS項目S-672TBM2采用的是VMT導向系統，VMT導向系統提供給操作手比較直觀的TBM姿態及掘進方向的趨勢信息。掘進方向控制的最終目標是趨近或吻合隧洞設計軸線，達到隧洞成型的設計要求及質量要求。掘進方向的影響因素是多方面的，如操作手自身的因素、盾體自重、TBM姿態及滾動、地質原因、滾刀磨損程度等。

2.1 操作手自身因素

操作手在TBM操作、設備保護、規避風險中起到決定性的作用，操作室是整個TBM的控制中心與指揮中心。操作手需具備對專業的理解。對地質情況有一般性的了解，如地質表達的含義，各種地質現象的特性，推力的簡單計算，導航系統坐標的簡單計算，扭矩的組成，對轉彎半徑的理解等；對TBM工作原理的理解,如對TBM運行中各項參數的理解，TBM盾體的長度、直徑、尾盾間隙等；對管片的理解，如轉彎時的管片安裝，管片的選擇與尾盾的關系等。操作手不僅是操作機器，而且要時刻關注設備的運行情況，操作手要有良好的身心素質，遇事要進行冷靜的分析處理，切勿慌張忙亂。

2.2 盾體自重

S-672雙護盾硬巖掘進機由2個主要部分組成：撐靴盾和前盾(兩個盾體通過推進油缸相互連接)。前護盾內有刀盤、刀盤支撐體、刀盤驅動馬達、變速箱和主軸承。撐靴盾內有撐靴系統、輔助推進系統。硬巖掘進機既可以通過撐靴盾的支撐單元在隧洞中沿徑向充分撐住，在地質條件差的情況下也可以支撐在已安裝好的管片上。在掌子面巖層不足以穩定刀盤的情況下，就會出現TBM調向難以控制的狀況，一般表現為機頭快速下沉，造成TBM姿態出現偏差，從而給TBM調向工作帶來極大的困難，嚴重時會造成設備損壞。

2.3 TBM的姿態及滾動

這里所談到的TBM姿態主要是指TBM前盾和撐靴盾體的相對位置，TBM前盾及撐靴盾體的滾動。TBM本身具有自動滾動糾正的功能，但有時也會出現無法正常糾正的問題，若出現姿態問題，要及時進行處理。若出現正“V”字或反“V”字等姿態時，在巖層較好的情況下也不能進行可控的調向或調向偏差過大，此時會造成隧洞成型質量問題或滾刀損壞、管片安裝困難、油缸損壞等問題。

2.4 地質原因

在TBM施工過程中會遇到不同巖層，以及巖層節理發育的方向、掌子面巖層軟硬不均、撐靴盾體及前盾外側圍巖大面積垮塌等。在軟弱圍巖中，撐靴壓力不宜太高，否則可能會壓碎洞壁巖石，造成坍塌；撐靴壓力的大小取決于洞壁巖石的完整性及其飽和抗壓強度。撐靴部位由于圍巖抗壓強度不能抵抗撐靴的反力，易造成撐靴打滑，致使撐靴部位遭受二次擾動，從而引起調向困難、不可控。在硬巖情況下，調向相對比較穩定，但在對刀具磨損較嚴重后還是可能造成TBM調向難以控制。在CCS項目S-672 TBM2前期施工過程中遇到多次問題，嚴重影響TBM的管片安裝質量和整個隧洞成型質量。

2.5 滾刀的磨損程度

對于TBM調向，滾刀的更換和日常維護尤為重要，其對TBM的掘進參數和掘進方向具有決定性作用。CCS項目S-672 TBM2一般使用刀具的數量為：滾刀(單刃)53把、中心雙刃滾刀4把(滾刀直徑為19in,1in=2.54 cm)。其中刀號為58、59、60、61的四把邊滾刀對調向影響較大。在巖層較硬的情況下，邊刀磨損過量直接導致機頭快速抬頭或快速朝一邊滑動而難以控制；反而在巖層較軟的情況下，邊刀若為新刀或沒有較大磨損，機頭極易快速下沉且方向不宜控制。

3 解決措施

為了及時進行TBM軸線調整，更好地控制掘進方向，激光器的安裝應準確，應定期對VMT的測量點進行校準，保證VMT導向偏差在±50 mm，從而給TBM調向提供良好的基礎。在CCS項目TBM2作業過程中，根據不同的掘進方式，我們總結出了一套操作理論，用以指導操作手的掘進工作，從而更好地進行了調向和姿態控制。在S-672 TBM2操作過程中，一般情況下，對刀盤轉矩、電流大小、推力制定了一組參考值，其中刀盤轉矩最大為4.5 MN·m、電流大小為最大值的80%、推力最大為17 500 kN。在此參考值下進行調向和姿態調整，可以保證對主軸承、主機油缸、刀盤結構、滾刀等起到保護作用。

3.1 對于操作手自身因素引起的故障

操作手應該隨時注意操作界面的掘進參數變化以及TBM所處的姿態，并時刻觀察皮帶出渣情況及巖石變化情況等。針對不同情況制定不同掘進參數的設定，以最優方案進行TBM掘進。而且操作手必須要規避風險，更好地保護TBM設備上的工作人員安全、設備安全及隧洞成型質量等，并確保TBM的掘進效率。

要求操作手本人應具有較好的專業素質和心理素質，在調向處理問題上要冷靜分析，對自己的每一個操作負責，最大限度地避免因操作失誤引起的設備損壞和施工質量問題等。

3.2 對于盾體自重問題

在不同的地質情況下，作為操作手，在操作過程中應盡量避免主推缸油缸A組行程大于C組，若A組油缸大于C組油缸行程，在掘進過程中，機頭會快速下沉而難以控制；若遇到不良地質條件，其掘進過程肯定會遇到機頭趨勢難以控制等問題。此時，應盡快進行姿態調整，最大限度地保證設備安全。

3.3 TBM姿態和滾刀問題

在操作過程中，應盡量避免TBM姿態扭曲或出現異常姿態，如正“V”字形、反“V”字形、滾動嚴重等。出現此類問題后，切勿盲目進行掘進工作，應停止掘進，要求電氣人員對液壓和電氣系統進行檢查，若正常則可開始進行姿態校正，以保證TBM正常運行。對于姿態問題，在掘進過程中要保證TBM前盾體和撐靴盾體的趨勢方向要趨向隧洞設計軸線，前盾和撐靴盾的中心軸線要在同一條直線上。在S-672 TBM2上，我們采用換步糾正的方法，在換步過程中利用Brake鍵調整撐靴盾的姿態，即俯仰角、輔助缸行程差值、盾尾管片間隙等。

3.4 地質因素

在軟巖情況下，應保證撐靴壓力在180 bar左右。一般情況下，當掘進速度高于50 mm/min時必須密切關注皮帶出渣量的大小，考慮皮帶承渣量的能力。如若超出皮帶承渣量則必須進行掘進參數的調整，保證設備正常運行。在硬巖情況下，應保證撐靴壓力在240 bar左右，若巖石過硬，將造成各項掘進參數過高，可根據參考值進行掘進參數的調整。在換步過程中，要對撐靴盾體進行控制。在保護設備的最大限度下進行TBM調向控制和TBM姿態調整。

3.5 滾刀磨損程度影響因素

在日常的換刀過程中，應結合最近兩天巖層的變化情況確定換刀方案。切勿大面積一次性更換，如此實施不僅加大了刀具耗損量，而且給TBM調向控制造成了一定困難。在日常工作中，應加強操作手和刀盤維護人員的溝通工作，使刀盤維護人員對巖層變化有一定的了解，從而制定出適合不同巖石變化情況的換刀方案。

4 S-672 TBM2調向控制及姿態調整研究

在正常掘進條件下，我們盡量保證TBM運行效率最高，保證正常生產進度及設備的安全。在TBM調向過程中，TBM的姿態對于調向尤為重要。在S-672 TBM2的操作過程中，一般情況下，對刀盤轉矩、電流大小、推力制定了一組參考值，其中刀盤轉矩最大為4.5 MN·m、電流大小為最大值的80%、推力最大為17 500 kN。在S-672 TBM2的操作中，我們常用的調向方法和姿態調整方法及操作過程中的注意事項介紹如下。

在具體的調向過程中，當掘進方向偏離隧洞設計軸線±30 mm內，基本調向控制原則是“以穩為主”，不進行調向，僅在此范圍內進行控制。當掘進方向偏離隧洞設計軸線±30 mm時，進行掘進方向的調整，將每一掘進循環調整在5 mm以內為好，否則會引起管片安裝困難等問題的出現。一般油缸行程設置參數如下：主推行程1.87 m，輔助油缸行程2.35 m。CCS項目采用管片砌襯的方式進行支護，管片有兩種類型：左環和右環。可通過管片的選型對盾尾間隙進行控制，但僅允許以一環左環、一環右環的方式進行管片安裝。一般情況下，一左環一右環安裝完成后，在操作室輔助缸左右兩組油缸行程顯示基本上一致(排除因非正常原因引起的管環轉動造成的行程差異)。

4.1 在雙護盾模式下對掘進方向進行的控制

在S-672 TBM2調向過程中，我們基本上依照的原則是“以撐靴盾位置定TBM調向控制”。在前期操作調向過程中，發現 TBM極易向右偏移，盡管主推行程左側行程小于右側行程，但是依據VMT導向系統測出TBM向右偏移且偏移較快,導致我們調向控制不可控，成為不可控制因素。

在雙護盾模式下，一般要求主推上下兩組油缸行程差值最大為12 cm(A組和C組)，左右兩組油缸行程差最大為6 cm(B組和D組)，但盡量避免主推行程A組大于C組的情況出現。而對于輔助油缸，一般要求上下兩組油缸差值在7 cm以內(A組和C組)，左右兩組油缸差值在3 cm 以內(B組和D組且在理論上管片平面垂直TBM所處軸線)。在S-672 TBM2上采用Brake組控制鍵在換步過程中進行輔助油缸行程控制，并保證A組行程大于C組，其行程差值保證在0～7 cm(此范圍參考撐靴盾體的仰角進行控制，仰角一般保證在0～4 mm/m，保證管片在換步過程中不會產生較大錯臺、變形和損壞，且保證為下一環的安裝提供合適的盾尾間隙)，保證右邊行程大于左邊行程不大于3 cm( 此差值克服機頭向右偏離的差值)，從而給主推行程差值控制提供參考，使調向變成很準確的可控調整。在換步過程，我們不僅要控制差值，還要從換步聲音和換步速度上判斷盾尾間隙是否控制合理及撐靴盾體與圍巖的相對間隙是否合適。在雙護盾模式時要保證選擇“Displacement thrust cylinder negative”選項，對所有輔助油缸進行多次收回和頂出動作，以確保采用校正油缸來調整輔助油缸位置。

4.2 在單護盾模式下對掘進方向的控制

在長距離不良地質條件下，一般采取單護盾模式進行掘進，以保證管片的安裝質量。如若繼續采取雙護盾模式掘進，會出現撐靴盾滑動造成已安裝管片的破損及TBM姿態失去控制從而造成掘進方向不可控制的情況。在切換單護盾模式時，要保證選擇“Displacement thrust cylinder positive”選項，對所有輔助油缸進行多次收回和頂出動作，以確保采用校正油缸來調整輔助油缸位置，以保證在單護盾模式下掘進不會造成安裝好的管環快速轉動(非正常轉動)。在單護盾模式時，一般要保證主推上下兩組行程差值設置在10 cm以內(A組大于C組)，將左右行程差值控制在±5 cm以內。將輔助油缸上下兩組油缸差值控制在7 cm 以內(TBM調向趨于穩定)；對于左右油缸行程的控制，以雙護盾模式下對其差值控制要求為準。每一掘進行程TBM調向保證在5 mm以內，以保證盾體與圍巖之間間隙均勻，不會對圍巖造成破壞性的擾動。

4.3 在混合模式下掘進

在不良地質情況中進行掘進時，采用單護盾模式掘進也會出現撐靴盾體下沉且難以控制的情況，從而給方向控制帶來困難。對于單護盾出現的此類問題很難進行校正，而采用雙護盾模式則很容易進行調整。但在混合模式下進行掘進必須盡量少地對圍巖造成損壞，一般采用雙護盾掘進20 cm行程后換步調整撐靴盾體的仰角并以差值的小換步模式進行姿態調整，多次采用小換步模式進行調整以達到正常的TBM姿態，再改用單護盾模式進行掘進。小換步模式將巖層擾動的可能性降到最低，從而保證了巖層的穩定性，糾正了TBM 姿態，并給掘進方向的控制提供了準確的控制基礎。

4.4 TBM滾動的調整

TBM滾動主要是參考前盾體滾動和撐靴盾體的滾動值。一般出現滾動問題后，首先要求電氣人員進行查看是否滾動并糾正系統故障。只有在排除了電氣故障后，才可以采用手動模式進行滾動調整。在正常雙護盾模式掘進下不會有滾動異常情況發生，除非出現因電氣原因造成滾動自動糾正系統不能正常運行的情況；如若出現，僅采用反轉刀盤的方式即可解決，或在換步過程中進行自動調整。

一般情況下，采用單護盾模式掘進會出現前盾和撐靴盾體的滾動值為負值(與刀盤轉向有直接關系)的情況。由于巖層關系不能切換雙護盾模式進行掘進，就必須在單護盾模式下掘進而調整滾動值。在滾動調整過程中，先調整前盾體的滾動值(其滾動值在±3 cm內均為正常值，)，主要采用手動開啟“Manuel anti-roll system front shield Left/Gripper Right”選項(其作用為前盾滾動由負值向正值調整)和 “Manuel anti-roll system front shield Right/Gripper Left”(正值向負值調整)。對于撐靴盾體的滾動只可以在推進中自動糾正。具體的操作方式如下：先將穩定器壓力降到最低或直接收回→根據實際情況選取前盾調整手動模式選項 → 啟動刀盤(刀盤轉速1 r/min左右)，糾正滾動變化值為5 →穩定器頂出為最大壓力、取消前盾糾正選項、停止刀盤 → 進行正常掘進，糾正撐靴盾體的滾動變化值為5時停止掘進→重復進行上述步驟進行調整，直至達到正常值。

5 結 語

筆者對厄瓜多爾CCS項目S-672 TBM2調向控制和姿態調整進行了分析和總結，并制定出了一套適合此TBM正常運行的操作調向方法及注意事項。CCS項目S-672 TBM2在施工過程中取得了優異成績，隧洞成型質量大幅度提升，筆者總結出了以下幾個特點：

(1) TBM 掘進方向在±30 mm內，調向原則以穩為主；掘進方向偏離隧道設計軸線大于±30 mm 時進行方向調整，掘進每一個行程調整 為5 mm以內為最佳調向原則。

(2) TBM在雙護盾模式下其換步過程結合Brake控制組進行控制，可以進行撐靴盾體的調整，保證撐靴盾體仰角為0～4 mm/m，在管片一左環一右環安裝的平面上，輔助油缸上下差值為0～7 mm，左右油缸差值最大為3 mm。

(3) 保證TBM以正常姿態掘進，使TBM可以更加準確地調向，保證管片的安裝質量并最大限度地保護設備。

(4) 在不同的地質條件下，操作手要合理的選擇單護盾模式、雙護盾模式、混合模式等，最大限度地規避風險，保護設備及工作人員的安全，保證TBM的施工效率、質量等。

作者簡介:

楊 飛(1987-)，男，陜西商洛人，助理工程師，學士， 從事TBM操作工作.

(責任編輯：李燕輝)