引洮單護盾TBM適應性改造分析

王 純 亮

(中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州　450000)

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引洮單護盾TBM適應性改造分析

王 純 亮

(中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州450000)

分析了引洮供水一期7號隧洞使用的單護盾TBM在砂層掘進中遭遇卡機的原因，結合工程地質的適應性，對TBM的刀盤和盾體進行了改造，并闡述了具體的改造方式，指出改造后的TBM能適應后續的地層特性，解決了TBM擴挖、滾動和防卡等問題。

隧洞，TBM，刀盤，盾體

0　引言

引洮供水一期工程總干渠7號隧洞工程位于甘肅省渭源縣境內，隧洞全長17 286 m。設計斷面圓形，主要采用單護盾TBM施工。設計開挖直徑5.75 m。7號隧洞位于白堊系、上第三系地層之中。隧洞地質條件極其復雜，圍巖相變劇烈。隧洞穩定性較差，巖性以軟巖、極軟巖為主，局部洞段地下水活動強烈，地下水具多層結構，具有承壓性，地下水受構造、地層巖性控制，分布與富集變化較大。

TBM選用沈重與NFM聯合制造的單護盾施工。TBM從隧洞出口向隧洞進口施工，當TBM掘進2 800 m后遭遇飽水疏松砂巖，出現突泥涌沙導致TBM盾體內部被泥沙掩埋。機器恢復后盾體姿態嚴重下栽，盾體被泥沙包裹推力較大，安裝的管片破損嚴重，導致TBM掘進受阻。最終決定將TBM后配套拆除至進口，從隧洞進口向隧洞出口方向施工。由于TBM刀盤和盾體無法從隧洞拆除，進口施工采用新的刀盤和盾體。

結合TBM在出口的施工和進口的地質情況，對新的刀盤和盾體設計做了改進。改進后的刀盤和盾體更加適應本工程地質，使施工連續穩產高產。

1　刀盤改造分析

1.1刀盤掘進雙向旋轉

在掘進的過程中，盾體受到反作用力產生滾動。由于刀盤在掘進的過程中只能順時針旋轉，盾體一直為逆時針滾動。為了抑制盾體的滾動，須調整推進油缸的角度。這樣推進油缸就會產生一個圓周方向的力作用在管片上，直接導致管片滾動。只有刀盤在掘進過程中采用雙向旋轉，才能解決管片滾動問題。

刀盤在設計時采用了雙向刮碴口。

雙向刮碴口的出碴，TBM在掘進過程中可以雙向旋轉，這樣便不需要調節推進油缸的角度，而是利用刀盤的雙向旋轉來調整盾體的滾動。有效的解決了不能打扭矩高貫入度掘進的問題。

1.2邊刀布置方式

原刀盤設計共計42把刀具。中心刀為4把雙刃滾刀，正滾刀31把，邊刀3把。刀號M40號，M41號和M42號為邊刀，在最外圈同一軌跡上。后因刀盤在制造時刀具軌跡出現偏差，后將M39號刀具的開挖半徑調整為2 887.5 mm，M42號刀具開挖半徑調整為2 902 mm。經過調整后正常開挖時，最外圈為2把邊刀，即M40號和M41號。M39號和M42號作為連續掘進擴挖刀具，平時不安裝刀具，若需要擴挖時再安裝刀具。

新的刀盤設計為39把刀具。中心刀為4把雙刃滾刀，正滾刀30把，邊刀1把。

1.3邊刀擴挖形式

原刀盤M39號，M41號和M42號刀座設計為可移動刀座(見圖1)。刀座與刀盤采用螺栓連接。若需要擴挖時，拆除連接螺栓，再將刀座移動到所需的開挖半徑位置。

由于原刀盤在工廠制造時出現刀具軌跡偏差，后將M39號和M42號移動刀座固定在開挖半徑為2 887.5 mm和2 902 mm的位置。正常掘進時M39號和M42號刀孔不安裝刀具，用鋼板將刀孔封住。若需要擴挖時，在此刀孔安裝刀具即可。

新的刀盤設計的擴挖形式采用墊塊模式。擴挖半徑可以加大15 mm，25 mm和50 mm。每個加高間距需要加高5把刀具，M35號～M39號。針對不同的加高半徑，M35號～M39號都需加裝不同高度墊塊，以保證刀盤圓弧區域平滑的開挖輪廓線(見圖2，圖3)。

原設計的移動刀座的擴挖方式，操作比較繁瑣，在單護盾刀盤不能后退的情況下，在刀盤內部移動刀座困難。刀座移動也不能保證圓弧區域的刀尖輪廓線平滑過渡。采用墊塊方式，操作簡單，圓弧區域的刀具軌跡和刀間距能實現平滑過渡。

1.4刀盤結構形式

原刀盤按照硬巖標準設計，刀盤結構過于偏重，不適合在疏松的圍巖使用。

1)新的刀盤優化了刀盤的厚度(從法蘭面到滾刀刀尖的長度)。原設計長度為1 995 mm，新的刀盤減少到1 818 mm。2)從前盾前沿到刀盤刀尖的距離也由原來的960 mm減少到765 mm。由于刀盤結構的優化，刀盤在疏松的巖層中掘進，大大減少了圍巖對刀盤產生的切削阻力。刀盤的重量從原來的80 t減少到60 t，大大緩解了由于盾體較長，刀盤和前盾“栽頭”現象。

1.5刀盤表面耐磨層

原刀盤表面的耐磨層采用10 mm厚hardox400鋼板，在砂巖中刀盤面板磨損較大。新的刀盤面板采用的是SA1750CR碳化鉻復合板，以增加其耐磨性。SA1750CR碳化鉻復合板，采用的是特殊的生產工藝及化學配方,其耐磨層主要化學成分：碳：4%～5%，鉻：30%～40%，基板厚度為實際厚度，基板與耐磨層的稀釋率：1 mm左右，耐磨層至基板的硬度梯度為700 HV左右。

2　盾體的改造分析

2.1前盾形式

前盾上部比下部長400 mm，如圖4所示。這樣加大了刀盤圓周方向刮碴口的進碴能力，可以提高TBM的掘進速度。在高貫入度情況下，前盾喇叭口處的碴堆積量較少，減少邊刀弦磨。

2.2盾體注射孔

在盾體周邊開設注射孔，在圍巖出現坍塌或收斂時利用注射孔向盾體外壁注廢油或膨潤土，以減少盾體和圍巖的摩擦阻力。

2.3推進油缸布置優化

原推進油缸分上下左右4個工作區域，共計16根，每區4根。新設計的推進油缸仍按照4區分布，底部區域增加1根推進油缸(見圖5)。

增加的推進油缸的油路并聯在底部一組的推進油缸，在油缸的兩個腔的進出油口處安裝球閥，需要使用時將球閥打開即可。增加的推進油缸在正常地質洞段掘進時不使用。在以下情況下使用：

1)在TBM遇到坍塌或圍巖收斂時，需要增加推力時使用；2)調整TBM掘進姿態時，需要加大底部油缸與頂部油缸推力差時使用。

2.4盾尾結構形式

由于底管片底部45°為支墩，由此尾盾設計為底部60°開口。原盾尾設計時底部120°區域為40 mm鋼板，上部240°為50 mm。

改造后的盾尾60°～90°區域為25 mm鋼板，90°～120°區域為40 mm鋼板。改造后的盾尾加大了盾尾間隙，有效的提高了管片安裝質量(見圖6)。

2.5前盾設置延伸護盾安裝孔

在前盾前沿上部150°區域開設兩排直徑為33 mm的孔。若遇到疏松的砂巖時，可以快速將前盾延伸。前盾延伸后可以有效減少圍巖對刀盤產生的切削阻力，TBM則能在含水率較低的疏松砂層中順利掘進(見圖7)。

3　結語

引洮單護盾TBM盾體和刀盤的改造有效克服了原設計的缺陷，也克服了單護盾TBM的固有問題。但是改造后的TBM只能在圍巖可以自穩、含水率小于15%的地質洞段掘進。在本工程內遇到的突泥涌沙地質洞段則不能通過。若想通過類似地質洞段則TBM需要有盾構保壓模式，即雙模式TBM。由于本工程受管片設計和盾尾開口等多方面因素，無法實現TBM的雙模式切換，則在突泥涌沙地質洞段受阻。

[1]孫晉勇.引洮工程單護盾TBM刀盤正反轉出渣適應性改造[J].華東科技，2013(2)：445- 446.

[2]吳樂.單護盾TBM管片旋轉問題及應對措施[J].隧道建設，2012(6)：32-33.

On analysis of TBM adaptability reconstruction of single shield in Taohe River Water Diversion project

Wang Chunliang

(ChinaRailwayTunnelCo.,Ltd,Zhengzhou450000,China)

The paper analyzes the reasons for the jammed single shield TBM in sand jacking in No.7 tunnel of the first phase of Taohe River Water Supply, undertakes the reconstruction for the cutter and shield of TBM by combining with the geological adaptability, illustrates the reconstruction approaches, and points out the stratum features after its adaptability of TBM after the reconstruction, so as to solve some problems in the expanding excavation, rolling and jamming resistance.

tunnel, TBM, cutter, shield

1009-6825(2016)08-0199-02

2016-01-09

王純亮(1981- )，男，工程師

U455.43

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