巖爆引起的TBM主驅(qū)動故障分析及處理措施

李榮軍 趙 力 趙翔元

(陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710010)

TBM目前被廣泛地應(yīng)用于長距離隧洞施工，TBM設(shè)備組件復(fù)雜，可靠性要求高，TBM掘進(jìn)時的設(shè)備性能與工程地質(zhì)條件密切相關(guān)，不良地質(zhì)條件會對TBM設(shè)備造成不同程度的損傷和消耗，甚至引起設(shè)備故障導(dǎo)致無法正常掘進(jìn)[1-2]。受高地應(yīng)力作用，TBM在深埋隧洞施工時，會受到巖爆地質(zhì)條件的不利影響，巖爆時伴隨的巨大能量易造成圍巖掉塊、垮塌，嚴(yán)重威脅TBM設(shè)備的安全[3]。主驅(qū)動作為TBM的動力系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)故障會直接影響掘進(jìn)是否繼續(xù)進(jìn)行，因此，對主驅(qū)動進(jìn)行故障分析并進(jìn)行有針對性的處理尤為重要。

近年來，在不良地質(zhì)條件下TBM設(shè)備驅(qū)動系統(tǒng)的故障分析及修復(fù)方面許多學(xué)者開展了卓有成效的研究工作。張嘯等[4]改進(jìn)了TBM主軸承密封滑道設(shè)計及安裝工藝，提高了其耐磨性，并在工程應(yīng)用中取得了良好的效果；趙大鵬等[5]通過工程案例介紹了TBM主軸承外密封擋圈故障的洞內(nèi)修復(fù)技術(shù)；賈峰[6]優(yōu)化了主軸承密封系統(tǒng)的傳統(tǒng)修復(fù)工藝，延長了主軸承服役時間；李曉晗等[7]介紹了一種TBM主軸承密封失效的應(yīng)急處理方案，處理周期短，可快速恢復(fù)施工；張?zhí)烊鸬萚8]分析了基于CBR和RBR的全斷面掘進(jìn)機(jī)故障診斷機(jī)制；曾翔等[9]針對TBM推進(jìn)速度突變故障，分析了故障原因及處理方法。

本文依托引漢濟(jì)渭秦嶺輸水隧洞TBM施工段，分析了巖爆地質(zhì)條件下TBM主驅(qū)動故障原因，并提出了有針對性的處理方案、工藝及措施，使TBM重新正常掘進(jìn)，盡可能減輕巖爆災(zāi)害對施工造成的影響。

1 工程概況

引漢濟(jì)渭工程秦嶺輸水隧洞越嶺段全長81.779km，設(shè)計流量70m3/s，隧洞平均坡降約1/2500，最大埋深2012m，由地勘資料及秦嶺地區(qū)深鉆孔地應(yīng)力實測資料分析可知，秦嶺隧洞區(qū)地應(yīng)力高，掌子面以及距掌子面1～3倍洞徑的地段范圍受應(yīng)力集中的影響易發(fā)生巖爆。

在目前施工洞段，采用水壓致裂法和壓裂縫方向印模測試方法在TBM后方開展了地應(yīng)力測試，測試部位巖體應(yīng)力以水平應(yīng)力為主，最大水平應(yīng)力為63.80MPa，最小水平應(yīng)力34.34MPa，鉛直向應(yīng)力為49.66MPa，最大水平主應(yīng)力方位為97°。

采用直徑為8.02m的敞開式TBM進(jìn)行施工，TBM掘進(jìn)期間，持續(xù)有不同程度的巖爆發(fā)生，表現(xiàn)為拱部巖體開裂、斷裂，剝落、掉塊現(xiàn)象嚴(yán)重，局部形成塌腔，同時伴有劈裂聲，拱部鋼拱架有下沉變形現(xiàn)象。

2 故障分析

TBM向前掘進(jìn)至樁號K45+710.1處時，掌子面和護(hù)盾左下側(cè)位置發(fā)生巖爆，掌子面爆坑深度約2.5m，左下側(cè)起拱高約50cm，刀盤前方大量渣石堆積，拱架安裝器左下側(cè)受到強(qiáng)烈沖擊和擠壓變形，見圖1。

圖1 掌子面巖爆引起拱架安裝器損壞

巖爆發(fā)生后，刀盤被卡、護(hù)盾因受壓至極限位置而卡死。經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)主軸承內(nèi)密封漏油，局部位置有潤滑油流出，油液清亮、通透，無乳化和嚴(yán)重污染跡象。

此次故障的主要原因在于巖爆沖擊刀盤，導(dǎo)致轉(zhuǎn)接座定位環(huán)斷裂及開裂、唇形密封和隔環(huán)等被擠壓變形、結(jié)合面密封條損壞、連接螺栓和雙頭螺柱受剪破壞。

由微震監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，此次巖爆能量達(dá)134.5萬J，巖爆發(fā)生在刀盤右上方和底支撐左下方，造成轉(zhuǎn)接座的定位環(huán)受剪切力而斷裂，見圖2。

圖2 巖爆損壞轉(zhuǎn)接座示意

3 處理方案

取出斷裂及開裂的定位環(huán)，加固頂部圍巖并處理掌子面，將刀盤固定到掌子面并與主機(jī)分離。拆除轉(zhuǎn)接座、去除所有定位環(huán)并處理斷口、修復(fù)轉(zhuǎn)接座、改進(jìn)轉(zhuǎn)接座與主軸承的連接方式、檢測主軸承、更換損壞的密封及螺栓等。將轉(zhuǎn)接座和刀盤等重新定位安裝。

修復(fù)主驅(qū)動故障前，為保證清理石渣和故障處理時的人員和設(shè)備安全，需清理護(hù)盾頂部碎石并施工管棚。掌子面前方坍塌較大，無法為刀盤提供牢固支撐，需人工清理松散體并施作玻璃纖維錨桿加固掌子面，下部澆筑混凝土擋墻，上部施作加固縱梁。修復(fù)主驅(qū)動故障前，需固定刀盤。刀盤貼緊擋墻時，旋轉(zhuǎn)刀盤至擬定位置，刀盤底部采用鋼板及楔形機(jī)構(gòu)支撐，施作徑向錨桿鎖固刀盤。刀盤固定后，拆除連接螺栓，后退TBM使主機(jī)與刀盤分離。

在刀盤固定并拆卸后，對主驅(qū)動進(jìn)行維修更換。將唇形密封、密封隔環(huán)、轉(zhuǎn)接座等依次拆出，然后對轉(zhuǎn)接座進(jìn)行修復(fù)，更換損壞的密封、隔環(huán)、螺栓等并改進(jìn)轉(zhuǎn)接座與主軸承的連接方式。

4 處理工藝及措施

4.1 取出斷裂或開裂的定位環(huán)

為保證主軸承及其他部件的安全，固定刀盤前先將斷裂及開裂的定位環(huán)切割取出。

對切割部位附近的軸承、齒輪等進(jìn)行保護(hù)，封堵油孔防止切割鐵屑飛濺至其他部位，斷裂及開裂的定位環(huán)較長，無法整體取出，采用合金直磨機(jī)將斷塊及開裂塊切割成0.5m長的短條逐條取出。

4.2 護(hù)盾上方圍巖處理

護(hù)盾頂部圍巖較破碎，已將護(hù)盾擠壓至極限位置且多次嘗試依然無法頂升，需先對頂部圍巖進(jìn)行處理，再施工管棚。

4.2.1 圍巖處理

人工擴(kuò)挖護(hù)盾后方2m范圍內(nèi)的圍巖，擴(kuò)挖深度0.6m，擴(kuò)挖范圍拱部180°，開挖面噴5cm厚C20噴射混凝土封閉，然后拼接H150拱架，拱架間距45cm，兩側(cè)邊墻圍巖較破碎處需將拱架向下延伸至穩(wěn)固巖體上。每節(jié)鋼架兩端各設(shè)置2根4m長φ22鎖腳錨桿，鋼架外翼板內(nèi)側(cè)焊接φ16鋼筋，鋼筋環(huán)向間距10cm。鋼架內(nèi)側(cè)封焊6mm厚鋼板，回填C30混凝土。

拱架支護(hù)完成后，人工清理頂護(hù)盾上方的圍巖，釋放頂護(hù)盾的壓力。

4.2.2 管棚工作間施工

開挖線外架設(shè)兩榀H125鋼拱架，鋼拱架上方按照管棚角度對導(dǎo)向管進(jìn)行放樣、焊接固定，鋼架翼板內(nèi)側(cè)焊接φ16鋼筋，鋼筋環(huán)向間距10cm。H125鋼架和外側(cè)H150鋼架之間采用φ22鋼筋折線焊接連接，用C30混凝土澆筑為整體，作為大管棚大里程端承重梁，承重梁厚60cm。

在護(hù)盾后方施作管棚工作間，管棚工作間采用槽鋼、鋼板焊接在主梁的平臺上，見圖3。

圖3 管棚工作間示意 (單位：cm)

4.2.3 大管棚施工

在完成管棚導(dǎo)向墻施工后，向小里程側(cè)施作大管棚(兼做應(yīng)力釋放孔)，大管棚位于隧道中心左側(cè)60°、右側(cè)90°，共150°范圍。

大管棚選用φ108跟進(jìn)式注漿鋼管，大管棚長度暫定為25m，環(huán)向間距50cm，外插角5°。大管棚施作完畢后，向孔內(nèi)注高壓水，促使應(yīng)力釋放，見圖4。

圖4 管棚施工示意

為加強(qiáng)管棚承載能力，管棚鉆孔完成后，在管棚內(nèi)安裝鋼筋加強(qiáng)束，鋼筋加強(qiáng)束采用在長5cm的φ32鋼花管固定環(huán)四周均勻幫焊4根φ22鋼筋，固定環(huán)間距50cm，見圖5。

圖5 鋼筋加強(qiáng)束示意

4.3 掌子面圍巖處理

掌子面的圍巖坍塌嚴(yán)重，固定刀盤前需先對掌子面進(jìn)行處理，使掌子面為平面。目前轉(zhuǎn)接座、唇形密封等已經(jīng)損壞，為避免TBM掘進(jìn)時對主軸承、唇形密封等造成二次損傷，需人工處理掌子面。

4.3.1 坍塌松散體處理

掌子面及護(hù)盾段巖面噴射20cm厚C20玻璃纖維混凝土封閉，人工對刀盤前方坍塌渣體進(jìn)行清理。清理完畢后，護(hù)盾段拱部180°及掌子面施作5m長φ32自進(jìn)式玻璃纖維錨桿，間距1.2m×1.2m，梅花形布置，注水泥漿。

4.3.2 刀盤支撐墻澆筑

為減少回填混凝土方量，降低支撐墻高度，在刀盤前方架立模板澆筑C30混凝土形成刀盤支撐墻，支撐墻厚1.3m、高5m，墻高范圍內(nèi)塌腔回填C30混凝土。

支撐墻施工完成后，在擋墻上部加5根鋼管混凝土縱梁支撐刀盤。縱梁采用在φ300鋼管內(nèi)澆混凝土完成，一端頂在巖壁上，一端焊接在刀盤上，防止刀盤傾倒，見圖6。

圖6 刀盤支撐墻示意

4.4 TBM后退段擴(kuò)挖處理

為保證TBM順利后退，擴(kuò)挖并更換護(hù)盾后方22m范圍鋼拱架，換拱施工采用先立后拆施工順序，拱架間距(中心間距)45cm。擴(kuò)挖范圍拱部180°，擴(kuò)挖半徑4.51m，擴(kuò)挖完成后巖面噴5cm厚C20混凝土封閉，然后架設(shè)H150鋼拱架，鋼拱架半徑4.385m，鋼拱架兩端拱腳坐落在堅實巖體上，遇到拱腳巖體破碎時繼續(xù)向下擴(kuò)挖延伸至堅實巖體，每節(jié)鋼架兩端各設(shè)置2根4m長φ22鎖腳錨桿。擴(kuò)挖由人工使用風(fēng)鎬進(jìn)行，開挖循環(huán)嚴(yán)格控制在45cm，開挖后立即支立鋼拱架，鋼架外翼板內(nèi)側(cè)焊接φ16鋼筋，鋼筋環(huán)向間距10cm。鋼架內(nèi)側(cè)封焊6mm厚鋼板，回填C30混凝土。

4.5 圍巖監(jiān)測

拆卸刀盤前需要先對圍巖進(jìn)行監(jiān)測，以防止刀盤固定后因圍巖變形而造成刀盤移位。

4.5.1 TBM主機(jī)監(jiān)測點布置

在TBM主機(jī)區(qū)域布置監(jiān)測點，分別位于10點半、12點、1點半位置，相鄰監(jiān)測點的軸向距離為1.5m。

4.5.2 錨固點監(jiān)測

掌子面環(huán)向均勻布置6個監(jiān)測點，刮渣孔各布設(shè)1個監(jiān)測點。監(jiān)測點布置完成后，每天對監(jiān)測點進(jìn)行人工測量2次，連續(xù)監(jiān)測10天，監(jiān)測是否有圍巖收斂情況發(fā)生。

4.6 固定刀盤

如若監(jiān)測TBM主機(jī)區(qū)和掌子面區(qū)域的圍巖穩(wěn)定，無收斂情況，則開始固定刀盤。固定刀盤采用底部支撐、前部靠掌子面、周圍錨桿鎖固的方式。

4.6.1 刀盤定位

將刀盤前面板定位于距刀盤支撐墻0.2m位置；底護(hù)盾行程上、下均留一定余量，以便于安裝刀盤時垂直調(diào)整主機(jī)；調(diào)整撐靴和扭矩油缸，使水平趨勢和垂直趨勢均調(diào)整為0；旋轉(zhuǎn)刀盤使刮渣孔位于預(yù)定的錨固點；向前推進(jìn)刀盤，使刀盤緊貼刀盤支撐墻；采用鋼板將刀盤底部圓弧面墊實；加工楔形墊塊支撐在刀盤錐背板下部，使楔形墊塊緊緊抵在錐背板與洞底圍巖之間，見圖7。

圖7 刀盤支撐示意

4.6.2 錨桿施作及拉拔測試

刀盤固定的錨點分為4組，夾角90°。通過錨桿施作孔采用風(fēng)槍進(jìn)行鉆孔(孔深5m，φ38)，每個孔位布置錨桿8根，分為兩排，每排4根。

四角處的錨桿孔緊貼刀盤邊緣，其他的均勻布置，錨桿角度與刀盤邊緣垂直以利于以后焊接。錨桿孔施作完成后先向孔內(nèi)注高壓水，進(jìn)行應(yīng)力釋放，然后施作無銹砂漿錨桿(φ22，長5m)，見圖8。

圖8 刀盤固定示意

在護(hù)盾后方施作拉拔試驗錨桿。拉拔試驗錨桿與錨固錨桿位于同一巖層且采用相同的材料、工藝施工。砂漿錨桿達(dá)到強(qiáng)度后測試錨桿的抗拔力，確保單根錨桿抗拔力不小于100kN。

錨桿抗拔測試正常后，采用螺母和鎖固鋼板將錨桿連接為一個整體，然后將鎖固鋼板焊接在刀盤上。

4.7 拆卸刀盤

刀盤固定并檢測正常后，拆卸刀盤，后退TBM將刀盤與主機(jī)分離。

為了保證施工人員的安全并預(yù)留作業(yè)空間，主機(jī)與刀盤分離后，TBM后退29m。期間要時刻注意人員安全和刀盤固定情況。

在刀盤上布設(shè)6個位移監(jiān)測點，每天人工測量2次，監(jiān)測刀盤是否有前后位移、沉降等情況，設(shè)置3個應(yīng)變監(jiān)測器(刀盤前方1個，后方2個)，監(jiān)測刀盤前后傾斜受力變化。所有監(jiān)測持續(xù)至刀盤再次安裝完畢。

4.8 修復(fù)主驅(qū)動

拆卸轉(zhuǎn)接座，調(diào)整轉(zhuǎn)接座，使間隙(耐磨環(huán)與密封壓蓋)小的位置處于底部。并拆卸部分連接螺栓，然后安裝吊機(jī)，拆除唇形密封、隔環(huán)和轉(zhuǎn)接座。

為保證工期，轉(zhuǎn)接座的定位環(huán)在洞內(nèi)進(jìn)行適當(dāng)處理和改進(jìn)。

a.斷口處理：為防止剩余部分?jǐn)嗔讯鴵p傷主軸承，搭腳手架切除未斷裂的定位環(huán)，然后將定位環(huán)的斷口和切口全面打磨直至其平滑、無毛刺。

b結(jié)構(gòu)改進(jìn)：在轉(zhuǎn)接座與主軸承外圈之間的對稱位置增加4個定位銷，定位銷分別位于轉(zhuǎn)接座12點、3點、6點、9點鐘位置。定位銷具有2個功能，一方面可在安裝時定位，另一方面又可以增加轉(zhuǎn)接座與主軸承的抗剪能力。

c.更換密封：本次更換的密封包括：?轉(zhuǎn)接座與主軸承之間的2道密封；?外密封隔環(huán)背面的1道密封；?內(nèi)密封的3道唇形密封；?外密封的3道唇形密封。更換密封隔環(huán)。因密封隔環(huán)較大，TBM臺車不具備運輸條件，密封隔環(huán)采用分片加工、現(xiàn)場組裝的方式制作。

采用拆卸逆步驟依次安裝轉(zhuǎn)接座及配套密封、唇形密封、隔環(huán)、密封壓蓋。

5 結(jié) 語

a.TBM在巖爆洞段掘進(jìn)時，受巖爆沖擊，易導(dǎo)致轉(zhuǎn)接座定位環(huán)斷裂及開裂、唇形密封和隔環(huán)等被擠壓變形、結(jié)合面密封條損壞、連接螺栓和雙頭螺柱受剪破壞等諸多安全風(fēng)險，造成主驅(qū)動故障，進(jìn)而嚴(yán)重影響TBM的正常掘進(jìn)。

b.針對巖爆引起的TBM主驅(qū)動故障，結(jié)合工程實踐提出了處理方案、工藝及措施，分析了取出斷裂或開裂的定位環(huán)、加固頂部圍巖并處理掌子面、固定刀盤、拆卸刀盤、修復(fù)主驅(qū)動等工序的實施要點，取得了良好的效果，有利于提高TBM在巖爆地段的利用率和工作性能。