摘 要：引漢濟(jì)渭調(diào)水工程秦嶺輸水隧洞嶺南TBM設(shè)備掘進(jìn)段是整個(gè)秦嶺隧洞埋深最大、巖爆最頻繁、圍巖強(qiáng)度最高的施工地段，在多種不良地質(zhì)疊加下，TBM設(shè)備各關(guān)鍵零部件長期處于極限負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)，施工過程中常態(tài)化產(chǎn)生的輕微至強(qiáng)烈?guī)r爆導(dǎo)致頂護(hù)盾被沖擊損壞。通過對頂護(hù)盾的損壞情況及改造更換必要性進(jìn)行分析，擬定了頂護(hù)盾優(yōu)化改造、更換安裝的具體實(shí)施方案，并對實(shí)施過程的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了深入剖析，從而快速、安全地進(jìn)行了頂護(hù)盾性能提升改造。頂護(hù)盾經(jīng)更換修復(fù)后，TBM設(shè)備在巖爆頻發(fā)地段的掘進(jìn)過程中施工工效提高，作業(yè)人員和設(shè)備的安全得到保護(hù)。

關(guān)鍵詞：TBM設(shè)備;巖爆;頂護(hù)盾;改造;秦嶺隧洞;引漢濟(jì)渭工程

中圖分類號(hào)：TV53 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.04.023

引用格式：任喜平.狹窄空間內(nèi)TBM設(shè)備頂護(hù)盾修復(fù)技術(shù)研究[J].人民黃河，2021，43（4）：127-130.

Abstract： Qinling Lingnan TBM excavation section of Hanjiang-to-Weihe River Water Diversion Project is the most difficult section with the largest buried depth， the most frequent rock burst and the highest surrounding rock strength. Under the superposition of multiple adverse geological， the TBM equipment key parts and components in the operation of the limit load for a long time， in the process of the construction of normalized moderate to strong rock burst， leading to the top shield is shock damage. Through the analysis of the damage of the top shield and the necessity of reconstruction and replacement， this paper had drawn up an implementation plan of the reconstruction and optimization of the top shield， replacement and installation， and analyzed the technical difficulties in the implementation process， so as to improve the performance of the top shield quickly and safely. The results show that the replacement and repair of the top shield in the process of tunneling of TBM equipment in the section with frequent rock bursts in Qinling tunnel improve the support operation efficiency and ensure the safety of personnel and equipment.

Key words： TBM equipment; rock burst; top shield; modification; Qinling tunnel; Hanjiang-to-Weihe River Water Diversion Project

隨著復(fù)雜環(huán)境下隧洞開挖技術(shù)的逐步完善和發(fā)展，采用TBM設(shè)備進(jìn)行隧洞掘進(jìn)在進(jìn)度、安全、環(huán)保等方面具有鉆爆法施工不可比擬的優(yōu)勢[1-2]。一些長距離、大埋深復(fù)雜環(huán)境條件下的隧洞施工，通常具有地應(yīng)力高、巖爆頻發(fā)、巖石強(qiáng)度高等復(fù)雜環(huán)境疊加的施工難題，難免對設(shè)備關(guān)鍵部件造成較大的磨損和消耗，影響TBM設(shè)備高效運(yùn)行[3-5]，這樣就對TBM設(shè)備日常保養(yǎng)和關(guān)鍵部位零部件安全、快速修復(fù)技術(shù)提出了較高要求。護(hù)盾作為TBM設(shè)備刀盤后方一個(gè)主要的零部件，對確保施工進(jìn)度和作業(yè)人員的安全有直接影響，因此對復(fù)雜環(huán)境下TBM設(shè)備頂護(hù)盾修復(fù)技術(shù)進(jìn)行研究意義重大。

近年來，很多學(xué)者對復(fù)雜環(huán)境下TBM設(shè)備關(guān)鍵部位零部件的更換和修復(fù)進(jìn)行了大量的探索和研究。劉宏志[6]在新疆吐庫二線中天山隧洞掘進(jìn)過程中研究了TBM主軸承密封滑道環(huán)洞內(nèi)的快速修復(fù)技術(shù)，創(chuàng)新性地提出了TBM設(shè)備關(guān)鍵零部件主軸承免更換、快速修復(fù)的具體實(shí)施措施。白云峰[7]在蘭渝鐵路西秦嶺隧洞TBM掘進(jìn)過程中研究了狹窄空間內(nèi)TBM撐靴油缸更換技術(shù)，通過合理規(guī)范的維修和保養(yǎng)使TBM設(shè)備保持了高效運(yùn)行。夏明[8]指出TBM在秦嶺腹地特殊地質(zhì)環(huán)境下掘進(jìn)時(shí)，設(shè)備刀盤、刀具損壞和修復(fù)的頻次遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他工程，總結(jié)出了一套強(qiáng)磨蝕巖石條件下刀盤、刀具的快速修復(fù)技術(shù)。黨建濤等[9]研究了引漢濟(jì)渭嶺南TBM設(shè)備鞍架滑道的拆除、修復(fù)技術(shù)，取得了良好的效果。安飛翔[10]對引漢濟(jì)渭嶺南TBM刀盤外密封更換的方案、操作方法進(jìn)行了研究，提高了TBM設(shè)備的刀盤貫入度和施工工效，縮短了維護(hù)和保養(yǎng)時(shí)間。

本文以引漢濟(jì)渭引水隧洞嶺南TBM施工段設(shè)備為例，通過分析TBM設(shè)備頂護(hù)盾損壞情況及影響，研究狹窄空間內(nèi)頂護(hù)盾修復(fù)方案、具體的操作方法及更換的重難點(diǎn)。

1 工程概況

引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞嶺南TBM施工段采用一臺(tái)羅賓斯公司制造的Φ8.02 m全新敞開式硬巖掘進(jìn)機(jī)施工，工程自3號(hào)支洞進(jìn)入主洞下游1 942 m開始，標(biāo)段全長18.275 km，施工樁號(hào)為K28+085—K46+360，TBM第二掘進(jìn)段樁號(hào)為K39+551—K46+360，掘進(jìn)長度6 809 m。該洞段位于秦嶺嶺脊高中山區(qū)，圍巖主要由花崗巖、閃長巖組成，受地質(zhì)構(gòu)造影響較大，節(jié)理裂隙不發(fā)育，呈整體狀及塊狀結(jié)構(gòu)，隧洞埋深1 320～1 790 m，掘進(jìn)過程中受高埋深、高地應(yīng)力影響巖爆頻繁發(fā)生。隧道拱頂120°范圍內(nèi)時(shí)常出現(xiàn)巖石剝落、塌腔等情況，極易造成人員及設(shè)備傷害。

2 頂護(hù)盾損壞情況及改造更換的必要性

2.1 頂護(hù)盾結(jié)構(gòu)組成

TBM設(shè)備為MB226-395硬巖掘進(jìn)機(jī)，其頂護(hù)盾由一塊上頂護(hù)盾及兩側(cè)各一塊側(cè)翼護(hù)盾組成。護(hù)盾整體長度為4 808 mm，同時(shí)護(hù)盾上由10 mm厚L形鋼板拼裝組成McNally支護(hù)系統(tǒng)，見圖1。

2.2 頂護(hù)盾損壞情況描述

2019年4月底引漢濟(jì)渭嶺南TBM開始第二掘進(jìn)段的施工，掘進(jìn)中隨埋深加大巖爆頻發(fā)且愈演愈烈，巖爆致使上頂護(hù)盾右側(cè)部分筋板開裂變形，右側(cè)翼護(hù)盾變形嚴(yán)重，兩塊護(hù)盾的變形導(dǎo)致McNally系統(tǒng)部分插槽孔堵塞，上頂護(hù)盾及兩側(cè)翼護(hù)盾尾部1 m范圍內(nèi)向內(nèi)側(cè)方向均存在不同程度的彎曲變形，最大變形達(dá)到10 cm，導(dǎo)致該系統(tǒng)無法正常使用。

2.3 頂護(hù)盾改造更換的必要性分析

護(hù)盾的嚴(yán)重變形和McNally系統(tǒng)插槽孔堵塞造成在破碎及巖爆圍巖段進(jìn)行支護(hù)作業(yè)時(shí)，無法使用McNally系統(tǒng)安插鋼筋排，掘進(jìn)作業(yè)中，護(hù)盾尾部無法及時(shí)進(jìn)行同步支護(hù)作業(yè)，巖爆造成碎石掉落嚴(yán)重，對人員及設(shè)備安全造成嚴(yán)重威脅。同時(shí)碎石無法有效封閉至拱頂，導(dǎo)致TBM底部清渣工作壓力巨大，嚴(yán)重制約施工進(jìn)度。頂部支護(hù)作業(yè)只有在停機(jī)后進(jìn)行，極易造成部分鋼拱架安裝不到位，使支護(hù)效果達(dá)不到規(guī)定的質(zhì)量要求，同時(shí)在巖爆頻發(fā)區(qū)域裸露圍巖下進(jìn)行支護(hù)作業(yè)，支護(hù)人員安全無法得到有效保障，危險(xiǎn)系數(shù)大、風(fēng)險(xiǎn)大。因此，為保證施工進(jìn)度、質(zhì)量、人員及設(shè)備安全，對頂護(hù)盾進(jìn)行改造更換是有必要的。

3 頂護(hù)盾改造優(yōu)化方案

3.1 頂護(hù)盾變形原因分析

如圖2所示，護(hù)盾上頂面主要承力機(jī)構(gòu)由一塊底板以及構(gòu)成McNally系統(tǒng)的L形板拼接構(gòu)成，底板及L形板均為12 mm厚Q345C鋼板。在承受強(qiáng)巖爆沖擊時(shí)主要變形原因?yàn)椋孩僮o(hù)盾上頂面受力機(jī)構(gòu)薄弱，巖爆沖擊極易造成底板變形，碎石積于盾頂并在掘進(jìn)時(shí)擠壓，造成L形板變形，McNally系統(tǒng)損壞。②受力筋板距離盾尾長度為1 823 mm，尾部受力，力矩過長，底板薄弱，極易變形。③盾尾部位因拱架安裝環(huán)限制而無法加立筋板，現(xiàn)有狀態(tài)下無法采取有效加固措施。

3.2 優(yōu)化方案詳述

通過分析可知，護(hù)盾頻繁變形主要原因?yàn)榈走吿∪?，其余因素均為間接因素且無法改進(jìn)，故而優(yōu)化方案的重點(diǎn)為：①為提高護(hù)盾強(qiáng)度，加厚底板厚度;②為避免McNally系統(tǒng)損壞，把L形板由底板上方調(diào)至底板下方，其厚度不變，受下部空間位置影響，其長度適當(dāng)縮減，滿足一個(gè)循環(huán)掘進(jìn)即可。

3.2.1 護(hù)盾底板設(shè)計(jì)改造

如圖2所示，擬定將原厚12 mm的底板改為厚30 mm的鋼板。因McNally系統(tǒng)位置改變，底板上頂面直接與巖壁接觸，故要求滿足以下5點(diǎn)：①鋼材應(yīng)具有良好的剛度，抗屈服能力強(qiáng)，不易變形。②鋼材應(yīng)具有良好的耐磨性質(zhì)，避免因長期掘進(jìn)而導(dǎo)致嚴(yán)重磨損，或在滿足條件①的情況下，對上表面進(jìn)行耐磨鍍層處理。③如圖2（b）所示，護(hù)盾底板尾部較原設(shè)計(jì)加長200 mm，以滿足下方改進(jìn)McNally系統(tǒng)長度要求，同時(shí)護(hù)盾尾部的增長可以有效防護(hù)應(yīng)急噴漿系統(tǒng)，預(yù)防巖爆對設(shè)備造成損傷。④護(hù)盾底板下底面彎曲半徑由原設(shè)計(jì)3 913 mm改為3 954 mm，彎曲半徑加大41 mm，以保證與原始設(shè)計(jì)的護(hù)盾上頂面尺寸一致、外輪廓不變。⑤因護(hù)盾底板下底面彎曲半徑增大，故在保證護(hù)盾外輪廓不變的情況下，護(hù)盾下方結(jié)構(gòu)件（如導(dǎo)向柱、主受力筋板、護(hù)盾連接耳等）需向上延伸才能與護(hù)盾底板形成搭接。

3.2.2 護(hù)盾McNally系統(tǒng)設(shè)計(jì)改造

護(hù)盾McNally系統(tǒng)原位置護(hù)盾底板上部由L形鋼板拼焊而成，貫穿護(hù)盾前部至尾部，長度約為4 800 mm，鋼板厚度為12 mm，較為薄弱，受頂部巖爆沖擊極易變形，同時(shí)受地下水和破碎圍巖影響，水混合渣土由拼接縫流至安裝孔內(nèi)部造成McNally系統(tǒng)堵塞，因McNally系統(tǒng)安裝孔長達(dá)4 800 mm而無法進(jìn)行有效清理。McNally系統(tǒng)改進(jìn)措施：在底板改進(jìn)的基礎(chǔ)上，位置由底板上方改至下方，同樣由12 mm厚L形鋼板拼焊而成，其長度為2 023 mm，滿足一個(gè)循環(huán)掘進(jìn)距離即可。這種改進(jìn)方式可以有效避免McNally系統(tǒng)遭受巖爆沖擊而變形、渣土堵塞等，同時(shí)因需滿足長度要求，故對護(hù)盾進(jìn)行了尾部加長，以有效防護(hù)應(yīng)急噴混系統(tǒng)。但這種改進(jìn)方法的不足之處在于，因底板整體厚度增至30 mm，且其下部的鋼筋排插孔與巖壁距離有所增大，拱架安裝存在頂撐不到位的可能性。為避免該情況的發(fā)生，在不影響護(hù)盾底板強(qiáng)度的情況下進(jìn)行坡口處理，減小鋼筋排與巖壁的距離，使彎曲狀鋼筋排的數(shù)量同步減少。

4 頂護(hù)盾改造實(shí)施的技術(shù)難點(diǎn)

4.1 運(yùn)輸空間的核算

受TBM拖車部位材料運(yùn)輸通道空間限制，最大結(jié)構(gòu)件通行尺寸寬為1 973 mm、高2 004 mm、對角距離為2 813 mm，材料吊裝入口位置最大吊裝長度為6 000 mm。

（1）上頂護(hù)盾運(yùn)輸空間核算。新改造頂護(hù)盾寬4 253 mm、高1 016 mm、長5 006 mm，經(jīng)核算上頂護(hù)盾無論如何擺放均無法通過TBM設(shè)備的材料運(yùn)輸通道。

（2）翼護(hù)盾運(yùn)輸空間核算。新改造翼護(hù)盾寬2 192.8 mm、高988.2 mm、長5 006 mm，見圖3，經(jīng)核算翼護(hù)盾傾斜30°角裝車，可通過TBM設(shè)備的材料運(yùn)輸通道。

4.2 上頂護(hù)盾運(yùn)輸解決辦法

擬對上頂護(hù)盾進(jìn)行分塊安裝，上頂護(hù)盾分割示意見圖4。加工頂護(hù)盾時(shí)將其分為3塊，分別為中心導(dǎo)向柱1塊及兩側(cè)各1塊，兩側(cè)分割點(diǎn)處使用螺栓結(jié)合固定座進(jìn)行拼裝連接，底板以及主筋板拼接點(diǎn)設(shè)定位銷，底板分割縫及筋板分割縫處打倒角，現(xiàn)場定位拼接完成后進(jìn)行焊接。

4.3 頂護(hù)盾更換空間設(shè)計(jì)

頂護(hù)盾上方進(jìn)行更換洞勢擴(kuò)挖，以滿足更換空間需求，因上頂護(hù)盾存在導(dǎo)向柱問題，柱長約為1 m，故整體洞勢要求護(hù)盾上部可用空間高度不小于2.5 m。TBM到達(dá)停機(jī)位置后，刀盤后退16 m，在距離掌子面7 m位置處進(jìn)行洞勢擴(kuò)挖，洞勢長度為掘進(jìn)方向7 m，橫向尺寸為位于左右兩塊翼護(hù)盾下邊緣0.5 m處向外延伸2.7 m。洞勢擴(kuò)挖完成后，設(shè)備前進(jìn)，利用應(yīng)急噴混系統(tǒng)對洞勢進(jìn)行噴混加固，其后進(jìn)行護(hù)盾更換。

5 頂護(hù)盾更換安裝

5.1 頂護(hù)盾更換方法

在更換洞勢擴(kuò)挖并加固完成后，機(jī)器停至更換洞勢正下方，實(shí)施頂護(hù)盾更換安裝，具體步驟如下。

（1）變形護(hù)盾拆除。護(hù)盾拆除后將其吊裝至更換洞勢頂部，確認(rèn)護(hù)盾與設(shè)備完全分離后，TBM前進(jìn)7 m，直至變形護(hù)盾完全脫離機(jī)頭架，將其從開挖洞勢頂部卸除，安放于主梁下方，并安排人員倒運(yùn)出洞，上頂護(hù)盾需要分割后運(yùn)出（倒運(yùn)工作需在設(shè)備再次后退前完成）。

（2）新護(hù)盾安裝。將新護(hù)盾（共計(jì)5塊，即翼護(hù)盾2塊、上頂護(hù)盾邊塊2塊、中心塊1塊）上頂護(hù)盾中心塊固定至更換洞勢頂部，后退設(shè)備至新護(hù)盾下方，進(jìn)行安裝，安裝完成后繼續(xù)前進(jìn)設(shè)備，如此往復(fù)，分別安裝上頂護(hù)盾邊塊2塊、翼護(hù)盾2塊。

（3）新護(hù)盾焊接。護(hù)盾拼接完成后，進(jìn)行上頂護(hù)盾中心塊與邊塊焊接。

（4）防塵板焊接。焊接工作完成后，進(jìn)行防塵板定位安裝。

（5）McNally系統(tǒng)拼接。護(hù)盾安裝完成后，按照圖紙進(jìn)行McNally系統(tǒng)拼接。

（6）整機(jī)調(diào)試，安裝完成。

5.2 新護(hù)盾倒運(yùn)工作

新護(hù)盾由機(jī)車倒運(yùn)至仰拱吊機(jī)處，通過TBM設(shè)備的材料運(yùn)輸通道倒運(yùn)至主梁上部，倒運(yùn)過程中注意安裝順序?yàn)樯享斪o(hù)盾中心塊、上頂護(hù)盾邊塊、兩側(cè)翼護(hù)盾，注意堆放方式，避免發(fā)生重復(fù)倒運(yùn)。倒運(yùn)過程中注意護(hù)盾棱角，勿出現(xiàn)磕碰變形等導(dǎo)致安裝配合出現(xiàn)偏差。

5.3 舊護(hù)盾拆除工作

舊護(hù)盾拆除順序首先為左右兩側(cè)翼護(hù)盾，其次為上頂護(hù)盾，護(hù)盾拆除時(shí)需確保距離充足且與設(shè)備無任何連接，保證設(shè)備前進(jìn)7 m情況下與護(hù)盾后部設(shè)備（如錨桿鉆機(jī)、拱架安裝器）無任何擦碰。

5.4 新護(hù)盾安裝

新護(hù)盾安裝順序首先為上頂護(hù)盾，其次為兩側(cè)翼護(hù)盾，上頂護(hù)盾安裝時(shí)，先進(jìn)行中心塊安裝，在吊裝至更換洞勢頂部前，應(yīng)先確定與設(shè)備的相對位置，該道工序在吊裝前由測量組測量導(dǎo)向柱定位的左右偏差，確定吊裝位置，吊裝完成后進(jìn)行復(fù)核，確保設(shè)備后退至護(hù)盾下方時(shí)導(dǎo)向柱精準(zhǔn)對孔安裝。

上頂護(hù)盾邊塊安裝時(shí)，確保定位板以及定位銷準(zhǔn)確對孔，保證拼接完成后達(dá)到上頂護(hù)盾的原始設(shè)計(jì)尺寸。

6 結(jié) 語

TBM設(shè)備的頂護(hù)盾修復(fù)完成后，護(hù)盾的各項(xiàng)功能指標(biāo)得到了不同程度的提升，在隧洞大埋深、強(qiáng)巖爆、高耐磨硬巖等各種不良地質(zhì)環(huán)境疊加下，使McNally系統(tǒng)安插鋼筋排施工恢復(fù)正常，節(jié)省了大量的支護(hù)、清渣時(shí)間，提高了設(shè)備利用率和施工工效，對加快施工進(jìn)度、降低工程成本具有重要意義，也為狹小空間、復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下護(hù)盾修復(fù)改造提供了參考實(shí)例。

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