TBM撑靴掉落处理方案及预防技术

史晋华

（山西省水利建筑工程局，山西 太原 030006）

撑靴作为TBM设备上的发力点，掘进时为刀盘提供掘进推力，并将推力和扭矩的反力传递给洞壁，借助球顶铰均匀地支撑在洞壁上，避免引起集中载荷对洞壁的破坏。但施工过程中由于操作不当、地质条件不同等原因，导致洞壁出现塌腔；水平油缸和推进油缸继续工作导致撑靴掉落。

1 存在问题

撑靴掉落经常出现在掘进段围岩较差的情况下，如软弱围岩、破碎围岩、边拱塌腔处；对撑靴处塌腔回填、喷混凝土后应注意混凝土的等强时间，确保所喷混凝土具有足够抗压强度时再恢复掘进。

在辽宁重点输水工程施工掘进过程中，TBM4左右撑靴分别掉落。撑靴掉落原因为：地层破碎，洞壁边拱围岩硬度不均且局部存在塌陷，岩石所能提供的支撑力不均，在撑靴与围岩接触面无法提供有效的摩擦力供主机向前推进，操作手继续向外伸出推进油缸，主机受力形式由以撑靴鞍架部分为支点推动刀盘改变为以刀盘为支点将撑靴鞍架部分向掘进反方向推进。此时水平油缸与撑靴紧密连接，水平油缸与撑靴连接处螺栓将承受巨大剪切力。该剪切力达到一定数量级螺栓将被剪断，进而撑靴掉落。

2 处理方案

2.1 事故发生后的应急反应

撑靴出现掉落事故时，首先要继续伸出水平油缸，使掉落的撑靴通过与洞壁的摩擦力暂时被固定在洞壁上。

2.2 维持撑靴不掉落洞底

采用焊接钢架的方法，通过水平油缸持续将撑靴压在洞壁上，同时进行支撑架的安装与焊接。当支撑架焊接完毕后，可通过钢丝绳将撑靴上各吊点吊起，缩回水平油缸，靠钢丝绳的拉力确保撑靴定位。

另外，为确保撑靴暂时压在洞壁上，施工人员需紧急调配沙子20～30m3，将沙子堆放在撑靴下方，形成一个与水平面夹角约45°～60°的斜坡，斜坡顶端位于撑靴下端，可逐步缩回水平油缸，让撑靴滑落在斜坡上，撑靴底部支撑在土坡上，面板斜靠在洞壁，使撑靴重心处于较高位置，为再次安装提供便利。

2.3 支撑架安装与焊接

2.3.1 材料与工具选择

与普通工字钢和轻型工字钢相比，H型钢具有结构强度高、自重轻、稳定性高等特点，建议支撑骨架选用175 mm×175 mm的HW宽翼缘H型钢，单根长度在0.5～2m之间，数量根据现场需要而定。

隧洞内湿度大，焊接质量直接影响撑靴起吊过程。作为起吊支撑的受力结构，支撑架承受的弯矩与扭矩巨大。结507（E5015）作为碱性低氢钠焊条，抗拉强度比E4315（J427）普通焊条大得多，其低氢性可有效避免因洞内湿度过大导致的焊接质量下降。建议选用结507（E5015）焊条焊接支撑架。起吊软连接可选用工业用起重链条、钢丝绳等。考虑到起吊过程中拉力并非全部与重力同向，因此起吊工具可选用起吊重量20 t，10 t的手动葫芦各2个，共60 t。该工程所用TBM撑靴重量约22 t，60 t起吊能力可将其吊起。

2.3.2 三角型支撑架

当TBM通过段架设钢拱架时，可借助钢拱架提供支持力，将工字钢焊接在拱架及鞍架上方，并形成一个三角形，顶角约30°便可提供较大刚性。

2.3.3 水平支撑架

撑靴突然掉落时，如该处无钢拱架可借力支撑，则可直接在鞍架上方焊接水平支撑架做吊点。

2.3.4 焊接过程注意事项

由于隧洞内空气湿度大，应防止焊接质量不合格导致焊缝裂纹。因此，焊接前焊条须经300～350℃烘焙1 h，型钢焊接部位需经100～120℃烘烤20 min，以便将焊条与型钢内氢的成分充分释放；焊接前须打磨清理型钢表面的铁锈、油污等杂质，以防其影响焊接质量；焊接时须用短弧操作，以多道窄焊为宜。

2.4 撑靴重装

2.4.1 取出断裂螺栓方法

在TBM撑靴时，其连接螺栓已断裂。当断裂的螺栓无法取出或采用错误的方法强行取出时，螺栓孔的丝扣将损坏，严重影响撑靴再次安装质量。为此建议采用以下三种方法。

反丝锥法：首先在断裂螺栓中心钻取直径8 mm的左右光孔，再使用直径为螺栓直径50%～70%的反丝锥扩孔，扩孔后使用反向螺纹螺栓拧入其中。当撑靴连接螺栓断裂后，其原始紧固作用力已有部分释放，因此断裂的螺栓会随着反丝螺栓的逐步紧固而逐渐松动，并最终从螺栓孔中取出。该方法需准备相应的丝锥、螺栓、拧螺纹的技术工人，洞外应长期准备相应的备品备件。当螺栓施加的原始扭矩较大时，经常出现反锥螺栓被拧断却仍无法取出断裂螺栓的情况，可改用其他方法。

点焊钢筋法和磁力钻法：当断裂螺栓所施加的预应力较大时，可取一台磁力钻机，根据断裂螺栓直径选取相应的钻头。其工作原理为：通电后磁力钻底部变化的电流产生磁场，可吸附在撑靴结构上，磁力钻电机高速运转带动钻头，实现对断裂螺栓钻孔。钻孔结束后，断裂螺栓仅剩一环形外圈，用铁锤适度敲击可使其从螺栓孔中脱落。

2.4.2 安装工序

首先使用两个10 t手动葫芦分别将球帽端盖与球座吊至水平油缸位置，使用两个20 t手动葫芦将掉落的撑靴吊起至水平油缸位置，起吊过程中撑靴与推进油缸相连。其次将球帽端盖贴紧水平油缸，将球座紧固在水平油缸上。最后通过螺栓将垫片及球帽端盖与撑靴装配在一起。

2.4.3 撑靴部位围岩加固

一般情况下，撑靴掉落时常有塌腔出现，撑靴安装后无法为其提供有效的支撑反力，这时应对撑靴部位围岩进行加固处理，以便撑靴安装后设备可通过该段地层。取3 mm厚钢板若干，贴于洞壁表面封住塌腔，并将钢板与钢拱架焊接在一起。取12～16 mm钢筋若干，将钢筋两头分别焊在两榀钢拱架上，将钢板封在洞壁上。钢板固定完毕后，向其内部浇筑掺有速凝剂的混凝土直至塌腔被填满。之后等强28 h，待混凝土初凝具备提供支持反力条件后，设备即可开始掘进。

2.5 安装后掘进

在掘进过程中，推力应控制在8000 kN以下，撑靴压力控制在200 bar以下，确保撑靴可为设备掘进提供前进的推力，即刀盘可破岩掘进，然后设备缓慢通过该地段。

2.6 洞壁边拱预处理方法

钢拱架支护能在隧洞开挖初期提供拱形应力支护，控制破碎围岩过大变形。但TBM施工过程中，两榀拱架之间仍有900 mm距离，此间围岩无任何保护及约束，撑靴撑住洞壁时围岩无法为其提供足够反作用力，若撑靴进一步外伸，将导致已安装拱架被压变形，拱架水平方向直径变大，竖直方向直径变小，形成椭圆形钢环。导致拱架对围岩的支护能力减弱，甚至由于顶部拱架下榻、围岩应力释放导致顶部出现小范围塌方。因此，应在隧洞围岩被开挖成洞初期（即围岩刚出护盾时），在洞壁水平线±45°范围内进行有效支护，将软弱、破碎处局部或大面积封闭。顶拱与边拱的封闭可为围岩提供有限的约束反力并激发其自身承载能力。具体做法如下：

第一，取宽900 mm，厚2～3 mm的钢板数片，将其焊接在护盾后部新拼接的两榀钢拱架之间，其长度由围岩破碎带范围决定。

第二，钢板焊接完成后，取5～6根900 mm长钢筋，将钢筋两端分别焊接在两榀钢拱架上，钢板封在两榀拱架之间。

第三，根据围岩破碎程度，可选择性向钢板与洞壁间浇筑加入早强剂和速凝剂的混凝土，混凝土等强后开始小推力掘进。

3 结论

通过以上分析可以看出，在撑靴掉落的处理上，施工单位应做到响应及时、措施正确，在短时间内完成撑靴的复位工作。与此同时，应注重破碎地层的掘进参数控制，做好撑靴部位的观测工作，力争做到提前预防、提前处理，防患于未然。