TBM施工中的问题分析与对策

2017-01-20

浙江水利科技 2017年2期

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州 310014）

TBM施工中的问题分析与对策

武志鹏，刘素彦

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州 310014）

TBM设备集机械、电气、液压、PLC控制以及连续皮带系统于一体，结构庞大且复杂，作业环境恶劣，施工过程中难免会遇到各种问题。选取一些在TBM施工过程中经常遇到且影响范围较大的机械故障、刀具异常磨损、润滑系统油污染、通风和除尘问题以及振动过大等问题，分析导致问题产生的原因以及可能引起的后果，并针对各个问题提出切实可行的对策和解决办法。

TBM施工；机械故障；刀具；振动

1 问题的提出

在TBM施工过程中，任何一个环节出现问题, 都会直接影响掘进效率, 甚至导致停机。每一个问题的排查和解决都要消耗大量的人力、物力，且占用宝贵的掘进时间，损失较大[1]。TBM施工过程中经常遇到的问题主要有：机械故障、刀具异常磨损、润滑系统油污染、通风和除尘以及振动过大等问题，在分析和解决问题过程中，需要针对性地进行专业检测，提前预防问题扩大化和严重化，以及加强设备的日常维护工作等。

2 TBM施工中的问题分析与对策

2.1 机械故障的分析与对策

机械故障是TBM施工过程中较常见的问题之一，对TBM施工的连续性影响较大，若不及时处理，存在引起更大故障问题的隐患。这里将对TBM施工中所遇到的一些典型的机械故障进行分析研究，并给出相应的处理解决方法[2]。

2.1.1 连接螺栓断裂

刀盘连接螺栓是固定刀盘后部主密封系统以及主轴承系统的关键备件。刀盘连接螺栓被安装于机头架上，该部位在TBM掘进施工过程中受振动因素影响较大，极易发生脆性断裂。在螺栓断裂后若不及时更换，会造成“多米诺骨牌效应”，引起附近刀盘连接螺栓的断裂，使刀盘与机头架结合面存在间隙，掘进过程中的粉尘或洞壁涌水直接进入主密封和主轴承系统，最终导致严重的设备故障。

TBM设备上连接螺栓的断裂是常见的机械故障，每一个螺栓的断裂都会增加设备故障、人身伤害的风险，因此，针对设备上的连接螺栓，尤其是关键部位（如机头架、主梁部位等）的连接螺栓，要加强日常维护检查，安排专职人员负责，并采用敲击、提前预紧等措施，及时处理螺栓松动，提前更换存在缺陷的螺栓等。

2.1.2 步进系统故障

在TBM换步过程中，由于换步过程过猛过急，或者左右两侧拖拉油缸存在不同步的问题，在换步时很容易造成步进系统油缸杆光面拉伤，尤其在连接桥采用步进系统拖拉后配套的形式中，连接桥步进机构液压支腿油缸损坏率更高：如造成连接桥下步进支腿掉轨、支腿油缸损坏等。

步进系统故障的解决：首先，做好步进系统日常检查维护工作；其次，在步进过程中采用主副操作手沟通指挥的方式，由副操作手在连接桥部位观察步进进展情况并及时反馈主操作手。步进参数选择合理，避免出现换步过猛、过急现象。

2.1.3 水平支撑故障

在TBM步进过程中，由于TBM水平支撑系统左右两侧受后配套一侧偏重（后配套系统放置的一侧偏重，行走通道一侧偏轻）的影响，在围岩破碎、松软洞段左右撑靴受力不均影响、以及在TBM水平支撑的液压系统出现故障时，其支撑力不均匀，TBM主机部分会向支撑力较弱的一侧倾斜。

在水平支撑发生故障时，会引起TBM掘进偏向，掘进参数难以确定、导向系统遮挡以及加重刀盘滚刀异常磨损等。遇此类机械故障时，需在换步过程中加强监控，及时将撑靴调平；对围岩破碎、松软一侧进行回填混凝土或垫方木、铁板等措施提高其抗压强度；检查修复撑靴油缸及楔块支撑油缸等液压管路漏油问题。

2.2 刀具异常磨损的分析与对策

在TBM施工过程中，作为破岩的主要部件，滚刀刀具的使用寿命和破岩效率直接影响着隧洞掘进进度和掘进成本[3]。因此，在刀具维护和管理过程中，应尽量避免刀具异常磨损的情况出现。

2.2.1 刀具磨损与岩石硬度和围岩完整性密切相关

在硬岩地段或围岩完整性较差的洞段，刀具磨损量加大，且在破硬岩过程中，常导致刀具刀圈蹦刃问题。当岩石偏软时（如砂岩），破岩后成细腻状岩粉，如果刀具轴承浮动密封环质量不过关，细腻的岩粉极有可能进入刀具轴承密封内，楔入刀体内圆锥轴承滚子、滚道、保持架之间，造成轴承旋转不畅，进而导致刀具偏磨问题。

针对刀具异常磨损受岩石硬度和围岩完整性影响的问题，首先要根据不同的围岩特性选取正确的操作与掘进参数[4]，遇到硬岩，掘进参数不宜过大，可适当提高刀盘转速，减小贯入度和推进油缸压力，柔和操作，避免大推力、大推进速率掘进。遇到软岩或围岩破碎时，应降低掘进速度，减小贯入度，掘进过程中密切观察皮带机落渣情况，根据出渣情况及时调整掘进参数。

2.2.2 刀具磨损与装刀预紧力的关系

装刀预紧力过大或造成刀具转动性能降低，刀具多数出现多边形偏磨问题，而装刀预紧力偏小则很难达到高的破岩效果。

针对此类刀具异常磨损问题。在刀具的装配过程中，应根据TBM施工项目围岩特点合理选用装刀预紧力；同时，选择合理的刀具挡圈的固定焊点位置和数量，也是减少刀具预紧力不足产生偏磨问题的一个措施，一般情况下选择对称的2 ～ 4个焊点为宜。

另外，日常维护检查也是减少刀具异常磨损的重要手段。检查刀盘喷水功能是否正常，保证掘进中始终有高压水雾状喷射；及时更换或紧固松动的刀具螺栓，严格按照刀具厂家提供的换刀标准和换刀规范进行日常查刀、换刀工作。

2.3 润滑系统油污染的分析与对策

2.3.1 润滑系统控制阀件故障是导致油污染的重要原因

润滑系统中的比例调节阀、溢流阀等阀件是控制润滑系统进回油速度，调节主轴承腔内部气压平衡的关键部件。在相关阀件存在故障的情况下，将导致润滑系统进回油速度失去平衡。在进油量大于回油量时，主轴承腔内油位超出临界油位，不仅造成润滑油溢出浪费，还会导致润滑效果降低，长时间持续此状态存在主密封系统故障风险；在进油量小于回油量时，导致主轴承腔内润滑油过低而失去润滑效果，同时主轴承腔内形成负压，存在将水分、杂质吸入造成油污染的风险[5]。

针对润滑系统阀件故障造成油污染的问题，首先应加强日常检查维护工作，加入PLC系统监控各类阀件的工作状态和工作性能；其次，在PLC监控系统中发现控制阀件故障报警时，应立即停机检查并解决处理，避免设备带故障作业。

2.3.2 润滑系统油污染受环境温度影响较大

在洞温较高的隧洞内施工，润滑系统油温普遍较高，造成润滑油油脂理化指标性能下降，主密封部位润滑密封效果随之降低造成油污染；反之，在洞温较低的隧洞内施工，主密封部位的润滑油变粘稠，无法及时通过唇形密封被挤出，造成洞内粉尘、积水等进入主密封系统造成油污染[6]。

此类污染的解决措施：首先，根据施工隧洞的洞温选择合适的润滑油（脂），在洞温偏高的隧洞内施工，选择标号较高的润滑油（脂）（如EP3润滑脂、320#润滑油等）；在洞温偏低的隧洞内施工则选择标号较低的润滑油（脂）；其次，可以采取相应的降温或升温措施：在寒冷隧洞施工在油箱内增加升温装置，保证施工时油温达到规定的范围；在洞温较高的隧洞内施工应加装散热（或冷却）装置，避免施工过程中油温过高（在达到警戒温度时应停机冷却）。

2.4 通风和除尘问题的分析与对策

在TBM施工过程中，具有良好的通风和除尘效果，可以给隧洞内作业人员提供足够的新鲜空气，可以稀释并排出洞内各种有害气体和粉尘，可以调节隧道内空气的温度、湿度，创造良好的作业环境，是保证安全、高效、优质施工的前提[7]。通风和除尘不畅问题多见于长大隧洞的施工，主要原因是设备整体布局过长，通风过程中受设备遮挡、洞壁阻力的影响大；通风和除尘方案的选择不合理[8]；沿线风管漏风点、打折情况多；除尘风管内粉尘堆积无法及时清理等。

通风和除尘不畅的问题主要采用以下对策进行解决。

2.4.1 加强通风和除尘系统运行管理

建立以岗位责任制和奖惩制为核心的管理制度[9]，定人定岗负责轴流风机、除尘风机的运行管理，安排维护工作队负责风管的安装、日常维护、检查和故障处理等工作。

2.4.2 提高风管安装质量

风管的安装质量直接影响通风和除尘效果。在风管的安装过程中，要做到风管平直顺畅，接头处严密，挂钩间距均匀合理并与洞径保持水平[10]。必要时，可在安装过程中用激光笔找正。同时，及时处理沿线漏风部位。

2.4.3 加接力风机和风管

在设备台车上加接力风机和风管，降低由于设备整体布局过长，通风过程中受设备遮挡、洞壁阻力的影响。

2.4.4 除尘风机沿线管路 “裁弯取直”

除尘风机沿线管路进行“裁弯取直”，尽量保证沿线风管顺直，避免过多陡弯的出现，必要时可将除尘风管架空，使其管路通畅。同时，在除尘风管沿线加开一些用于排出管道内堆积粉尘的活门。

2.5 振动问题的分析与对策

在TBM施工过程中，振动产生的原因有多种：正常掘进过程中破碎岩石产生的振动，尤其是开挖围岩完整性较差的洞段，刀盘旋转产生的振动，设备上电机运转产生的振动等[11]。对于设备施工过程中正常运行产生的振动都是在允许的范围内，对设备部件一般不会造成损坏。但在非正常状态下，如刀盘偏心、护盾力不足、主电机分布不均以及缺乏必要的减震措施的情况下，所造成的振动远远超出允许的范围，对设备及其部件的影响较大。

（1）由于设计和制造精度的问题，刀盘存在偏心的可能，在刀盘偏心情况下运行时，在机头部位形成“偏心轮”现象，是造成主机部位振动过大的主要原因，加重刀具的损耗以及机头架部位控制元件和阀件的损坏几率。发现刀盘存在偏心问题时，应及时采取偏心修正的措施，如加配重或调整刀盘上刀座安装位置等。

（2）护盾力的选择对振动影响较大。过高会造成掘进阻力变大，影响掘进效率；过低则会使机头架部位形成悬臂效应，导致主机前部振动偏大。因此，护盾力的选择应根据TBM施工过程中刀盘推力以及围岩情况进行合理调节。按照设计要求，侧护盾和顶护盾工作压力一般情况下选取推进力的20%左右为宜。

（3）主电机在机头架上的分布应是均匀的，但在某一台主电机出现故障时（如TBM采用6台主电机驱动时，1 ～2台主电机故障一般不会导致掘进工作暂停），会在机头架部位形成偏心问题，对振动的影响也是巨大的，同时在较大振动工况下，剩余主电机的故障率会相应增加，出现恶性循环。因此，在出现1台主电机故障时，应及时进行检修处理，不可为赶进度而使设备带病作业。

在解决振动过大问题过程中，对设备上电机、主机前部控制元件加装减震垫也是不错的选择。

3 结语

在TBM施工过程中，只有通过加强设备的日常维护检查、注重问题隐患检测和排查、严格执行设备操作规程、提高工作人员技能等才能尽可能避免重大问题的发生。同时，在问题出现后，正确、迅速判断造成问题的原因并及时加以解决，避免造成更大设备故障，对恢复生产、提高TBM利用率实现TBM设备快速、优质、安全、经济、高效的掘进施工意义重大。

[1] 吴晓志.中天山隧道TBM掘进效率影响因素分析[J].铁道建筑技术，2009(11)：24 - 26.

[2] 张勇智.硬岩隧道掘进机常见机械故障分析及相应处理方法[J].现代隧道技术， 2006(12)：76 - 79.

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[5] 张红耀.TB880E型隧道掘进机主轴承损坏原因分析[J].隧道建设，2014(11)：1092 - 1097.

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[7] 余学敏.特长隧道TBM法施工20 km独头方案研究[J].四川建材，2013(2)：114 - 117.

[8] 李洪亮.中天山特长隧道TBM施工通风技术[J].铁道建筑技术，2009(11)：8 - 17

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[11] 郭飞,黄俊,苏艺，等.盾构施工过程诱发振动振源特性[J].北京工业大学学报，2014(12)：1820 - 1827.

（责任编辑郎忘忧）（责任编辑姚小槐）