岩爆引起的TBM主驱动故障分析及处理措施

李荣军 赵 力 赵翔元

(陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安 710010)

TBM目前被广泛地应用于长距离隧洞施工，TBM设备组件复杂，可靠性要求高，TBM掘进时的设备性能与工程地质条件密切相关，不良地质条件会对TBM设备造成不同程度的损伤和消耗，甚至引起设备故障导致无法正常掘进[1-2]。受高地应力作用，TBM在深埋隧洞施工时，会受到岩爆地质条件的不利影响，岩爆时伴随的巨大能量易造成围岩掉块、垮塌，严重威胁TBM设备的安全[3]。主驱动作为TBM的动力系统，一旦出现故障会直接影响掘进是否继续进行，因此，对主驱动进行故障分析并进行有针对性的处理尤为重要。

近年来，在不良地质条件下TBM设备驱动系统的故障分析及修复方面许多学者开展了卓有成效的研究工作。张啸等[4]改进了TBM主轴承密封滑道设计及安装工艺，提高了其耐磨性，并在工程应用中取得了良好的效果；赵大鹏等[5]通过工程案例介绍了TBM主轴承外密封挡圈故障的洞内修复技术；贾峰[6]优化了主轴承密封系统的传统修复工艺，延长了主轴承服役时间；李晓晗等[7]介绍了一种TBM主轴承密封失效的应急处理方案，处理周期短，可快速恢复施工；张天瑞等[8]分析了基于CBR和RBR的全断面掘进机故障诊断机制；曾翔等[9]针对TBM推进速度突变故障，分析了故障原因及处理方法。

本文依托引汉济渭秦岭输水隧洞TBM施工段，分析了岩爆地质条件下TBM主驱动故障原因，并提出了有针对性的处理方案、工艺及措施，使TBM重新正常掘进，尽可能减轻岩爆灾害对施工造成的影响。

1 工程概况

引汉济渭工程秦岭输水隧洞越岭段全长81.779km，设计流量70m3/s，隧洞平均坡降约1/2500，最大埋深2012m，由地勘资料及秦岭地区深钻孔地应力实测资料分析可知，秦岭隧洞区地应力高，掌子面以及距掌子面1～3倍洞径的地段范围受应力集中的影响易发生岩爆。

在目前施工洞段，采用水压致裂法和压裂缝方向印模测试方法在TBM后方开展了地应力测试，测试部位岩体应力以水平应力为主，最大水平应力为63.80MPa，最小水平应力34.34MPa，铅直向应力为49.66MPa，最大水平主应力方位为97°。

采用直径为8.02m的敞开式TBM进行施工，TBM掘进期间，持续有不同程度的岩爆发生，表现为拱部岩体开裂、断裂，剥落、掉块现象严重，局部形成塌腔，同时伴有劈裂声，拱部钢拱架有下沉变形现象。

2 故障分析

TBM向前掘进至桩号K45+710.1处时，掌子面和护盾左下侧位置发生岩爆，掌子面爆坑深度约2.5m，左下侧起拱高约50cm，刀盘前方大量渣石堆积，拱架安装器左下侧受到强烈冲击和挤压变形，见图1。

图1 掌子面岩爆引起拱架安装器损坏

岩爆发生后，刀盘被卡、护盾因受压至极限位置而卡死。经检查，发现主轴承内密封漏油，局部位置有润滑油流出，油液清亮、通透，无乳化和严重污染迹象。

此次故障的主要原因在于岩爆冲击刀盘，导致转接座定位环断裂及开裂、唇形密封和隔环等被挤压变形、结合面密封条损坏、连接螺栓和双头螺柱受剪破坏。

由微震监测数据可知，此次岩爆能量达134.5万J，岩爆发生在刀盘右上方和底支撑左下方，造成转接座的定位环受剪切力而断裂，见图2。

图2 岩爆损坏转接座示意

3 处理方案

取出断裂及开裂的定位环，加固顶部围岩并处理掌子面，将刀盘固定到掌子面并与主机分离。拆除转接座、去除所有定位环并处理断口、修复转接座、改进转接座与主轴承的连接方式、检测主轴承、更换损坏的密封及螺栓等。将转接座和刀盘等重新定位安装。

修复主驱动故障前，为保证清理石渣和故障处理时的人员和设备安全，需清理护盾顶部碎石并施工管棚。掌子面前方坍塌较大，无法为刀盘提供牢固支撑，需人工清理松散体并施作玻璃纤维锚杆加固掌子面，下部浇筑混凝土挡墙，上部施作加固纵梁。修复主驱动故障前，需固定刀盘。刀盘贴紧挡墙时，旋转刀盘至拟定位置，刀盘底部采用钢板及楔形机构支撑，施作径向锚杆锁固刀盘。刀盘固定后，拆除连接螺栓，后退TBM使主机与刀盘分离。

在刀盘固定并拆卸后，对主驱动进行维修更换。将唇形密封、密封隔环、转接座等依次拆出，然后对转接座进行修复，更换损坏的密封、隔环、螺栓等并改进转接座与主轴承的连接方式。

4 处理工艺及措施

4.1 取出断裂或开裂的定位环

为保证主轴承及其他部件的安全，固定刀盘前先将断裂及开裂的定位环切割取出。

对切割部位附近的轴承、齿轮等进行保护，封堵油孔防止切割铁屑飞溅至其他部位，断裂及开裂的定位环较长，无法整体取出，采用合金直磨机将断块及开裂块切割成0.5m长的短条逐条取出。

4.2 护盾上方围岩处理

护盾顶部围岩较破碎，已将护盾挤压至极限位置且多次尝试依然无法顶升，需先对顶部围岩进行处理，再施工管棚。

4.2.1 围岩处理

人工扩挖护盾后方2m范围内的围岩，扩挖深度0.6m，扩挖范围拱部180°，开挖面喷5cm厚C20喷射混凝土封闭，然后拼接H150拱架，拱架间距45cm，两侧边墙围岩较破碎处需将拱架向下延伸至稳固岩体上。每节钢架两端各设置2根4m长φ22锁脚锚杆，钢架外翼板内侧焊接φ16钢筋，钢筋环向间距10cm。钢架内侧封焊6mm厚钢板，回填C30混凝土。

拱架支护完成后，人工清理顶护盾上方的围岩，释放顶护盾的压力。

4.2.2 管棚工作间施工

开挖线外架设两榀H125钢拱架，钢拱架上方按照管棚角度对导向管进行放样、焊接固定，钢架翼板内侧焊接φ16钢筋，钢筋环向间距10cm。H125钢架和外侧H150钢架之间采用φ22钢筋折线焊接连接，用C30混凝土浇筑为整体，作为大管棚大里程端承重梁，承重梁厚60cm。

在护盾后方施作管棚工作间，管棚工作间采用槽钢、钢板焊接在主梁的平台上，见图3。

图3 管棚工作间示意 (单位：cm)

4.2.3 大管棚施工

在完成管棚导向墙施工后，向小里程侧施作大管棚(兼做应力释放孔)，大管棚位于隧道中心左侧60°、右侧90°，共150°范围。

大管棚选用φ108跟进式注浆钢管，大管棚长度暂定为25m，环向间距50cm，外插角5°。大管棚施作完毕后，向孔内注高压水，促使应力释放，见图4。

图4 管棚施工示意

为加强管棚承载能力，管棚钻孔完成后，在管棚内安装钢筋加强束，钢筋加强束采用在长5cm的φ32钢花管固定环四周均匀帮焊4根φ22钢筋，固定环间距50cm，见图5。

图5 钢筋加强束示意

4.3 掌子面围岩处理

掌子面的围岩坍塌严重，固定刀盘前需先对掌子面进行处理，使掌子面为平面。目前转接座、唇形密封等已经损坏，为避免TBM掘进时对主轴承、唇形密封等造成二次损伤，需人工处理掌子面。

4.3.1 坍塌松散体处理

掌子面及护盾段岩面喷射20cm厚C20玻璃纤维混凝土封闭，人工对刀盘前方坍塌渣体进行清理。清理完毕后，护盾段拱部180°及掌子面施作5m长φ32自进式玻璃纤维锚杆，间距1.2m×1.2m，梅花形布置，注水泥浆。

4.3.2 刀盘支撑墙浇筑

为减少回填混凝土方量，降低支撑墙高度，在刀盘前方架立模板浇筑C30混凝土形成刀盘支撑墙，支撑墙厚1.3m、高5m，墙高范围内塌腔回填C30混凝土。

支撑墙施工完成后，在挡墙上部加5根钢管混凝土纵梁支撑刀盘。纵梁采用在φ300钢管内浇混凝土完成，一端顶在岩壁上，一端焊接在刀盘上，防止刀盘倾倒，见图6。

图6 刀盘支撑墙示意

4.4 TBM后退段扩挖处理

为保证TBM顺利后退，扩挖并更换护盾后方22m范围钢拱架，换拱施工采用先立后拆施工顺序，拱架间距(中心间距)45cm。扩挖范围拱部180°，扩挖半径4.51m，扩挖完成后岩面喷5cm厚C20混凝土封闭，然后架设H150钢拱架，钢拱架半径4.385m，钢拱架两端拱脚坐落在坚实岩体上，遇到拱脚岩体破碎时继续向下扩挖延伸至坚实岩体，每节钢架两端各设置2根4m长φ22锁脚锚杆。扩挖由人工使用风镐进行，开挖循环严格控制在45cm，开挖后立即支立钢拱架，钢架外翼板内侧焊接φ16钢筋，钢筋环向间距10cm。钢架内侧封焊6mm厚钢板，回填C30混凝土。

4.5 围岩监测

拆卸刀盘前需要先对围岩进行监测，以防止刀盘固定后因围岩变形而造成刀盘移位。

4.5.1 TBM主机监测点布置

在TBM主机区域布置监测点，分别位于10点半、12点、1点半位置，相邻监测点的轴向距离为1.5m。

4.5.2 锚固点监测

掌子面环向均匀布置6个监测点，刮渣孔各布设1个监测点。监测点布置完成后，每天对监测点进行人工测量2次，连续监测10天，监测是否有围岩收敛情况发生。

4.6 固定刀盘

如若监测TBM主机区和掌子面区域的围岩稳定，无收敛情况，则开始固定刀盘。固定刀盘采用底部支撑、前部靠掌子面、周围锚杆锁固的方式。

4.6.1 刀盘定位

将刀盘前面板定位于距刀盘支撑墙0.2m位置；底护盾行程上、下均留一定余量，以便于安装刀盘时垂直调整主机；调整撑靴和扭矩油缸，使水平趋势和垂直趋势均调整为0；旋转刀盘使刮渣孔位于预定的锚固点；向前推进刀盘，使刀盘紧贴刀盘支撑墙；采用钢板将刀盘底部圆弧面垫实；加工楔形垫块支撑在刀盘锥背板下部，使楔形垫块紧紧抵在锥背板与洞底围岩之间，见图7。

图7 刀盘支撑示意

4.6.2 锚杆施作及拉拔测试

刀盘固定的锚点分为4组，夹角90°。通过锚杆施作孔采用风枪进行钻孔(孔深5m，φ38)，每个孔位布置锚杆8根，分为两排，每排4根。

四角处的锚杆孔紧贴刀盘边缘，其他的均匀布置，锚杆角度与刀盘边缘垂直以利于以后焊接。锚杆孔施作完成后先向孔内注高压水，进行应力释放，然后施作无锈砂浆锚杆(φ22，长5m)，见图8。

图8 刀盘固定示意

在护盾后方施作拉拔试验锚杆。拉拔试验锚杆与锚固锚杆位于同一岩层且采用相同的材料、工艺施工。砂浆锚杆达到强度后测试锚杆的抗拔力，确保单根锚杆抗拔力不小于100kN。

锚杆抗拔测试正常后，采用螺母和锁固钢板将锚杆连接为一个整体，然后将锁固钢板焊接在刀盘上。

4.7 拆卸刀盘

刀盘固定并检测正常后，拆卸刀盘，后退TBM将刀盘与主机分离。

为了保证施工人员的安全并预留作业空间，主机与刀盘分离后，TBM后退29m。期间要时刻注意人员安全和刀盘固定情况。

在刀盘上布设6个位移监测点，每天人工测量2次，监测刀盘是否有前后位移、沉降等情况，设置3个应变监测器(刀盘前方1个，后方2个)，监测刀盘前后倾斜受力变化。所有监测持续至刀盘再次安装完毕。

4.8 修复主驱动

拆卸转接座，调整转接座，使间隙(耐磨环与密封压盖)小的位置处于底部。并拆卸部分连接螺栓，然后安装吊机，拆除唇形密封、隔环和转接座。

为保证工期，转接座的定位环在洞内进行适当处理和改进。

a.断口处理：为防止剩余部分断裂而损伤主轴承，搭脚手架切除未断裂的定位环，然后将定位环的断口和切口全面打磨直至其平滑、无毛刺。

b结构改进：在转接座与主轴承外圈之间的对称位置增加4个定位销，定位销分别位于转接座12点、3点、6点、9点钟位置。定位销具有2个功能，一方面可在安装时定位，另一方面又可以增加转接座与主轴承的抗剪能力。

c.更换密封：本次更换的密封包括：ⓐ转接座与主轴承之间的2道密封；ⓑ外密封隔环背面的1道密封；ⓒ内密封的3道唇形密封；ⓓ外密封的3道唇形密封。更换密封隔环。因密封隔环较大，TBM台车不具备运输条件，密封隔环采用分片加工、现场组装的方式制作。

采用拆卸逆步骤依次安装转接座及配套密封、唇形密封、隔环、密封压盖。

5 结 语

a.TBM在岩爆洞段掘进时，受岩爆冲击，易导致转接座定位环断裂及开裂、唇形密封和隔环等被挤压变形、结合面密封条损坏、连接螺栓和双头螺柱受剪破坏等诸多安全风险，造成主驱动故障，进而严重影响TBM的正常掘进。

b.针对岩爆引起的TBM主驱动故障，结合工程实践提出了处理方案、工艺及措施，分析了取出断裂或开裂的定位环、加固顶部围岩并处理掌子面、固定刀盘、拆卸刀盘、修复主驱动等工序的实施要点，取得了良好的效果，有利于提高TBM在岩爆地段的利用率和工作性能。