秦岭隧洞TBM施工鞍架滑道快速修复研究

2020-10-12党建涛赵力安飞翔李治洪李荣军

人民黄河 2020年2期

党建涛赵力安飞翔李治洪李荣军

摘要：分析研究了引汉济渭秦岭隧洞TBM施工鞍架滑道的磨损及影响，并对鞍架滑道快速修复技术的应用过程、实施重难点及处理措施进行了阐述和介绍。结果表明：TBM掘进时的剧烈振动会导致鞍架滑道出现磨损，使得主梁振动增强，进而引起刀盘、刀具及设备桥上的机械结构件等的损耗增大。采用快速修复技术对鞍架进行拆除、移位、修复并对滑轨进行更换取得了良好效果，提高了TBM的利用率和工作性能。

关键词：TBM施工;鞍架滑道;快速修复;吊装选型;鞍架更换;秦岭隧洞

中图分类号：TV53 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.02.021

Abstract：On the base of the Qinling TBM tunnel construction in Hanjiang-to-Weihe River Valley Water Diversion Project， the wear and effect of saddle and slide were analyzed and investigated， and the application process， the key problem and treatment measures associated with rapid repairing technology of saddle and slide were expounded and introduced. The results show that the severe vibration of the TBM driving will lead to the wear of saddle and slide， which causes the vibration of the main girder increasing and then increases the wastage of the cutting disk， cutting tool and mechanical structure parts of the device-bridge. The rapid repairing technology has been adopted to implement the removal， displacement， repairing and replacement of the saddle. The measures have been obtained good effects， and the utilization rate and working performance have been improved.

Key words： TBM construction; saddle and slide; rapid repairing; hoisting selection; saddle replacement; Qinling tunnel

隨着隧洞施工技术的不断发展和完善，TBM因掘进速度快、施工安全、环保等优势而在长隧洞施工中得到越来越普遍的应用[1-2]。深埋长隧洞地质条件复杂，经常遇到高地应力、岩爆、卡机等施工难题，不可避免会造成TBM设备部件不同程度的磨损和消耗，进而对TBM设备的安全高效掘进产生影响[3-5]，这就对TBM设备的适应性设计以及磨损部件的快速修复技术提出了更高的要求。鞍架作为TBM掘进主梁的一个主要支撑点，会对TBM掘进时整机的振动产生重要影响，因此开展TBM施工鞍架滑道的磨损及修复研究具有重要的现实意义。

近年来，许多学者对复杂地质条件下TBM设备的适应性设计及修复进行了有益的探索。周建军等[6]分析了深埋长隧道施工中TBM设备面临的岩爆、卡盾等关键问题，指出优化改进的必要性。王纯亮[7]研究了TBM的前盾改造在引洮供水一期工程掘进施工中的应用。陈馈等[8]针对高黎贡山隧道的不良地质条件，提出了TBM支护系统、刀盘刀具等的适应性设计。余洁[9]研究了中天山隧道掘进施工中TBM设备与地质条件的适应性以及针对性措施。谢启江等[10]研究了变约束条件下硬岩掘进机推进系统的动态特性。刘宁等[11]结合锦屏二级水电站引水隧洞的复杂地质，提出了深埋破碎岩体TBM掘进风险的评估与应对。赵战欣[12]对西秦岭长大隧道TBM施工中盘形滚刀的磨损进行了分析，并提出了应对措施。

笔者以引汉济渭工程秦岭隧洞TBM 施工段岭南工程为例，对TBM鞍架滑道的磨损、修复进行了研究。

1 鞍架滑道的磨损及影响分析

引汉济渭秦岭隧洞TBM施工段岭南工程位于秦岭山区，采用罗宾斯公司生产的Φ8.02 m敞开式掘进机进行施工。隧洞埋深大，最大埋深约2 000 m，围岩完整性好、强度大、石英含量高，岩爆频发，不良地质条件对掘进时TBM设备部件的安全高效运转构成了严重威胁。

受不良地质条件影响，掘进过程中，TBM鞍架滑道出现了严重磨损。主要原因在于：掌子面围岩坚硬，掘进时设备桥位置会伴有强烈振动，振动会增加结构件之间的磨损，其中鞍架滑道和主梁连接的位置尤为明显。

掘进时后支撑为升起状态，鞍架作为主梁的一个主要支撑点，其与主梁的配合间隙直接影响整机的稳固情况，间隙的增大造成了主梁的振动幅度增加，因刀盘与主梁连接，故刀盘在掘进时会出现抖动增加的现象，增加了刀具的非正常损耗。随着鞍架与主梁滑道之间的间隙逐渐增大，整机的振动增强，振动强度的增大使设备桥上的机械结构件频繁损坏，固定螺栓断裂，对设备桥上的泵站、电机、拱架安装器、锚杆钻机都造成了一定程度的影响，不仅大大降低了设备性能，而且会引起诸多安全隐患。

随着滑道中间耐磨板不断磨损，主梁和鞍架的配合间隙越来越大，当部分位置耐磨板磨损殆尽，进而磨损滑道时导致TBM硬岩掘进过程中振动更加剧烈，因此亟需对磨损严重的鞍架滑道进行快速修复，以保证掘进施工正常进行。

2 鞍架滑道快速修复方案

对鞍架滑道进行修复之前，为确保安全性，选择围岩完整性好且围岩上方无岩爆、塌腔、掉块等的位置作为TBM停机位置。停机后，将撑靴行走至主梁的中间位置，撑紧岩壁，在鞍架两侧焊接吊装梁，使用倒链固定右侧鞍架，拆除左侧鞍架。采用4个20 t倒链通过三角吊装法将鞍架缓慢向侧面移除，以留出足够的修复工作空间。待鞍架一侧修复完成，安装固定后，使用同样方法对另一侧鞍架进行修复。

3 吊装设备选型及安装

3.1 手拉葫芦选择

本文研究的施工段TBM鞍架及相应部件的质量见表1。

吊装荷载的计算公式为

式中：F为吊装荷载;Q为设备及索吊具质量总和;K1为动载荷系数，取1.1;K2为不均衡载荷系数，取1.2。

由式（1）计算可得，吊装荷载为31.02 t，按照市场常用手拉葫芦的参数，拟采用两个20 t手拉葫芦进行起吊，由两个20 t手拉葫芦辅助鞍架向外侧进行平移。

3.2 吊装梁钢结构载荷校核

由结构分析可知，吊装梁在吊点位置应力最大，最大应力的计算公式为

式中：σ为最大应力;g为重力加速度;S为吊装梁横截面积。

由式（2）计算可得，吊装梁钢结构最大应力为28.31 MPa，而钢结构的屈服强度为235 MPa，钢结构规范中取215 MPa计算，远大于吊装梁钢结构最大应力值，因此可满足施工要求。

3.3 吊装梁的搭建

在TBM停机后，将撑靴走至主梁中间，拆除影响吊梁焊接的其他结构件，在鞍架两侧进行吊梁焊接工作，吊梁焊接采用150H钢，两根并列满焊，其长度延伸至岩壁，与岩壁上的锚杆链接固定，中间加三角受力支撑。其上部加工底座，使用直径80 mm圆钢作为倒链挂点，搭建如图1所示。

3.4 吊耳焊接

吊耳焊接位置为鞍架的前后两侧，焊接安装位置应与鞍架重心对称，以保持吊耳负荷的均衡和其后分段吊运的平稳，吊耳的安装方向与其受力方向一致，以避免产生扭矩。其安装位置如图2所示。

4 鞍架的拆除与移位

4.1 鞍架的拆除

因鞍架为整体受力，故维修时需左右两侧分别拆卸，拆卸前应做好未拆鞍架的固定工作，采用倒链将鞍架与吊装梁链接固定，倒链链条受力后，选择空间较为方便的位置使用H钢将一侧鞍架、鞍架中间链接体与主梁焊接固定，然后拆卸需修复一侧鞍架链接螺栓以及扭矩油缸，修复完成后将其复位，采用同样方法固定后拆除并修复另外一侧鞍架。

4.2 鞍架的移位

由于鞍架滑道面需打磨修复，因此鞍架拆除后须与主梁分开一定距离，这样可满足修复作业对空间使用的要求。鞍架移位作业示意见图3，当右侧鞍架固定完成后，挂上倒链1、2，倒链受力后，拆除左侧鞍架固定螺栓，然后缓慢收紧倒链1，同时松倒链2，完成鞍架的向左移位。

5 鞍架滑道的修复及梯形滑轨的更换

5.1 鞍架滑道的修复

鞍架在与主梁分离留出足够空间后，进行鞍架滑道修复作业。先拆除滑道刮板，并对轨道面进行打磨处理，将滑道受磨损的固定座打磨掉，以保证整体基面光滑。然后使用修复材料焊接，恢复铜基板固定凹槽，焊接完成后进行凹槽打磨，使其达到设计标准。修复过程如图4所示，凹槽深度为7.9 mm、宽度为103.5 mm。

5.2 梯形滑轨的更换

当鞍架横移至足够空间时，在梯形滑轨的两端焊接吊耳，使用两个3 t的倒链将吊耳与吊装梁链接，然后拆除滑轨的固定螺栓，待滑轨与主梁脱离后将滑轨从主梁上方拉出，在主梁上方使用倒链将新的滑轨吊装至安装位置，对孔并上螺栓。

5.3 鞍架间隙计算

在鞍架滑道修复和滑轨更换后进行铜基板安装作业。采用吊装倒链将鞍架复位，如有偏差使用1 t和2 t倒链进行微调。同时采用调整垫对滑道间隙进行调整，使鞍架滑道间隙满足

小于0.1 mm的要求。鞍架间距与调整垫片厚度间的关系式为

式中：θ为修复基面倾斜角度;a为鞍架间距;b为调整垫片厚度。

由于此次修复基面为30°斜面，根据式（3）计算可知，调整垫片厚度每减少1 mm，鞍架与滑道间隙缩短0.5 mm，如图5所示。

6 快速修復的重难点分析

6.1 吊装梁的焊接

吊装梁焊接过程中，主梁空间狭小，为保证起吊高度以及倒链最短使用距离，吊装梁焊接高度应高于主梁800 mm左右。由于主梁宽度较小，两根立柱不足以支撑吊梁，因此应焊接大量斜撑，增加了工作量。另外，由于主梁右侧的管排上移后仍不能满足吊梁高度要求，因此需对其进行拆除。

6.2 鞍架滑道的修复

对鞍架滑道进行修复时，需对150 mm×3 180 mm的修复基面进行打磨，鞍架拆除后，该基面为30°斜面，受限于现场测量和打磨技术，难以保证该基面打磨后为绝对平面，因此可能使得铜基板安装后其与主梁滑轨之间的配合间隙达不到设计标准，难以完全接触，从而对铜基板的使用效果产生不利影响。

在铜基板固定凹槽的焊接修复过程中，焊接修复件截面尺寸小，长度为3 180 mm，焊接难度较大，易出现变形，焊接完成后，凹槽的修复精度要求较高，打磨困难。在现场的工艺条件下难以还原滑道原设计，从而可能影响后续装配以及使用。

6.3 鞍架与主梁的间隙调整

鞍架滑道修复效果与鞍架复位紧密相关，按原设计要求，滑道复位后，安装的耐磨板与滑轨应为完全面接触，其间隙不能超过0.1 mm。实际修复中，由于鞍架滑道修复质量影响因素多，难以完全达到原设计要求，因此该道工序可能需要反复拆装鞍架来调整适应，以使耐磨板与滑轨的间隙满足设计要求。同时由于现场吊装条件有限，因此只能依靠倒链进行调整，增大了修复难度。

7 结语

（1）受不良地质条件影响，TBM掘进时的剧烈振动会导致鞍架滑道出现磨损，使得鞍架与主梁的配合间隙增大，主梁振动加剧，进而引起刀盘、刀具及设备桥上的机械结构件等损耗增加，降低了TBM工作性能，造成诸多安全隐患。

（2）结合工程实践分析了鞍架滑道快速修复的内容，包括吊装设备选型及安装、鞍架拆除与移位、鞍架滑道的修复及梯形滑轨的更换等工序特点，并分析了快速修复过程中吊装梁的焊接、鞍架滑道的修复、鞍架与主梁间隙调整等重难点问题及应对措施，取得了良好的效果。鞍架滑道快速修复技术的不断发展，将有利于增强TBM在不良地质条件下掘进时的适应性，有利于提高TBM的利用率和工作性能。

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