中天山隧道TBM掘进机刀盘洞内固定和拆装技术研究

来源:高速铁路与轨道交通
关键字:地下隧道,掘进机,南疆铁路
发布时间:2015-05-21 08:41

　　摘要：在地下隧道工程和城市设施建设中，全断面岩石掘进机（Tunnel Boring Machine，简称TBM）以掘进速度快、机械化程度高、有利于环境保护、一次成洞等优点，已得到了普遍应用。其中，盘形滚刀是整个TBM的关键部件，直接影响掘进机破岩能力、掘进速度和经济性。新疆南疆铁路吐库二线中天山隧道采用全断面敞开式隧道掘进机（TBM）施工，在施工过程中曾出现主轴承漏油现象，经专家组分析，确认为主轴承唇形密封损坏所致，需在隧道内将刀盘从驱动组件上拆除、更换密封。TB880E型隧道掘进机刀盘总重150T（含整盘刀具），刀盘固定与拆卸成为修复的关键问题。结合工程实际，详细的讨论了刀盘洞内固定和拆卸方案，可供相关工程参考。

　　关键词：TBM隧道掘进机；刀盘；洞内固定；洞内拆卸；唇形密封

　　【分类号】：U455.31

　　0 引言

　　TBM（Tunnel Boring Machine全断面隧道掘进机）是欧美等发达国家研制和发展起来的，是目前长大隧道施工最有效的大型综合施工机械之一，具有快速、优质、安全等优点[1]。新疆南疆铁路吐库二线中天山隧道采用TB800E全断面敞开式隧道掘进机施工，TB880E掘进机为97年从德国引进至今已有10多年，部分设备老化。TBM在隧道内施工时曾发生主轴承润滑油严重泄漏现象，经详细分析、认真研究，确认故障原因为唇形密封损坏，必须及时更换。为此必须将刀盘从驱动组件上脱离，固定在掌子面并且保持不动，待密封更换完后，在准确安装驱动组件上。

　　1 总体施工方案

　　主要目的：为确保刀盘顺利脱离主轴承，待故障处理完后保证刀盘顺利与主轴承对接。为防止刀盘拆卸过程中产生下沉和移位，采取四点锁定、三点支撑的总体方法，使用∮22砂浆锚杆进行锁定防止刀盘纵向产生偏移，刀盘底部采用加垫板方式固定防止刀盘下沉。

　　2 现场准备

　　2.1 刀盘准备

　　刀盘后退后1.8m，清理刀盘与底部的虚碴。由测量人员复测机架的滚动角、机架与设计中线和高程偏差，然后把机架调整到合适位置，杜绝刀盘脱离后机架打滑。然后旋转刀盘，确定刀盘底部最下面的两个包厢以隧道中线对称的位置。对刀盘与主轴承连接螺栓进行标记，然后空推刀盘至掌子面。待刀盘到位后，旋转刀盘拆除未标记螺栓，然后刀盘旋转至底部包厢对称位置（即标记时的位置）顶紧掌子面，刀盘就位[2]。

　　2.2 人员准备

　　主要人员为工程技术人员2名，风枪操作手三组，相关风、电、水、机械设备与熟练电焊技术人员各一名。

　　2.3 施工机具与材料准备

　　风枪两台，1.5m钻杆4根，3m钻杆4根，40mm钻头若干，套筒4个（方便风枪安装锚杆），15mm钢管洗孔器一套。长度为3.5m与3m锚杆各准备16～20根（钢筋无锈、无油污），锚固剂准备充足（不少于18箱），40mm厚钢板备足。滑梯一把，直梯一把，端部带有橡皮帽橡皮管两根，卷尺，手电，木板，脚手架备足，洗孔器一套。确保作业人员安全防护用品充足，保证作业环境的照明、通风、空间。

　　3 具体实施方案

　　3.1 布点

　　现场前期准备工作就绪，由工程技术人员进行锚杆孔布点。

　　布点原则：依据四点锁定刀盘的原则，分为左上、右上、左下、右下四个包厢位置锁定刀盘，每处各布设8根锚杆，上部采用∮22砂浆锚杆长度均为3.5m，下部采用∮22锚杆长度均为3m。确保风枪作业人员的作业空间，保证锚杆与刀盘合理焊接，充分利用包厢空间[3]。

　　布点方位：刀盘左上、右上、左下、右下四个包厢各布设8个点，延隧道纵向分两排，两排间距20cm，环向平均每排布设四点，掌子面方向四点间距总长度为60cm，洞口方向四点间距总长度为70cm。布点时注意标记清楚，由围岩状况可以适当调节。

　　3.2 钻孔

　　布点完成以后，由配合人员搭好木板和脚手架供风枪手打眼。

　　钻孔：风枪操作手分两组，以隧道轴线为对称打孔，例左上和右下同时钻孔，节省钻孔时间，提高效率。开孔钻杆长度为1.5m，开孔完成后采用长度为3.5m钻杆，孔深保证在2.3m～2.5m，尽量保证钻孔方向向岩壁方向发散，扩大岩石的受力面积，防止穿孔。各孔打完应立刻测量每空深度，做好记录，严格按照实际施工尺寸记录，确保孔深在规定范围之内。

　　刀盘内部的锚杆孔施做完后，在刀盘后5m洞顶钻孔3个做为刀盘内部锚杆的对照锚杆孔，深度约为2.3m，延隧道轴线方向布置，间距为30cm。对照锚杆孔尽量垂直与岩面，为锚杆拉拔实验做准备，记录对照锚杆孔深。

　　3.3 洗孔

　　待刀盘内锚杆孔打完后，使用高压水洗孔器清洗钻孔，由于水压较大，防止作业人员受伤，把15mm钢管在3m左右的位置弯成一定弧度，刀盘作业区域内其他人员要闪开包厢位置，其中两名洗孔人员必须配备雨衣，背对钻孔清洗。清洗过程中清洗器在孔内来回进行清洗，确保孔内无残渣，对照锚杆孔清洗方式相同。

　　3.4 安装锚杆与对照锚杆

　　（1）由于刀盘空间较小，刀盘内安装单个包厢位置备料，一次准备4箱锚固剂，8根锚杆。锚杆安装顺序以刀盘为中心分为左上、右上、左下、右下四部分按顺序依次安装，每孔安装前依次检查孔深及有无堵孔现象，并按实际记录4个包厢部位32根锚杆孔实际情况。

　　（2）材料备齐后，进行锚固剂的浸泡，必须由一名泡锚固剂经验丰富人员进行浸泡，一次浸泡锚固剂15～20根，浸泡时间在5min左右（根据现场实际情况）；掌握锚固剂浸泡的时间要恰当，要求锚固剂无干心，无烂泥状，确保锚固剂安装后发挥到最大作用[4]。

　　（3）由两名熟练锚固剂安装工进行装填锚固剂，装填锚固剂速度要快。下部锚杆孔装填之前用高压风把空孔中的水吹出，确保装填锚固剂顺利。保证锚固剂安装时无破损，不要盲目装填，防止锚固剂装填过程中堵孔导致锚固剂装填不密实，锚固剂锚固长度为100%。认真记录锚固剂装填数量和时间。

　　（4）锚固剂装填完毕立刻安装锚杆，有一名风枪手和锚杆装填工进行锚杆安装。安装时使用风枪配备上自制风枪套筒，用风枪把锚杆顶进去。锚杆装填工应负责保护锚杆不被风枪顶弯，保证锚杆安装到位，外露长度在70cm～100cm，依次安装，记录每根锚杆安装完后的时间以便计算锚固效果达到最好。装填锚固剂和安装锚杆要连续，防止装填时间过长导致锚固剂凝固。

　　（5）安装完刀盘内最后一根锚杆后，进行刀盘外部对照锚杆的安装，安装工序与刀盘内部锚杆安装相同，保证锚固剂装填与锚杆的安装连续。其中安装第一根锚杆后立刻安装第二根，安装完第二根后三小时在安装第三根对照锚杆。全部锚杆安装完毕后，3～4小时后准备进行拉拔实验，拉拔实验顺序依照对锚杆施做的顺序为第一根、第二根、第三根对照锚杆依次拉拔。

　　（6）拉拔实验结果单根承重16T以上，设计保证单根在5T以上，刀盘总重150T，完全符合设计要求，确保锚杆承受荷载复核设计要求。

　　3.5 刀盘的支撑与锁定

　　锚杆抗拉拔实验达到要求后，在刀盘底部（隧道中线左右各1.19m位置）垫实40mm钢板，局部进行焊接。然后进行刀盘内部锚杆与刀盘之间焊接，采用40mm钢板进行焊接，焊接过程中尽量使锚杆和刀盘的焊接面积达到最大。最终实现“三点支撑”“四点锁定”的技术要求。

　　4 主轴承与刀盘分离

　　完成对刀盘“三点支撑”“四点锁定”后，拆除刀盘剩余连接螺栓，TBM主机架后退，最终实现刀盘与主轴承分离。

　　5 注意事项

　　①确保刀盘内照明。

　　②确保刀盘螺栓全部拆卸，保证刀盘受力均衡。

　　③人员作业环境内通风、送水、送电及防噪音设备配备。

　　④刀盘内空间狭小，人员注意安全。

　　⑤锚杆孔深需要实际测量，确保足够锚固长度，要求全长锚固。

　　⑥钢板焊接牢固，全部进行满焊。