TBM施工中的问题分析与对策

第４４卷第１７期　２０１７年９月　安全质量　Ｓａｆｅｔｙ　ａｎｄＱｕａｌｉｙ　ｔ建筑技术开发　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ＴＢＭ施工中的问题分析与对策　于铁正　（中铁十九局集团有限公司，北京　１００１７６）　［摘要】ＴＢＭ设备集机械、电气、液压、ＰＬＣ控制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、　通风和除尘问题及振动过大等问题，分析导致问题产生的原因及可能引起的后果，并针对各个问题提出切实可行的对策和解决　办法。　［关键词］ＴＢＭ施工；机械故障；刀具；振动　［中图分类号］ＴＶ５５４　［文献标志码］Ｂ　［文章编号］１００１—５２３Ｘ（２０１７）１７＿Ｊｏ１０４一ｏ２　Ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｉｎ　ＴＢＭ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓ　Ｙｕ　Ｔｉｅ—ｚｈｅｎｇ　［Ａｂｓｔｒａｃｔ］ＴＢＭ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｓ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ，ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ，ｈｙｄｒａｕｌｉｃ，ＰＬＣ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｂｅｌｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　ｏｎｅ，ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｓ　ｈｕｇｅ　ａｎｄ　ｃｏｍｐｌｅｘ，ｔｈｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｉｓ　ｂａｄ，ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｗｉｌｌ　ｉｎｅｖｉｔａｂｌｙ　ｅｎｃｏｕｎｔｅｒ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ．　Ｓｅｌｅｃｔ　ｓｏｍｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＴＢＭ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆｔｅｎ　ｅｎｃｏｕｎｔｅｒｅｄ　ａｎｄ　ａｆｆｅｃｔ　ｔｈｅ　ｓｃｏｐｅ　ｏｆ　ａ　ｌａｒｇｅｒ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｆａｉｌｕｒｅ，ａｂｎｏｒｍａｌ　ｔｏｏｌ　ｗｅａｒ，ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ，ｏｉｌ　ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ，ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｕｓｔ　ｒｅｍｏｖａｌ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ａｎｄ　ｅｘｃｅｓｓｉｖｅ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ｉｓｓｕｅｓ’　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｕｓｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｏｓｓｉｂｌｅ　ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｃｅｓ，Ａｎｄ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ　ｔｏ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ．　［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］ＴＢＭ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｆａｉｌｕｒｅ；ｔｏｏｌ；ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　朱溪水库工程输水系统桩号Ｋ２＋０００．Ｏ００ｍ后的所有土建　工程、ＴＢＭ设备及相应的措施项目和其他项目。该段为来岩　支洞与主洞交汇口至ＴＢＭ施工段，长２．０ｋｍ，为ＴＢＭ步进　段，采用钻爆法施工。ＴＢＭ步进洞采用圆拱直墙型断面，开　挖断面洞径５－３ｍ，洞高４．９５ｍ，Ｉ～ＩＩ类围岩一次支护采用　厚１０ｃｍ喷混凝土，布置０２５（　＝３．００ｍ）普通砂浆随机锚　杆，永久支护采用厚６５ｃｍ素混凝土衬砌；ＩⅡ类围岩一次支　护采用挂网喷混凝土加０２５普通砂浆系统锚杆，喷混凝土厚　度１２ｃｍ，永久支护采用厚６３ｃｍ的Ｃ２５Ｗ６Ｆ５０钢筋混凝土衬　砌；Ⅳ类～Ｖ类围岩一次支护采用挂网喷混凝土，喷１５ｃｍ　厚Ｃ２５混凝土，布置０２５普通砂浆锚杆，锚杆长３．Ｏｍ，间距　１．ＯｍＸ　１．５ｍ，同时布置０４２×４ｍｍ超前注浆小导管，Ⅳ类围　岩设置Ｉ　１４钢拱架，间距１．５０ｍ，Ｖ类围岩设置Ｉ　１４钢拱架，　间距０．７５ｍ，永久衬砌采用厚６０ｃｍ的钢筋混凝土衬砌。隧　洞混凝土衬砌段需进行回填灌浆和固结灌浆，固结灌浆排距　３ｍ，每排６孔，孔深２ｍ。　１问题的提出　每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。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，　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　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，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、提前预警　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，或左右两　侧拖拉油缸存在不同步的问题，在换步时易造成步进系统油　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。选择合理步进参　数，避免换步过猛、过急。　２．１．３水平支撑故障　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。　２．１．１连接螺栓断裂　刀盘连接螺栓是固定刀盘后部主密封系统及主轴承系统　收稿日期：２０１７－－０５－０３　作者简介：于铁正（１９８５一），男，辽宁辽阳人，工程师，主要研究　方向为机械工程。　・１０４・　在ＴＢＭ步进过程中，由于ＴＢＭ水平支撑系统左右两侧　受后配套一侧偏重的影响，在围岩破碎、松软洞段左右撑靴　受力不均影响、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　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，　建筑技术开发　安全质量　ＳａｆｅｔｙａｎｄＱｕａｌｉｙ　ｔ第４４卷第１７期　２０１７年９月　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　且在破硬岩过程中，常导致刀具刀圈崩刃问题。当岩石偏软时，　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，首先根据不同的围岩特性选取正确的操作与掘　进参数，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　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　题可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，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。必要时可在安装过程中用激光笔　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好的破岩效　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。　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。　此类污染的解决措施如下。（１）根据施工隧洞的洞温选　择合适的润滑油，在洞温偏高的隧洞内施工，选择标号较高　的润滑油。（２）在洞温偏低的隧洞内施工则选择标号较低的　润滑油。（３）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。（４）在洞温较高的隧洞内施工应加装散热装置，避免施　工过程中油温过高。　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，可稀释并排出洞内　各种有害气体和粉尘，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。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；沿线风管漏风点、打折情况多；　校正并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　（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，加重刀具的损耗且加　大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，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较好　的选择。　３结束语　在ＴＢＭ施工过程中，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　人员技能等尽可能避免重大问题的发生。同时，在问题出现后，　应正确、迅速判断造成问题的原因并及时解决，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。　参考文献　［１】聂利超．隧道施工含水构造激发极化定量超前地质预报理论及其应　用［Ｄ】．济南：山东大学，２０１４．　【２】谢吕坚．＂ＩＢＭ盘形滚刀温度场和热应力场研究［Ｄ】．长沙：中南大学，　２０１４．　［３】谭林波，陶津，沈圣，等．基于长标距ＦＢＧ的既有地铁隧道纵向　变形监测与数值模拟【Ｊ】．建筑技术，２０１６，４７（５）：４５３＿１４５６．　［４】郭超，卢意，龚毅等．复杂地下空间隧道开挖变形及受力数值模拟　分析【Ｊ】．建筑技术，２０１７，４８（６）：６４５—６４８．　【５１曹杰，杨流，陈凯等．单管双线地铁隧道中隔墙施工质量控制【Ｊ】．　建筑技术，２０１５，４６（２）：１７７．１７９．　・１０５・