引洮單護(hù)盾TBM適應(yīng)性改造分析

王 純 亮

(中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州　450000)

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引洮單護(hù)盾TBM適應(yīng)性改造分析

王 純 亮

(中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州450000)

分析了引洮供水一期7號(hào)隧洞使用的單護(hù)盾TBM在砂層掘進(jìn)中遭遇卡機(jī)的原因，結(jié)合工程地質(zhì)的適應(yīng)性，對(duì)TBM的刀盤和盾體進(jìn)行了改造，并闡述了具體的改造方式，指出改造后的TBM能適應(yīng)后續(xù)的地層特性，解決了TBM擴(kuò)挖、滾動(dòng)和防卡等問(wèn)題。

隧洞，TBM，刀盤，盾體

0　引言

引洮供水一期工程總干渠7號(hào)隧洞工程位于甘肅省渭源縣境內(nèi)，隧洞全長(zhǎng)17 286 m。設(shè)計(jì)斷面圓形，主要采用單護(hù)盾TBM施工。設(shè)計(jì)開(kāi)挖直徑5.75 m。7號(hào)隧洞位于白堊系、上第三系地層之中。隧洞地質(zhì)條件極其復(fù)雜，圍巖相變劇烈。隧洞穩(wěn)定性較差，巖性以軟巖、極軟巖為主，局部洞段地下水活動(dòng)強(qiáng)烈，地下水具多層結(jié)構(gòu)，具有承壓性，地下水受構(gòu)造、地層巖性控制，分布與富集變化較大。

TBM選用沈重與NFM聯(lián)合制造的單護(hù)盾施工。TBM從隧洞出口向隧洞進(jìn)口施工，當(dāng)TBM掘進(jìn)2 800 m后遭遇飽水疏松砂巖，出現(xiàn)突泥涌沙導(dǎo)致TBM盾體內(nèi)部被泥沙掩埋。機(jī)器恢復(fù)后盾體姿態(tài)嚴(yán)重下栽，盾體被泥沙包裹推力較大，安裝的管片破損嚴(yán)重，導(dǎo)致TBM掘進(jìn)受阻。最終決定將TBM后配套拆除至進(jìn)口，從隧洞進(jìn)口向隧洞出口方向施工。由于TBM刀盤和盾體無(wú)法從隧洞拆除，進(jìn)口施工采用新的刀盤和盾體。

結(jié)合TBM在出口的施工和進(jìn)口的地質(zhì)情況，對(duì)新的刀盤和盾體設(shè)計(jì)做了改進(jìn)。改進(jìn)后的刀盤和盾體更加適應(yīng)本工程地質(zhì)，使施工連續(xù)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。

1　刀盤改造分析

1.1刀盤掘進(jìn)雙向旋轉(zhuǎn)

在掘進(jìn)的過(guò)程中，盾體受到反作用力產(chǎn)生滾動(dòng)。由于刀盤在掘進(jìn)的過(guò)程中只能順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，盾體一直為逆時(shí)針滾動(dòng)。為了抑制盾體的滾動(dòng)，須調(diào)整推進(jìn)油缸的角度。這樣推進(jìn)油缸就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)圓周方向的力作用在管片上，直接導(dǎo)致管片滾動(dòng)。只有刀盤在掘進(jìn)過(guò)程中采用雙向旋轉(zhuǎn)，才能解決管片滾動(dòng)問(wèn)題。

刀盤在設(shè)計(jì)時(shí)采用了雙向刮碴口。

雙向刮碴口的出碴，TBM在掘進(jìn)過(guò)程中可以雙向旋轉(zhuǎn)，這樣便不需要調(diào)節(jié)推進(jìn)油缸的角度，而是利用刀盤的雙向旋轉(zhuǎn)來(lái)調(diào)整盾體的滾動(dòng)。有效的解決了不能打扭矩高貫入度掘進(jìn)的問(wèn)題。

1.2邊刀布置方式

原刀盤設(shè)計(jì)共計(jì)42把刀具。中心刀為4把雙刃滾刀，正滾刀31把，邊刀3把。刀號(hào)M40號(hào)，M41號(hào)和M42號(hào)為邊刀，在最外圈同一軌跡上。后因刀盤在制造時(shí)刀具軌跡出現(xiàn)偏差，后將M39號(hào)刀具的開(kāi)挖半徑調(diào)整為2 887.5 mm，M42號(hào)刀具開(kāi)挖半徑調(diào)整為2 902 mm。經(jīng)過(guò)調(diào)整后正常開(kāi)挖時(shí)，最外圈為2把邊刀，即M40號(hào)和M41號(hào)。M39號(hào)和M42號(hào)作為連續(xù)掘進(jìn)擴(kuò)挖刀具，平時(shí)不安裝刀具，若需要擴(kuò)挖時(shí)再安裝刀具。

新的刀盤設(shè)計(jì)為39把刀具。中心刀為4把雙刃滾刀，正滾刀30把，邊刀1把。

1.3邊刀擴(kuò)挖形式

原刀盤M39號(hào)，M41號(hào)和M42號(hào)刀座設(shè)計(jì)為可移動(dòng)刀座(見(jiàn)圖1)。刀座與刀盤采用螺栓連接。若需要擴(kuò)挖時(shí)，拆除連接螺栓，再將刀座移動(dòng)到所需的開(kāi)挖半徑位置。

由于原刀盤在工廠制造時(shí)出現(xiàn)刀具軌跡偏差，后將M39號(hào)和M42號(hào)移動(dòng)刀座固定在開(kāi)挖半徑為2 887.5 mm和2 902 mm的位置。正常掘進(jìn)時(shí)M39號(hào)和M42號(hào)刀孔不安裝刀具，用鋼板將刀孔封住。若需要擴(kuò)挖時(shí)，在此刀孔安裝刀具即可。

新的刀盤設(shè)計(jì)的擴(kuò)挖形式采用墊塊模式。擴(kuò)挖半徑可以加大15 mm，25 mm和50 mm。每個(gè)加高間距需要加高5把刀具，M35號(hào)～M39號(hào)。針對(duì)不同的加高半徑，M35號(hào)～M39號(hào)都需加裝不同高度墊塊，以保證刀盤圓弧區(qū)域平滑的開(kāi)挖輪廓線(見(jiàn)圖2，圖3)。

原設(shè)計(jì)的移動(dòng)刀座的擴(kuò)挖方式，操作比較繁瑣，在單護(hù)盾刀盤不能后退的情況下，在刀盤內(nèi)部移動(dòng)刀座困難。刀座移動(dòng)也不能保證圓弧區(qū)域的刀尖輪廓線平滑過(guò)渡。采用墊塊方式，操作簡(jiǎn)單，圓弧區(qū)域的刀具軌跡和刀間距能實(shí)現(xiàn)平滑過(guò)渡。

1.4刀盤結(jié)構(gòu)形式

原刀盤按照硬巖標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，刀盤結(jié)構(gòu)過(guò)于偏重，不適合在疏松的圍巖使用。

1)新的刀盤優(yōu)化了刀盤的厚度(從法蘭面到滾刀刀尖的長(zhǎng)度)。原設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1 995 mm，新的刀盤減少到1 818 mm。2)從前盾前沿到刀盤刀尖的距離也由原來(lái)的960 mm減少到765 mm。由于刀盤結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，刀盤在疏松的巖層中掘進(jìn)，大大減少了圍巖對(duì)刀盤產(chǎn)生的切削阻力。刀盤的重量從原來(lái)的80 t減少到60 t，大大緩解了由于盾體較長(zhǎng)，刀盤和前盾“栽頭”現(xiàn)象。

1.5刀盤表面耐磨層

原刀盤表面的耐磨層采用10 mm厚hardox400鋼板，在砂巖中刀盤面板磨損較大。新的刀盤面板采用的是SA1750CR碳化鉻復(fù)合板，以增加其耐磨性。SA1750CR碳化鉻復(fù)合板，采用的是特殊的生產(chǎn)工藝及化學(xué)配方,其耐磨層主要化學(xué)成分：碳：4%～5%，鉻：30%～40%，基板厚度為實(shí)際厚度，基板與耐磨層的稀釋率：1 mm左右，耐磨層至基板的硬度梯度為700 HV左右。

2　盾體的改造分析

2.1前盾形式

前盾上部比下部長(zhǎng)400 mm，如圖4所示。這樣加大了刀盤圓周方向刮碴口的進(jìn)碴能力，可以提高TBM的掘進(jìn)速度。在高貫入度情況下，前盾喇叭口處的碴堆積量較少，減少邊刀弦磨。

2.2盾體注射孔

在盾體周邊開(kāi)設(shè)注射孔，在圍巖出現(xiàn)坍塌或收斂時(shí)利用注射孔向盾體外壁注廢油或膨潤(rùn)土，以減少盾體和圍巖的摩擦阻力。

2.3推進(jìn)油缸布置優(yōu)化

原推進(jìn)油缸分上下左右4個(gè)工作區(qū)域，共計(jì)16根，每區(qū)4根。新設(shè)計(jì)的推進(jìn)油缸仍按照4區(qū)分布，底部區(qū)域增加1根推進(jìn)油缸(見(jiàn)圖5)。

增加的推進(jìn)油缸的油路并聯(lián)在底部一組的推進(jìn)油缸，在油缸的兩個(gè)腔的進(jìn)出油口處安裝球閥，需要使用時(shí)將球閥打開(kāi)即可。增加的推進(jìn)油缸在正常地質(zhì)洞段掘進(jìn)時(shí)不使用。在以下情況下使用：

1)在TBM遇到坍塌或圍巖收斂時(shí)，需要增加推力時(shí)使用；2)調(diào)整TBM掘進(jìn)姿態(tài)時(shí)，需要加大底部油缸與頂部油缸推力差時(shí)使用。

2.4盾尾結(jié)構(gòu)形式

由于底管片底部45°為支墩，由此尾盾設(shè)計(jì)為底部60°開(kāi)口。原盾尾設(shè)計(jì)時(shí)底部120°區(qū)域?yàn)?0 mm鋼板，上部240°為50 mm。

改造后的盾尾60°～90°區(qū)域?yàn)?5 mm鋼板，90°～120°區(qū)域?yàn)?0 mm鋼板。改造后的盾尾加大了盾尾間隙，有效的提高了管片安裝質(zhì)量(見(jiàn)圖6)。

2.5前盾設(shè)置延伸護(hù)盾安裝孔

在前盾前沿上部150°區(qū)域開(kāi)設(shè)兩排直徑為33 mm的孔。若遇到疏松的砂巖時(shí)，可以快速將前盾延伸。前盾延伸后可以有效減少圍巖對(duì)刀盤產(chǎn)生的切削阻力，TBM則能在含水率較低的疏松砂層中順利掘進(jìn)(見(jiàn)圖7)。

3　結(jié)語(yǔ)

引洮單護(hù)盾TBM盾體和刀盤的改造有效克服了原設(shè)計(jì)的缺陷，也克服了單護(hù)盾TBM的固有問(wèn)題。但是改造后的TBM只能在圍巖可以自穩(wěn)、含水率小于15%的地質(zhì)洞段掘進(jìn)。在本工程內(nèi)遇到的突泥涌沙地質(zhì)洞段則不能通過(guò)。若想通過(guò)類似地質(zhì)洞段則TBM需要有盾構(gòu)保壓模式，即雙模式TBM。由于本工程受管片設(shè)計(jì)和盾尾開(kāi)口等多方面因素，無(wú)法實(shí)現(xiàn)TBM的雙模式切換，則在突泥涌沙地質(zhì)洞段受阻。

[1]孫晉勇.引洮工程單護(hù)盾TBM刀盤正反轉(zhuǎn)出渣適應(yīng)性改造[J].華東科技，2013(2)：445- 446.

[2]吳樂(lè).單護(hù)盾TBM管片旋轉(zhuǎn)問(wèn)題及應(yīng)對(duì)措施[J].隧道建設(shè)，2012(6)：32-33.

On analysis of TBM adaptability reconstruction of single shield in Taohe River Water Diversion project

Wang Chunliang

(ChinaRailwayTunnelCo.,Ltd,Zhengzhou450000,China)

The paper analyzes the reasons for the jammed single shield TBM in sand jacking in No.7 tunnel of the first phase of Taohe River Water Supply, undertakes the reconstruction for the cutter and shield of TBM by combining with the geological adaptability, illustrates the reconstruction approaches, and points out the stratum features after its adaptability of TBM after the reconstruction, so as to solve some problems in the expanding excavation, rolling and jamming resistance.

tunnel, TBM, cutter, shield

1009-6825(2016)08-0199-02

2016-01-09

王純亮(1981- )，男，工程師

U455.43

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