敞開式TBM精準(zhǔn)調(diào)向方法研究

李 軍

（中鐵十八局集團(tuán)隧道工程有限公司，重慶 北碚區(qū)，400700）

引言

隨著我國大規(guī)?；A(chǔ)建設(shè)，公路、鐵路、地鐵、水利水電隧洞等重大工程越來越多，TBM法施工優(yōu)勢在長大隧洞施工領(lǐng)域日益突顯。TBM施工中，掘進(jìn)方向的控制與施工安全、質(zhì)量、進(jìn)度有著直接關(guān)系[1]。

本文通過總結(jié)、研究以往多臺敞開式TBM操作經(jīng)驗(yàn)，介紹TBM調(diào)向的基本方法，不斷提高隧洞開挖精度，減少了TBM開挖誤差導(dǎo)致的施工質(zhì)量問題，從而降低施工成本，消除安全隱患。

1 方向控制的重要性

方向控制是TBM操作的一個(gè)重要部分，規(guī)范的TBM調(diào)向可最大限度保持TBM始終處于合理的姿態(tài)，減少滾刀的損壞，保持機(jī)器的軸線和坡度，減少設(shè)備震動，洞壁光滑平順。不正確的調(diào)向可能導(dǎo)致設(shè)備損壞、開挖隧洞蛇形、卡機(jī)等現(xiàn)象出現(xiàn)[2]。

可見，嚴(yán)格控制TBM掘進(jìn)方向，規(guī)范調(diào)向步驟，精準(zhǔn)調(diào)整TBM掘進(jìn)姿態(tài)至關(guān)重要。過度或不規(guī)范的調(diào)向操作會產(chǎn)生以下不良后果：

（1）洞壁凹凸不平，嚴(yán)重時(shí)會造成隧洞開挖輪廓蛇形，TBM和材料機(jī)車行駛軌道高低起伏、左右擺動，行車安全和速度會受到明顯影響而降低效率，增大設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)；甚至?xí)斐蒚BM后配套與洞壁干涉，導(dǎo)致無法正常通過[3]。

（2）因受力過大而使得邊滾刀軸承、刀圈、密封損壞，增加刀具成本、占用掘進(jìn)時(shí)間。

（3）造成TBM刀盤、主軸承、刀盤鏟斗前緣與擋渣環(huán)的損壞，一旦重要結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)故障，可能需要長時(shí)間停機(jī)進(jìn)行修復(fù)，增加成本、延誤工期[4]。

（4）導(dǎo)致TBM卡機(jī)，掘進(jìn)速度緩慢，降低施工效率，單純增大推進(jìn)壓力和流量可能導(dǎo)致設(shè)備損壞。

2 TBM調(diào)向

正確的調(diào)向是指TBM保持正確的姿態(tài)和方向掘進(jìn)，隧洞實(shí)際中線與設(shè)計(jì)軸線的水平誤差、垂直誤差始終處于規(guī)范允許的范圍內(nèi)，洞壁的任何部位不會因TBM調(diào)向而出現(xiàn)臺階[5]。

2.1 TBM調(diào)向機(jī)理

如圖1所示，敞開式TBM掘進(jìn)過程中，前部由底護(hù)盾提供支撐，底護(hù)盾始終作用于隧洞底部；后部由撐緊洞壁的撐靴提供支撐，最終由撐靴和鞍架總成來為TBM主梁提供支撐與導(dǎo)向。

圖1 TBM主機(jī)結(jié)構(gòu)

如圖2所示，TBM鞍架呈“凹”型結(jié)構(gòu)，其將TBM主梁和撐靴聯(lián)為一體。主梁后段兩側(cè)對稱裝有一對導(dǎo)軌，導(dǎo)軌正好穿插在鞍架內(nèi)側(cè)的滑槽里，此結(jié)構(gòu)既保證鞍架對主梁提供支撐力，又不影響掘進(jìn)時(shí)主梁與鞍架的相對位移。撐靴油缸通過4根豎向扭矩油缸懸掛在鞍架上，撐靴扣裝在撐靴油缸兩端球頭上，另外鞍架內(nèi)部裝有“十字銷”結(jié)構(gòu)，“十字銷”結(jié)構(gòu)將撐靴油缸和鞍架用螺栓連接。TBM機(jī)頭水平或垂直調(diào)向是通過主梁后段水平或垂直反方向移動實(shí)現(xiàn)的；左右兩側(cè)撐靴油缸伸出量差值變化實(shí)現(xiàn)鞍架水平移動，兩側(cè)扭矩油缸的伸縮實(shí)現(xiàn)鞍架上下移動或旋轉(zhuǎn)，最終鞍架帶動主梁后段水平、垂直移動或旋轉(zhuǎn)。TBM掘進(jìn)時(shí)，兩側(cè)撐靴油缸處于伸出狀態(tài)，撐靴撐緊隧洞壁，調(diào)向所用力由撐靴依次傳遞給撐靴油缸、鞍架、主梁、機(jī)頭架、刀盤，撐靴球頭和十字銷軸圓球結(jié)構(gòu)保證鞍架在所有平面內(nèi)自由移動。

圖2鞍架總成結(jié)構(gòu)

通常，TBM上會安裝激光導(dǎo)向系統(tǒng)，該系統(tǒng)將導(dǎo)向結(jié)果傳送至操作室內(nèi)顯示器上，操作手根據(jù)導(dǎo)向系統(tǒng)提供的TBM姿態(tài)、實(shí)際掘進(jìn)軸線與隧道設(shè)計(jì)軸線的偏差值，適時(shí)、適量調(diào)整TBM掘進(jìn)姿態(tài)，進(jìn)行糾偏，從而控制掘進(jìn)方向[6]。以下從水平調(diào)向、垂直調(diào)向、滾動角調(diào)整、護(hù)盾的使用四個(gè)方面簡單介紹TBM調(diào)向方法。

2.2 水平調(diào)向

水平調(diào)向是指TBM刀盤向左或向右改變方向，調(diào)向并非直接移動刀盤，而是以底護(hù)盾為支點(diǎn)，通過移動主機(jī)尾端實(shí)現(xiàn)刀盤水平方向輕微旋轉(zhuǎn)，改變其前進(jìn)方向，TBM繼續(xù)向前掘進(jìn)時(shí)滾刀將沿新軌跡破巖，最終實(shí)現(xiàn)調(diào)向[7]。

TBM操作在操作室內(nèi)完成，操作臺上安裝多個(gè)實(shí)現(xiàn)不同功能的按鈕，水平調(diào)向具體操作如下：水平調(diào)向通過“側(cè)向調(diào)向按鈕”實(shí)現(xiàn)，如果想TBM向左調(diào)向，則按下向左調(diào)向按鈕，此時(shí)左側(cè)撐靴油缸向外伸出，右側(cè)撐靴油缸向內(nèi)收縮，兩側(cè)撐靴油缸位移差值的改變，導(dǎo)致?lián)窝ビ透讕影凹苷w向右微量移動，繼續(xù)掘進(jìn)時(shí)TBM會向預(yù)定方向偏移，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)頭向左調(diào)向。反之，如果按下右向調(diào)向按鈕，則機(jī)頭向右調(diào)向。

水平調(diào)向過程中，并不能過量使用側(cè)向調(diào)向控制器。如果短時(shí)間內(nèi)調(diào)向過量，會導(dǎo)致不可彌補(bǔ)后果：

（1）短時(shí)間內(nèi)連續(xù)大位移調(diào)向，會導(dǎo)致邊滾刀額外負(fù)荷過大或與巖壁碰撞而損壞。

（2）渣斗前緣與未切削巖壁的碰觸而快速磨損。

（3）鞍架處任意兩只斜對角緩沖墊降至最低位，過度的應(yīng)力被傳至十字銷耳軸及其底架，導(dǎo)致?lián)窝グ凹芄收匣驌窝ビ蜅U損壞。

TBM調(diào)向分為掘進(jìn)調(diào)向和換步調(diào)向，掘進(jìn)調(diào)向需在刀盤旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下完成，為避免調(diào)向時(shí)刀盤滾刀受側(cè)向、推進(jìn)綜合壓力造成過負(fù)荷損壞，調(diào)向前應(yīng)停止推進(jìn)，保持刀盤空轉(zhuǎn)，點(diǎn)動“高壓退刀盤”按鈕，保證推進(jìn)壓力釋放至20Obar以下，然后遵循以下調(diào)向限制要求完成調(diào)向[8]：

（1）水平調(diào)向，邊刀單次位移不超過3mm。

（2）進(jìn)行下一次調(diào)向之前，至少應(yīng)掘進(jìn)25mm,這樣邊滾刀有足夠的時(shí)間和距離在第二次調(diào)向中增加附加載荷前開挖出新的路徑。

（3）掘進(jìn)距離在254mm以內(nèi)時(shí)，邊刀的位移不允許超過13mm，這樣可以避免刀座或刀體接觸巖壁而造成損壞。

（4）掘進(jìn)距離在915mm以內(nèi)時(shí)，邊刀的位移不允許超過25mm。這樣可以保護(hù)鏟斗，避免其接觸原始圍巖而導(dǎo)致快速磨損。

（5）隨著邊滾刀的磨損，滾刀和鏟斗的間隙由于掘進(jìn)直徑變小而減小。上述限值也應(yīng)相應(yīng)減小。因此，如何控制單次調(diào)向的位移量、調(diào)向的強(qiáng)度、頻度，至關(guān)重要。

2.3 垂直調(diào)向

垂直調(diào)向是指TBM主機(jī)向上或向下改變方向，同樣以底護(hù)盾為支點(diǎn)，通過抬高或落下主機(jī)尾端實(shí)現(xiàn)刀盤向上下輕微旋轉(zhuǎn)，刀盤驅(qū)動時(shí)滾刀將新軌跡掌子面的巖石切落，最終實(shí)現(xiàn)調(diào)向。

垂直調(diào)向具體操作如下：垂直調(diào)向通過“扭矩油缸伸縮按鈕”實(shí)現(xiàn)，如果想TBM向上調(diào)向，則同時(shí)按下左右“扭矩油缸縮回”按鈕，左右兩側(cè)共4根扭矩油缸同時(shí)收縮，鞍架帶動主梁后段相對撐靴油缸向下移動，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)頭向上調(diào)向；反之，如果同時(shí)按下“扭矩油缸伸出”按鈕，鞍架帶動主梁后段相對撐靴油缸向上移動，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)頭向下調(diào)向。

垂直調(diào)向同水平調(diào)向相同，調(diào)向前應(yīng)停止推進(jìn)，保持刀盤空轉(zhuǎn)，點(diǎn)動“高壓退刀盤”按鈕，保證推進(jìn)壓力釋放至20Obar以下。而且TBM主機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾俯仰角不宜過大，否則鞍架處前后斜對角緩沖墊降至最低位，過度的應(yīng)力被傳至耳軸及其底架，導(dǎo)致?lián)窝グ凹芄收匣驌窝ビ蜅U損壞。垂直調(diào)向，同樣需要遵守水平調(diào)向時(shí)位移限制要求。

2.4 滾動角調(diào)整

滾動角是TBM掘進(jìn)過程中掌子面對刀盤的反作用力造成機(jī)身旋轉(zhuǎn)一定的角度。機(jī)身旋轉(zhuǎn)角度與刀盤的旋轉(zhuǎn)方向有關(guān)，刀盤采取順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方式掘進(jìn)由刀盤內(nèi)部接渣斗的結(jié)構(gòu)決定，敞開式TBM普遍采用順時(shí)針旋轉(zhuǎn)刀盤掘進(jìn)，如此，TBM主機(jī)會向逆時(shí)針輕微旋轉(zhuǎn)，即產(chǎn)生滾動角。

滾動角過大對TBM機(jī)身危害很大，如果在掘進(jìn)過程中滾動角過大，會造成撐靴球頭扣件螺栓剪斷、連接橋與主機(jī)連接管線扭曲、撐靴油缸旋轉(zhuǎn)損壞十字軸組件等。所以，掘進(jìn)過程中，必須調(diào)整設(shè)備滾動角，補(bǔ)償巖壁對設(shè)備的反作用力。

調(diào)節(jié)滾動角具體操作如下：將左、右兩側(cè)扭矩油缸伸縮按鈕同時(shí)向不同方向按下，即可旋轉(zhuǎn)設(shè)備。掘進(jìn)時(shí)，同時(shí)按下“左側(cè)扭矩油缸伸出”按鈕和“右側(cè)扭矩油缸收縮”按鈕，實(shí)際表現(xiàn)為左側(cè)鞍架抬高、右側(cè)鞍架下降，即可順時(shí)針旋轉(zhuǎn)主機(jī)，縮小滾動角。

滾動角調(diào)整目的是保持TBM以水平姿態(tài)進(jìn)行掘進(jìn)，滾動角調(diào)整是根據(jù)設(shè)備實(shí)際傾斜情況實(shí)時(shí)完成的，如果未及時(shí)調(diào)整，可能導(dǎo)致滾動角持續(xù)增大，造成設(shè)備損壞。而滾動角調(diào)整不可急于求成，一次性調(diào)整過量，可能會造成鞍架部分組件損壞，應(yīng)循序漸進(jìn)完成，有規(guī)律地縮小差值。

2.5 護(hù)盾在方向控制中的作用

敞開式TBM護(hù)盾分為底護(hù)盾、頂護(hù)盾、側(cè)護(hù)盾和搭接護(hù)盾，搭接護(hù)盾分布在頂護(hù)盾和左右側(cè)護(hù)盾之間，頂護(hù)盾和側(cè)護(hù)盾上安裝有支撐油缸，在側(cè)護(hù)盾和底護(hù)盾之間各安裝一根楔塊油缸和楔塊結(jié)構(gòu)，組成護(hù)盾系統(tǒng)。

護(hù)盾在TBM掘進(jìn)時(shí)起著支撐作用，掘進(jìn)時(shí)頂護(hù)盾和側(cè)護(hù)盾伸出至隧洞壁，減小掘進(jìn)震動造成的設(shè)備影響或損壞，掘進(jìn)時(shí)頂護(hù)盾壓力控制在15～35bar之間，既減小掘進(jìn)過程中豎向沖擊力，又能保證掘進(jìn)時(shí)頂護(hù)盾一直支撐頂部圍巖，防止塌方造成設(shè)備損壞或人員傷亡；掘進(jìn)前，側(cè)護(hù)盾先伸出撐緊洞壁，然后伸出并撐緊楔塊油缸，最后點(diǎn)動收回側(cè)護(hù)盾按鈕，釋放側(cè)護(hù)盾油缸壓力，最終楔塊油缸壓力保持在150～180bar之間，護(hù)盾油缸壓力趨近于Obar，此方法既保證護(hù)盾貼緊洞壁減小設(shè)備震動，又能保證護(hù)盾與洞壁摩擦力最小，減少掘進(jìn)推進(jìn)壓力抵消摩擦力的資源浪費(fèi)。掘進(jìn)時(shí)及時(shí)調(diào)整護(hù)盾壓力，不但可以防止護(hù)盾與洞壁間隙過大導(dǎo)致邊滾刀快速磨損，又能防止掘進(jìn)輪廓的變小卡住TBM。

護(hù)盾在調(diào)向時(shí)提供了反作用力支撐點(diǎn)，護(hù)盾將直接影響掘進(jìn)目標(biāo)及方向與預(yù)期線路的相互關(guān)系，隧道試掘進(jìn)開始，頂護(hù)盾和側(cè)護(hù)盾均應(yīng)伸展至與隧道理論直徑等同的位置，不規(guī)范使用側(cè)護(hù)盾可能導(dǎo)致刀圈過度磨損、刀具過早損壞、鏟斗前緣磨損以及掘進(jìn)線路與坡度誤差等。如果一側(cè)護(hù)盾的伸展程度超出另一側(cè)，就會造成邊刀實(shí)際行進(jìn)路徑上的誤差，導(dǎo)致掘進(jìn)方向偏移。例如，右側(cè)護(hù)盾液壓缸較左側(cè)護(hù)盾多伸展10mm,則實(shí)際上，由于側(cè)護(hù)盾是緊貼已開挖隧洞壁的，所以設(shè)備會被擠向左側(cè)一些；因此，已開挖隧洞中心線與邊刀也要向左偏離隧道實(shí)際中心線一段大致等同的距離，TBM將掘出一條向左偏移的隧道。

如果左右側(cè)護(hù)盾均回縮至某個(gè)使其與隧道壁相脫離的點(diǎn)位，則設(shè)備將在掘進(jìn)通路中處于松脫狀態(tài)，設(shè)備將出現(xiàn)振動，并引發(fā)刀圈磨損與刀具過載，且會失去側(cè)向調(diào)向移動中的反作用力點(diǎn)。如果兩側(cè)護(hù)盾油缸盾壓力過大，導(dǎo)致洞壁與側(cè)護(hù)盾的摩擦力，消耗一部分推進(jìn)壓力，降低了掘進(jìn)速度。因此，使用全新的邊刀圈時(shí)，應(yīng)將側(cè)護(hù)盾置于“零”位，隨著掘進(jìn)時(shí)滾刀正常磨損，不斷調(diào)整護(hù)盾。

3 注意事項(xiàng)

（1）使用新的邊刀刀圈時(shí)，TBM開挖直徑比磨損到極限時(shí)大30mm，因此隧洞開挖輪廓大致會有10mm的超挖。因此，為保持預(yù)定坡度，設(shè)備的水平中心線必須稍稍上抬以彌補(bǔ)超挖。而隨著邊刀逐漸磨損，所需的補(bǔ)償量也會逐漸減小。

（2）垂直或水平調(diào)向時(shí)，應(yīng)停止推進(jìn)，保持刀盤空轉(zhuǎn)。

（3）有時(shí)需要根據(jù)隧道中心線重新定位撐靴，此動作須在刀盤靜止?fàn)顟B(tài)下完成。首先伸出后支腿，依靠底護(hù)盾和后支腿承受TBM主機(jī)重量；然后回縮撐靴使之脫離洞壁，再通過調(diào)整撐靴油缸、扭矩油缸，根據(jù)隧道實(shí)際中線準(zhǔn)確定位撐靴。

（4）禁止使用護(hù)盾強(qiáng)行調(diào)向，否則易造成設(shè)備損壞。

4 結(jié)語

本文通過總結(jié)以往TBM操作經(jīng)驗(yàn)，分析TBM調(diào)向出現(xiàn)的問題，研究了敞開式TBM精準(zhǔn)調(diào)向方法，通過嚴(yán)格控制TBM掘進(jìn)方向，減少了設(shè)備損壞情況，降低了刀具成本，提髙了TBM施工效率，提高設(shè)備完好率和利用率，為以后TBM施工提供支持。