硬巖掘進機技術發展與趨勢

陸曉輝，齊夢學

(1.中鐵十八局集團有限公司，天津 300222;2.中鐵十八局集團隧道工程有限公司，重慶 400700)

0 引言

我國自20世紀50年代開始研制硬巖掘進機，于80年代開始引進硬巖掘進機(TBM)應用于水工隧道工程施工，于1997年在西康鐵路秦嶺隧道成功實現獨立使用和管理TBM。近年來，TBM在鐵路、水利、水電、交通領域不斷得以推廣，在TBM設計、制造、施工應用過程中，制造商與施工企業結合工程實踐不斷深入交流和探索，促進了設備性能的不斷提升，并且呈現出一些新的技術特色。文獻［1］介紹了TBM施工技術，文獻［2-3］介紹了TBM刀具、刀盤驅動、同步襯砌等內容，文獻［4-7］介紹了TBM選型的影響因素。隨著TBM技術的不斷進步和發展，TBM整機壽命、機型、刀盤性能、主軸承密封與潤滑、殘渣清理等方面有了很大進步，但對此進行總結和分析方面的文章較少。本文結合施工實踐，從以上方面展望了TBM技術發展與應用趨勢，以期為TBM設備選型與功能配置提供一定的借鑒，以提升TBM的整機性能與適應性。

1 整機使用壽命延長

TBM整機使用壽命主要是由關鍵部件的壽命決定的，如主軸承、刀盤、刀盤驅動系統等。不同品牌的的TBM對設備壽命的設計理念有所區別，歐美系列的TBM關鍵部件設計壽命按照工作小時計算，通常在首項隧道工程完工后剩余壽命富裕度較大，而日本TBM的壽命設計以滿足某一具體工程為準，該工程完工后設備隨之壽終正寢。

隨著環境保護和水土保持意識的不斷增強，長隧短打的方式正在逐漸被淘汰，TBM單次掘進長度大大增加，這就對TBM的使用壽命與可靠性提出了更高的要求。以往，TBM施工10 km以上的隧道需要在中途施工支洞，對TBM實施中間檢修(焊接刀盤裂紋、在刀盤表面堆焊耐磨層、更換主軸承內外密封、檢修刀盤驅動及液壓電氣系統損壞的部件等)。TBM與配套關鍵部件及設備的技術發展相互促進，整機壽命與可靠性大大提升。目前長大隧道采用TBM施工仍然設置施工支洞，但其功能已經發生變化，主要是為施工通風、物料運輸提供便利，利用支洞大規模檢修TBM的情況越來越少。

再制造TBM的應用越來越普遍［8］，可充分發揮TBM的價值，降低工程成本，節約工期，但再制造過程中必須嚴格控制質量，否則將會對工程施工造成極大影響。

2 多種機型并存

眾所周知，硬巖掘進機主要分為單護盾、雙護盾和開敞式3種形式。單護盾和雙護盾TBM從結構形式上變化不大，而開敞式TBM結構形式又可分為雙X型支撐凱式結構和水平支撐主梁式結構。

2.1 雙X型支撐凱式TBM

早期開敞式TBM多采用雙X型支撐凱式結構，撐靴分為前后2組，共16個;撐靴安裝在外機架上，外機架套裝在內機架上，推進油缸的兩端分別作用于內外機架。其優點如下:1)16個撐靴都可實現單獨控制，遇到局部圍巖坍塌時便于調整;2)撐靴總面積相對較大，有利于降低撐靴接地比壓;3)掘進過程中以雙X型支撐作為主機的支撐點，可減少底護盾的接地比壓，有效減小刀盤由于重力作用而向下“低頭”的趨勢。

但雙X型支撐凱式TBM存在如下問題:1)刀盤、主軸承、刀盤驅動組件、護盾等總質量大，這些結構件的組合體安裝于內機架的前端，處于懸臂狀態，TBM掘進過程中產生的振動大，對于設備狀態和壽命造成無法克服的不利影響;2)刀盤驅動需配置大長度的傳動軸，運轉過程中長傳動軸容易出現撓曲變形、跳動等現象，容易導致前方小齒輪、后部變速箱或者離合器的損傷;3)推進油缸的反力作用在外機架上，再傳遞到撐靴，不利于改善撐靴油缸和導向柱的受力狀態;4)鋼結構復雜、加工難度大、制造成本相對較高，施工過程中維護難度和成本較高;5)16個撐靴所配置的液壓油缸多達32根，推進油缸多達8根，導致液壓系統制造成本高、掘進過程中的維修保養成本高。

2.2 水平支撐主梁式TBM

水平支撐主梁式TBM只有一對水平布置的撐靴，每個撐靴的面積較大;以底護盾和撐靴作為主機的支撐點;推進油缸安裝于前主梁和撐靴之間。其優點如下:1)撐靴面積大，對于范圍較小的圍巖坍塌，不必采用過多的措施就可以直接通過;2)掘進過程中主機相當于簡支梁結構，利于減輕刀盤區域的振動;3)推進油缸直接作用在撐靴上，利于改善撐靴油缸的受力狀態;4)撐靴油缸以及推進油缸數量大大減少，利于減小維修保養工作量;5)取消了刀盤驅動的傳動軸，變速箱與小齒輪直接相連，結構簡單、可靠性高。

水平支撐主梁式TBM存在的問題:1)刀盤后部的區域由于安裝了刀盤驅動電機、變速箱等部件，導致空間狹小，對初期支護要求高并且需要加強設備防護措施;2)主機頂部的作業平臺面積較雙X型支撐凱式TBM小。

2.3 DSU型TBM

為了拓展單臺TBM對地質條件的適應性，克服雙護盾TBM護盾容易卡死的現象，設計制造了DSU型TBM［9］。DSU型TBM設備取消了雙護盾TBM的尾盾和管片拼裝器，代之以開敞式TBM的錨桿鉆機、鋼拱架拼裝器等初期支護設備。前盾、伸縮盾、支撐盾呈臺階布置，直徑逐步縮小，縮小幅度與預計的圍巖收斂、掘進速度相適應，可有效避免護盾被卡的現象。開敞式TBM掘進過程中，安裝完畢的鋼拱架經過撐靴時，必須鑲嵌在撐靴預留的凹槽內，否則鋼拱架極易被損毀，而DSU型TBM的撐靴在支撐盾內，規避了對鋼拱架支護的損壞。DSU型主機如圖1所示。

DSU型TBM同樣存在著一些自身結構無法克服的問題:1)初期支護設備到掌子面之間的距離比開敞式TBM長，不利于實現及時支護，可能會由于支護不及時而造成更大的圍巖坍塌;2)超前鉆探、超前加固設備距離掌子面較遠，實施效果較差。

圖1 DSU主機結構示意Fig.1 Structure of main body of Double Shield Universal TBM

2.4 其他機型

為了適應工程需求的發展，TBM結構形式也在不斷推陳出新，如基于單護盾的復合式TBM以及基于盾構機的復合式TBM具有單護盾和土壓平衡盾構機的特點［10］。

3 刀盤壽命長、性能高

刀盤是TBM的關鍵部件之一，由于其工作環境惡劣、受力復雜，設計與制造水平在一定程度上可代表TBM的設計與制造水平。

刀盤結構不斷改進、材質不斷優化，促使其整體性能不斷提高，在掘進長度為10 km甚至20 km以上的隧道施工中連續掘進而無需大范圍整修。刀盤結構形式可分為整體式和分塊式，整體式刀盤往往用于小直徑TBM，且受洞內外運輸條件限制不利于推廣，因此大多數情況下采用分塊式結構。分塊式刀盤存在平分為二、中心塊加邊塊2種形式，前者對于中心刀安裝質量、刀具布置影響較大，因而應用較少;后者刀盤結構與刀具布置更加合理、刀具安裝質量更可靠、刀盤無故障連續掘進距離更長，且有利于運輸，成為當今刀盤的主流結構。目前刀盤多采用S355J2和Q345D及等同材質，其力學性能、焊接性能、對環境的適應能力較為出色。

近兩年又出現了一種新的刀盤結構設計，總體上仍然是中心塊加邊塊的方式，但以厚板替代原來的箱形結構。以往刀盤是在箱形結構中焊接刀箱，刀盤面板厚度大多為40 mm;而該設計采用厚度為300 mm的鋼板，直接加工刀箱，后部設置隔板及法蘭，分別安裝溜渣槽以及與主軸承對接提供安裝面。厚板刀盤結構提高了刀盤的整體性能，減少了應力集中對刀座的影響，刀盤裂紋傾向減緩。

刀盤性能與壽命的提升，也得益于采用了性能優異的表面耐磨措施。刀盤耐磨措施主要包括網格狀耐磨焊條堆焊層、耐磨釘、覆蓋耐磨鋼板、邊緣區域焊接耐磨環槽等(如圖2所示)，能夠經受較長距離的強烈磨損考驗，甚至可以根據不同巖性選取不同材質的刀盤耐磨材料。實踐證明，刀盤正面全面焊接Hardox、Trimay耐磨板、邊緣安裝耐磨釘或者耐磨環槽，耐磨效果良好，可以較好地保護刀盤。

4 主軸承密封與潤滑

TBM主軸承對整機掘進性能影響大、造價高，并且在掘進過程中如果主軸承出現故障進行維修或者更換，工期長、成本高，因而有人稱主軸承為TBM的“心臟”，可見其重要性。一直以來，制造商以及施工企業對主軸承的保護措施都非常重視。

4.1 主軸承唇形密封

為了給主軸承提供清潔的運行環境，設置了內外密封系統，密封形式為唇形密封，數量為2～4道。唇形密封強度高，唇口始終保持緊貼耐磨環，可保證密封性和可靠性。唇口朝向軸承的密封腔內，通常注入齒輪油，其他密封腔內以齒輪油、液壓油或者潤滑脂沖洗，也有的在最外側密封內以水沖洗，不同的制造商有不同的設計理念。

圖2 刀盤耐磨保護Fig.2 Protection of wearing resistance of cutter head

經過長時間的運轉，唇形密封與緊貼的耐磨環均會發生磨損，唇形密封可以更換，而耐磨環則可采取調整相對位置或者更換2種解決方式。耐磨環與唇形密封相對位置調整如圖3所示，有的是通過調整隔環實現的，有的是利用螺釘縱向推移耐磨環實現的。前者需要拆開密封、調整隔環的安裝順序，占用時間長，而后者可以利用日常整備時間完成，大大節省了軸承解體調整隔環的時間。可更換耐磨環則是在密封腔鋼結構上鑲嵌耐磨環，可以破壞性割除損壞的耐磨帶，以火焰加熱新的耐磨環使其適當膨脹，迅速準確套入鋼結構，待冷卻后與鋼結構形成緊密的結合體。

4.2 主軸承潤滑

TBM主軸承具有直徑大、轉速低、負荷大的特點，對潤滑系統提出了較高要求。有的TBM主軸承采用噴淋潤滑設計，通過均布的油道將齒輪油泵送到潤滑點，齒輪油牌號為VG220，運動黏度較低，通過窄小縫隙的能力較強，始終可以保持嚙合面有油膜。但從潤滑油磁性過濾器收集的鐵磁性磨粒的照片以及分析式鐵譜的磨粒性狀圖可以看出，運動黏度較低的潤滑油中鐵磁性顆粒的尺寸較大，實際膠合、擦傷高溫變色的多。

有的TBM主軸承選用牌號為VG460的齒輪油，運動黏度偏于安全。由于該齒輪油運動黏度較大，在主軸承破巖承載時，油膜較易形成楔形油膜，擠壓條件下承載能力好;主軸承承受沖擊載荷時，金屬接觸面之間有油膜保護，金屬膠合(點蝕)概率大大下降，客觀上保護了磨料磨損產物的堆積。

鑒于上述情況以及近年來國內施工實踐，認為TBM主軸承選用黏度較高的齒輪油較為適宜，更有利于保證其潤滑效果。

圖3 主軸承密封縱向位置可調Fig.3 Adjusting of main bearing sealing in longitudinal direction

5 底部殘渣清理方式

開敞式TBM施工過程中，主機底部經常會出現大量殘渣，部分來源于刀盤破巖后鏟斗清理不徹底，部分來源于圍巖坍塌。由于主機底部作業空間、主機結構的限制，主機底部殘渣清理作業效率低下，在一定程度上影響了TBM的正常掘進。

主機底部殘渣清理方式主要有以下幾種:

1)人力清渣。完全依靠人力，將殘渣倒運至有軌運輸車輛上，再運輸出洞，勞動強度大、作業效率低。

2)小皮帶機清渣。在主機主軸承后方、底部安裝小皮帶機，依靠人力將底部殘渣裝載到皮帶機上，再通過皮帶機、前下支撐的預留孔送回到刀盤區域，通過刀盤鏟斗裝載到主機皮帶機上。小皮帶機的作業環境惡劣、故障頻發，加之依靠人力裝載，作業效率低下。例如西康鐵路秦嶺隧道的TBM就是采用小皮帶機清渣，但在后續工程中，已經取消。

3)真空清渣。目前，部分TBM制造商推薦采用真空清渣系統，將殘渣、泥漿、污水一并抽取到分離器內并對固態和液態物料實施分離，之后固態殘渣通過TBM上的皮帶機運輸至后配套，液態物質通過TBM排水系統排放。據說該系統在國外已經有應用實例，并且使用效果較好，但國內尚無應用。

4)機械化清渣。如果隧道斷面合適，通過優化設計，在主機底部預留較大空間，可配置小型裝載機或者挖掘機，實施機械化清渣作業，其效率大大提升。但部分區域仍然會殘留少量的殘渣，仍然需要人工輔助。例如錦屏二級電站引水洞、吐庫二線鐵路中天山隧道TBM就是采用小挖機清渣，應用效果較好，特別是遇到圍巖坍塌時，其優勢更加明顯。

6 人性化設計

TBM掘進性能的正常發揮，不僅取決于主機性能，同時受到配套設備效能以及人員工作效率的影響，為此在TBM上引入了人性化設計，主要體現在以下4個方面。

1)初期支護作業空間的合理化設計。為錨桿鉆機、鋼拱架安裝器等設備提供較大的作業空間，為施工人員提供安全、便捷的作業平臺與空間。

2)通暢的物料運輸系統。可減少施工材料在TBM上的倒運工序，提高工作效率。

3)貫通前后的人員通道。盡量減少爬梯或臺階，為作業人員提供方便、安全的通行環境。

4)合理利用TBM上的空間。在作業位置附近預留必要的鋼軌、錨桿、鋼拱架等施工材料存儲空間，存儲量基本上可供一天或者一個工班掘進之需。

7 結論與討論

TBM設計制造和施工技術是在工程實踐中不斷發展和完善的，經過多年的發展，其適應性、掘進性能、初期支護性能不斷提升，施工安全、質量、速度不斷提高，這是制造商、施工企業、項目業主良好合作、共同努力、相互促進的結果。

TBM技術在國內外廣泛應用，根據工程需求，機型更加豐富、適應能力更強、設備性能更可靠、設備完好率不斷提高、初期支護手段更多、效率更高，主機底部與后配套尾部殘渣清理機械化程度和作業效率不斷提高，施工及維護成本相對降低。

根據目前TBM的工程應用，超前地質預報、超前地質加固方面仍需進一步深入研究，使其能夠在施工過程中真正發揮指導施工、預防地質災害的作用，可以極大拓展TBM對工程地質條件的適應能力。

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