巖爆引起的TBM主驅動故障分析及處理措施

李榮軍 趙 力 趙翔元

(陜西省引漢濟渭工程建設有限公司，陜西 西安 710010)

TBM目前被廣泛地應用于長距離隧洞施工，TBM設備組件復雜，可靠性要求高，TBM掘進時的設備性能與工程地質條件密切相關，不良地質條件會對TBM設備造成不同程度的損傷和消耗，甚至引起設備故障導致無法正常掘進[1-2]。受高地應力作用，TBM在深埋隧洞施工時，會受到巖爆地質條件的不利影響，巖爆時伴隨的巨大能量易造成圍巖掉塊、垮塌，嚴重威脅TBM設備的安全[3]。主驅動作為TBM的動力系統，一旦出現故障會直接影響掘進是否繼續進行，因此，對主驅動進行故障分析并進行有針對性的處理尤為重要。

近年來，在不良地質條件下TBM設備驅動系統的故障分析及修復方面許多學者開展了卓有成效的研究工作。張嘯等[4]改進了TBM主軸承密封滑道設計及安裝工藝，提高了其耐磨性，并在工程應用中取得了良好的效果；趙大鵬等[5]通過工程案例介紹了TBM主軸承外密封擋圈故障的洞內修復技術；賈峰[6]優化了主軸承密封系統的傳統修復工藝，延長了主軸承服役時間；李曉晗等[7]介紹了一種TBM主軸承密封失效的應急處理方案，處理周期短，可快速恢復施工；張天瑞等[8]分析了基于CBR和RBR的全斷面掘進機故障診斷機制；曾翔等[9]針對TBM推進速度突變故障，分析了故障原因及處理方法。

本文依托引漢濟渭秦嶺輸水隧洞TBM施工段，分析了巖爆地質條件下TBM主驅動故障原因，并提出了有針對性的處理方案、工藝及措施，使TBM重新正常掘進，盡可能減輕巖爆災害對施工造成的影響。

1 工程概況

引漢濟渭工程秦嶺輸水隧洞越嶺段全長81.779km，設計流量70m3/s，隧洞平均坡降約1/2500，最大埋深2012m，由地勘資料及秦嶺地區深鉆孔地應力實測資料分析可知，秦嶺隧洞區地應力高，掌子面以及距掌子面1～3倍洞徑的地段范圍受應力集中的影響易發生巖爆。

在目前施工洞段，采用水壓致裂法和壓裂縫方向印模測試方法在TBM后方開展了地應力測試，測試部位巖體應力以水平應力為主，最大水平應力為63.80MPa，最小水平應力34.34MPa，鉛直向應力為49.66MPa，最大水平主應力方位為97°。

采用直徑為8.02m的敞開式TBM進行施工，TBM掘進期間，持續有不同程度的巖爆發生，表現為拱部巖體開裂、斷裂，剝落、掉塊現象嚴重，局部形成塌腔，同時伴有劈裂聲，拱部鋼拱架有下沉變形現象。

2 故障分析

TBM向前掘進至樁號K45+710.1處時，掌子面和護盾左下側位置發生巖爆，掌子面爆坑深度約2.5m，左下側起拱高約50cm，刀盤前方大量渣石堆積，拱架安裝器左下側受到強烈沖擊和擠壓變形，見圖1。

圖1 掌子面巖爆引起拱架安裝器損壞

巖爆發生后，刀盤被卡、護盾因受壓至極限位置而卡死。經檢查，發現主軸承內密封漏油，局部位置有潤滑油流出，油液清亮、通透，無乳化和嚴重污染跡象。

此次故障的主要原因在于巖爆沖擊刀盤，導致轉接座定位環斷裂及開裂、唇形密封和隔環等被擠壓變形、結合面密封條損壞、連接螺栓和雙頭螺柱受剪破壞。

由微震監測數據可知，此次巖爆能量達134.5萬J，巖爆發生在刀盤右上方和底支撐左下方，造成轉接座的定位環受剪切力而斷裂，見圖2。

圖2 巖爆損壞轉接座示意

3 處理方案

取出斷裂及開裂的定位環，加固頂部圍巖并處理掌子面，將刀盤固定到掌子面并與主機分離。拆除轉接座、去除所有定位環并處理斷口、修復轉接座、改進轉接座與主軸承的連接方式、檢測主軸承、更換損壞的密封及螺栓等。將轉接座和刀盤等重新定位安裝。

修復主驅動故障前，為保證清理石渣和故障處理時的人員和設備安全，需清理護盾頂部碎石并施工管棚。掌子面前方坍塌較大，無法為刀盤提供牢固支撐，需人工清理松散體并施作玻璃纖維錨桿加固掌子面，下部澆筑混凝土擋墻，上部施作加固縱梁。修復主驅動故障前，需固定刀盤。刀盤貼緊擋墻時，旋轉刀盤至擬定位置，刀盤底部采用鋼板及楔形機構支撐，施作徑向錨桿鎖固刀盤。刀盤固定后，拆除連接螺栓，后退TBM使主機與刀盤分離。

在刀盤固定并拆卸后，對主驅動進行維修更換。將唇形密封、密封隔環、轉接座等依次拆出，然后對轉接座進行修復，更換損壞的密封、隔環、螺栓等并改進轉接座與主軸承的連接方式。

4 處理工藝及措施

4.1 取出斷裂或開裂的定位環

為保證主軸承及其他部件的安全，固定刀盤前先將斷裂及開裂的定位環切割取出。

對切割部位附近的軸承、齒輪等進行保護，封堵油孔防止切割鐵屑飛濺至其他部位，斷裂及開裂的定位環較長，無法整體取出，采用合金直磨機將斷塊及開裂塊切割成0.5m長的短條逐條取出。

4.2 護盾上方圍巖處理

護盾頂部圍巖較破碎，已將護盾擠壓至極限位置且多次嘗試依然無法頂升，需先對頂部圍巖進行處理，再施工管棚。

4.2.1 圍巖處理

人工擴挖護盾后方2m范圍內的圍巖，擴挖深度0.6m，擴挖范圍拱部180°，開挖面噴5cm厚C20噴射混凝土封閉，然后拼接H150拱架，拱架間距45cm，兩側邊墻圍巖較破碎處需將拱架向下延伸至穩固巖體上。每節鋼架兩端各設置2根4m長φ22鎖腳錨桿，鋼架外翼板內側焊接φ16鋼筋，鋼筋環向間距10cm。鋼架內側封焊6mm厚鋼板，回填C30混凝土。

拱架支護完成后，人工清理頂護盾上方的圍巖，釋放頂護盾的壓力。

4.2.2 管棚工作間施工

開挖線外架設兩榀H125鋼拱架，鋼拱架上方按照管棚角度對導向管進行放樣、焊接固定，鋼架翼板內側焊接φ16鋼筋，鋼筋環向間距10cm。H125鋼架和外側H150鋼架之間采用φ22鋼筋折線焊接連接，用C30混凝土澆筑為整體，作為大管棚大里程端承重梁，承重梁厚60cm。

在護盾后方施作管棚工作間，管棚工作間采用槽鋼、鋼板焊接在主梁的平臺上，見圖3。

圖3 管棚工作間示意 (單位：cm)

4.2.3 大管棚施工

在完成管棚導向墻施工后，向小里程側施作大管棚(兼做應力釋放孔)，大管棚位于隧道中心左側60°、右側90°，共150°范圍。

大管棚選用φ108跟進式注漿鋼管，大管棚長度暫定為25m，環向間距50cm，外插角5°。大管棚施作完畢后，向孔內注高壓水，促使應力釋放，見圖4。

圖4 管棚施工示意

為加強管棚承載能力，管棚鉆孔完成后，在管棚內安裝鋼筋加強束，鋼筋加強束采用在長5cm的φ32鋼花管固定環四周均勻幫焊4根φ22鋼筋，固定環間距50cm，見圖5。

圖5 鋼筋加強束示意

4.3 掌子面圍巖處理

掌子面的圍巖坍塌嚴重，固定刀盤前需先對掌子面進行處理，使掌子面為平面。目前轉接座、唇形密封等已經損壞，為避免TBM掘進時對主軸承、唇形密封等造成二次損傷，需人工處理掌子面。

4.3.1 坍塌松散體處理

掌子面及護盾段巖面噴射20cm厚C20玻璃纖維混凝土封閉，人工對刀盤前方坍塌渣體進行清理。清理完畢后，護盾段拱部180°及掌子面施作5m長φ32自進式玻璃纖維錨桿，間距1.2m×1.2m，梅花形布置，注水泥漿。

4.3.2 刀盤支撐墻澆筑

為減少回填混凝土方量，降低支撐墻高度，在刀盤前方架立模板澆筑C30混凝土形成刀盤支撐墻，支撐墻厚1.3m、高5m，墻高范圍內塌腔回填C30混凝土。

支撐墻施工完成后，在擋墻上部加5根鋼管混凝土縱梁支撐刀盤?？v梁采用在φ300鋼管內澆混凝土完成，一端頂在巖壁上，一端焊接在刀盤上，防止刀盤傾倒，見圖6。

圖6 刀盤支撐墻示意

4.4 TBM后退段擴挖處理

為保證TBM順利后退，擴挖并更換護盾后方22m范圍鋼拱架，換拱施工采用先立后拆施工順序，拱架間距(中心間距)45cm。擴挖范圍拱部180°，擴挖半徑4.51m，擴挖完成后巖面噴5cm厚C20混凝土封閉，然后架設H150鋼拱架，鋼拱架半徑4.385m，鋼拱架兩端拱腳坐落在堅實巖體上，遇到拱腳巖體破碎時繼續向下擴挖延伸至堅實巖體，每節鋼架兩端各設置2根4m長φ22鎖腳錨桿。擴挖由人工使用風鎬進行，開挖循環嚴格控制在45cm，開挖后立即支立鋼拱架，鋼架外翼板內側焊接φ16鋼筋，鋼筋環向間距10cm。鋼架內側封焊6mm厚鋼板，回填C30混凝土。

4.5 圍巖監測

拆卸刀盤前需要先對圍巖進行監測，以防止刀盤固定后因圍巖變形而造成刀盤移位。

4.5.1 TBM主機監測點布置

在TBM主機區域布置監測點，分別位于10點半、12點、1點半位置，相鄰監測點的軸向距離為1.5m。

4.5.2 錨固點監測

掌子面環向均勻布置6個監測點，刮渣孔各布設1個監測點。監測點布置完成后，每天對監測點進行人工測量2次，連續監測10天，監測是否有圍巖收斂情況發生。

4.6 固定刀盤

如若監測TBM主機區和掌子面區域的圍巖穩定，無收斂情況，則開始固定刀盤。固定刀盤采用底部支撐、前部靠掌子面、周圍錨桿鎖固的方式。

4.6.1 刀盤定位

將刀盤前面板定位于距刀盤支撐墻0.2m位置；底護盾行程上、下均留一定余量，以便于安裝刀盤時垂直調整主機；調整撐靴和扭矩油缸，使水平趨勢和垂直趨勢均調整為0；旋轉刀盤使刮渣孔位于預定的錨固點；向前推進刀盤，使刀盤緊貼刀盤支撐墻；采用鋼板將刀盤底部圓弧面墊實；加工楔形墊塊支撐在刀盤錐背板下部，使楔形墊塊緊緊抵在錐背板與洞底圍巖之間，見圖7。

圖7 刀盤支撐示意

4.6.2 錨桿施作及拉拔測試

刀盤固定的錨點分為4組，夾角90°。通過錨桿施作孔采用風槍進行鉆孔(孔深5m，φ38)，每個孔位布置錨桿8根，分為兩排，每排4根。

四角處的錨桿孔緊貼刀盤邊緣，其他的均勻布置，錨桿角度與刀盤邊緣垂直以利于以后焊接。錨桿孔施作完成后先向孔內注高壓水，進行應力釋放，然后施作無銹砂漿錨桿(φ22，長5m)，見圖8。

圖8 刀盤固定示意

在護盾后方施作拉拔試驗錨桿。拉拔試驗錨桿與錨固錨桿位于同一巖層且采用相同的材料、工藝施工。砂漿錨桿達到強度后測試錨桿的抗拔力，確保單根錨桿抗拔力不小于100kN。

錨桿抗拔測試正常后，采用螺母和鎖固鋼板將錨桿連接為一個整體，然后將鎖固鋼板焊接在刀盤上。

4.7 拆卸刀盤

刀盤固定并檢測正常后，拆卸刀盤，后退TBM將刀盤與主機分離。

為了保證施工人員的安全并預留作業空間，主機與刀盤分離后，TBM后退29m。期間要時刻注意人員安全和刀盤固定情況。

在刀盤上布設6個位移監測點，每天人工測量2次，監測刀盤是否有前后位移、沉降等情況，設置3個應變監測器(刀盤前方1個，后方2個)，監測刀盤前后傾斜受力變化。所有監測持續至刀盤再次安裝完畢。

4.8 修復主驅動

拆卸轉接座，調整轉接座，使間隙(耐磨環與密封壓蓋)小的位置處于底部。并拆卸部分連接螺栓，然后安裝吊機，拆除唇形密封、隔環和轉接座。

為保證工期，轉接座的定位環在洞內進行適當處理和改進。

a.斷口處理：為防止剩余部分斷裂而損傷主軸承，搭腳手架切除未斷裂的定位環，然后將定位環的斷口和切口全面打磨直至其平滑、無毛刺。

b結構改進：在轉接座與主軸承外圈之間的對稱位置增加4個定位銷，定位銷分別位于轉接座12點、3點、6點、9點鐘位置。定位銷具有2個功能，一方面可在安裝時定位，另一方面又可以增加轉接座與主軸承的抗剪能力。

c.更換密封：本次更換的密封包括：?轉接座與主軸承之間的2道密封；?外密封隔環背面的1道密封；?內密封的3道唇形密封；?外密封的3道唇形密封。更換密封隔環。因密封隔環較大，TBM臺車不具備運輸條件，密封隔環采用分片加工、現場組裝的方式制作。

采用拆卸逆步驟依次安裝轉接座及配套密封、唇形密封、隔環、密封壓蓋。

5 結 語

a.TBM在巖爆洞段掘進時，受巖爆沖擊，易導致轉接座定位環斷裂及開裂、唇形密封和隔環等被擠壓變形、結合面密封條損壞、連接螺栓和雙頭螺柱受剪破壞等諸多安全風險，造成主驅動故障，進而嚴重影響TBM的正常掘進。

b.針對巖爆引起的TBM主驅動故障，結合工程實踐提出了處理方案、工藝及措施，分析了取出斷裂或開裂的定位環、加固頂部圍巖并處理掌子面、固定刀盤、拆卸刀盤、修復主驅動等工序的實施要點，取得了良好的效果，有利于提高TBM在巖爆地段的利用率和工作性能。