狹窄空間內TBM設備頂護盾修復技術研究

摘 要：引漢濟渭調水工程秦嶺輸水隧洞嶺南TBM設備掘進段是整個秦嶺隧洞埋深最大、巖爆最頻繁、圍巖強度最高的施工地段，在多種不良地質疊加下，TBM設備各關鍵零部件長期處于極限負荷的運行狀態，施工過程中常態化產生的輕微至強烈巖爆導致頂護盾被沖擊損壞。通過對頂護盾的損壞情況及改造更換必要性進行分析，擬定了頂護盾優化改造、更換安裝的具體實施方案，并對實施過程的技術難點進行了深入剖析，從而快速、安全地進行了頂護盾性能提升改造。頂護盾經更換修復后，TBM設備在巖爆頻發地段的掘進過程中施工工效提高，作業人員和設備的安全得到保護。

關鍵詞：TBM設備;巖爆;頂護盾;改造;秦嶺隧洞;引漢濟渭工程

中圖分類號：TV53 文獻標志碼：B

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.04.023

引用格式：任喜平.狹窄空間內TBM設備頂護盾修復技術研究[J].人民黃河，2021，43（4）：127-130.

Abstract： Qinling Lingnan TBM excavation section of Hanjiang-to-Weihe River Water Diversion Project is the most difficult section with the largest buried depth， the most frequent rock burst and the highest surrounding rock strength. Under the superposition of multiple adverse geological， the TBM equipment key parts and components in the operation of the limit load for a long time， in the process of the construction of normalized moderate to strong rock burst， leading to the top shield is shock damage. Through the analysis of the damage of the top shield and the necessity of reconstruction and replacement， this paper had drawn up an implementation plan of the reconstruction and optimization of the top shield， replacement and installation， and analyzed the technical difficulties in the implementation process， so as to improve the performance of the top shield quickly and safely. The results show that the replacement and repair of the top shield in the process of tunneling of TBM equipment in the section with frequent rock bursts in Qinling tunnel improve the support operation efficiency and ensure the safety of personnel and equipment.

Key words： TBM equipment; rock burst; top shield; modification; Qinling tunnel; Hanjiang-to-Weihe River Water Diversion Project

隨著復雜環境下隧洞開挖技術的逐步完善和發展，采用TBM設備進行隧洞掘進在進度、安全、環保等方面具有鉆爆法施工不可比擬的優勢[1-2]。一些長距離、大埋深復雜環境條件下的隧洞施工，通常具有地應力高、巖爆頻發、巖石強度高等復雜環境疊加的施工難題，難免對設備關鍵部件造成較大的磨損和消耗，影響TBM設備高效運行[3-5]，這樣就對TBM設備日常保養和關鍵部位零部件安全、快速修復技術提出了較高要求。護盾作為TBM設備刀盤后方一個主要的零部件，對確保施工進度和作業人員的安全有直接影響，因此對復雜環境下TBM設備頂護盾修復技術進行研究意義重大。

近年來，很多學者對復雜環境下TBM設備關鍵部位零部件的更換和修復進行了大量的探索和研究。劉宏志[6]在新疆吐庫二線中天山隧洞掘進過程中研究了TBM主軸承密封滑道環洞內的快速修復技術，創新性地提出了TBM設備關鍵零部件主軸承免更換、快速修復的具體實施措施。白云峰[7]在蘭渝鐵路西秦嶺隧洞TBM掘進過程中研究了狹窄空間內TBM撐靴油缸更換技術，通過合理規范的維修和保養使TBM設備保持了高效運行。夏明[8]指出TBM在秦嶺腹地特殊地質環境下掘進時，設備刀盤、刀具損壞和修復的頻次遠遠高于其他工程，總結出了一套強磨蝕巖石條件下刀盤、刀具的快速修復技術。黨建濤等[9]研究了引漢濟渭嶺南TBM設備鞍架滑道的拆除、修復技術，取得了良好的效果。安飛翔[10]對引漢濟渭嶺南TBM刀盤外密封更換的方案、操作方法進行了研究，提高了TBM設備的刀盤貫入度和施工工效，縮短了維護和保養時間。

本文以引漢濟渭引水隧洞嶺南TBM施工段設備為例，通過分析TBM設備頂護盾損壞情況及影響，研究狹窄空間內頂護盾修復方案、具體的操作方法及更換的重難點。

1 工程概況

引漢濟渭工程秦嶺隧洞嶺南TBM施工段采用一臺羅賓斯公司制造的Φ8.02 m全新敞開式硬巖掘進機施工，工程自3號支洞進入主洞下游1 942 m開始，標段全長18.275 km，施工樁號為K28+085—K46+360，TBM第二掘進段樁號為K39+551—K46+360，掘進長度6 809 m。該洞段位于秦嶺嶺脊高中山區，圍巖主要由花崗巖、閃長巖組成，受地質構造影響較大，節理裂隙不發育，呈整體狀及塊狀結構，隧洞埋深1 320～1 790 m，掘進過程中受高埋深、高地應力影響巖爆頻繁發生。隧道拱頂120°范圍內時常出現巖石剝落、塌腔等情況，極易造成人員及設備傷害。

2 頂護盾損壞情況及改造更換的必要性

2.1 頂護盾結構組成

TBM設備為MB226-395硬巖掘進機，其頂護盾由一塊上頂護盾及兩側各一塊側翼護盾組成。護盾整體長度為4 808 mm，同時護盾上由10 mm厚L形鋼板拼裝組成McNally支護系統，見圖1。

2.2 頂護盾損壞情況描述

2019年4月底引漢濟渭嶺南TBM開始第二掘進段的施工，掘進中隨埋深加大巖爆頻發且愈演愈烈，巖爆致使上頂護盾右側部分筋板開裂變形，右側翼護盾變形嚴重，兩塊護盾的變形導致McNally系統部分插槽孔堵塞，上頂護盾及兩側翼護盾尾部1 m范圍內向內側方向均存在不同程度的彎曲變形，最大變形達到10 cm，導致該系統無法正常使用。

2.3 頂護盾改造更換的必要性分析

護盾的嚴重變形和McNally系統插槽孔堵塞造成在破碎及巖爆圍巖段進行支護作業時，無法使用McNally系統安插鋼筋排，掘進作業中，護盾尾部無法及時進行同步支護作業，巖爆造成碎石掉落嚴重，對人員及設備安全造成嚴重威脅。同時碎石無法有效封閉至拱頂，導致TBM底部清渣工作壓力巨大，嚴重制約施工進度。頂部支護作業只有在停機后進行，極易造成部分鋼拱架安裝不到位，使支護效果達不到規定的質量要求，同時在巖爆頻發區域裸露圍巖下進行支護作業，支護人員安全無法得到有效保障，危險系數大、風險大。因此，為保證施工進度、質量、人員及設備安全，對頂護盾進行改造更換是有必要的。

3 頂護盾改造優化方案

3.1 頂護盾變形原因分析

如圖2所示，護盾上頂面主要承力機構由一塊底板以及構成McNally系統的L形板拼接構成，底板及L形板均為12 mm厚Q345C鋼板。在承受強巖爆沖擊時主要變形原因為：①護盾上頂面受力機構薄弱，巖爆沖擊極易造成底板變形，碎石積于盾頂并在掘進時擠壓，造成L形板變形，McNally系統損壞。②受力筋板距離盾尾長度為1 823 mm，尾部受力，力矩過長，底板薄弱，極易變形。③盾尾部位因拱架安裝環限制而無法加立筋板，現有狀態下無法采取有效加固措施。

3.2 優化方案詳述

通過分析可知，護盾頻繁變形主要原因為底邊太薄弱，其余因素均為間接因素且無法改進，故而優化方案的重點為：①為提高護盾強度，加厚底板厚度;②為避免McNally系統損壞，把L形板由底板上方調至底板下方，其厚度不變，受下部空間位置影響，其長度適當縮減，滿足一個循環掘進即可。

3.2.1 護盾底板設計改造

如圖2所示，擬定將原厚12 mm的底板改為厚30 mm的鋼板。因McNally系統位置改變，底板上頂面直接與巖壁接觸，故要求滿足以下5點：①鋼材應具有良好的剛度，抗屈服能力強，不易變形。②鋼材應具有良好的耐磨性質，避免因長期掘進而導致嚴重磨損，或在滿足條件①的情況下，對上表面進行耐磨鍍層處理。③如圖2（b）所示，護盾底板尾部較原設計加長200 mm，以滿足下方改進McNally系統長度要求，同時護盾尾部的增長可以有效防護應急噴漿系統，預防巖爆對設備造成損傷。④護盾底板下底面彎曲半徑由原設計3 913 mm改為3 954 mm，彎曲半徑加大41 mm，以保證與原始設計的護盾上頂面尺寸一致、外輪廓不變。⑤因護盾底板下底面彎曲半徑增大，故在保證護盾外輪廓不變的情況下，護盾下方結構件（如導向柱、主受力筋板、護盾連接耳等）需向上延伸才能與護盾底板形成搭接。

3.2.2 護盾McNally系統設計改造

護盾McNally系統原位置護盾底板上部由L形鋼板拼焊而成，貫穿護盾前部至尾部，長度約為4 800 mm，鋼板厚度為12 mm，較為薄弱，受頂部巖爆沖擊極易變形，同時受地下水和破碎圍巖影響，水混合渣土由拼接縫流至安裝孔內部造成McNally系統堵塞，因McNally系統安裝孔長達4 800 mm而無法進行有效清理。McNally系統改進措施：在底板改進的基礎上，位置由底板上方改至下方，同樣由12 mm厚L形鋼板拼焊而成，其長度為2 023 mm，滿足一個循環掘進距離即可。這種改進方式可以有效避免McNally系統遭受巖爆沖擊而變形、渣土堵塞等，同時因需滿足長度要求，故對護盾進行了尾部加長，以有效防護應急噴混系統。但這種改進方法的不足之處在于，因底板整體厚度增至30 mm，且其下部的鋼筋排插孔與巖壁距離有所增大，拱架安裝存在頂撐不到位的可能性。為避免該情況的發生，在不影響護盾底板強度的情況下進行坡口處理，減小鋼筋排與巖壁的距離，使彎曲狀鋼筋排的數量同步減少。

4 頂護盾改造實施的技術難點

4.1 運輸空間的核算

受TBM拖車部位材料運輸通道空間限制，最大結構件通行尺寸寬為1 973 mm、高2 004 mm、對角距離為2 813 mm，材料吊裝入口位置最大吊裝長度為6 000 mm。

（1）上頂護盾運輸空間核算。新改造頂護盾寬4 253 mm、高1 016 mm、長5 006 mm，經核算上頂護盾無論如何擺放均無法通過TBM設備的材料運輸通道。

（2）翼護盾運輸空間核算。新改造翼護盾寬2 192.8 mm、高988.2 mm、長5 006 mm，見圖3，經核算翼護盾傾斜30°角裝車，可通過TBM設備的材料運輸通道。

4.2 上頂護盾運輸解決辦法

擬對上頂護盾進行分塊安裝，上頂護盾分割示意見圖4。加工頂護盾時將其分為3塊，分別為中心導向柱1塊及兩側各1塊，兩側分割點處使用螺栓結合固定座進行拼裝連接，底板以及主筋板拼接點設定位銷，底板分割縫及筋板分割縫處打倒角，現場定位拼接完成后進行焊接。

4.3 頂護盾更換空間設計

頂護盾上方進行更換洞勢擴挖，以滿足更換空間需求，因上頂護盾存在導向柱問題，柱長約為1 m，故整體洞勢要求護盾上部可用空間高度不小于2.5 m。TBM到達停機位置后，刀盤后退16 m，在距離掌子面7 m位置處進行洞勢擴挖，洞勢長度為掘進方向7 m，橫向尺寸為位于左右兩塊翼護盾下邊緣0.5 m處向外延伸2.7 m。洞勢擴挖完成后，設備前進，利用應急噴混系統對洞勢進行噴混加固，其后進行護盾更換。

5 頂護盾更換安裝

5.1 頂護盾更換方法

在更換洞勢擴挖并加固完成后，機器停至更換洞勢正下方，實施頂護盾更換安裝，具體步驟如下。

（1）變形護盾拆除。護盾拆除后將其吊裝至更換洞勢頂部，確認護盾與設備完全分離后，TBM前進7 m，直至變形護盾完全脫離機頭架，將其從開挖洞勢頂部卸除，安放于主梁下方，并安排人員倒運出洞，上頂護盾需要分割后運出（倒運工作需在設備再次后退前完成）。

（2）新護盾安裝。將新護盾（共計5塊，即翼護盾2塊、上頂護盾邊塊2塊、中心塊1塊）上頂護盾中心塊固定至更換洞勢頂部，后退設備至新護盾下方，進行安裝，安裝完成后繼續前進設備，如此往復，分別安裝上頂護盾邊塊2塊、翼護盾2塊。

（3）新護盾焊接。護盾拼接完成后，進行上頂護盾中心塊與邊塊焊接。

（4）防塵板焊接。焊接工作完成后，進行防塵板定位安裝。

（5）McNally系統拼接。護盾安裝完成后，按照圖紙進行McNally系統拼接。

（6）整機調試，安裝完成。

5.2 新護盾倒運工作

新護盾由機車倒運至仰拱吊機處，通過TBM設備的材料運輸通道倒運至主梁上部，倒運過程中注意安裝順序為上頂護盾中心塊、上頂護盾邊塊、兩側翼護盾，注意堆放方式，避免發生重復倒運。倒運過程中注意護盾棱角，勿出現磕碰變形等導致安裝配合出現偏差。

5.3 舊護盾拆除工作

舊護盾拆除順序首先為左右兩側翼護盾，其次為上頂護盾，護盾拆除時需確保距離充足且與設備無任何連接，保證設備前進7 m情況下與護盾后部設備（如錨桿鉆機、拱架安裝器）無任何擦碰。

5.4 新護盾安裝

新護盾安裝順序首先為上頂護盾，其次為兩側翼護盾，上頂護盾安裝時，先進行中心塊安裝，在吊裝至更換洞勢頂部前，應先確定與設備的相對位置，該道工序在吊裝前由測量組測量導向柱定位的左右偏差，確定吊裝位置，吊裝完成后進行復核，確保設備后退至護盾下方時導向柱精準對孔安裝。

上頂護盾邊塊安裝時，確保定位板以及定位銷準確對孔，保證拼接完成后達到上頂護盾的原始設計尺寸。

6 結 語

TBM設備的頂護盾修復完成后，護盾的各項功能指標得到了不同程度的提升，在隧洞大埋深、強巖爆、高耐磨硬巖等各種不良地質環境疊加下，使McNally系統安插鋼筋排施工恢復正常，節省了大量的支護、清渣時間，提高了設備利用率和施工工效，對加快施工進度、降低工程成本具有重要意義，也為狹小空間、復雜地質環境下護盾修復改造提供了參考實例。

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【責任編輯 張華巖】