狹窄空間內TBM設備撐靴油缸更換技術研究

谷建強 任喜平

摘 要：穿越秦嶺腹地的引漢濟渭引水隧洞工程具有大埋深、高地應力、高強度硬巖等不良地質條件，因此TBM設備長期處于高負荷狀態工作，設備關鍵部位零部件的損傷極為嚴重，出現了TBM設備撐靴油缸漏油現象。通過分析研究TBM設備撐靴油缸的損壞情況及影響，擬定了撐靴油缸更換方案和具體操作方法，并對更換過程的重難點進行了分析，在狹窄空間內快速、安全地進行了撐靴油缸的拆卸、運輸、更換，確保了 TBM設備撐靴油缸在不良地質環境掘進過程中可靠運行，提高了TBM設備利用率和工作性能，降低了成本和設備故障率。

關鍵詞：狹窄空間;TBM;設備損傷;撐靴油缸;更換方案;秦嶺隧洞;引漢濟渭工程

中圖分類號：TV53 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.04.022

引用格式：谷建強，任喜平.狹窄空間內TBM設備撐靴油缸更換技術研究[J].人民黃河，2021，43（4）：122-126.

Abstract： The project of diverting water from Hanjiang River to Weihe River through the hinterland of Qinling Mountains has unfavorable geological conditions such as large buried depth， high ground stress and high strength hard rock. So the Lingnan TBM equipment in excavation under high load condition for a long time， the damage of the key parts of the equipment is very serious and the oil leakage of TBM support boots oil cylinder is occurred. In this article， through the analysis and study on TBM equipment support boots cylinder damage and its influence， it formulated the boots cylinder replacement scheme and concrete operation methods， and analyzed the difficult point of the process of change， fast and safe in confined spaces hold boots cylinder transportation， disassembly and replacement. It ensured the reliable operation of Lingnan TBM equipment supporting oil cylinder in the process of excavation in poor geological environment， improved the utilization rate and working performance of TBM equipment and reduced the cost and expenses and equipment failure rate. It also had provided a reference for the replacement and repair of TBM boot cylinder in narrow space in China.

Key words： narrow spaces; TBM; equipment damage; boot oil cylinder; replace solution; Qinling tunnel; Hanjiang-to-Weihe River Water Diversion Project

我國水資源區域分布極不均衡，隨著國內經濟的快速發展，水資源的短缺已嚴重制約一些地區的經濟發展，為此一大批跨流域長距離的引水工程相繼動工建設。輸水隧洞采用TBM設備掘進越來越普遍，尤其是在一些長距離、高地應力、大埋深等施工難度較大的隧洞應用較多。與常規的鉆爆法施工相比，TBM施工法明顯具有工期短、速度快、施工環境好、整體效益高等特點。為確保施工過程中TBM設備高效、安全運行，設備重點部位零部件的可靠性要求標準很高，撐靴油缸是TBM設備比較重要的零部件，其為TBM設備的推進產生支撐反力，能使刀盤旋轉中出現的大扭矩得以抵消，其性能的好壞對整個TBM設備運行的質量、效率起到關鍵作用。

近年來，許多學者對復雜地質環境下TBM設備零部件的更換和修復進行了分析研究，余海東等[1]研究了復雜地質環境情況下TBM設備撐靴液壓缸導向銅套損傷機理。馬以濤等[2]對撐靴夾緊油缸在TBM設備掘進施工過程中出現的故障進行了分析，根據設備的工作原理，提出了復雜環境下的應急修復措施。史晉華[3]對TBM撐靴掘進施工過程中的掉落修復及預防措施進行了研究。李琳等[4]從斷裂力學的角度對TBM撐靴液壓缸O形圈斷裂進行了理論分析和仿真計算。黨建濤等[5]研究了引漢濟渭嶺南隧洞TBM設備鞍架滑道的拆除、修復技術。安飛翔[6]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。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撐靴油缸損壞情況及影響，研究狹窄空間內撐靴油缸更換方案、具體操作方法及更換的重難點。

1 撐靴油缸損壞情況及影響分析

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生產的Φ8.02 m全新敞開式硬巖掘進機施工，隧洞最大埋深2 100 m，巖石最大強度230 MPa，是秦嶺隧洞施工難度最大、巖爆最頻繁、圍巖強度最高的施工段，各種不良地質條件的疊加對TBM設備的重點部位零部件可靠運行構成了極大的威脅[7]。

在掘進過程中TBM兩側撐靴油缸出現泄壓問題，導致活塞桿與端蓋處出現了漏油現象，并不斷加重，撐靴在保壓情況下每天漏油100 L左右，造成了施工成本浪費及TBM故障率增高。這些油品若不進行妥善處理流到主梁下部的水中，將給現場作業人員身體健康帶來一定的危害，同時主梁下部的水經管道抽送到洞外，流入河水中會對水質造成二次污染。因此，非常有必要進行撐靴油缸更換，以減少成本支出、降低設備故障率、提升設備利用率、保護人員健康、防止污染水質。

2 撐靴油缸更換總體方案

掌子面至后支撐段的圍巖穩定后停機，在撐靴周圍采用YT28風鉆打孔，施作錨桿并焊接在靴板上，將撐靴靴板固定在洞壁兩側[8-10]。用4臺20 t手拉葫蘆將油缸整體吊裝拆卸，拆卸后降落至平板車上，然后用30 t手拉葫蘆旋轉使其平行于隧道洞軸線方向，用25 t機車將油缸及平板車倒運到組裝洞，更換新油缸及耳軸上的關節軸承。更換完畢后將油缸倒運到TBM主梁下方，旋轉與撐靴中線位置對齊，用4臺20 t手拉葫蘆提升，在2 t和3 t手拉葫蘆輔助下將油缸安裝恢復，撐靴油缸整體示意見圖1。

3 吊裝設備選型及安裝

3.1 手拉葫蘆選擇

本文研究的撐靴油缸主要部件參數見表1。

吊裝荷載的計算公式為

式中：Q1為吊裝荷載;Q為設備及索吊具質量總和;K1為動荷載系數，取1.1;K2為不均衡荷載系數，取1.25。

由式（1）的計算結果可知，吊裝荷載為49.1 t，根據市場常用手拉葫蘆參數進行選擇，采用4臺20 t手拉葫蘆進行同步起吊。1個30 t手拉葫蘆輔助2個20 t手拉葫蘆進行旋轉，可滿足作業要求。

3.2 吊裝鋼結構荷載計算

將2根H150型鋼并排上下縫焊接，平行布置3列，和支撐架焊接形成吊裝結構體系，見圖2、圖3。

根據吊裝梁結構分析可知，吊裝過程中的最大受力點在吊點位置，最大受力點應力的計算公式為

式中：σ為最大受力點應力;g為重力加速度;S為吊裝梁結構橫截面面積。

計算得到吊裝梁結構最大受力點的應力為43 MPa，而H150型鋼為Q235型的普通結構鋼，其屈服強度為235 MPa，規范取值為215 MPa，遠大于吊裝梁結構最大受力點的應力，可以滿足施工要求。

3.3 靴板固定方案

（1）錨桿根數計算。TBM撐靴靴板采用Φ22 mm錨桿固定，錨桿分布于撐靴四周且與撐靴的每個接觸面滿焊固定，焊接固定后錨桿與撐靴成為一個受力結構整體，結合其結構形式的受力情況分析，錨桿的破壞主要出現在撐靴與巖面的接觸面處，即以剪切破壞為主，因此影響錨桿破壞的最主要的力學參數為錨桿的極限剪切力。鋼筋極限剪切力計算公式為

式中：T為鋼筋極限剪切力;F為鋼筋極限拉力;σ為鋼筋屈服應力;r為鋼筋半徑。

錨桿數量的計算公式為

式中：n為錨桿根數;G為撐靴總質量。

通過式（5）計算可知，錨桿的數量為3根，取安全系數為1.8時，則所需錨桿數量為6根。為保證撐靴固定之后的穩定性，再增加7根構造錨桿，構造錨桿僅起到穩定撐靴的作用，不考慮其受力狀態，則最終需要的鋼筋總數為13根。

（2）錨固長度的計算。根據《巖土錨桿（索）技術規程》（CECS 22—2005）第7.5.1條規定，錨桿錨固長度可按式（6）進行估算：

式中：La為錨桿錨固長度，m;K為錨桿錨固體的抗拔安全系數;Nt為錨桿或單元錨桿的軸向拉力設計值，kN;D為錨桿錨固段的鉆孔直徑，m;fmg為錨固段注漿體與地層間的黏結強度標準值，kPa。

根據實際參數及規程中對相關參數取值的規定，由式（6）計算可得，錨桿錨固長度不應小于0.92 m。

（3）鋼筋錨固角度計算。由于鋼筋主要承受剪切荷載，因此對鋼筋的錨固角度進行分析。如圖4所示，假設錨桿沿F1方向進行錨固，而錨桿受到的力為撐靴的重力，方向豎直向下，即沿F2方向;假設此時錨桿承受的力F為錨桿的極限拉力，若想讓鋼筋承受的拉力大于其承受的剪切力，則鋼筋錨固角度α為

只有鋼筋錨固角度α小于35.2°時，鋼筋才可能出現受拉破壞。

（4）錨桿極限拉力驗算。由于計算時僅考慮了錨桿的極限剪應力，因此根據上述計算結果，對錨桿的極限拉應力進行驗算。考慮極限狀態，假設所有錨桿均承受拉力，則每根錨桿所承受的拉應力計算公式為

計算得到每根錨桿所承受的拉應力為105.02 MPa，考慮最不利狀態，假設所有錨桿均承受拉力時，每根錨桿所承受的拉應力均小于其設計屈服強度，滿足強度要求。由此可知，在滿足抗剪強度要求后，錨桿的錨固角度對承載能力影響不大[11-13]。

通過上述計算可知，采用直徑為22 mm的鋼筋錨桿13根沿撐靴側面錨固，錨固長度不小于0.92 m，錨固角度大于35.2°，錨桿外露部分與撐靴側面滿焊固定在一起。撐靴靴板與錨桿焊接的位置保證在30 cm以上，焊接厚度不小于錨桿直徑的一半。錨桿與靴板距離較大時，采用氣割將其加熱使其彎曲和靴板接觸，貼在靴板上，彎曲的錨桿在兩側焊接筋板進行加固，靴板鋼筋的具體排布方式如圖5所示。

3.4 斜坡軌延伸方案

因橋架和主梁下部空間有限，故25 t機車和平板車不能直接到達撐靴油缸下面。需要鋪設斜坡軌，才能使平板車抵達主梁下部。斜坡軌按照6%的坡比進行設計，需從后支撐往后12.5 m開始架設鋼枕軌排，軌枕采用2根H型鋼并在一起，合縫處焊接，下部根據軌枕所在位置高度加支腿支撐，見圖6。

4 撐靴油缸的拆卸和運輸

4.1 撐靴油缸的拆卸

撐靴油缸與撐靴連接處拆卸前，必須確保吊梁已完全焊接完畢且無質量問題，撐靴已穩定固定在巖壁上，耳軸的螺栓全部拆卸完畢，手拉葫蘆已受力，在主機室查看扭矩油缸壓力值，扭矩油缸壓力控制在0.5 MPa以內。

（1）撐靴油缸與撐靴分離。扭矩扳手打到額定值拆卸螺栓，若螺栓未動可利用手拉葫蘆調節油缸上下，直至螺栓松動取出。螺栓拆掉后將球頭壓板向油缸方向移動，掛在油缸上（移動前取下調整墊子）。油缸收回時，必須保證對講機信號暢通，且兩端平臺上各有一人觀察，及時喊停。

（2）拆卸扭矩油缸銷子。拆卸扭矩油缸銷子前先將扭矩油缸油管拆卸，利用大錘和千斤頂將銷子取出，用大錘砸時必須墊銅棒，同時利用手拉葫蘆上下調節，以方便取出。

（3）油缸下落到平板上。確保所有油管及連接位置都拆除后，松動手拉葫蘆將油缸往下放。下放過程中專人指揮，確保兩側平衡下落，左右落差不超過10 cm。平板車上墊方木（方木放在旋轉機構上，在油缸落實之前不能接觸到巖壁），油缸必須下落到平板方木上，利用30 t和20 t手拉葫蘆旋轉油缸，使油缸平行于軌線。油缸兩側焊H型鋼固定，并用小型手拉葫蘆鎖緊。

4.2 撐靴油缸的運輸

油缸在橋架和主梁下部的運輸過程中，機車進入后配套在旋轉平板與機頭之間，必須連接3輛平板車。機車下坡時必須時刻注意速度，及時剎車，以免因慣性而失控;上坡時如果機車力量不夠，可借助手拉葫蘆掛在橋架上輔助將其從坡底拉到坡頂。機車離開配套以后可在變軌位置將中間的3節平板摘掉，這樣可以保證機車運行的平穩性。

5 耳軸關節軸承的更換及撐靴油缸的安裝

5.1 耳軸關節軸承的更換

關節軸承拆卸后，將安裝軸承位置清理干凈，抹上抗咬合劑。清理軸承座，在軸承座內圈表面涂抹抗咬合劑，將關節軸承裝進軸承座，軸承外圈與軸承座臺階貼死。利用手拉葫蘆、大錘等工具將軸承座和軸承安裝到耳軸上，然后將軸承內圈貼在耳軸臺階上。

5.2 撐靴油缸的安裝

（1）撐靴運到主梁下部后調整位置，使油缸兩端中心與撐靴中心對齊，掛上吊具，開始起吊。在撐靴油缸提升接近鞍架時觀察耳軸兩端軸承座的位置，利用2 t和3 t手拉葫蘆調節油缸位置，使軸承座對正卡槽，繼續提升撐靴油缸，直到能安裝扭矩油缸銷子為止。

（2）用千斤頂、2 t和3 t手拉葫蘆調節油缸位置，逐個安裝扭矩油缸銷子。然后用手拉葫蘆調節耳軸位置，穿上耳軸所有螺栓后取出螺栓，墊上調整墊再安裝螺栓。

（3）接上撐靴油缸和扭矩油缸的油管，將撐靴油缸伸出，接近撐靴球頭時停止伸出，利用扭矩油缸和千斤頂調節油缸，使球頭對正后再將油缸伸出，直到可安裝球頭蓋板位置。

（4）安裝球頭蓋板，螺栓（調節墊片提前穿在螺栓上）打扭矩，割掉固定撐靴的錨桿，將撐靴油缸收回。

6 更換的重難點分析

由于撐靴油缸整體質量達35.4 t，因此在運輸和旋轉過程中都有極大的風險和安全隱患，是施工的重難點。

6.1 撐靴油缸的運輸風險

由于撐靴油缸與平板車接觸面為圓弧面且超重，因此油缸下落到平板車上時，重心必須在平板車的中心位置，撐靴油缸落到平板車上之后利用方木、小型葫蘆、工字鋼等對其進行固定，固定過程中不可移動油缸。平板車載油缸通過后支撐下部時必須點動前移，避免與后支撐相撞。平板車運輸過程中需專人看護，油缸出現細微的移動時必須停車對其進行調整。機車載油缸運行時，速度不得超過5 km/h，且看護人員必須緊隨車后，離車不能超過5 m。

6.2 撐靴油缸的旋轉

旋轉過程中，油缸受到偏心力，最容易導致油缸重心與平板中心偏離，偏心后會造成平板和油缸傾覆。因此，在旋轉過程中必須利用30 t手拉葫蘆將油缸重力平衡掉，手拉葫蘆的收放由專人指揮，隨時關注鏈條的松緊程度，以免操作不當造成傾覆，手拉葫蘆鏈條的斜度不能超過10°。

7 結 語

受復雜地質條件的影響，嶺南施工段TBM兩側撐靴油缸產生了泄壓問題，進而出現漏油的情況，造成項目施工成本增加及TBM故障率增高，且液壓油流入地下水，造成水質二次污染等。結合洞內現場實際情況研究了撐靴油缸更換的吊裝設備選型及安裝、撐靴油缸的拆卸和運輸、耳軸關節軸承的更換及撐靴油缸的安裝等施工過程，并分析了快速更換修復的重難點及應對方案，對TBM掘進施工過程中減少成本、降低設備故障率、提升設備利用率和工作性能起到了較好的作用，也為洞內狹窄空間條件下撐靴油缸更換、修復提供了參考實例。

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【責任編輯 張華巖】