TBM卡机的原因和对策 - 山西省水利学会.doc

作者：赵第厚&TBM卡机的原因和对策赵第厚（山西水利建筑工程局，太原030006）摘要：某隧洞工程利用TBM进行施工时，由于通过膨胀泥岩地层，出现了TBM卡机现象，严重地影响了施工进度、施工进度、施工质量。文中从地质条件、设备选择和施工现场操作方面分析了发生卡现现象的原因，并提出了解决问题的对策。关键词：双护盾TBM；地质；设备；施工；对策中图分类号：TU621 文献标识码：B某隧洞工程施工中采用TBM通过膨胀泥岩洞段时，由于地质问题和设备问题的存在，造成长期卡机，严重影响了TBM的施工进度、施工质量和施工效益，甚至已对TBM在施工的可行性和TBM的推广应用形成威胁，因此，本文从地质、设备和施工方面剖析问题的实质，希望对今后的TBM施工提供有用的参考。1、地质问题该隧洞工程招标文件中给出的类围岩长度占3.8、类围岩长度占49.6、类围岩长度占25.6、类围岩长度占0.8、1类围岩长度占14.4、2类围岩长度占0.3。实际施工发现，类围岩长度占2.0、类围岩长度占5.4%、类围岩长度占34.1%、类围岩长度占45.8%、1类围岩长度占12.7。特别是在施工中TBM遇到罕见的长距离膨胀泥岩洞段，在进行的28次脱困过程中，地质条件存在明显的膨胀、缩径或崩落现象，现场试验证明存在自重应力和水平构造应力，这种地质条件对TBM施工非常不利。由于施工地质与招标地质相比，地质条件明显恶化，而TBM选型是针对地质条件进行功能和系统能力设计的，国此，地质的偏差对TBM选型所产生的误导，必然对今后的施工产生不良影响。2 设备问题2.1 双护盾TBM简介双护盾TBM主要结构包括：前护盾、支撑护盾和连接前支撑护盾的伸缩护盾。前护盾内有刀盘、刀盘支撑体、刀盘驱动马达、变速箱和主轴承。前护盾与支撑护盾之间的伸缩护盾由水平主推进液压缸连接。支撑护盾内有主支撑系统和辅助推进系统。支撑护盾后管片安装区上有尾护盾与支撑护盾连接。本工程使用的TBM生产厂家技术参数，见表1表1 双护盾TBM主要技术参数表项目名称单位主要技术参数制造厂家德国海瑞克公司（HERRENKNECHT.AG）编号S-301隧洞开挖直径m6.79刀具数量把42刀具规格英寸17刀具承载能力kN267刀盘功率kW2 100，6350刀盘转速rpm08.19刀盘最大扭矩kN.m4 590刀盘脱困扭矩kN.m5 410 刀盘最大推力kN11 214主推进最大推力kN28 150主推进油缸数量个101主推进油缸行程m1.7辅助推进最大推力kN37 165辅助推进油缸数量个102辅助推进油缸行程m2.6管片宽度m1.6TBM质量t6502.2 双护盾TBM施工隧洞受力分析2.2.1 TBM在破碎带或膨胀围岩中掘进计算在破碎带中刀盘所需的转矩时，我们假定刀盘只承受塌方围岩（塌方高度为0.7D即0.7倍的刀盘直径）的土压力。具体受力见图1图-1 刀盘受力分布图图中计算公式根据隧洞采用的TBM进行取值，其中：护盾长度 L = 12.145mTBM主机重量 W = 650t刀盘厚 d= 0.91m（与塌方围岩接触区域）塌方松散体高度 H = 0.7D = 4.8m塌方围岩密度 r= 1.7t/m3内摩擦角 = 35 因此围岩内摩擦系数 刀盘顶部应力 P0 = rH=80kN/m2 刀盘底部应力 P1 = P0+(W/Dd)=89kN/m2 刀盘上部水平应力 P2 = P0K =22kN/m2 刀盘下部水平应力 P3 = (P0+rD)K=25kN/m2 刀盘前平面的摩擦转矩：Tr1Tr1 1 破碎带刀盘与围岩摩擦系数取0.3，则 1 0.3，Tr1 = 577kNm 膨胀岩刀盘与围岩摩擦系数取10.7时Tr1= 2 751 kN.m刀盘周边的摩擦转矩：Tr2Tr2 2Dd 破碎带刀盘与围岩摩擦系数取0.3，则2 0.3， Tr2= 1 068kN.m膨胀围岩摩擦系数取20.7时Tr1= 2 491kN.m在塌方围岩中掘进所需的转矩：Tr3当围岩强度小于10MPa，贯入度为0.8cm/rev（每转0.8cm）时 Tr3 Ptnr m 2691kN.m 式中：Pt 滚刀切向力，KN； n滚刀数量，把； r m安装滚刀的平均半径，m， r m0.3D。TBM在破碎围岩需要的总转矩：Tr Tr1Tr2Tr3 4 336kN.m，如考虑在膨胀围岩总转矩Tr=7 933kN。 由于TBM在膨胀围岩中掘进所需的转矩为Tr 7 933kN.m，而在刀盘低速旋转时TBM实际只具有5 410 kN.m的转矩，所以，造成TBM在膨胀围岩被困而卡机。2.2.2 推力计算TBM所需推力的计算如下：1) 总推力：FsTBM的总推力是滚刀允许承受的荷载（F1）、TBM的滑行推力（F2）以及牵引后配套的力（F3）之和。Fs = F1+F2+F3 2) 刀盘推力：F1 F1可以通过刀盘上所装滚刀的承受荷载来计算，如下所示： F1 = Pdn 式中：Pd 每把滚刀允许承受的极限荷载，为267kN； n 安装的滚刀数量，为42把。因此F1= 26742= 11 214kN3) 滑行推力：F2 F2是TBM总重和前护盾推力与摩擦因数积之和，如下所示： F2（Wf+0.8Ff）9.8 F20.3（6507000.8）3 557kN其中： WfTBM主机总重为650t TBM外表面与隧洞围岩间的摩擦因数取0.3 Ff护盾的推力和为700t （80%的推力用于TBM开挖）4) 后配套的牵引力：F3 F3是后配套总重与牵引摩擦因数的积，如下所示： F3Wb9.8 F30.28009.81 568kN其中：Wb后配套总重为800t 牵引摩擦因数取0.25) 所需的牵引力和：FsFs F1+F2+F3 11 2143 5571 56816 339kN另外，TBM主推进的有效推力为28 150kN，辅助推进的有效推力为37 165kN（考虑到TBM倾斜时的垂直分力），因此，本TBM的推力满足掘进要求。2.3 设备小结：通过TBM的受力分析，我们发现：TBM的性能参数是通过地质条件验算得来的，一台好的设备必然是适用某一工程地质条件的设备，本工程频繁卡机与设备选型的不足有很大关系。3 施工问题施工问题突出表现在现场操作、现场调度、施工交通运输、维护保养四个关键环节。3.1 现场操作当地质条件发生变化时。由于操作人员现场控制的能力不等，导致部分操作人员不能及时调整参数（包括扭矩、电流、转速、贯入度、推力等），因而TBM不能在短时间内通过不良地质段而被困。3.2 现场调度由于调度人员不及时了解现场情况或管理不足，导致施工环节脱节而停工。3.3 施工交通运输由于小火车故障、洞内轨道不平整、小火车落道等导致TBM掘进过程不是渣料运输不出，就是无管片，使TBM处于停工等待状态。3.4 维护保养TBM设备日常保养维护不到位，开机运行有故障频发，导致维护时间的无限制延长。4、解决对策4.1 设备对策设备选型：设备选型前必须有详细完整的地质勘察资料，设备的性能指标和技术参数必须符合相应的地质和现场条件。设备改造：一旦设备问题长期制约施工，应选择适当时间和地点进行设备改造或系统维修（一般不推荐）。4.2、施工对策4.2.1、TBM防止卡机施工措施（1）施工中参考施工地质图，对可能发生地质情况作出初步判断；对施工地质图中怀疑的地段，采用必要的超前地质预报，作为施工中的指导，并加强施工期观察；（2）对TBM 电气、液压、机械、轨道系统和灌浆系统（主要指化学灌浆系统）等进行系统维护保养或完善，使TBM以最佳状态通过不良地质洞段；（3）TBM正常工作时，对岩渣的岩性、块度、成分和变化趋势作出判断。运行过程中，TBM精确地纪录下了包括液压推进油缸的实时压强（MPa），主电机的功率参数（kW 或A），以及机头前进速度（mm/min）等。根据掘进时的参数对前方的岩石情况做出的判断；（4）在不良地质段，提前封堵刀盘铲斗的侧进料口，减少出渣量，确保刀盘可自由的活动；（5）采取多种操作模式，防止卡机事件的发生；（6）一旦发生卡机现象，必须马上作出处理措施，防止窝工引起延长的脱困周期；（7）继续落实岗位责任制，使人力资源得到有效的发挥和利用；（8）刀盘扩挖。根据对围岩状况和脱困过程进行分析分析，我们发现目前TBM所处位置的岩石膨胀较快，与TBM的掘进进度处于竞跑状态，为了TBM能通过目前的膨胀地质段，有效延长膨胀围岩膨胀时间，减少卡机机会，采用增大刀盘扩挖半径（R），使TBM在护盾外围岩完全闭合前通过，扩挖尺寸根据不同的双护盾TBM区别对待。4.2.2、TBM脱困处理措施根据我们多次处理脱困的经验，TBM脱困处理的最有效方法为化学灌浆和小导洞开挖。（1）化学灌浆。由于原状围岩（膨胀泥岩）的可灌性差，主要用于对松散围岩的固结，确保机组外围岩的稳定。（2）导洞开挖。脱困导洞分为：从两腰线部位向前、后方开挖；从两侧底部向前方开挖；从护盾上方开挖。其主要目的是为了释放围岩自重应力和水平膨胀应力，根据不同的现场条件可采取不同的开挖方式。作者简介：赵弟厚，男，1968年生，1993年毕业于山西矿业学院，工程师。收稿日期：2008-03-17 修回日期：2008-03-25The Causes of Seizing TBM and CountermeasuresZHAO Di-houAbstract: During the construction of Daban Tunnel Project using TBM,the phenomenon of seizing TBM occured when the tunnel was excavated through the expanded shale statum.This situation seriously effected the construction progress and construction quality.In this paper,the causes of seizing TBM are analyzed from the aspects