黃文鵬

(中鐵隧道股份有限公司，鄭州 450001)

0 引言

在特長硬巖隧洞工程中，TBM法具有其他施工方法無可替代的優(yōu)越性。工程實(shí)踐表明，TBM法具有掘進(jìn)速度快、工作效率高、施工安全性好、施工作業(yè)環(huán)境好和隧道成型好等優(yōu)點(diǎn)。國內(nèi)有關(guān)專家學(xué)者對(duì)硬巖TBM施工技術(shù)進(jìn)行了研究［1］，對(duì)硬巖TBM掘進(jìn)與管理［2］，破巖刀具管理［3］、磨損失效［4］與受力分析［5］，刀具的質(zhì)量控制、維修［6］和刀具異常磨損識(shí)別分析［7］等分別提出了相應(yīng)的觀點(diǎn)和見解。在長大隧道施工通過圍巖破碎帶等特殊地質(zhì)段時(shí)，TBM由于受自身設(shè)計(jì)的限制，往往會(huì)出現(xiàn)不適宜的情況［8］。張學(xué)軍等［9］、鄧青力［10］分別提出了軟弱圍巖和節(jié)理密集帶圍巖TBM施工技術(shù)。

TBM在圍巖自身強(qiáng)度高且節(jié)理發(fā)育密集的圍巖破碎帶施工時(shí)，由于受圍巖節(jié)理的影響，巖體整體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，垮落大量大塊巖石。對(duì)TBM在該圍巖段施工的刀盤刀具損壞以及采取的應(yīng)對(duì)保護(hù)措施的研究相對(duì)較少。目前，正在施工的吐庫二線中天山鐵路特長隧道，采用敞開式硬巖掘進(jìn)機(jī)TB880E施工。中天山隧道地質(zhì)復(fù)雜，通過多種圍巖地質(zhì)段，其中TBM累計(jì)穿越花崗巖地段節(jié)理密集破碎帶4條，石英眼脈發(fā)育的砂巖夾片巖節(jié)理密集破碎帶1條。在TBM穿越節(jié)理密集破碎帶施工中，TBM刀盤刀具損壞概率大大超出一般地質(zhì)段，成為嚴(yán)重制約TBM施工生產(chǎn)進(jìn)度和增加施工成本的主要因素之一。針對(duì)TBM刀盤刀具損壞問題，施工現(xiàn)場及時(shí)分析和總結(jié)，并在施工過程中采取相應(yīng)的措施，取得了良好的效果。

1 中天山特長隧道節(jié)理密集帶巖性特征

1.1 花崗巖節(jié)理密集地段巖性特征

花崗巖節(jié)理密集地段圍巖軟硬不均，抗壓強(qiáng)度為90～134 MPa，節(jié)理十分發(fā)育，自身穩(wěn)定性較差，地應(yīng)力環(huán)境較復(fù)雜，主應(yīng)力方向與隧道軸線方向基本一致，巖石易發(fā)生塌落，掘進(jìn)巖面凹凸不平。掘進(jìn)過程中表現(xiàn)為刀盤推力較小，刀具接觸巖面時(shí)，掘進(jìn)巖面容易失穩(wěn)垮塌，刀盤底部積碴量大且?guī)r石粒徑較大(見圖1)。

圖1 刀盤前面的花崗巖石塊Fig.1 Granite blocks in front of cutter head

1.2 石英眼脈發(fā)育的砂巖夾片巖節(jié)理密集地段

與花崗巖節(jié)理密集地段圍巖類似，石英眼脈發(fā)育的砂巖夾片巖節(jié)理密集地段圍巖軟硬不均，抗壓強(qiáng)度為60～178 MPa，節(jié)理十分發(fā)育，自身的穩(wěn)定性較差，掌子面塊狀崩石嚴(yán)重，巖石易發(fā)生塌落 (如圖2所示)。

圖2 刀盤前面的砂巖片巖石塊Fig.2 Sandstone and schist stone blocks in front of cutter head

2 TBM破巖掘進(jìn)原理

目前隧道使用的TBM硬巖掘進(jìn)機(jī)，其基本破巖原理是主機(jī)將推進(jìn)力和旋轉(zhuǎn)力矩通過刀盤，傳遞到安裝在刀盤上的盤形破巖滾刀，破巖滾刀的刀刃擠壓巖體，擠壓強(qiáng)度超過巖石自身強(qiáng)度而被壓碎、破裂進(jìn)行破巖，刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行掘進(jìn)和出碴，破碎的巖石通過刀盤周邊出碴刮刀進(jìn)入刀盤碴倉，碴倉內(nèi)的碴料再由皮帶機(jī)輸送至碴車或洞外。TBM集掘進(jìn)、出碴、支護(hù)于一體，是一種新型先進(jìn)的隧道施工機(jī)械。

3 TBM刀盤破巖刀具種類和布局

中天山鐵路特長隧道采用TB880E全斷面敞開式硬巖掘進(jìn)機(jī)，刀盤直徑為8 800 mm，共有62把正滾刀、6把中心刀、3把邊刀和2把擴(kuò)孔刀(合計(jì)73把)，采用定軸式17″盤形滾刀;另有刀盤出碴刮刀8組，正面齒刀4組(見圖3)。

圖3 TB880E刀盤Fig.3 Cutter head of TB880E TBM

4 TBM刀盤刀具損壞形式和主要原因

由節(jié)理密集帶巖性特征可知，TBM在該地質(zhì)段施工時(shí)，大量大塊巖石從掘進(jìn)巖面垮落。在垮落過程中，一方面大塊巖石直接撞擊破巖滾刀和刀盤面板;另一方面由于圍巖自身抗壓強(qiáng)度較高，掘進(jìn)巖面垮落的巖石不易破碎，巖石在滑落過程及刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，在刀盤和巖面之間將發(fā)生大量的二次撞擊，會(huì)直接造成刀具螺栓失效和其他形式的刀具損壞。另外，由于垮落的巖石受力易滾動(dòng)，破碎效率較低，塊狀巖石不能及時(shí)被破巖刀具破碎，大量堆積到刀盤底部;同時(shí)由于刀盤刮碴口空間的限制，刀盤底部的巖石不能及時(shí)被刀盤出碴刮刀刮進(jìn)碴倉并輸送至刀盤外，大量石塊繼續(xù)堆積在刀盤底部，重復(fù)沖擊刀盤刀具和碴倉刮刀，使刀盤刀具損壞加劇。TBM刀盤刀具損壞形式主要有以下幾個(gè)方面。

4.1 刀盤面板磨損、變形和破損

TBM刀盤面板在掘進(jìn)過程中受到刀盤前面大石塊的直接擠壓、碰撞沖擊和摩擦，導(dǎo)致刀盤磨損、變形和破損(見圖4)。

4.2 破巖滾刀損壞形式

在節(jié)理密集帶，破巖滾刀直接面對(duì)刀盤前方垮落的石塊，由于石塊對(duì)其撞擊和沖擊，失效形式和其他圍巖段一樣。主要表現(xiàn)為刀具漏油，刀具軸承損壞，刀圈弦磨，刀具擋圈脫落，刀圈斷裂，刀圈移位，刀體砸壞變形，刀體端蓋磨損，刀具螺栓松、掉、斷等(見圖5)。TBM在正常圍巖段掘進(jìn)時(shí)，這種刀具非正常失效比例占所有失效刀具的10%以下，而在這種節(jié)理密集帶巖性下，破巖刀具非正常失效比例可達(dá)60%～70%，給TBM施工造成嚴(yán)重的損失，必須予以重視。

4.3 刀孔磨損、裂紋

由于巖面石塊較多，破巖滾刀刀孔受到大塊巖石的撞擊、摩擦和擠壓，磨損加劇，過大的沖擊外力和振動(dòng)致使刀孔磨損開裂。

4.4 破巖滾刀安裝母座擠壓變形

刀盤前方石塊對(duì)刀具的沖擊力和擠壓力經(jīng)刀具傳遞到刀具安裝母座，使刀具安裝母座擠壓變形概率增加;特別是高刀號(hào)刀位，刀具線速度比較高，受到的沖擊力和振動(dòng)較大，破巖刀具安裝母座的變形尤為嚴(yán)重(見圖6)。

4.5 刮碴刮刀變形和脫落

刀盤前面大塊巖石的撞擊力超出刮刀連接螺栓的自身強(qiáng)度時(shí)，刮刀連接螺栓斷裂失效，致使刮刀受力不均，最終導(dǎo)致刮刀變形或脫落。這種情況發(fā)生概率較大，嚴(yán)重影響刀盤出碴效率。如果發(fā)現(xiàn)或處理不及時(shí)，刀盤刀具損壞會(huì)加劇，可導(dǎo)致刮刀安裝座嚴(yán)重磨損或脫落，不能再安裝碴倉刮刀，致使刀盤出碴效率較低及功能嚴(yán)重喪失，也給刀盤修復(fù)帶來困難。

4.6 刮碴刮刀安裝座變形、磨損和斷落

刮刀受到巖石沖擊力過大或者刮刀脫落沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)或處理，會(huì)直接導(dǎo)致刮刀安裝座嚴(yán)重磨損或斷裂脫落 (見圖7)，碴倉刮刀徹底失效，致使刀盤出碴效率較低及功能嚴(yán)重喪失，刀盤前面大塊巖石堆積更多，刀盤工作環(huán)境狀況進(jìn)一步惡化，刀盤刀具損壞更加嚴(yán)重。

4.7 刀盤碴倉磨損、裂紋和破損

經(jīng)刮碴刮刀進(jìn)入碴倉的大石塊對(duì)刀盤碴倉進(jìn)行撞擊，同時(shí)刀盤前方的石塊對(duì)刀盤面板產(chǎn)生的沖擊力和振動(dòng)也傳遞到碴倉，另外碴倉和碴斗之間的工作間隙較容易被石塊卡住，綜合各因素會(huì)導(dǎo)致碴倉磨損、開裂和破損(見圖8)。

4.8 刀盤左側(cè)護(hù)盾破損

刀盤刮刀刮碴時(shí)，石塊撞擊、擠壓和摩擦左側(cè)護(hù)盾，造成左側(cè)護(hù)盾損壞(見圖9)。

圖9 損壞的側(cè)護(hù)盾Fig.9 Damaged side shield

5 施工現(xiàn)場采取的防護(hù)和改進(jìn)措施

綜上所述，刀盤刀具各種形式損壞的直接原因是節(jié)理密集帶垮落的大塊巖石對(duì)刀具的撞擊和沖擊?，F(xiàn)場施工所采取的防護(hù)和改進(jìn)措施可從以下方面考慮: 1)從地質(zhì)方面采取切實(shí)可行的措施穩(wěn)固圍巖，防止或減少掘進(jìn)巖面大塊巖石垮落;2)在TBM掘進(jìn)過程中根據(jù)圍巖情況合理選擇掘進(jìn)參數(shù)，以減小巖石對(duì)TBM刀盤和刀具的沖擊和損壞;3)防護(hù)和改進(jìn)刀盤刀具，提高其抵抗沖擊力和磨損的強(qiáng)度，延緩失效時(shí)間。

5.1 注漿固結(jié)節(jié)理密集帶圍巖

結(jié)合施工現(xiàn)場實(shí)際情況，采用新型聚氨酯化學(xué)漿液對(duì)刀盤前方未掘進(jìn)圍巖進(jìn)行注漿，固化圍巖，每循環(huán)可固結(jié)1.5～3 m，并取得了良好的效果［10］。

5.2 選擇合理的掘進(jìn)參數(shù)

TBM在節(jié)理密集帶掘進(jìn)時(shí)，為減小刀盤對(duì)圍巖的擾動(dòng)和減輕刀盤前方巖石對(duì)刀盤和破巖刀具的沖擊，掘進(jìn)時(shí)必須合理選擇TBM掘進(jìn)參數(shù)。結(jié)合中天山TBM和掘進(jìn)時(shí)實(shí)際圍巖情況，選擇低轉(zhuǎn)速、低推力和低扭矩的刀盤(轉(zhuǎn)速約為2.7 r/min，推力為6～12 MPa，扭矩不大于50%額定扭矩)。另外，在掘進(jìn)時(shí)，TBM主操作司機(jī)可將頂護(hù)盾及側(cè)護(hù)盾油缸撐出，壓力撐至5 MPa左右，使護(hù)盾與洞壁保持浮動(dòng)支撐，這樣可大大減小振動(dòng)，降低扭矩峰值，減小刀盤刀具所受沖擊力并減少刀盤刀具異常損壞。

5.3 弱爆破刀盤前面垮落巖石

見圖10。

圖10 爆破刀盤前方巖石Fig.10 Blasting fragmentation of rocks in front of cutter head

根據(jù)刀盤前方現(xiàn)場圍巖，對(duì)較大巖石進(jìn)行弱爆破或人工清理，減少或避免大塊巖石對(duì)刀盤和道具的損壞。在爆破刀盤前方巖石時(shí)，應(yīng)采用弱爆破，控制好裝藥量，并對(duì)刀盤刀具進(jìn)行防護(hù)，防止爆破時(shí)飛石砸傷刀盤刀具。

5.4 改進(jìn)出碴刮刀

為提高出碴刮刀的整體強(qiáng)度，避免刮刀過早失效，結(jié)合圍巖實(shí)際情況，可把2號(hào)和3號(hào)刮刀或1，2，3號(hào)刮刀用40 mm耐磨鋼板做成合體刮刀，以提高抵抗巖石的沖擊強(qiáng)度(見圖11)。

5.5 修復(fù)刮刀座并進(jìn)行加固

見圖12。

為提高刮刀抵抗巖石沖擊的能力，采用30 mm耐磨鋼板修復(fù)刮刀座;為提高刮刀座強(qiáng)度，采用40 mm耐磨鋼板加固刀座筋板。

5.6 修復(fù)和加固刀盤面板、刀孔護(hù)圈

用30 mm耐磨鋼板對(duì)刀盤面板進(jìn)行修復(fù)和加固，提高面板強(qiáng)度;用40 mm耐磨鋼板切割成圓弧形護(hù)圈，對(duì)刀孔護(hù)圈進(jìn)行加固，保護(hù)刀孔和面板免遭損壞(見圖13)。

5.7 焊接修復(fù)刀孔裂紋

發(fā)現(xiàn)刀孔裂紋，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行焊接修復(fù)(見圖14)，避免裂紋進(jìn)一步擴(kuò)大，影響刀具和刀盤受力結(jié)構(gòu)。

5.8 修復(fù)和加固刀盤碴倉和側(cè)護(hù)盾

碴倉出口主筋板不僅起到輸碴作用，而且要傳遞驅(qū)動(dòng)刀盤的推力和扭矩，對(duì)刀盤的結(jié)構(gòu)也起到很重要的作用，采用100 mm耐磨鋼板進(jìn)行修復(fù)加固。碴倉隔板受大石塊沖擊，變形比較嚴(yán)重，采用20 mm的耐磨鋼板和三角筋板對(duì)碴倉隔板背面進(jìn)行加固，采用30 mm耐磨鋼板對(duì)側(cè)護(hù)盾進(jìn)行修復(fù)，確保刀盤碴倉結(jié)構(gòu)穩(wěn)固和出碴效果(見圖15)。

5.9 減少、延緩破巖刀具損壞的措施

破巖刀具失效的形式較多，原因比較復(fù)雜，在普通地質(zhì)條件下減少、延緩破巖刀具損壞的措施比較全面［2－7］。針對(duì)上述節(jié)理密集帶巖性地質(zhì)，刀具損壞的直接原因相對(duì)比較簡單。為減少刀具的損壞，可從以下2個(gè)方面考慮:1)對(duì)節(jié)理密集帶地質(zhì)進(jìn)行注漿加固，減少大塊巖石出現(xiàn)的概率;2)從刀具本身著手，提高刀具抵抗巖石撞擊和沖擊能力，并對(duì)刀具進(jìn)行適當(dāng)保護(hù)。

5.9.1 定制采購專用刀具和刀具配件

目前，市場上刀具生產(chǎn)廠家較多，不同質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的刀具適應(yīng)于不同類型的地質(zhì)條件［11］。對(duì)于節(jié)理密集帶地質(zhì)，巖石對(duì)刀具的沖擊力較大，定制采購抗斷裂性刀具，以提高刀具抵抗沖擊的能力，延緩失效;另外，采用加厚刀圈，提高刀圈韌性和刀體強(qiáng)度，從而提高刀具耐受沖擊損壞的能力，對(duì)延緩刀具失效也起到了一定的作用。

5.9.2 加固刀孔護(hù)圈

采用40 mm耐磨鋼板對(duì)刀孔護(hù)圈進(jìn)行加固，提高刀孔護(hù)圈對(duì)破巖刀具的保護(hù)能力(見圖16)。

圖16 加固后的刀孔護(hù)圈Fig.16 Reinforced cutter hole ring

5.9.3 提高刀具與安裝母座的安裝質(zhì)量

由于刀具安裝母座受沖擊力和振動(dòng)的影響，存在不同程度的擠壓塑性變形，特別是刀盤周邊的高刀號(hào)刀位的安裝母座尤為嚴(yán)重，致使刀具不能很好地與安裝母座貼合，安裝質(zhì)量不佳，刀具抵抗外界沖擊的能力嚴(yán)重下降，導(dǎo)致刀具提前失效。對(duì)于塑性變形較大的刀具母座，可進(jìn)行修復(fù);對(duì)于塑性變形不大的刀具母座，安裝刀具時(shí)，根據(jù)變形不同情況，增設(shè)匹配厚度的母座墊片(見圖17)。母座墊片是非標(biāo)件，需要委外定制加工，確保刀具安裝質(zhì)量。

5.9.4 刀盤上適當(dāng)增加過渡刀安裝數(shù)量

節(jié)理密集段施工時(shí)，圍巖整體強(qiáng)度較低，巖體松散，刀具接觸巖面，巖面就自行垮落，刀盤推力較小。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，在容易導(dǎo)致刀具失效刀盤部位，安設(shè)磨損量20 mm左右的過渡破巖滾刀代替新滾刀，減小刀具刀刃被巖石沖擊的面積和提高刀具抵抗沖擊能力，延緩刀具失效。

圖17 刀具安裝母座墊片F(xiàn)ig.17 Cushion of cutting tool installation seat

6 結(jié)論與建議

針對(duì)上述節(jié)理密集帶地質(zhì)巖性特征和該地質(zhì)巖石對(duì)TBM刀盤損壞形式，對(duì)TBM施工刀盤刀具進(jìn)行了加固和改進(jìn)，經(jīng)過在南疆鐵路吐庫二線中天山鐵路隧道現(xiàn)場施工實(shí)踐證明，能有效地減少和延緩TBM刀盤刀具的損壞，提高TBM利用率。

隨著特長特大隧道的建設(shè)，硬巖TBM的應(yīng)用越來越廣泛，但是目前TBM還不能很好地應(yīng)對(duì)巖性較硬的節(jié)理密集帶等不良地質(zhì)，作業(yè)效率還不高。如何更深層次地解決此類問題，提高硬巖TBM應(yīng)對(duì)不同圍巖地質(zhì)的能力，克服TBM施工的局限性，提高TBM綜合功效，是TBM施工業(yè)內(nèi)專家值得調(diào)研的問題。

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