史晉華

（山西省水利建筑工程局，山西 太原 030006）

撐靴作為TBM設(shè)備上的發(fā)力點(diǎn)，掘進(jìn)時(shí)為刀盤提供掘進(jìn)推力，并將推力和扭矩的反力傳遞給洞壁，借助球頂鉸均勻地支撐在洞壁上，避免引起集中載荷對洞壁的破壞。但施工過程中由于操作不當(dāng)、地質(zhì)條件不同等原因，導(dǎo)致洞壁出現(xiàn)塌腔；水平油缸和推進(jìn)油缸繼續(xù)工作導(dǎo)致?lián)窝サ袈洹?/p>

1 存在問題

撐靴掉落經(jīng)常出現(xiàn)在掘進(jìn)段圍巖較差的情況下，如軟弱圍巖、破碎圍巖、邊拱塌腔處；對撐靴處塌腔回填、噴混凝土后應(yīng)注意混凝土的等強(qiáng)時(shí)間，確保所噴混凝土具有足夠抗壓強(qiáng)度時(shí)再恢復(fù)掘進(jìn)。

在遼寧重點(diǎn)輸水工程施工掘進(jìn)過程中，TBM4左右撐靴分別掉落。撐靴掉落原因?yàn)椋旱貙悠扑?，洞壁邊拱圍巖硬度不均且局部存在塌陷，巖石所能提供的支撐力不均，在撐靴與圍巖接觸面無法提供有效的摩擦力供主機(jī)向前推進(jìn)，操作手繼續(xù)向外伸出推進(jìn)油缸，主機(jī)受力形式由以撐靴鞍架部分為支點(diǎn)推動刀盤改變?yōu)橐缘侗P為支點(diǎn)將撐靴鞍架部分向掘進(jìn)反方向推進(jìn)。此時(shí)水平油缸與撐靴緊密連接，水平油缸與撐靴連接處螺栓將承受巨大剪切力。該剪切力達(dá)到一定數(shù)量級螺栓將被剪斷，進(jìn)而撐靴掉落。

2 處理方案

2.1 事故發(fā)生后的應(yīng)急反應(yīng)

撐靴出現(xiàn)掉落事故時(shí)，首先要繼續(xù)伸出水平油缸，使掉落的撐靴通過與洞壁的摩擦力暫時(shí)被固定在洞壁上。

2.2 維持撐靴不掉落洞底

采用焊接鋼架的方法，通過水平油缸持續(xù)將撐靴壓在洞壁上，同時(shí)進(jìn)行支撐架的安裝與焊接。當(dāng)支撐架焊接完畢后，可通過鋼絲繩將撐靴上各吊點(diǎn)吊起，縮回水平油缸，靠鋼絲繩的拉力確保撐靴定位。

另外，為確保撐靴暫時(shí)壓在洞壁上，施工人員需緊急調(diào)配沙子20～30m3，將沙子堆放在撐靴下方，形成一個(gè)與水平面夾角約45°～60°的斜坡，斜坡頂端位于撐靴下端，可逐步縮回水平油缸，讓撐靴滑落在斜坡上，撐靴底部支撐在土坡上，面板斜靠在洞壁，使撐靴重心處于較高位置，為再次安裝提供便利。

2.3 支撐架安裝與焊接

2.3.1 材料與工具選擇

與普通工字鋼和輕型工字鋼相比，H型鋼具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、自重輕、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，建議支撐骨架選用175 mm×175 mm的HW寬翼緣H型鋼，單根長度在0.5～2m之間，數(shù)量根據(jù)現(xiàn)場需要而定。

隧洞內(nèi)濕度大，焊接質(zhì)量直接影響撐靴起吊過程。作為起吊支撐的受力結(jié)構(gòu)，支撐架承受的彎矩與扭矩巨大。結(jié)507（E5015）作為堿性低氫鈉焊條，抗拉強(qiáng)度比E4315（J427）普通焊條大得多，其低氫性可有效避免因洞內(nèi)濕度過大導(dǎo)致的焊接質(zhì)量下降。建議選用結(jié)507（E5015）焊條焊接支撐架。起吊軟連接可選用工業(yè)用起重鏈條、鋼絲繩等。考慮到起吊過程中拉力并非全部與重力同向，因此起吊工具可選用起吊重量20 t，10 t的手動葫蘆各2個(gè)，共60 t。該工程所用TBM撐靴重量約22 t，60 t起吊能力可將其吊起。

2.3.2 三角型支撐架

當(dāng)TBM通過段架設(shè)鋼拱架時(shí)，可借助鋼拱架提供支持力，將工字鋼焊接在拱架及鞍架上方，并形成一個(gè)三角形，頂角約30°便可提供較大剛性。

2.3.3 水平支撐架

撐靴突然掉落時(shí)，如該處無鋼拱架可借力支撐，則可直接在鞍架上方焊接水平支撐架做吊點(diǎn)。

2.3.4 焊接過程注意事項(xiàng)

由于隧洞內(nèi)空氣濕度大，應(yīng)防止焊接質(zhì)量不合格導(dǎo)致焊縫裂紋。因此，焊接前焊條須經(jīng)300～350℃烘焙1 h，型鋼焊接部位需經(jīng)100～120℃烘烤20 min，以便將焊條與型鋼內(nèi)氫的成分充分釋放；焊接前須打磨清理型鋼表面的鐵銹、油污等雜質(zhì)，以防其影響焊接質(zhì)量；焊接時(shí)須用短弧操作，以多道窄焊為宜。

2.4 撐靴重裝

2.4.1 取出斷裂螺栓方法

在TBM撐靴時(shí)，其連接螺栓已斷裂。當(dāng)斷裂的螺栓無法取出或采用錯誤的方法強(qiáng)行取出時(shí)，螺栓孔的絲扣將損壞，嚴(yán)重影響撐靴再次安裝質(zhì)量。為此建議采用以下三種方法。

反絲錐法：首先在斷裂螺栓中心鉆取直徑8 mm的左右光孔，再使用直徑為螺栓直徑50%～70%的反絲錐擴(kuò)孔，擴(kuò)孔后使用反向螺紋螺栓擰入其中。當(dāng)撐靴連接螺栓斷裂后，其原始緊固作用力已有部分釋放，因此斷裂的螺栓會隨著反絲螺栓的逐步緊固而逐漸松動，并最終從螺栓孔中取出。該方法需準(zhǔn)備相應(yīng)的絲錐、螺栓、擰螺紋的技術(shù)工人，洞外應(yīng)長期準(zhǔn)備相應(yīng)的備品備件。當(dāng)螺栓施加的原始扭矩較大時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)反錐螺栓被擰斷卻仍無法取出斷裂螺栓的情況，可改用其他方法。

點(diǎn)焊鋼筋法和磁力鉆法：當(dāng)斷裂螺栓所施加的預(yù)應(yīng)力較大時(shí)，可取一臺磁力鉆機(jī)，根據(jù)斷裂螺栓直徑選取相應(yīng)的鉆頭。其工作原理為：通電后磁力鉆底部變化的電流產(chǎn)生磁場，可吸附在撐靴結(jié)構(gòu)上，磁力鉆電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)帶動鉆頭，實(shí)現(xiàn)對斷裂螺栓鉆孔。鉆孔結(jié)束后，斷裂螺栓僅剩一環(huán)形外圈，用鐵錘適度敲擊可使其從螺栓孔中脫落。

2.4.2 安裝工序

首先使用兩個(gè)10 t手動葫蘆分別將球帽端蓋與球座吊至水平油缸位置，使用兩個(gè)20 t手動葫蘆將掉落的撐靴吊起至水平油缸位置，起吊過程中撐靴與推進(jìn)油缸相連。其次將球帽端蓋貼緊水平油缸，將球座緊固在水平油缸上。最后通過螺栓將墊片及球帽端蓋與撐靴裝配在一起。

2.4.3 撐靴部位圍巖加固

一般情況下，撐靴掉落時(shí)常有塌腔出現(xiàn)，撐靴安裝后無法為其提供有效的支撐反力，這時(shí)應(yīng)對撐靴部位圍巖進(jìn)行加固處理，以便撐靴安裝后設(shè)備可通過該段地層。取3 mm厚鋼板若干，貼于洞壁表面封住塌腔，并將鋼板與鋼拱架焊接在一起。取12～16 mm鋼筋若干，將鋼筋兩頭分別焊在兩榀鋼拱架上，將鋼板封在洞壁上。鋼板固定完畢后，向其內(nèi)部澆筑摻有速凝劑的混凝土直至塌腔被填滿。之后等強(qiáng)28 h，待混凝土初凝具備提供支持反力條件后，設(shè)備即可開始掘進(jìn)。

2.5 安裝后掘進(jìn)

在掘進(jìn)過程中，推力應(yīng)控制在8000 kN以下，撐靴壓力控制在200 bar以下，確保撐靴可為設(shè)備掘進(jìn)提供前進(jìn)的推力，即刀盤可破巖掘進(jìn)，然后設(shè)備緩慢通過該地段。

2.6 洞壁邊拱預(yù)處理方法

鋼拱架支護(hù)能在隧洞開挖初期提供拱形應(yīng)力支護(hù)，控制破碎圍巖過大變形。但TBM施工過程中，兩榀拱架之間仍有900 mm距離，此間圍巖無任何保護(hù)及約束，撐靴撐住洞壁時(shí)圍巖無法為其提供足夠反作用力，若撐靴進(jìn)一步外伸，將導(dǎo)致已安裝拱架被壓變形，拱架水平方向直徑變大，豎直方向直徑變小，形成橢圓形鋼環(huán)。導(dǎo)致拱架對圍巖的支護(hù)能力減弱，甚至由于頂部拱架下榻、圍巖應(yīng)力釋放導(dǎo)致頂部出現(xiàn)小范圍塌方。因此，應(yīng)在隧洞圍巖被開挖成洞初期（即圍巖剛出護(hù)盾時(shí)），在洞壁水平線±45°范圍內(nèi)進(jìn)行有效支護(hù)，將軟弱、破碎處局部或大面積封閉。頂拱與邊拱的封閉可為圍巖提供有限的約束反力并激發(fā)其自身承載能力。具體做法如下：

第一，取寬900 mm，厚2～3 mm的鋼板數(shù)片，將其焊接在護(hù)盾后部新拼接的兩榀鋼拱架之間，其長度由圍巖破碎帶范圍決定。

第二，鋼板焊接完成后，取5～6根900 mm長鋼筋，將鋼筋兩端分別焊接在兩榀鋼拱架上，鋼板封在兩榀拱架之間。

第三，根據(jù)圍巖破碎程度，可選擇性向鋼板與洞壁間澆筑加入早強(qiáng)劑和速凝劑的混凝土，混凝土等強(qiáng)后開始小推力掘進(jìn)。

3 結(jié)論

通過以上分析可以看出，在撐靴掉落的處理上，施工單位應(yīng)做到響應(yīng)及時(shí)、措施正確，在短時(shí)間內(nèi)完成撐靴的復(fù)位工作。與此同時(shí)，應(yīng)注重破碎地層的掘進(jìn)參數(shù)控制，做好撐靴部位的觀測工作，力爭做到提前預(yù)防、提前處理，防患于未然。