TBM施工中刀盘损坏现象与维修

TBM施工中刀盘损坏现象与维修

刘双1  崔东2

中国水利水电第三工程局有限公司  陕西 西安 71000

摘要：在刀盘中，TBM是非常重要的核心部件，它直接作用在岩体，承受着推力和扭矩，在掘进过程的局部受力、开挖岩石的多变强度以及主机的振动等原因将会导致刀盘产生不同程度的损坏，导致掘进速度降低，影响施工进度，增加施工成本。本文就TBM施工中刀盘损坏现象与维修进行研究，以供参考。

关键词：TBM刀盘；刀盘损坏；刀盘维修

引言

随着我国经济的不断发展，TBM在地下工程掘进的使用日益增加，伴随TBM的故障问题也日益凸显，业界专家对TBM综合技术开展了有针对性的研究。

1TBM施工风险

根据经验总结，TBM施工风险包含3方面即不良地质的风险、TBM设备配置不足的风险、人的不稳定因素。控制TBM施工风险的原则：探明地质并吃透、摸准是基础；TBM设备配置是关键；队伍的经验及处置突发的能力是根本，从地勘资料入手—规避地质风险；从TBM选型设计出发—规避设备配置不足的风险；从过程管理抓—规避队伍（人）的风险。

2敞开式ＴＢＭ常见故障检修

2.1泵噪声大

（1）由吸油管堵塞导致吸真空引起的故障，采取拆下吸油管检查畅通，处理掉堵塞物的方法。（2）由过滤器堵塞导致的故障，采取更换指定型号的新滤芯的方法。（3）由空气滤清器堵塞导致的故障，采取更换空气滤清器的方法。（4）由泵体进入铁屑等杂质，泵内部结构损坏的故障，采取泵体解体检查，更换损坏件的方法。（5）由吸油口球阀关闭导致的故障，采取打开吸油口球阀的方法。（6）由主控室显示润滑油液位低报警导致的故障，采取泵立即关闭，给主驱动加ＩＳＯＶＧ680到合适液位的方法。

2.2收缩挤压地层与对策

收缩挤压地层的成因：隧洞掘进中，在软弱地层中隧洞上层覆土的压力或在高地应力地层中压力释放迫使隧洞围岩相互挤压收缩导致隧洞断面尺寸减小。TBM施工影响：施加于刀盘/护盾上的压力会导致TBM卡机。同时，衬砌支护所承受的外载荷会导致隧道结构的变形开裂、漏水等。

2.3TBM刀盘寿命预测及参数影响

可以在FRANC3D软件中继续进行裂纹扩展求得循环次数与裂纹扩展量的分布曲线，在刀盘裂纹扩展量达到裂纹临界尺寸后可进行空间多点分布载荷下的裂纹扩展寿命预测。基于上述技术路线，结构有限元分析方法，数值模拟方法，断裂力学及疲劳损伤等技术手段，对刀盘子模型中疲劳裂纹扩展及寿命进行分析预测，其整体思路概括如下：首先，利用ABAQUS有限元软件对于刀盘滚刀进行分析作为刀盘的外部载荷激励，接着对于刀盘进行静力学分析求解刀盘正常载荷时较薄弱位置，提取刀盘子模型，在子模型中引入初始裂纹，利用FRANC3D软件进行裂纹扩展分析，得到扩展到临界裂纹尺寸时的循环次数，后对刀盘寿命进行预测。

3刀盘修复方法

3.1TBM配置、功能选型措施

1）TBM设备选型遵循下列原则：①设备能满足围岩类别、岩石强度、埋深等地质要求；②设备能满足施工场地、道路运输条件、供水、供电条件；③满足隧洞施工安全、质量、工期的要求，机械设备及配套应尽量做到安全性、可靠性、先进性、经济性相统一；④后配套设备主机掘进速度相匹配，同时应具有施工安全、结构简单、布置合理和易于维护等。2）工厂设计制造阶段的要求：根据围岩特性考虑刀盘、盾体等适应性关键设计（结构、刚度、开挖、支护、出碴）；不良地质段TBM设备的适应性；超前钻探、地质预报搭载设计。

3.2刀盘修复

为了恢复刀盘性能，对压溃5mm以上的刀座进行修复，开裂的刀盘结构进行打磨处理后重新焊接，补齐缺失的刀座赛板和保护块。（1）刀座部分。1#3#、2#4#中心刀座更换，刀座取出后，发现刀箱四处直角位置发现3处裂纹，长约10mm，深5mm，修复后打磨平整；修复压溃的44处刀座承载面。（2）刀盘体部分。内外刀座板焊缝开裂修复，刀座外侧支撑板焊缝开裂修复，背板裂纹修复，支撑板与背板接触处开裂修复。（3）铲斗部分。铲斗大圆环、后锥板开裂修复；铲刀座焊缝开裂：掉落格栅换新补齐。（4）耐磨组件部分。刀座位置刀座保护块均磨损严重，上层复合耐磨板均已局部缺失，下层handox板磨掉肉严重，均堆焊后堆耐磨处理，上层耐磨板缺失位置均耐磨网格处理。

3.3刀盘裂纹寿命预测及改进

将利用本文提出的方案进行寿命预测，依据工程实例中的外部激励和地质条件作为边界条件，这里依据第四章的寿命预测流程，假设寿命预测中初始裂纹和本文一致。

3.4TBM设备在断层破碎带的风险对策

1）刀盘：刀盘暴露长度短，减轻刀盘对围岩的扰动，进渣口尺寸（轴向、径向）控制，防止大量破碎块涌入，堵塞、卡住皮带机。2）接地比压：减小撑靴最大接地比压、减小底护盾最大接地比压、顶护盾及侧护盾可伸缩。选择推进支撑系统参数时考虑最大推进力、最大撑靴力、撑靴接力比压、底护盾接地比压。3）增强辅助配置：盾体钢筋排支护系统、L1区锚杆钻机、前置混凝土喷射及钢拱架、钢瓦片安装机，应急潮喷，配置喷锚料反弹收集装置减少清渣工作量、超前管棚钻机配置及盾体水平孔的预留设计。

3.5主驱动故障检修

主驱动系统故障主要是因有坚硬污染物质进入主驱动密封接触面，密封系统会发生磨损，从而导致主驱动系统损坏。针对该故障，检修方法如下：（1）首先检查前密封条，使用钢尺来估测磨损沟槽的深度，如存在0.4～0.5ｍｍ的沟槽，应轴向调整耐磨条表面位置。（2）移除并替换顶丝孔紧固件，向前平移耐磨条表面5ｍｍ，从而调整表面的轴位置。（3）滑动表面轴调整完成后，安装垫片并拧紧紧固件，通过刀盘后部的窗口可以打开挡环和顶升螺栓。如果需要，耐磨条表面可被多次调整定位以延长系统寿命。如前密封条磨损严重且密封条能够在不拆卸刀盘的前提下原位更换，则移除刀盘防尘盾及密封挡环露出前密封条，然后更换前密封条。

3.6人为措施对策

1）培养TBM施工经验丰富、责任心强、专业高效的管理团队是TBM施工项目成功的基础。2）建立健全项目组织机构，明确各岗位职责，选择具有丰富的TBM施工经验的协作队伍，实现高质量施工，高效率运作。3）建立健全规章制度和各项操作规程，利用制度和有效的管理程序来管项目。4）培养熟知工程机械、液压、电气图知识设备维保队伍；培养熟知各种工况下，能合理安排下发各掘进参数、成型管片的拼装质量要求、施工程序和方法的地质工程师队伍，培养掌握TBM掘进机的工作原理、操作规程的操作队伍。

结语

刀盘的寿命是TBM快速掘进的重要保证，其中，刀盘的设计、加工制造又是影响刀盘寿命的重要因素，否则后期会严重影响掘进效率，给施工方造成不可估量的损失。同时，现场施工方也需注意对刀盘的检测、保养，发现异常现象要及时处理。本文通过介绍刀盘损坏初期推力受限、掘进速度慢，到全面排查问题，发现中心刀刀座损坏，20个刀座承载面不同程度压溃，大圆环和铲刀座开裂，以及耐磨保护块磨损严重，后对损坏中心刀座进行更换，压溃刀座承载面进行修复，大圆环和铲刀座以及磨损严重的耐磨保护块进行打磨焊接，恢复大推力快速掘进的性能。

参考文献

［1］管会生，王默，戴文浩.基于性能退化的刀盘耐磨结构可靠性评估［J］.铁道建筑技术，2017（9）：1-5.

［2］薛燕飞，冯爱.三焊缝爬焊-电磁焊焊接隧道防水板工艺研究［J］.铁道建筑技术，2019（11）：97-101.

［3］霍军周，杨静，孙伟，等.不同模式下TBM刀群三维回转切削仿真与优化设计［J］.哈尔滨工程大学学报，2014（11）：1403-1408.