雙護盾TBM掘進軸線偏移控制淺析

韓小亮

中國水利水電第三工程局有限公司, 陜西 西安 710032

1 工程概況

本工程位于甘肅省某地，主體工程為輸水隧洞。施工以雙護盾TBM（Tunnel Boring Machine，隧道掘進機）為主，輔以鉆爆法。本臺雙護盾TBM全長310m，主機部分長13m，最小曲率半徑400m。本標段輸水隧洞全長13.5km,開挖洞徑5.46m，坡度0.0485%，為逆坡掘進。

2 現象及處理措施

隧洞軸線偏移包括軸線左、右偏移及軸線上、下偏移，可總結歸納為軸線水平偏移、高程偏移。雙護盾TBM掘進施工中比較常見的軸線偏移現象主要是軸線向右偏移及軸線向下偏移。雙護盾TBM盾體較長，刀盤距撐靴距離較遠，掘進過程中由于刀盤正轉的慣性作用，TBM刀盤慢慢向右側偏斜，帶動TBM盾體向右偏移。在軟弱、破碎圍巖中掘進時，圍巖支承力不足，TBM主機在自身重力作用下整體向下掉落，造成掘進軸線向下偏移[1]。

雙護盾TBM在雙護盾模式下掘進時，主要依靠主推系統完成設備姿態調整，進而實現隧洞軸線控制。主推系統共10根油缸，其中A組油缸在+Y軸方向均布包括10號油缸、1號油缸，B組油缸在+X軸方向均布包括2號油缸、3號油缸，C組油缸在-Y軸方向均布包括4號油缸、5號油缸、6號油缸、7號油缸,D組油缸在-X軸方向均布包括8號油缸、9號油缸。

2.1 掘進軸線右偏現象

TBM掘進至第二掘進段2896m時，圍巖變為Ⅳ類圍巖。根據超前地質預報，該段地層圍巖較破碎，節理裂隙發育，極易發生掉塊或塌腔。在進入該段圍巖后，TBM操作手發現水平軸線右偏趨勢迅速加大，同時垂直軸線向下的趨勢亦隨之增大。操作手根據以往施工經驗，先調垂直軸線后調水平軸線，采取以下措施進行糾偏：掘進過程中將C組主推油缸壓力調大，A組主推油缸流量調為0，掘進100~200mm后，使左右（B組、D組）主推油缸行程保持一致，并將左右主推油缸流量調至正常穩定狀態，保持這種掘進姿態完成該行程。在糾偏過程中發現，垂直向上調整2mm，水平向右偏20mm，TBM向上調整越多，水平軸線偏右越多。

2.2 處理措施

停止掘進后，進入刀盤檢查掌子面圍巖情況，發現：圍巖較破碎，極不穩定，撐靴無法撐緊洞壁，掌子面復雜多變，掌子面滲水、中間有塌方現象，左側圍巖較為軟弱松散，右側上方為堅硬巖、可形成刀具軌跡，右側下方圍巖有掉塊現象，已揭露圍巖未發現有收斂態勢。

對TBM設備進行全面檢查，主要檢查主推油缸壓力、行程與傳感器顯示值是否一致；檢查主推油缸球頭卡板連接螺栓有無松動、斷裂。經檢查，主推油缸壓力、行程與傳感器顯示數值一致，主推油缸球頭卡板連接螺栓完好無松動、斷裂，排除主推系統設備故障造成TBM糾偏失敗。

對主推系統的液壓系統進行功能分析，發現A組油缸無法實現背壓功能。雙護盾TBM由于盾體較長，撐靴距刀盤較遠，無法通過撐靴有效調整TBM主機姿態。雙護盾TBM掘進過程中，TBM姿態主要通過四組主推油缸的壓力差、行程調整，即通過A組油缸與C組油缸調整TBM垂直方向姿態，通過B組油缸與D組油缸調整TBM水平方向姿態。掘進過程中C組油缸壓力大于A組油缸壓力，TBM刀盤呈上揚姿態，但在換步過程中A組油缸與C組油缸有桿腔同時泄壓，刀盤上揚的姿態無法保持加上該段圍巖較軟弱造成TBM主機在自身重力作用下整體向下掉落。

經過討論分析，在A組油缸有桿腔管路上串聯安裝一組溢流閥可實現背壓功能?？紤]到主推油缸球頭卡板連接螺栓強度不足斷裂的問題，經設備廠家校驗計算，溢流閥壓力設定在80～100bar。掘進過程中C組油缸無桿腔壓力大于A組油缸無桿腔壓力，但A組油缸有桿腔壓力大于C組油缸有桿腔壓力，此時刀盤下部向上頂、刀盤上部向下拉形成了刀盤上揚的掘進姿態，換步時A組油缸有桿腔壓力始終大于C組油缸有桿腔壓力可保持刀盤上揚的姿態。

3掘進軸線偏移造成的后果

軸線偏移將造成設備故障、施工質量缺陷、安全隱患增多及施工成本增加等嚴重后果。

3.1 設備故障

由于掘進軸線偏移導致全長310m的雙護盾TBM設備不能直線向前移動，將造成一系列不可預見的設備故障。

3.1.1 主機皮帶轉渣器脫槽、卡住

主機皮帶為可移動組件，TBM軸線水平偏移造成1號連接橋變形，主機皮帶與連接橋憋勁，主機皮帶被卡住無法移動，甚至造成主機皮帶轉渣器脫槽。

3.1.2 管片吊機行走故障

設備水平偏移造成連接橋及后配套臺車鋼結構變形，管片吊機軌道隨之變形，管片吊機行走齒盤及管片吊機橫梁與管片吊機軌道梁靠死，行走電機負載突然增大，造成電機燒壞。

管片吊機滑觸線隨軌道變形后，還會造成滑靴接觸不良等故障。

3.1.3 管片拼裝機蹭

軸線偏移造成管片內壁與拼裝機間隙不均，管片安裝過程中，拼裝機與管片內壁蹭，造成拼裝機比例閥損壞。

3.1.4 連續皮帶跑偏

連續皮帶安裝在掘進方向左側洞壁上，隨洞軸線水平偏移，連續皮帶要保持直線運行將自動向右側或向左側偏移，造成該段皮帶運行過程中跑偏、掉渣等問題。

3.1.5 連續皮帶形成上下波浪

連續皮帶隨軸線安裝，軸線高程偏移造成連續皮帶呈波浪狀，皮帶不能平直運行，皮帶起伏顛簸掉渣嚴重。洞內環境惡化，需額外投入人員進行清理。同時，連續皮帶長時間起伏顛簸、受力不均存在皮帶架失穩、皮帶架坍塌的風險。

3.1.6 導向系統

由于軸線偏移，導致激光靶脫出全站儀測量范圍，全站儀無法測到激光靶，必須縮短換站距離、提高換站頻次，增加了測量累計誤差。

同時由于全站儀安裝空間狹小，軸線偏移后造成管片內壁與TBM設備間隙不均，掘進過程中容易造成全站儀與其他設備蹭，必須全程跟蹤監護，避免全站儀設備損壞。

3.1.7 運輸車掉軌

由于軸線水平偏移，TBM主機與后配套臺車形成折線，運輸車在TBM臺車上運行時，極容易掉軌。TBM臺車上空間狹小，掉軌處理難度極大，嚴重影響材料運輸。

3.1.8 TBM后配套臺車掉軌

TBM后配套臺車在底管片安裝的軌道上行駛，TBM換步過程中后配套臺車隨之向前移動。由于軸線水平偏移，TBM主機與后配套臺車形成折線，后配套臺車在移動過程中極容易掉軌，且處理難度較大，影響施工效率。

3.1.9 運輸車車輪軸承損壞嚴重

由于洞內積水無法及時排出洞外，運輸車長時間在水中行駛，車輪軸承中的潤滑油被水沖刷流走，車輪軸承無潤滑油運行故障率極高，車輪軸承損壞嚴重。

3.2 質量缺陷

軸線偏移使管片安裝錯臺增大、管片圓度偏差增大、管片連接螺栓無法安裝等。管片安裝頂緊過程中，由于軸線偏移造成管片受力不均，管片破損、掉角增多，破損管片修復工程量增加。工程施工質量整體下降。

3.3 安全隱患

由于軸線偏移，洞內小火車運輸掉軌、翻倒等安全風險增加。施工廢水無法及時排出，洞內作業環境惡化。洞內架設有抽水泵、敷設電纜，由于洞內比較潮濕增加了觸電等用電安全風險。管片吊機因滑觸線接觸不良突然停機、溜鉤等風險增加。連續皮帶隨洞軸線偏移使連續皮帶在不利工況下運行，增加了連續皮帶設備運行安全風險。洞內安全風險源增加，安全管理難度增大，作業人員人身安全得不到有效保障。

3.4 施工成本

因隧洞軸線偏移造成TBM設備故障增加、施工質量下降、洞內施工安全隱患增多等，為保證正常施工，采取了一系列的保障措施，直接增加了施工成本，如更換TBM設備零配件、安排專人進行施工修復及檢測、增設洞內排水設施等[2]。同時，因隧洞軸線偏移導致施工降效間接造成施工成本增加，如，運輸車在洞內行駛遇到積水坑、軌道折線時將減速行駛，導致洞內材料運輸效率降低，影響掘進施工進度。

4 經驗教訓及總結

4.1 經驗教訓

回顧本次軸線偏移事件，可以吸取以下經驗教訓。

4.1.1 設備功能不完善

通過與國內外其他廠家同類設備進行對比分析，發現其他廠家同類設備均設計了A組主推油缸的背壓功能。設備應在設計階段充分考慮各種不利工況及環境下的應用，力求完善設備功能，盡可能降低施工過程中各種不可預測的施工風險。

4.1.2 施工管理存在漏洞

未制定《不良地質條件掘進施工流程》，不良地質條件掘進時的處置流程不明確；操作手在對當前掌子面圍巖信息掌握不全面的情況下根據以往施工經驗進行處理，導致軸線偏差繼續擴大。應在TBM掘進施工開始前編制《不良地質條件掘進施工流程》，明確遇到不良地質條件時的處置流程，并確保技術交底到作業層。同時應建立文件、信息收發的跟蹤及反饋制度，確保關鍵崗位能及時接收到關于施工的各種信息，以便于做出及時有效的施工安排，避免造成重大損失。

4.1.3 管理及施工人員質量意識及專業技能有待提高

在本次軸線偏移事件中，操作手向項目部匯報情況后，項目部對問題嚴重性認識不足，未及時采取有效措施進行控制。工程項目施工中，項目部全體人員應樹立正確的質量觀，凡是質量問題均應該認真對待及時處理。

4.2 總結

通過此次軸線偏移事件，對雙護盾TBM掘進過程中的糾偏操作流程進行整理及總結。

4.2.1 糾偏作業指導原則

單一調整原則，即當水平和垂直偏差均發生時，每次糾偏操作時只糾正一個方向的偏差。

優先糾偏原則，即當水平和垂直偏差均發生時，優先糾正垂直偏差。

平滑微調原則，單次糾偏量不大于4/1000。

超前富余原則，根據雙護盾TBM設備特點，掘進過程中容易向下、向右偏，在掘進過程中應該提前留出富余量。

及時會商原則，對于糾偏量大、糾偏難度大的操作應及時開會討論糾偏方案。

4.2.2 糾偏具體操作流程

對于Ⅱ、Ⅲ類圍巖可以進行正常調向，避免A組油缸行程大于C組油缸行程，B組和D組油缸行程差結合導向系統做微調以保持水平姿態。

若因俯仰過大導致垂直方向偏離軸線過多，可做以下調整：第一，選擇后退刀盤至發現偏離處，重新推進，并調整A組油缸行程接近C組油缸行程或略微大于C組油缸行程。第二，若因A組油缸掘進過程中無壓力，C組油缸行程伸出過快導致上偏，可降低C組分區流量至適當值(15%~20%)，在保證水平方向姿態的同時，適當降低B組D組分區流量值，增大A組分區流量值50%以上并將總推進流量值調至70%以上，開始推進時會發現A組油缸壓力逐漸增大，然后降低A組分區流量并將其他三組分區流量恢復。

當TBM掘進方向偏左(或偏右)過大時，可做以下調整：若因D組(或B組)油缸掘進過程中無壓力，B組(或D組)油缸行程伸出過快導致左偏，可將B組(或D組)分區流量值調0，在保證垂直方向姿態的同時，適當降低A組C組分區流量值，增大D組分區流量值至50%以上并將總推進流量值調至70%以上，開始推進時會發現D組(或B組)油缸壓力逐漸增大，然后降低D組(或B組)分區流量并將其他三組分區流量恢復。不良地質段(Ⅳ類圍巖)中經常碰到刀盤姿態偏低抬頭困難的問題[3]。這時應將A組油缸分區流量值調0，將對應的C組油缸壓力調至130bar以上，130bar以上的壓力基本可以抵消刀盤自身重力造成的掘進方向的下偏并有上調趨勢，同時控制刀盤的轉速在1.0～3.0r/min，使刀盤轉矩增大以達到增大C組油缸壓力的目的，這樣就可以將刀盤抬起來。對于有些特殊不良地質段中刀盤抬頭同時，伴隨水平軸線向右偏離過大時，此時垂直和水平方向調整不能同時兼顧，考慮到對工程質量的影響做以下調整：距離貫通較遠時，優先考慮垂直方向的姿態調整，遵循平滑微調的原則，調整方法如前所述。即將貫通時，優先考慮水平方向的姿態調整，遵循平滑微調的原則，調整方法如前所述。

5 結語

軟弱圍巖中掘進軸線偏移的處理方案有效、可操作性強，糾偏方案的實施有效調整了TBM設備掘進姿態并控制隧洞軸線保持在設計允許偏范圍內，安全平穩地通過該段不良地質地層。通過對案例的簡單分析并對雙護盾TBM掘進軸線偏移引起的若干后果及糾偏操作流程進行總結，期望能對類似工程提供一定的借鑒。