摘要：本文首先说明了特长隧道TBM掘进施工特点，然后TBM掘进施工中存在的问题，最后详细阐述了特长隧道TBM掘进施工的对策。
关键词：特长隧道；TBM；掘进施工；直径
一、特长隧道TBM掘进施工特点
TBM具有全断面开挖、出渣、支护以及灌浆等工艺同步进行，一次成洞，连续施工，施工效率高，掘进速度快等优势。根据国外实践经验：当隧道长度与直径之比大于 600 时，采用 TBM 施工是经济的，其一般速率是常规钻爆法的 3～10倍。同时，深部地层水平应力与垂直应力大小趋近，TBM施工形成的圆形断面受力状态良好，有效避免了开挖后局部围岩应力集中，最有利于围岩稳定。同时，工作人员劳动强度低，施工安全，事故发生概率比钻爆法小。
TBM 的缺点主要是对地质条件的适应性差，针对性强，对于不同地质条件需要设计不同的掘进机；同时，TBM 主机重量大，前期订购 TBM 费用较多，要求施工人员技术水平和管理水平高，对短隧道不能发挥其优势。
二、TBM掘进施工中存在的问题
（一）连接螺栓断裂
在固定刀盘后部主轴承系统当中，刀盘连接螺栓是非常关键的，刀盘连接螺栓往往在机头架上安装，这个部位在TBM掘进施工的时候由于震动的原因会导致脆性断裂，如果螺栓断裂，就会造成周围的刀盘连接螺栓出现断裂，造成刀头架和刀盘之间出现一定的间隙，在掘进的时候由于洞壁有水和粉尘的出现，会直接造成主轴承系统出现一些设备故障。对于设备的连接螺栓，特别是一些关键部位的连接螺栓一定要加强处理，安排专门的人员进行日常维护，通过液压扳手等对其进行紧固，对螺栓松动的情况进行及时处理，提前将有缺陷的螺栓更换掉。
（二）刀具异常磨损及对策
如果在装刀的过程中遇到预紧力比较大，可能会导致刀具转动的过程中出现性能下降的情况，刀具很多时候会产生多边形偏磨等情况，如果装刀的过程中，预紧力比较小，无法达到比较高的破岩效果。在进行装配刀具的时候，一定要依照TBM施工项目围岩的特点，对装刀预紧力进行合理选择。对刀具的螺栓进行紧固或者更换，对根据厂家的具体要求和换刀标准，进行日常的管理和换刀工作。
（三）振动问题及对策
1、设计和制造精度原因
刀盘可能会出现偏心的问题，在刀盘偏心的条件下进行运行的过程中，可能会在机头部位出现偏心轮等问题，导致主机部位出现震动过大的情况，让刀具的损耗和刀头架部位损坏的概率大幅度提高。出现刀盘偏心的情况时，需要合理的通过相关措施修正偏心参数。
2、护盾压力选择原因
如果护盾压力过高，可能会导致掘进过程中阻力变大，对掘进效率产生影响，如果护盾压力过低，可能会导致机头架部位出现旋臂效应，而造成机主机全部振动偏大等情况，所以合理选择互动率非常重要，依照TBM施工时的刀盘推力以及围岩的具体情况进行相应的调节，依照设计的具体规定顶护盾和侧护盾的工作压力，通常条件下为推进力的20%左右，如果在一些不良地质段内可以，通过强制性限位的方法，保证护盾不会由于岩石围岩收敛而出现回收等情况。
三、特长隧道TBM掘进施工的对策
（一）TBM直径选择
在掘进开挖的过程中，环境不同会造成难易程度不同，一般会受到TBM直径大小的影响，而且扩挖以及造价等与此有关。一般会选择直径比较小的TBM。因为直径的大小会引起设计上的差异，导致成本的不同，而且成本会呈现几何倍数形式的增长。
通过研究我国的掘进机研制历程，对其使用的相关设备进行分析，研究了使用情况，目前在掘进机的发展中，使用的都是直径在305.5米类型，因为此技术比较完善而被因供应用。在开挖隧道导洞时常使用直径较小。目前根据我国的实际情况，一直加强研制直径越小的掘进机，而实现不必要的浪费。当如何选择小直径TBM时，一般都要综合地进行考虑，如对施工的性质、围岩加固以及力学上的稳定性等进行考虑，基于考察地质进行了3.5m、4.5m以及5.5m的对此。当地质是全地质型的，通常广泛使用TBM，而且对于直径比较大，因为在围岩中根据掘进的速度，综合考虑所需的空间，会应用在围岩条件较好的环境下，应用直径为5m左右的TBM。
（二）通风设备选型计算
通风阻力因选择的风管直径和风机型号以及送风距离的不同会有很大差距，需要指出的是，如果选择的风管直径过小，会导致通风阻力过大，不能满足送风需要；如果选择的风管直径过大，又会造成浪费，且不利于施工组织。下面我们只针对每个工区的实际情况，结合风机特性曲线和送风长度对通风阻力进行模拟计算，同时也对风机风管进行选型匹配。风管阻力曲线计算公式如下：
式中：p——风管沿程阻力，Pa；
λ——摩阻系数，0.02；
ρ——空气密度，1.19kg/m3；
d——风管直径，1.6m；
β——风管平均百米漏风率，0.015；
L——管路长度，m；
Q f ——风机工作点风量，m3/s。
隧道出口段由于采用射流巷道式通风，根据施工组织进度计划可知，其送风管路最大长度不超过 1500m，正洞开挖面需风量为 1740m 3 /min 这也是风管出口风量，按照平均百米漏风率 1.5%计算可知需要风机提供风量为 2183m 3 /min。根据风机性能曲线和风管阻力曲线匹配出反复计算比选可得出：选用 2×110kW 轴流风机与Φ1.6m 风管匹配完全可以满足要求（开挖面风量约为1926m 3 /min＞1740m 3 /min），且有一定的富余量。
（三）刀具更换
刀具更换占总工作时间的比值变化范围为4%~26%，要让刀具更换时间达到最低，在刀具质量保证的前提下，一是要尽可能地延长刀具的使用寿命，让其使用寿命达到设计值，降低换刀频率；二则要尽可能缩短每把刀的换刀时间。
刀具的寿命除和岩石对其磨损有关系外，还和刀具的尺寸、其能够承受的荷载、在刀盘上的排列方式、结构形式、刀具材质等有关，但这些都是由生产厂家决定的。在使用中，需要考虑的是与刀具寿命有关的另两个参数，即刀具的推力和刀具每转的切深。正常情况下，刀具每转的切深值越大，刀具的荷载也越大，常在重载下工作，势必影响到刀具的寿命，所以，应合理地选择刀具的推力及切深，使既满足施工进尺，又使刀具的荷载不致过大，以提高刀具寿命，降低换刀频率。
另一方面，提高操作工人的技术素质，减少每把刀的换刀时间意义也非常重大。整个隧道的施工刀具消耗为2266把，即便按照通用的平均每把35min的换刀时间来计算，那么仅换刀一项也将耗费1322h；也就是说，整个隧道施工过程中，TBM必须停机1322h用于换刀。如果由于操作不当，每把刀换刀时间增加10min，则TBM就要停机1700h。由此可见，每把刀的换刀时间对TBM工时利用率的影响是不容忽视的。
（三）特殊地质的处理
1、围岩破碎洞段的处理
当TBM通过破碎围岩时，首先在TBM刀盘护盾上方120°的范围内安装25mm自进式砂浆锚杆，然后挂双层8mm钢筋网，并及时喷射混凝土，保证围岩稳定。
当破碎带宽度大于10m时，需在TBM掘进前进行超前支护，超前支护采用90mm的超前小管棚，管棚的支护范围不小于120°，管棚间距为0.5m，长度不小于15m。待管棚施做完成后，再进行TBM开挖，开挖后除了安装锚杆和喷射混凝土外，还需架立TH梁钢拱架，间距0.5～0.8m。待TBM掘进10m后，即可施工下一组管棚，如此往复直至完全通过破碎带。实践表明，采用超前管棚的施工方法，既可以保证TBM通过破碎带的效率，又能保证设备和人员的安全，取得了良好的支护效果。
2、隧洞顶拱塌方的处理
当隧道出现部分崩塌或局部掉块时，需要加密锚杆布设，并用Φ28mm胀壳式锚杆代替砂浆锚杆，然后进行钢筋网和喷射混凝土施工。当围岩开挖后出现较大的坍塌时，为避免卡机的发生，需要立即停止TBM掘进，并及时进行处理。处理方法主要是首先采用喷射混凝土对护盾顶部的危石进行喷射，防止进一步坍塌的发生，然后在钢拱架上焊接2mm厚的钢板，及时的封闭塌腔，并在掘进机通过后，采用人工拌制C20级细石混凝土回填。
3、TBM设备故障及处理
（1）在施工过程中，TBM上轨排爬坡时设备桥轮对活动角度不够，将设备桥提起，脱离轮对销轴，铺垫钢板直接压上，步进到位后落下，过程中实时监控支腿是否出现侧移，防止出现倾覆。
（2）调试时推进油缸无推进动作，循环冷却泵的电磁阀阀头装反，导致推进油路直接从循环冷却阀块回油箱了，从而使得推进油缸无动作，将电磁阀阀头调换后，正常推进。
（3）小齿前、后部齿轮油润滑，由于传感器电源干扰问题导致图尔克计数器无法正常工作。①给每个计数器更换独立电源，更改线路，使用备用线路DG03E；②更换传感器；③去除图尔克计数器；④在程序内加虚拟计数器，满足程序润滑计数要求。
（4）步进泵站阀组通道加工错误导致液压油温度高停机，后用水冷却，油箱密封差进水，液压油乳化。更换阀组，清洗油箱、油路，更换新液压油。
（5）因前部输送泵只安装一台，故L1区应急喷遥控器只有一个能够使用。在遥控器接收器信号输出前端加入24针重载连接器，使左右湿喷共用左侧遥控器进行控制。右侧接收器和遥控器留做备用。
（6）右上侧撑靴油缸小腔端头渗油，经分析为密封破损，搭设平台利对密封进行更换。
（7）输送泵热交换器因回油压力不稳定，热交换器不能承受峰值压力内部破损，导致输送泵油箱及TBM内循环水污染。更换热交换器，清洗油箱、油路，更换新液压油，冲洗内循环水罐。并将回油管路由推进缸端改为摆缸端。
（8）控制二次风机的两台变频器上端断路器频繁跳闸，对变频器进行优化设置后仍不能解决问题，经排查电柜空调散热能力不足，柜内温度高导致，更换大功率制冷空调解决柜内散热问题。
四、结语
综上，在进行TBM施工的时候，一定注意对设备进行维护，及时排查可能出现的隐患和问题，对相关设备操作规范进行严格执行。如果出现问题，一定要对问题出现的原因进行正确的判断，并且通过合理的方法进行处理和解决。
参考文献：
[1]王洁，刘波，孙金山，郭鸿俊.TBM导洞扩挖法修建长大隧道导洞布置方案优选[J].南昌大学学报（工科版），2017（03）
[2]马蒙，刘维宁.采用TBM导洞扩挖方法修建长大隧道探讨[J].铁道标准设计，2009（03）
论文作者:芦国民
论文发表刊物:《防护工程》2018年第32期
论文发表时间:2019/2/26
标签：刀具论文; 风管论文; 围岩论文; 直径论文; 隧道论文; 螺栓论文; 液压油论文; 《防护工程》2018年第32期论文;