TBM施工中遇到问题的分析及对策
赵战欣
【摘 要】TBM结构庞大且复杂,作业环境恶劣,施工中难免会遇到各种问题.分析了主轴承润滑系统污染可能的途径、导致的后果及可采取的维护保养措施;介绍了刀圈偏磨、刀圈卷刃、挡圈断裂或脱落等刀具异常损坏的原因及对策;提出风机底座振动、风管破裂及漏风等隧道通风问题的解决方法;制定了加强线路以及车辆运行管理的运输方案.以上措施的应用促进了TBM施工综合速度的提高. 【期刊名称】《国防交通工程与技术》 【年(卷),期】2014(012)002 【总页数】6页(P58-61,65,68)
【关键词】TBM;主轴承;润滑;刀具;通风;运输管理 【作 者】赵战欣
【作者单位】中铁18局集团公司隧道工程公司,天津300222 【正文语种】中 文 【中图分类】U455.31
全断面岩石隧道掘进机（以下简称“TBM”）具有快速、安全、环保等优点，随着我国城市轨道交通、水利水电等隧道工程的发展，TBM的应用日益广泛。TBM结构复杂，涉及专业门类众多，各系统环环相扣，任何一个系统的故障都将影响施工全局［1］。笔者根据多年的工程实践，重点讨论了TBM施工中经常出现的
TBM主轴承润滑系统污染、刀具异常磨损、隧道通风及施工运输四个方面的问题，并提出解决问题的思路和办法，期望为TBM工程提供借鉴，规避施工中的同类问题，少走弯路。
1 主轴承润滑系统污染问题［2］
主轴承对于隧道掘进机的工程地位特别重大，良好润滑是主轴承正常工作的重要保障，清洁又是润滑系统正常运转的基础。主轴承润滑系统一旦污染，导致停机检修，严重延误工期，增加施工成本，如辽宁大伙房输水隧道TBM主轴承严重磨损，洞内整体更换，工期延误半年，损失巨大。 1.1 污染原因分析及应对措施
从主轴承结构方面讲，若主轴承密封系统的润滑监控及保护功能不完善，将导致主轴承润滑脂和齿轮润滑油在润滑密封时的实际效果很不理想；若主轴承润滑回油系统故障，润滑流量和供脂次数不足，将导致润滑主轴承腔室形成负压吸引杂物从密封圈进入主轴承腔室内，造成润滑系统运行不良；主轴承密封的齿轮油润滑工作中，状态如没有得到有效监测和检查（压力表显示故障），或是未通过外接压力表监测则不会及时了解到此系统是否已经设定为系统需要的压力值，润滑压力的缺失将导致润滑不良、高温，粘温特性的交互作用使轴承胶合几率大大增加，滚道产生磨粒脱落、划伤、凹坑，恶性循环的结果造成整体轴承报废。
现场施工可能的原因：缺乏对主轴承润滑系统相关设备的有效监控，环境变化时未对设备进行有效调整，没有及时根据现场条件变化进行相应掘进参数的调整。 由主轴承剖面结构分析，污染源头入侵途径可能有以下几方面：主轴承与刀盘连接面，如液压张紧螺栓随掘进过程松动，脏污极有可能由此长驱直入，更换密封时若涉及上述螺栓应采取防范措施，严密封堵；刀盘张紧螺栓孔也是岩粉进入润滑油腔的可能途径，建议将内孔用硅胶封堵；唇形密封迷宫出口处，紧邻溜渣槽底部，最容易进入岩粉，若唇口圆周焊接紧贴唇口的小间隙L型断面的防尘护圈，可以有
效阻挡岩粉进入。
水对TBM设备影响比较大，刀盘飞溅的射流水很容易通过唇形密封迷宫开口处进入主轴承腔室，水与润滑油混合物导致润滑油运动粘度急剧下降并附带氧化、锈蚀、穴蚀等损伤作用，最终造成主轴承润滑系统污染。润滑油水分含量严重超标途径可能有三：刀盘连接结合面（螺栓松动导致结合面开缝）、液压张紧螺栓孔、唇形密封油脂溢出处。TBM掘进时产生大量热量，同样会产生冷凝水效应，久之沉积在润滑油腔底部，为此，可利用停机阶段，在润滑油腔最底部设置截止阀，定期排出冷凝水。通过磁性过滤器肉眼观察，也能很直观判断是否含水。 1.2 主轴承润滑系统的维护保养
正确及时的维护保养是减少维修工作量的必要条件，使用设备过程中应首先加强维护保养，其次是出现故障及时维修。从维护保养角度，做好日常主轴承润滑系统运行是否正常的检查、判断工作：
（1）定期检查主轴承润滑油油位是否异常，如果波动过大，则应分析波动原因，找到故障和泄漏源头，不能轻易加油。
（2）每班进入刀盘，观察内外唇形密封唇口位置是否有足量润滑油脂挤出，若不足则立即启动油脂泵连续泵脂到挤出为止，否则不得启动TBM掘进。
（3）每季度，利用停机空隙，测量主轴承轴向间隙，推算轴向滚子与滚道磨损情况。
（4）运行中密切关注启动脂泵工作状况和脉冲计数次数，发现压力过高，预示油脂分配阀堵塞，立即停机拆解分配阀，彻底清洗阀件；泵脂次数低于设定值，则应联想到气路压力，调整到增长压力即可。
（5）为避免拆检清洗油脂分配阀浪费宝贵掘进时间，可采用备用部件切换修理法，组合同样型号分配阀，并联在一侧位置，故障发生时，利用分配阀两端的截止阀关断故障回路，开通备用回路，空余时间清洗故障部件，效果良好。
（6）运行中还应密切观察润滑油路各控制阀、流量计的指示参数，若严重偏离设定范围，则维修中就要联想到阀体和泵体的磨损，相关的密封也应及时更换，必要时更换修理。
（7）为观察润滑油中磨粒的形貌，每隔50个掘进循环，拆解一次磁性回油过滤器，收集清理磁环、磁柱的铁磁性磨粒，累积数量多了，也可推测轴承磨损速率，还可观察到非铁磁性磨粒（青铜保持架）的损坏情况，间接推断保持架磨损的严重程度。及时更换出现报警的各类过滤器，勤更换、勤保养。 2 TBM刀具异常损坏原因分析及对策
滚刀是硬岩TBM破岩的主要工具，是TBM最主要的易损件。据相关统计，用于刀具的费用约占整个掘进费用的三分之一，用于刀具检查、更换的时间约占整个施工时间的三分之一。刀具异常损坏在刀具更换中占有较大比例，其损坏表现形式主要有刀圈偏磨、刀圈卷刃、挡圈断裂或脱落等，其原因不能一概而论，要根据具体地质条件和当时情况具体分析。 2.1 刀圈偏磨
如图1所示，刀圈偏磨是刀圈不能在刀体上转动而使刀圈顶面的某一段圆周固定地与岩面摩擦，在刀圈外圆某一弦的方向发生磨损。刀圈偏磨的根本原因是轴承损坏，其原因主要有以下几点：
（1）当岩性中软，例如砂岩，破岩后成细腻状岩粉，如果刀具轴承浮动密封环质量不过关，细腻的岩粉极有可能进入刀具轴承密封内，楔入刀体内圆锥轴承滚子、滚道、保持架之间，造成轴承旋转不畅，进而出现大量偏磨现象。
（2）在硬岩中掘进时，不少刀具发生崩刃现象，崩刃的碎块极有可能卡在相邻刀具与掌子面之间，导致被卡刀体失圆，失圆的刀体造成刀具轴承变形，轴承在掘进过程中卡滞不转，则刀具的刀圈就会出现局部磨平的偏磨现象。
（3）当掘进参数选择不当，如推力过大、掘进速率过大，破岩时温度过高，刀具
轴承润滑油泄露，恶性循环的结果导致轴承异常损坏，同样会出现严重偏磨现象。 图1 刀圈偏磨 2.2 刀圈卷刃
如图2所示，刀圈出现卷刃现象，这可能与刀圈韧性有余、硬度不足有关，材质的硬度与韧性这是一对矛盾，不好调和，刀具厂家目前还做不到根据岩石情况及时调整刀圈金相成分。如果对既定目标的岩性有足够了解，可以采购不同性能的刀具库房储备，必要时拿出来实验性掘进，也许会有改善。根据了解，国内各厂家均做不到这一步，进口刀具也只是有几种刀圈型式可供选择；若刀盘喷水功能不正常，刀圈在掘进过程中不能及时降温，则容易出现刀圈卷刃。维护保养中，喷水孔应及时疏通，保证掘进中始终有高压水雾状喷射。 2.3 挡圈断裂或脱落
挡圈断裂或脱落主要是由于挡圈焊接不牢，以及刀具在组装时安装不到位所致。另外，在TBM掘进时，刀盘转速太大也可造成这种现象。发现有挡圈掉落时，刀具工应在刀盘内部对它们进行补装，不需要从刀盘上拆卸下来进行维修。如果发现刀圈已经脱落或错位，就需要马上对其进行更换。如图3所示，采用两根钢筋对挡圈进行搭焊，操作简单方便，可有效加强挡圈的承载强度，大大减少挡圈脱落的现象。
图2 刀圈卷刃
图3 挡圈脱落保护示意图 3 隧道施工通风问题
良好的运行环境是保障作业人员人身安全和TBM安全运行的前提条件。隧道施工中，由于掘进、出渣、喷射混凝土、内燃机和运输车辆的排气，洞内氧气含量少，开挖时地层中放出岩尘与各种有害气体，使洞内狭窄空间的空气非常污浊，对人体健康和设备安全影响严重。隧道通风系统的作用是把洞外新鲜空气送入洞内，排除
有害气体，降低粉尘浓度，改善作业环境，同时带走隧洞内的大量的热。隧洞通风系统工作过程中遇到的主要问题及对策如下：
（1）对于长距离隧道，随着掘进里程延长，串联风机依次启动，转速提高，风压增加，风机底座振动问题逐渐明显，定期观测振动情况，防止因底座高频振动将风机引入接线盒的电缆外皮磨破，导致短路烧损风机。在风机底座安置橡胶垫，可有效减小振动。
（2）长距离启动风机需要根据距离的加长，随时调整变频驱动的延时时间，便于新风充盈风管，避免新风锤击效应，撕破风管。
（3）风机前部上方应加遮雨棚，防止雨水吸入风管。辽宁大伙房工程施工时期，未设置此装置，洞内风管明显可见积水，风筒挂钩承重达到临界点，导致一公里风管坠落事故。处理时，见到鼓包，可用铁丝磨尖、扎小眼办法泄水，切忌割开大口泄水，造成沿途严重漏风。
（4）隧道风管的悬挂尽量平直光顺，若弯折较多，累积的压力损失加剧，到主机的新风就少，造成无谓的损失，应强调风管延伸时直线悬挂工艺要点，最好采用激光束准确安装。
如图4所示，一次通风系统的出风口与二次风机距离不应过大，过大则降低通风效率，浪费资源。在完整的通风系统设计时，应把二者间距控制在合理范围内。 图4 一次通风系统出风口与二次风机距离过大 4 运输管理问题
TBM隧道施工掘进速度快，且要求掘进、出渣、支护并行作业，所需物料应及时从洞外运抵施工区域。随着掘进延伸，运输距离变远，行车时间随之增长，若运输调度出现纰漏，错车等待更增加物料运输时间，甚至酿成事故。若物料运输不能满足掘进要求，将严重影响TBM快速施工的优势，延误工期。 4.1 加强列车运行组织与调度
行车时遵循一个基本原则：可能的情况下，进车线与出车线严格区分，只有二次衬砌与辅助洞室开挖洞段才允许进出车线共用，但需严格执行单线运行制度。 （1）车辆调度合理与否直接关系TBM的掘进效率、辅助洞室施工速度以及二次衬砌施工进度，因而必须统一服从洞口现场行车调度指挥。
（2）洞内、洞外及时沟通，大量施工用料应提前计划，合理、分批次装运。零星用料和急需配件等用品，也由调度安排，合理搭载，一般不派专车，以缓解洞内运输矛盾。
（3）行车调度应兼顾全局，统筹安排，层次分明，分清轻重缓急，抓主要矛盾。 正常情况下，以左线作为进车线，右线作为出车线；衬砌台车浇筑混凝土时，输送泵一律停放于进车线，前方材料运行到该位置时，通过道岔过渡到右线（出车线，此区段为单线通行段）通行，待通过二次衬砌施工段之后，再通过道岔回到左线（进车线）运行。
辅助洞室施工段，左右两侧都存在施工的可能，当左侧辅助洞室完成开挖出碴时，右线轨道分时段单向通行，前后两端通过道岔实现过渡；同样，右侧辅助洞室完成开挖出碴时，左线轨道分时段单向通行。 4.2 运输调度规章制度
（1）加强线路信号管理，确保信号准确无误。 （2）提高扳道员工的素质和责任心，确保不出差错。
（3）严格行车速度，列车通过道岔时运行速度不能超过5km／h，其他洞段最高速度不能超过15km／h。
（4）运输线路每班由3名线路工负责巡视、维修，发现问题及时解决。机车司机和调度员采用无线通讯系统保持联系。在列车编组的过程中，编组场的调车员严密注视前后道路情况，用无线通讯系统和机车司机保持联系。列车在进入和离开后配套时应鸣笛，且减速慢行。
（5）机车和车辆的保养至关重要，根据维护保养手册制定切实可行的保养计划。 （6）运输安全非常关键，加强在施工生产中对运输系统作业人员的管理：①机车司机、调车员等相关作业人员必须经过培训，考试合格后，持证上岗。②严禁非专职人员开车、调车，机车司机与调车员应熟悉所有线路的状况和道岔位置，熟练掌握警示标志的意义。③交机车司机均应仔细检查信号、挂钩、制动等装置是否完好，调车员发现问题及时与机车司机取得联系，立即启动相应的应急预案。④机车在运行中严禁司机、调车员将身体任何部分伸出限界外，列车必须连接良好、制动可靠。列车在通过道口、洞内临时施工地段、进出洞时都必须减速鸣笛示警。⑤运输作业需要的通讯及信号器材配备齐全，运输过程中精力集中，随时检查车辆速度、道路状况、通视状况，有情况及时与调度联系。⑥运输调度员随时与洞内沟通信息，做到调车快速方便，作好车辆运输记录。
（7）对于轨道及附属设施的主要安全措施：①车辆严格按规定行车线路行驶，设专人对整个运输系统轨道进行养护。在运输线路进行轨道养护的其它作业时，设专职防护人员和作业标志，封闭线路要限时作业。②洞内成洞地段、视线良好准行15km／h，TBM后配套、施工地段、洞口等特殊地段最大不超过5km／h。③牵引机车必须保持灯光、制动装置等安全设备状态良好，否则不得使用。 5 结束语
我们常说，主轴承是TBM的心脏，可见其在TBM设备以及施工过程中的重要性。要像呵护心脏一样保护主轴承，以保持其持续、稳定工作，为TBM正常掘进创造条件，特别是在使用过程中，规范操作、强制保养极其重要。刀具是TBM上用来破岩的部件，属于消耗品，根据工程地质条件的不同，有时刀具消耗成本在隧道TBM施工成本中所占比例很高，且占用时间长，严重制约掘进施工进度，务必高度重视，施工阶段保证产品质量是前提，只有规范掘进操作、加强刀具检查并及时处理存在的问题，才能尽量减少刀具的异常损坏。为TBM施工提供必要的通风，
不仅是人员的需求，同时也是设备的需求，否则作业人员效率降低甚至患病、设备故障率升高、施工效率明显下降，正确选型配置的基础上，施工阶段保证通风效果最佳途径就是规范化管理。部分工况下，运输系统故障与延误会降低TBM掘进效率20%以上，因地制宜制定并执行科学的运输方案、运输调度和加强线路以及车辆运行管理，方可保证运输系统的通常运行，才能为TBM掘进争取更多的时间，以促进TBM施工综合速度的提升。 参考文献
［1］杜彦良，徐明新，智小慧.全断面岩石隧道掘进机：监测诊断与维护保养［M］.武汉：华中科技大学出版社，2012
［2］赵战欣.TBM主轴承润滑系统减少故障的对策［J］.国防交通工程与技术，2013，11（6）：11-14
