西秦岭隧道TBM主轴承洞内更换方案研究.pdf

・隧道／地下工程・西秦岭隧道ＴＢＭ主轴承洞内更换方案研究张新彬（中铁十八局集团隧道工程有限公司重庆４００７００）摘要随着隧道工程技术的发展，隧道掘进机（ＴＢＭ）在国内应用越来越广泛。主轴承作为ＴＢＭ关键核心的部件，体积、重量大，在施工过程中发生故障后，受隧道空间限制，在洞内更换困难。通常情况下，主轴承洞内维修更换需要通过迂回导洞进到刀盘前面，开挖扩大洞室后进行，耗时长，效率低。针对项目实际，提出了更换ＴＢＭ主轴’承的左线绕行方案、迂回导洞方案、７ＩＢＭ后退方案，通过对安全性、工作难度、工作量等方面的综合评估，认为ＴＢＭ后退方案可行性较强。关键词隧道掘进机（ＴＢＭ）主轴承更换方案洞内修复中图分类号Ｕ４５５．３＋１文献标识码Ａ——文章编号１００９４５３９（２０１４）增１０１７ｌ一０３１引言２ＴＢＭ主轴承更换方案设计新建铁路兰渝线西秦岭特长隧道位于甘肃省陇南市武都区，隧道全长２８．２３６ｋｍ。是国内隧道掘进机（ＴＢＭ）与钻爆法相结合施工的最长大隧道。采用ＴＢＭ施工段落达到１５．７６６ｋｍ。西秦岭隧道采用的ＴＢＭ是美国罗宾斯在成都南车集团制造的掘进机，开挖直径１０．２３ｍ，整机长１８０ｍ，总重约三千多吨。施工前期，ＴＢＭ掘进一直比较顺利，当掘进机掘进９９６６ｍ时，先是ＴＢＭ主轴承内密封发生故障，更换完密封后不久，主轴承润滑系统内出现大量铁屑，经过多方专家共同排查，判定为主轴承本身故障，必须停机更换。主轴承是ＴＢＭ最为关键部件，外径尺寸达到７ｍ，重量达到８０多ｔ。此外，在洞内有直径为２．２ｍ的风管保证通风，洞壁有连续皮带机不能拆除，同时在洞内运输路途中还有４部衬砌台车施工，这对于ＴＢＭ主轴承的更换、运输都是极大的挑战。另一方面，受施工进度影响，ＴＢＭ主轴承更换工期约为３个月，包括辅助洞室施工、拆除刀盘和顶护盾、拆卸旧轴承、安装新轴承、安装刀盘和顶护盾等，不包含主轴承订购交货期¨ｏ。因此，制定更换ＴＢＭ主轴承的可实施性的方案尤为重要。—收稿日期：２０１４一０２１５铁道建翁技术只Ａ『ＬＷＡｙＣ０～Ｓ丁尺ＵＣ丁『０～丁Ｅ－ＣｌＨ＾『０ＬＯＧｙ２．１左线绕行方案当运输主轴承至ＴＢＭ尾部，采用开挖斜向通道方法运输主轴承，将主轴承通过左线正洞迂回至右线换装洞室，进行换装作业。横通道与左右线正洞之间的夹角需满足有轨运输线路转弯半径不大于２５ｍ。如图１所示。盥图１横通道布置运输线路：洞口装车一铺设进入１＃避车洞的钢轨一运输至１＃避车洞一主轴承进入１＃避车洞卅＃衬砌台车移至ｌ＃避车洞后方（洞口方向）一主轴承出１＃避车洞、进人主洞＿恢复ｌ＃避车洞位置钢轨＿铺设进入２＃避车洞的钢轨一主轴承运至２＃避车洞—一主轴承进入２＃避车洞一１３＃衬砌台车移至２＃避车洞后方（洞口方向）一主轴承出２＃避车洞、进入主洞一恢复２＃避车洞位置钢轨一通过横通道进入左线隧道一通过横通道到达左线扩大洞室一拆除的旧轴承装车＿÷旧轴承运至左线隧道并与牵引机车分离一新轴承运抵扩大洞室并卸车一牵引机车运２０１４Ｉ增１）１７１万方数据・隧道／地下工程・输旧轴承至洞口。如图２所示。≤＝＝！＝、＜＝歪蚕垂翌————１磊耳莳妙飞涉荔萄豸萨疸鉴三蚕箜图２主轴承运输线路洞室断面：斜横通道净空尺寸（长×宽×高）：４ｌｍ×７．５ｍ×３ｍ。洞室施工方法：斜横通道及换装洞室均采用钻爆法施工，挖掘机配合梭式矿车出渣。主轴承更换流程：固定刀盘一刀盘与ＴＢＭ其它部件分离一ＴＢＭ整机后退４０ｍ一在掌子面开挖斜横通道（１＃）一扩挖正洞断面一布置更换吊点一拆顶护盾一拆旧主轴承一安装新主轴承一步进ＴＢＭ一与刀盘连接一整机调试。２．２迂回导洞方案在ＴＢＭ尾部开挖与ＴＢＭ平行导洞，待主轴承运输至ＴＢＭ尾部进入平行导洞，通过平行导洞洞室将主轴承运输至距离掌子面２０ｍ处进行更换主轴承作业，平导坑运输如图３所示。图３平导坑运输运输线路：主轴承由右线洞口以有轨运输方式从正洞经平导洞室进入换装洞室；更换下来的旧轴承此线路返回右线洞口场地。洞室断面：平导洞开口与正洞为４５。夹角，长度２２０ｍ，净空尺寸（宽×高）：７．５ｍ×３ｍ。２．３ＴＢＭ后退方案在ＴＢＭ尾部靠近线路右侧（减少对皮带机干扰）开挖存放洞室（该洞室在换装洞室范围内），存放洞室净空尺寸：８ｍ×７．５ｍ×３ｍ（长×宽×高）；待新主轴承运输至ＴＢＭ尾部进人存放洞室存放，在此位置进行更换作业。线路为：洞口装车一铺设进入ｌ＃避车洞的钢轨一运输至１＃避车洞一主轴承进入１＃避车洞卅＃台车移至１＃避车洞后方（洞口方向）一主轴承出ｌ＃避１７２铁道建筑技术车洞、进入主洞一恢复１｝｝避车洞位置钢轨一铺设进入２＃避车洞的钢轨一主轴承运至２＃避车洞一主轴—承进入２＃避车洞一１３＃台车移至２＃避车洞后方（洞口方向）一主轴承出２＃避车洞、进入主洞一恢复２＃避车洞位置钢轨一新轴承运抵扩大洞室并进人旁洞一ＴＢＭ后退至扩大洞室后，拆除旧轴承一新轴承出旁洞并卸车一旧轴承装车并进入旁洞一安装新轴承、ＴＢＭ向前步进至掌子面一旧轴承出旁洞一旧轴承运抵洞口。ＴＢＭ后退方案运输如图４所示。旁洞１挣避车洞２＃避车洞图４ＴＢＭ后退方案运输３ＴＢＭ主轴承更换方案对比３．１工期对比（１）主轴承左线绕行方案。需要施作两条斜横通道，ｌ＃斜横通道为主控项目，洞长４１ｍ，断面方量２２．５ｍ３，采用钻爆法施工。依据各循环作业时间，并按月进尺１００ｍ考虑，共用时９０ｄ。（２）迂回导洞方案。需在掘进机侧开挖一条平行导坑用于换装作业洞的施作和主轴承运输，主控项目为导坑的开挖。开挖长度２２０ｍ，按斜横通道的循环作业时间计算所得工期为７５ｄ。另外，换装作业洞在导坑未贯通之前无法平行作业，应考虑换装作业洞的开挖工期，故该方案土建项目工期为９５ｄ，总工期为１５２ｄ。（３）ＴＢＭ退行方案。需在掘进机尾部将正洞扩挖成符合吊装空间要求的换装作业洞，开挖长度２０ｍ，同时在换装作业洞室中部、线路方向右侧开挖轴承存放洞即可。存放洞室开挖方量为１８０ｍ３。换装作业洞和存放洞室可在主轴承到达工地之前完成。该方案的主控项目为掘进机退行工期，根据类似工程处理情况，计划用时１５ｄ。故该方案的总工期为７２ｄ。通过对三种方案工期对比，ＴＢＭ退行方案的工期最短。３．２土建费用比对施工土建费用与施工工期密切相关，同时考虑ＲＡ『ＬＷＡｙＣＯＮＳ丁ＲＵＣ丁ｆＯ～了ＥＣＨ～ＯＬＯＧｙ２Ｄ１４ｆ增ＴＪ万方数据・隧道／地下工程・三种方案不同的施工费用要求，对三种施工方案费用进行对比分析，ＴＢＭ退行方案的费用最低。通过方案优缺点对比分析总结见表ｌ。表１ＴＢＭ主轴承更换方案优缺点对比分析方案名称优缺点对比优点：ＴＢＭ后退长度小缺点：土建施工难度高、工程量大（斜ｌ｝｝施工时出碴左线绕行难度大，需采购专用扒碴设备）；与左线施工协调难度方案大；需选择在设计横洞处（原因有二：一为左线该段已衬砌；二为利用设计位置可以减少成本）；１＇ＢＭ掘进长度大（４００ｍ）迂回导洞优点：ＴＢＭ无需继续掘进；ＴＢＭ后退长度小；与左线无干扰方案缺点：土建施工量大、工期长ＴＢＭ退行优点：土建施工量小、难度小、工期短；与左线施工无干扰方案缺点：ＴＢＭ后退长度大；ＴＢＭ掘进２００ｍ４采用ＴＢＭ退行方案更换主轴承步骤（１）线路方向右侧开挖轴承存放洞，开挖长度２０ｍ。用锚杆将刀盘固定在掌子面岩面上，松开柱头螺栓使刀盘脱离刀盘接头，后退ＴＢＭ主机及后配套脱离刀盘，拆除皮带碴槽。拆除由后配套台车可移动皮带机尾部至后部主轴承检修间之间的皮带及皮带支架，并确保后部皮带仓有足够的空间收、放皮带。如图５所示。引。右线正洞ＴＢＭ后配套图５ＴＢＭ退行方案更换主轴承步骤１（２）后移ＴＢＭ主机和后配套，旧主轴承位置至存放洞位置。拆除顶护盾，拆掉主电机，拆除内外密封环、隔圈和外密封等。拆除固定刀盘接头和轴承内圈的柱头螺栓，分离刀盘接头和主轴承。将刀盘接头放到一边，保护并盖上刀盘接头防止脏物进入。用洞顶起吊设备钩住主轴承和张紧装置，拆除连接轴承外圈和机头架的柱头螺栓。将拆卸下来的旧轴承放人存放洞，保护其免遭损坏和脏物进入。安装新轴承，用柱头螺栓连接机头架和刀盘接头。清理密封和备件，安装内外密封及隔圈和挡铁道建筑技术ＲＡｆＬＭｙⅣＣＯＳ丁开ＵＣ丁『０～丁￡－ｃＨ～０ＬＯＧｙ环，安装顶护盾，安装主驱动电机和齿轮箱组件。如图６所示。图６ＴＢＭ退行方案更换主轴承步骤２（３）向前移动ＴＢＭ主机和后配套到掌子面固定刀盘位置。安装碴槽，清理刀盘和刀盘接头的连接表面，保证接头表面安装位置正确、状况良好。确保刀盘和接头准确对齐，利用反复机械运动和柱头螺栓使ＴＢＭ和刀盘连接起来。移除锚杆将刀盘脱离岩面，使用新密封，安装柱头螺帽。重新连接和安装皮带机皮带及固定支架。将旧轴承运出存放洞，安装隧洞其他施工设施。如图７所示。图７ＴＢＭ退行方案更换主轴承步骤３５结束语（１）长距离、大直径的隧洞（道）ＴＢＭ掘进施“”工，主轴承作为机器的心脏部件，其质量和工作状态的好坏至关重要，一旦发生主轴承的中途损坏，将会严重影响ＴＢＭ掘进的正常进行和总工期的实现，同时更换主轴承的成本太大，制造新轴承的”周期又太长ｊ。（２）主轴承和密封系统作为一个封闭结构，其工作条件和受力状况恶劣，维修保养极为困难。因此，必需加强监测控制、维修保养和ＴＢＭ设备的规范操作，尽量避免主轴承和密封系统在掘进中途的损坏旧。。（下转第１７６页）２０１４ｌ增１）１７３万方数据・隧道／地下工程・图１０交互段底板下１ｍ塑性区通过对交互段塑性应变区域的观察，我们发现两个断面结合部两侧拱脚处塑性破坏变形较大，是预防失稳重点区域。笔者分析认为，交互段斜井联络道的开挖已使得结合部区域两侧拱脚产生了应力集中，主隧道的再次开挖在拱脚区域产生二次应力集中，结合部交接线处两侧拱脚处出现两次应力集中叠加，初期支护塑性应变愈加明显。４结论通过ＧＴＳ软件建立三维隧道交互段模型，经过对交互段初期支护应力及变形分布特征分析，得到以下结论：（１）主洞初期支护右侧±１２ｍ范围内变形较—大；联络段拱顶部位的初期支护在距离结合线０６ｍ的内变形较大，需要在该区域加强支护措施。（２）交互段结合线处两侧拱脚应力集中明显，导致该区域初期支护塑性破坏变形显著，该处塑性变形影响范围达到底板下ｌｍ，在初期支护时应当加强锁脚锚杆的设置，以缓解应力集中现象。参考文献［１］张有天．隧道施工期变形分析［Ｊ］．岩石力学与工程—学报，１９９２，１１（１）：６３７１．［２］金丰年，钱七虎．隧洞开挖的三维有限元计算［Ｊ］．岩—石力学与工程学报，１９９６，１５（３）：１９３２００．［３］朱合华．天荒坪抽水储能电站试验洞室的掘进面空间效应分析［Ｊ］．工程勘察，１９９４（３）．［４］来弘鹏，谢永利，杨晓华．不同应力场软弱围岩隧道施—工力学特征的数值分析［Ｊ］．公路．２００９．１０：２３９２４４．［５］ＪＴＧＤ７０一２００４公路隧道设计规范［ｓ］．［６］ＪＴＧ／ＴＤ７０一２０１０公路隧道设计细则［ｓ］．［７］来弘鹏，谢永利，杨晓华．不同应力场软弱围岩公路连拱隧道力学特征试验［Ｊ］．长安大学学报（自然科学—版），２００８，６（２８）：６０６４．［８］沈明荣．岩体力学［Ｍ］．上海：同济大学出版社，１９９９．［９］朱大勇，钱七虎，周早生．复杂形状硐室围岩应力弹性解析分析［Ｊ］．岩石力学与工程学报，１９９９（４）．［１０］王梦恕．中国隧道及地下工程修建技术［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２０１０．［１１］关宝树．隧道工程设计要点集［Ｍ］．北京：人民交通出版社．２００３．［１２］关宝树．隧道力学概论［Ｍ］．成都：西南交通大学出版社，１９９３．［１３］陈建勋．软弱地层隧道初期支护技术：钢架喷网锁脚锚杆组合结构［Ｍ］．北京：科学出版社，２叭１．［１４］王毅才．隧道工程［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２００５．８．［１５］ＭＩＤＡｓ北京代表处．ＭＩＤＡｓ中文用户手册［ｚ］．北京迈达斯技术有限公司，２０１２．［１６］黄成光，于敦荣．公路隧道施工［Ｍ］．北京：人民交通出版社．２００１．［１７］陈建勋，欧阳院平，王明年．公路隧道复合式衬砌结构数值计算及分析［Ｊ］．中国公路学报，２００６，１９（２）：７４—７９”“””““—“—’—————‘”—‘＋一＋一＋一＋一＋ｎ＋・・＋一＋一＋一＋・・＋一＋一＋・・＋一＋一＋＋＋＋＊＋一＋一＋一＋一＋一＋一＋一＋－＋一＋＋一＋一＋一＋一＋一＋一＋一＋。卜卜一。＋＿。。＋＿。。卜。。＋－。卜卜（上接第１７３页）（３）用于ＴＢＭ设备中间转场、检修用的施工支洞，其尺寸的大小、长度、坡度、支洞与主洞轴线相交夹角，都应考虑周全，这不但方便ＴＢＭ设备中间转场的需要，也防止突发事件出现后轴承的运入或运出所造成的麻烦。（４）主轴承及密封系统在ＴＢＭ掘进过程中只需“正常保养，损坏概率极小，不存在、也不应该发生心”脏部件的损坏。本工程的主轴承更换，只能是个特１７６铁道建筑技术例，但备用轴承必须要有储备，以防万一而有备无患。参考文献［１］贾峰．ＴＢＭ主轴承密封系统洞内修复［Ｊ］．隧道建设，—２０１３，３３（３）：２５２２５８．［２］唐与，吴庆山，韩志远．支撑式ＴＢＭ掘进中途的主轴承—更换及处理［Ｊ］．现代隧道技术，２００９，４６（１）：６４７０．［３］水利部科技推广中心．全断面岩石掘进机（ＴＢＭ）［Ｍ］．北京：石油工业出版社，２００５．ＲＡｌＬｌ棚ＡＹｃＯＮＳＴＲＵｃＴｔＯＮＴＥｃＨＮｏＬＯＧＹ２０１４（增１｝万方数据