引洮工程单护盾TBM刀盘正、反转出渣适应性改造

【摘要】结合甘肃引洮供水一期工程总干渠7#隧洞工程实践，针对单护盾tbm施工过程中刀盘单向旋转开挖的特点和缺陷，探讨了单护盾TBM刀盘正、反转出渣刮渣口的改造、刀盘驱动变频器参数改变、PLC控制程序修改等系列问题，解决了单护盾TBM施工中盾体旋转、管片旋转的一大难题，得出了单护盾TBM刀盘正反转出渣有利于提高施工质量和施工效率的结论。

【关键词】单护盾TBM；缺陷；刀盘正反转出渣；刮渣口改造；PlC程序修改

引言

随着国内工程建设的大力发展，各种施工技术水平的不断提高，TBM掘进机已经深得广泛应用，开敞式TBM、双护盾式TBM在国内已经广泛应用于铁路、引水隧道的施工。但是单护盾TBM在国内尚未得到广泛应用，甘肃引洮供水一期工程总干渠7#隧洞工程施工中采用了国内首台单护盾TBM。单护盾TBM具有结构简单、地质适应性强、施工安全系数高等特点。引洮供水7#隧道地质围岩多为沙质泥岩，围岩较软且自稳性差，掘进期间多次出现含水疏松砂岩，此类围岩利用开敞式和双护盾式TBM均难以通过，而单护盾TBM多次成功脱困。虽然如此，单护盾TBM仍然具有“先天性”缺陷，即刀盘旋转对盾体的反作用力无法消除。众所周知，由于地质围岩的不确定性，任何一台TBM都无法作出对围岩的绝对适应，需要在施工过程中不断地作出适应性的改造，以提高在不同围岩条件下的适应性。本文对单护盾TBM进行了刀盘出渣改造方面进行了尝试性探索，积累点滴经验，以便对类似施工提供借鉴经验。

工程概况

甘肃省引洮供水一期工程计划从洮河九甸峡水利枢纽调水至甘肃省中部干旱地区定西市一带。工程主要建筑物包括调水总干渠1条，长110.47km；干渠3条，全长146.19km；支渠及分支渠20条，全长238.18km；供水管线12条，全长113.274km。其中总干渠7#隧洞全长17.28km，国内首次采用单护盾TBM独头开挖，TBM首次组装掘进在7#隧洞出口，在掘进至3km处时，突遇突泥涌沙地质灾害，被迫拆机运至进口，经过重新设计制造刀盘、盾体，组装掘进顺利完成11km，又遇到涌沙地质灾害，被迫中止TBM开挖。

1问题的提出

经过对单护盾TBM近3KM的施工实践，发现在开挖过程中盾体和已安装的管片有较大的旋转情况，造成了管片结构的不稳定和后续有轨运输铁轨高差过大，严重影响施工质量和安全质量。虽然该TBM设计了盾体纠偏系统，但在沙质泥岩的特殊地质条件下应用效果差，无法有效控制盾体的旋转量，同时借助TBM出现突泥涌沙后需拆机搬运至进口重新组装开挖的机会，重新设计制造刀盘，满足了改造条件。

2问题分析

由于单护盾TBM没有中盾撑靴，在掘进过程中刀盘单向旋转开挖造成盾体所受的反作用力无法通过撑靴抵消，而跟随刀盘方向旋转，同时已安装管片也受到推进油缸倾斜力作用而旋转，造成管片衬砌结构不稳定和后续运输轨线水平高度相差过大，给有轨运输造成很大困难，严重影响施工质量和安全质量。通过对单护盾TBM开挖特点进行分析对比，提出了将单护盾TBM改造成为刀盘正、反转开挖模式，通过刀盘的正、反转开挖模式交替使用，可较好地将盾体、管片旋转量控制在允许范围内。

3刀盘的改造

该TBM原刀盘设计重量较大，重达近80000kg，厚度达2000mm，单向出渣刮渣口，如图1、图2。由于设计刀盘不适合在较软沙质泥岩地质条件，开挖过程中刀盘所受摩擦力较大，造成开挖扭矩大，反作用力对盾体的影响较大。单向刮渣设计只能允许刀盘单向旋转开挖，产生的盾体旋转无法消除。

3.2刀盘的改造

4控制系统修改

原刀盘只有一种顺时针旋转开挖模式，称之为“正转模式”，为适应新刀盘逆时针旋转开挖，即“反转模式”，需将变频器的控制参数和PLC控制程序重新修改调试。从而实现刀盘正、反两种模式下的开挖功能。

4.1控制模式和程序修改原则

4.1.1要求刀盘在“反转”模式下变频器的设定扭矩、设定转速必须与“正转”开挖模式相同，满足开挖要求。

4.1.2“正-反转”模式转换必须方便快捷。不需增加控制按钮，只需利用主控面板上的原有的“CW”、“CCW”转向控制按钮，将原控制功能加以程序化改进即可实现。