TBM隧洞项目中的设备、施工及劳动组织管理

2014-04-08安清泉

四川水力发电 2014年4期

安清泉

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川成都 610072)

1 概述

CCS输水隧洞长度为24.823 km，隧洞沿线地质条件复杂。根据隧洞穿越的围岩结构分类，Ⅱ类围岩约占隧洞总长的60%，主要为隧洞中部迷萨华林地层的安山岩体；Ⅲ类围岩约占隧洞总长的20%，岩体以层状结构为主，质量中等，包括进口段花岗侵入岩和浩林地层的砂岩、页岩；Ⅳ类围岩约占隧洞总长的20%，分布不连续，主要为断层及其影响带。

经过多次专家论证，最终决定CCS输水隧洞采用双护盾硬岩全断面隧洞掘进机掘进，玛蒂技术有限公司皮带输送系统出渣，6+1管片全断面衬砌的施工方案。

隧洞设计为圆形断面，开挖直径9.1 m，成洞直径8.2 m。隧洞出口段于2012年9月21日正式掘进，至2013年11月30日，除去设备检修、1#皮带安装、错车平台安装、皮带加力站安装等，平均日进尺为23.12 m，最高日进尺为46.9 m，平均月进尺为703 m，最高月进尺为1 000.41 m，创造了双护盾硬岩全断面掘进机施工的南美最高记录、同类机型世界第三的最高纪录。笔者在现场施工中认识到：只有先进的设备、完善的配套设施与科学严谨的施工组织管理相结合，才能充分发挥TBM快速掘进的性能。

2 设备管理

2.1 组织管理

项目部制定了《CCS输水隧洞出口段TBM设备管理办法》，建立了项目部总工程师→TBM作业部→领班工程师→施工作业组的设备管理组织体系，完善了点、线、片、面、整体管理，逐层分工负责的岗位责任制原则。对从设备组装到维修保养都制定了严格的规章制度，实行标准化作业、程序化管理。

2.2 组装管理

TBM单件重量达105 t，拼装场地的承载力为300 kPa。组装设备主要有：2×200 t龙门吊车1台，3.5 t伸缩臂叉车2台，20 t、40 t平板拖车各1辆，25 t、50 t、75 t、160 t汽车吊各1辆。TBM组装顺序：安装前护盾部件→主轴承→支撑护盾→主推油缸和后护盾电机→皮带机前半部分和下料槽→安装刀盘和主轴承连接→撑靴盾油缸→安装所有的辅推油缸和主驱动电机→伸缩盾顶块→外盾顶块和连接油缸→尾护盾→管片安装器和超前钻→主机辅助设备→连接桥→1号后配套上的辅助设备→2～9号后配套上的辅助设备→液压及电气设备→风水电→皮带机等设施。设备组装前，项目部邀请国内有关专家和技术人员编制了《双护盾硬岩掘进机组装施工组织设计》，制定了详细的组装工艺和操作细则。中方工作人员在HERRENKNECHT AG公司技术人员指导下，花费了9周时间，顺利完成了TBM的组装调试工作。由于TBM设备功能块较多，操作要求严格，组装时我们严格按HERRENKNECHT AG公司提供的技术规范操作，按照HERRENKNECHT AG公司的要求分两班(12 h)进行组装，同时分四个工作面进行组装工作，并认真接受外方技术人员的指导。

2.3 维修保养管理

施工过程中，必须对设备进行全面、规范化的维修保养。认真实施预防性保养是降低设备故障率的前提，可以减少机械设备的维修次数，从而减少不必要的停机。

2.3.1 主轴承的维护

主轴承是TBM最重要的部件之一，润滑条件对其使用寿命影响极大。主轴承润滑分三个独立的回路，油箱和油泵分离，必须经常检查其密封情况，防止串油。注意定期检查气动油脂泵的工作状况，定期更换润滑油。主轴承的维护是TBM设备维护的重点，由液压工程师负责实施。

2.3.2 刀具的检查及更换

刀具是TBM的主要部件，必须定期检查、更换，以延长其使用寿命。每个掘进班两个循环检查一次刀盘，发现渣中有金属构件或刀盘区域有异常的噪音、气味时，应立即停机检查刀盘，检查的重点是中心刀和边刀。

根据刀具磨损规律，刀具组负责人制定了详尽的刀具更换及调位计划，及时更换达到磨损量或损坏的刀具，尽量避免在掘进过程中更换刀具。刀具修理人员及时修复损坏的刀具并保证其装配质量。

2.3.3 除尘风机的维修与保养

除尘风机故障对施工影响很大。由于粉尘增多，激光穿透力减弱，进而影响管片的安装、轨道的铺设和掘进方向的调整。洞内能见度降低，管片安装工作无法与掘进同时进行，既延长了停机等待时间，同时对施工人员的身体健康造成危害。

将除尘风机列入重点维修保养范围，定期检查除尘电机的工况，及时清洗滤网。

2.3.4 管片安装器的维修与保养

管片安装器故障对施工进度影响巨大。由于管片安装器长期进行管片安装，掘进速度的快慢决定管片安装的速度，维护人员每天必须对其进行机械、液压、电气的保养工作。

2.3.5 管片运输设备的维修与保养

管片运输设备包括：管片快速卸载器、管片吊机、管片喂片机。

管片快速卸载器工况的好坏决定管片的卸载速度及小火车运输速度。维修人员每天必须对其进行液压系统、电气系统、遥控系统的保养工作，检查机械系统是否处于正常的工作位置。

管片吊机每天从事管片吊装任务。管片吊机每天至少吊运140片管片、12根轨道、50榀钢支撑，任务非常繁重，维修人员每天必须进行机械、液压、电气、遥控、轨道的维修保养工作。

管片喂片机输送管片的快慢决定管片的安装速度。维修人员每天必须进行机械、液压、电气、遥控系统的保养工作，每隔6个月更换一次喂片机的耐磨块。

2.3.6 灌浆系统的维修与保养

TBM管片安装完成后需对管片进行豆砾石、砂浆、水泥浆的回填，输水隧洞成型洞质量的好坏，其决定因素在于回填灌浆的好坏。

豆砾石回填系统由空压机、豆砾石上下料系统、豆砾石泵、输送管道系统组成。维修人员必须进行机械、液压、吊装、电气、管道的保养工作。豆砾石管道由于长期运行需经常更换，每班设专职人员进行更换和维修。

砂浆系统按照每两环进行灌注。每天维修人员必须进行灌浆泵、灌浆罐、吊机、灌浆管路、电气系统的保养工作。掘进班根据工作要求及时清洗灌浆罐及管路。

水泥浆回填系统设置在7#台车。维修人员每天必须进行机械、吊机、管路、电气的保养工作。

2.3.7 皮带运输系统的维修与保养

洞内外皮带运输系统包括：1#、2#、3#、4#、5#出渣皮带系统、皮带机控制柜、皮带加力站系统。

洞内主机皮带运输系统包括：1#、2#皮带系统。每班维修人员必须检查皮带、托辊、刮渣板、液压、刚桥架、电气设备的工作状况并及时更换配件。

洞内外3#、4#、5#出渣皮带系统担负主要的出渣运输工作，每班维修人员必须进行皮带的清洗检查、皮带托辊更换、托辊架、电气系统的检查工作，在皮带运行时及时处理皮带跑偏、皮带吊链调整的工作。

洞内皮带加力站系统承担皮带张力拉紧的工作。维修人员每班必须进行电机、传感器、皮带的维护工作。

其它部位的维修保养。在维修保养中，将电气设备的绝缘防护等做为重点保养对象，并对其它设备做一般预防性保养。

2.4 设备管理要领

(1)科学制定并严格执行设备维修保养计划，坚持定期保养、定期维护，实现制度化、规范化管理。

(2)加强设备故障统计和分析研究工作，减少常规性故障的发生，提高故障诊断能力，发生故障后能够及时排除。

(3)加强设备状态检测和油水检验管理，特别是对主电机工作状态进行检测及主轴承润滑油进行检验。

(4)根据设备配件消耗规律，制定合理的购置计划，在满足使用要求的前提下，尽量使用国产配件，以降低工程成本。

3 施工管理

TBM施工时开挖、出渣、运输、衬砌等工序平行连续作业，要求洞外配套设施的能力必须满足TBM掘进的需要并且布局合理。TBM施工工序较多，必须编制实施性施工组织设计，制定关键工序作业指导书，加强工序衔接，确保施工的连续性。

3.1 洞外配套设施的管理

根据TBM的施工特点，结合列车编组顺序和运输方式，将刀具修理车间、砂浆拌合站、豆砾石堆放区、机修车间、管片堆放区等配套设备沿运输轨道成条形布置，达到各工序协调动作的目的，保证管片运输及材料供应的连续性。

3.2 洞内施工管理

TBM隧洞施工是以掘进作业为核心,以掘进、衬砌、皮带出渣、管片和材料运输为主要作业,轨道延伸、通风、供电、供水、排水等为辅助作业进行的，其具有并行性、协调性、连续性和密集性等特点,从而决定了TBM施工组织管理技术上的特殊性。为此，在TBM施工组织管理方面主要采取了以下技术措施：

(1)根据TBM的施工特点,建立各作业工序间的合理关系;

(2)确定TBM施工管理的主要内容、方法和措施;

(3)建立TBM施工作业计算机分析决策系统,利用该系统对作业性能和数据进行分析,找出影响作业性能的因素,提出提高掘进速度和掘进机利用率的具体措施。

3.2.1 开挖

TBM掘进每循环进尺1.8 m，平均循环时间为25～40 min。受围岩类别、节理发育程度等影响，循环时间最短为25 min，最长为1 h，循环时间与围岩类别有较大关系。

施工中发现，岩石抗压强度为68～90 MPa、节理发育而又不致坍塌的围岩是TBM掘进的最佳施工条件。开挖管理作为施工管理的重要环节，其核心是掘进参数的选择和掘进方向的控制。

TBM工作模式：TBM分双护盾和单护盾工作模式。TBM操作手必须根据TBM自身的状态和围岩条件决定TBM的工作模式，一般情况下应遵循以下原则：

①双护盾:适用于围岩成洞条件较好、掌子面或已开挖段无大面积塌方、无卡机或伸缩护盾换步困难。

②单护盾:适用于围岩成洞条件差，如岩石强度弱、收敛变形大、破碎或大量涌水，致使TBM控制困难或支撑掌无法正常工作。

TBM的掘进参数：TBM操作手须根据TBM自身状况和围岩条件确定合适的掘进参数，并遵循以下基本原则：

> 主推力：单护盾≤20 000 kN，双护盾≤

25 000 kN

> 刀头转速≤5.5 r/min

> 扭矩：单(双)护盾≤6 MN·m

> 掘进速度：单(双)护盾≤80～90 mm/min

> 贯入度：单(双)护盾≤15 mm/r

> 主推和辅推油缸行程差：单(双)护盾≤60

> 80%的原则：任何情况下，TBM掘进参数以在最大容许值的80%以内为宜

> 油缸压力：一般情况下，油缸压力≤150 bar；如果围岩条件差，应降低油缸压力

> 支撑靴油缸：①单护盾：由于围岩条件差，采用单护盾掘进。在管片安装期间，为避免TBM向前滑行，应采用支撑靴并降低压力以稳定TBM；②双护盾：一般情况下≤250 bar，调整该压力，使TBM稳定，易于管片安装。

上述参数均互相影响，增加某个系数可能会导致其他参数下降。因此，操作手必须综合考虑，权衡利弊，确定合适的参数值。

3.2.2 出渣

出渣采用连续皮带方式。皮带机分为1#主皮带、2#皮带、3#皮带、4#皮带、5#皮带，洞外由25 t自卸车运输转运到主渣场的方式。

3.2.3 管片衬砌

管片衬砌安装时间的快慢决定TBM掘进的快慢。该TBM采用6+1左右型管片，管片分为D、C、B型，根据掘进期间围岩的类别，选择合适的管片型号；另外，TBM配备了豆砾石回填输送泵、水泥砂浆输送泵、回填灌浆系统等足够的支护设备，但在通过断层破碎带、软弱、涌水带等特殊地质地段时停机时间过长，制约了TBM掘进速度的发挥。

3.2.4 支撑管片的安装及轨道延伸

支撑管片的安装利用管片吊机起吊，人工定位，每块约需7～8 min，每安装6块支撑管片需延伸一次运输轨道。

以上工作与掘进同时进行，若工序衔接处理不好，将会占用循环时间。施工中必须加强同洞外行车调度的联系，以保证支撑管片及延伸材料的及时供应。

3.2.5 施工测量

TBM掘进方向由VMT激光导向系统控制。该系统能够不间断地提供TBM所处位置与隧洞设计轴线的偏差，并将其显示在操作室的控制单元上，主操作手根据这些信号调整TBM的掘进方向和姿态。

VMT导向系统每70 m前移一次。此项工作在停机保养时间进行，不占用循环时间。施工中将TBM主机位置与VMT建立联系，相互校核以减少测量误差，从而控制掘进偏差。

3.2.6 通风除尘

通风由φ2.4 m主风筒供给，通过后配套尾部的储存风筒经过接力风机送到TBM各个工作区域。除尘通过刀盘喷水和除尘装置实现，净化后的空气作为清洁空气吹入隧洞。

掘进期间，通风、除尘系统一直处于工作状态。施工中注意检查风筒有无漏风现象，检查并清扫除尘风机的过滤网罩。

3.2.7 风、水、电管路的延伸

风筒储存筒内存有风筒500 m，TBM自带φ200供水水管50 m、φ300排水管50 m，20 kV高压电缆500 m，均盘在卷筒上施工中随后配套系统的前移，风、水、电管路自动向前延伸。每天维修班根据掘进长度安装φ200的供水管路。

4 劳动组织管理

TBM机械化作业的特点要求施工企业必须将有限的人力资源进行科学合理的配置，充分发挥员工的生产积极性。

4.1 劳动力配置

在对TBM的管理中，始终坚持以掘进为中心配置劳动力。TBM劳动力的配置按照分工协作、各个工种紧密配合、每班执行无缝交接、落实到每个人每个岗位，做到人尽其责。

隧洞内分两班掘进(16 h)、一班维修保养(8 h)，管片生产按流水作业方式进行，机修车间实行两班工作制。

掘进班(每班)：主副TBM操作手2人，值班工程师1人，班长1人，副班长1人，安全工程师1人，测量1人，管片安装6人，管片运输4人，豆砾石回填及砂浆灌注5人，后配套回填灌浆8人，伸缩盾清渣2人，机械、液压修理2人，电工3人，刀盘工2人，轨道、皮带、风筒延伸7人，错车平台调度1人，合计47人。掘进班负责掘进过程中的所有工作。维护班48人，负责刀具检查、更换及其它维修保养工作以及掘进工作。洞外运行班78人，负责管片装卸、运输及材料的供应。另外，刀具修理6人，洞外皮带组8人，轨道维护和风筒维护6人。

机修车间30人，负责钢支撑及其它材料的加工，洞内水管制作、电路的延伸、材料的制作以及各类行走机械的保养、维修等。

发电厂10人，负责所有施工面、营地的供电工作。

重机部24人，负责洞外洞渣的转运工作。

TBM作业部所属的行政、技术、安检、调度、医疗、保安、生活等管理人员共有28人，生产人员计为304人。