敞开式掘进机洞内检修改造方案及费用分析——以引汉济渭秦岭输水隧洞岭北TBM设备检修改造为例.pdf
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1、引用格式:杨银伟.敞开式掘进机洞内检修改造方案及费用分析:以引汉济渭秦岭输水隧洞岭北 TBM 设备检修改造为例J.隧道建设(中英文),2023,43(11):1964.YANG Yinwei.Overhaul and rehabilitation scheme along with cost analysis of open tunnel boring machine in tunnels:A case study of Qinling water diversion tunnel in Hanjiang river-to-Weihe river water diversion project
2、J.Tunnel Construction,2023,43(11):1964.收稿日期:2022-10-27;修回日期:2023-10-12作者简介:杨银伟(1974),男,河北石家庄人,1998 年毕业于长沙铁道学院,建筑管理工程专业,本科,高级工程师,现从事工程造价与成本管理工作。E-mail:460147961 。敞开式掘进机洞内检修改造方案及费用分析 以引汉济渭秦岭输水隧洞岭北 TBM 设备检修改造为例杨银伟(中铁十八局集团有限公司,天津 300222)摘要:为研究 TBM 洞内检修的施工组织和费用构成,基于引汉济渭秦岭输水隧洞岭北 TBM 设备检修改造的案例,详细介绍 TBM主机及后
3、配套检修方案和人工、材料、机械等资源配置,具体介绍刀盘、主驱动、推进撑靴组件检修改造的关键技术和施工方法,应用技术测定法、统计分析法、数理统计法研究 TBM 主机及后配套检修的费用构成,重点分析 TBM 检修周期、检修费与维护费的关系,检修费与设备原值的关系。结果表明:1)TBM 在使用寿命周期内有必要进行 1 次检修,以恢复其正常功能,检修周期为主轴承运行 7 000 h 左右;2)在不具备检修洞室条件时,实施 TBM 洞内检修改造工期约 100 d;3)引汉济渭秦岭输水隧洞岭北 TBM 主机及后配套检修费约占设备原值的 25%,配件费约占检修费的 78%,TBM 维护费系数为 3.243.
4、59。关键词:隧洞;TBM;洞内检修;设备改造;检修费DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2023.11.016文章编号:2096-4498(2023)11-1964-09中图分类号:U 45 文献标志码:A开放科学(资源服务)标识码(OSID):O Ov ve er rh ha au ul l a an nd d R Re eh ha ab bi il li it ta at ti io on n S Sc ch he em me e A Al lo on ng g WWi it th h C Co os st t A An na al ly ys si is s o
5、of f O Op pe en n T Tu un nn ne el l B Bo or ri in ng g MMa ac ch hi in ne e i in n T Tu un nn ne el ls s:A A C Ca as se e S St tu ud dy y o of f Q Qi in nl li in ng g WWa at te er r D Di iv ve er rs si io on n T Tu un nn ne el l i in n H Ha an nj ji ia an ng g R Ri iv ve er r-t to o-WWe ei ih he e
6、R Ri iv ve er r WWa at te er r D Di iv ve er rs si io on n P Pr ro oj je ec ct tYANG Yinwei(China Railway 18th Bureau Group Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China)A Ab bs st tr ra ac ct t:To investigate the organizational aspects and cost structure associated with the maintenance of tunnel boring machine(TBM
7、)tunnels,a comprehensive case study is conducted on the maintenance and rehabilitation of a TBM utilized in the North Qinling water diversion tunnel of the Hanjiang river-to-Weihe river water diversion project.The detailed examination includes the maintenance plan for the TBMs main machine and its r
8、ear components,along with the allocation of manpower,materials,and machinery.Additionally,key technologies and construction methods related to the cutterhead,main drive,and gripper are discussed.Furthermore,the cost analysis of TBM main machine and its auxiliary maintenance is performed using techni
9、cal measurement,statistical analysis,and mathematical statistics.The relationship between the TBM maintenance cycle,inspection cost,maintenance cost,and the original value of the equipment is scrutinized.The findings reveal the following insights:(1)In the service life cycle of the TBM,a single over
10、haul is necessary to restore normal functioning,with the overhaul cycle spanning approximately 7 000 hours of main bearing running.(2)In situations where no maintenance cavern is available,the construction period for TBM tunnel maintenance and rehabilitation is estimated to be around 100 days.(3)The
11、 cost analysis indicates that the main machine and supporting equipment maintenance and rehabilitation costs for the TBM used in the North Qinling water diversion tunnel of the Hanjiang river-to-Weihe river water diversion project constitute approximately one-quarter of the 第 11 期杨银伟:敞开式掘进机洞内检修改造方案及
12、费用分析 以引汉济渭秦岭输水隧洞岭北 TBM 设备检修改造为例original equipment price.Furthermore,the cost of accessories constitutes approximately 78%of the total maintenance and rehabilitation cost,resulting in a maintenance cost coefficient ranging from 3.24 to 3.59.K Ke ey yw wo or rd ds s:tunnel;tunnel boring machine;overha
13、ul and rehabilitation in tunnel;equipment transformation;overhaul cost0 引言采用 TBM 法施工特长隧道,随着 TBM 设备老化、磨损,TBM 主机及后配套设备故障率明显升高,一般连续施工 10 km 左右需要在洞内进行 1 次全面检修,以恢复 TBM 设备正常性能1。由于洞内检修空间狭小、吊装不便、运输组织复杂,国内学者针对 TBM 洞内拆解、维修技术等进行了大量研究:唐与等2介绍了辽宁大伙房项目在扩大洞室和检修间更换 TBM 主轴承,检修时 2 台 TBM 掘进里程分别为 5.982 km 和 12.988 km;韩小
14、亮3以某引水工程 8.5 m 敞开式 TBM 主轴承外密封挡圈断裂脱落为例,从可行性和经济性角度对比分析,在不拆卸刀盘、不扩大洞室的情况下提出了洞内TBM 主轴承外密封挡圈维修新技术;杨腾添等4研究了新疆某引水隧洞敞开式 TBM 更换失效密封,为解决空间狭小问题提出了“四点锚杆锁定”、“四点支垫支撑”的刀盘固定模式;吴朝来5以引汉济渭工程岭南段为例,探索了在狭小空间下大直径 TBM 刀盘与主机分离实施主驱动密封检查、更换的方法和技术;吕二超6以引汉济渭工程岭北段为例,在不具备扩大洞室条件下创新了洞内 TBM 刀盘边块更换技术。目前,业界对 TBM 洞内检修的研究主要集中在技术方面,缺乏对洞内检
15、修的施工组织和检修费用进行定量分析,水利行业将 TBM 检修费和维护费统一为修理及替换设备费综合考虑,铁路行业将 TBM 折旧费和检修费作为独立费用由市场竞争决定,TBM 工程造价和成本控制缺乏检修费方面的参考依据。本文基于引汉济渭秦岭输水隧洞岭北 TBM 设备检修方案,分析工期和人、材、机配置,进而分析 TBM 洞内检修费用构成,从检修周期、费用构成、检修费与设备原值的关系和检修费与维护费的关系 4 个方面验证了检修费的合理性,以期为类似项目组织管理和造价控制提供借鉴。为与水利工程概预算补充定额(掘进机施工隧洞工程)7(简称 2007 补充定额)保持一致,本文中TBM 主机及后配套包括主机、
16、主机辅助设备、后配套拖车,但不包括锚杆钻机、混凝土喷射系统设备、钢筋网安装器、钢拱架安装器、仰拱吊机。1 工程及 TBM 设备概况1.1 工程概况引汉济渭秦岭输水隧洞全长 98.30 km,设计流量70 m3/s,纵坡 1/2 500,最大埋深 2 012 m,穿越秦岭主脊段采用 TBM 法施工,2 台敞开式 TBM 相向掘进。其中,岭南工区施工 18 717 m,岩性以石英片岩、变粒岩、片麻岩、石英岩、花岗岩、闪长岩为主,、级围岩占比 92%;岭北工区施工 16 690 m,岩性以闪长岩、千枚岩、变砂岩、角闪石英片岩、花岗岩为主,、级围岩占比95%,见图1。岭北 TBM 自2014 年6 月
17、开始试掘进,至 2018 年 12 月完成合同掘进任务后,建设单位决定实施接应方案,接应段长 3 000 m。1.2 TBM 设备概况岭北海瑞克 S795 号 TBM 刀盘直径为 8.04 m,刀盘长度为 4.61 m,最大推力为 27 488 kN,刀盘总质量为 168 t;主驱动电机总功率为 3 500 kW,转速为7.3 r/min,转 矩 为 10 725 kN/m;主 轴 承 直 径 为4 200 mm,后配套长度为 184 m。图 1 秦岭隧洞岭脊段施工布置示意图(单位:m)Fig.1 Sketch of construction layout of Qinling tunnel
18、ridge section(unit:m)2 TBM 设备状态评估岭北海瑞克 S795 号 TBM 掘进超过 15 km,为了更好完成接应段新增掘进任务,建设单位委托专业机构对整机设备进行全面检测、分析和评估,内容包括整5691隧道建设(中英文)第 43 卷机运行评估(主机及后配套设备运行状态功能检验、辅助设备运转振动测试、液压泵及主驱动的机械振动测试)、油品取样与检测等。评估报告认为:“此 TBM目前机况较差,如需达到原有的设计性能,建议做好设备的维修工作,包括清洁、保养、修复或更换部件。针对下一阶段的施工要求,需结合地质情况对设备进行适应性分析论证,并对部分系统进行维修改造”。经多次专家论
19、证,建设单位批准了承包商编制的岭北TBM 接应段设备检修改造实施性施工组织设计,开始实施 TBM 检修工作。3 TBM 检修改造及更换方案3.1 TBM 检修方案岭北 TBM 检修方案的重点是刀盘中心块、主驱动和推进撑靴组件检修,主要检修项目方案见表 1。表 1 TBM 主要检修项目方案Table 1 Main overhaul schemes of TBM检修项目检修方案中心块检修 1)更换正面耐磨板;2)更换刀箱;3)更换 C形保护板;4)更换包箱隔板;5)更换喷水装置主驱动检修 1)更换主轴承内外密封、减速箱和驱动电机;2)更换主驱动电器元件;3)主驱动检修推进撑靴组件检修1)更换撑靴油
20、缸;2)更换推进油缸机械系统检修 1)更换双头螺栓;2)螺栓检查校核;3)焊缝检查;4)更换行走轮;5)更换后支撑油缸;6)更换油缸关节轴承及隔环;7)修复磨损间隙,排除靴板倾斜故障液压系统检修 1)更换电动润滑脂泵、润滑回油泵和部分润滑流量计;2)更换老化的液压管路;3)定期更换液压润滑滤芯和液压油电气系统检修 1)更换变压器、电机、老化的电缆;2)更换变频器、传感器、模块和部分电气元件通风除尘系统检修 1)清理风道;2)更换风管;3)更换轴流风机和除尘器;4)检测维修工业空调1#、2#皮带检修 1)检修更换张紧机构、清扫系统、缓冲装置;2)更换皮带滚筒和皮带3.2 TBM 改造方案岭北 T
21、BM 改造方案的重点是刀盘边块的改造和拆装,主要改造项目方案见表 2。3.3 刀盘改造更换在原合同段施工过程中,TBM 刀盘历经 3 次检修,评估报告认为:“刀盘整体状况较差,表面耐磨保护材料磨损严重,导致盘体及刀座出现不同程度磨损,其中刀盘圆弧段及边刀座磨损最为严重;多数刀座安装面出现疲劳压溃,多处渣口区域出现筋板老化变形焊缝开裂,刀盘内部筋板及连接螺栓出现不同程度磨损,喷嘴及管路损坏缺失”。TBM 接应段岩性以闪长岩为主,岩石强度高,完整性好。岭北 TBM 刀具布置、刀间距离和刀盘现状将无法适应接应段硬岩及极硬岩的施工要求,必须实施改造和恢复性修理:一是更换 4个边块以适应接应段硬岩地质条
22、件,二是检修中心块以恢复刀盘性能。表 2 TBM 主要改造项目方案Table 2 Main rehabilitation schemes of TBM改造项目改造方案刀盘边块改造 1)重新布置刀具位置,缩小刀具间距,增加 2 把刀具;2)安装新型刀箱;3)加强易磨、易损、薄弱部位刀盘边块拆装1)制造;2)运输;3)更换;4)焊接电气系统改造改造变压器的散热形式,以油冷代替水冷通风除尘改造空压机由风冷式改为水冷式刀盘是 TBM 主机部分的关键部件之一,刀盘磨损程度随掘进延长不断加重,受结构、重量、空间等因素影响,在隧道内实施刀盘检修工序较为复杂8。由于洞内岩爆频发,不具备开挖扩大洞室和架设吊装设
23、备的条件,因此采用基坑法实施刀盘检修,见图 2。刀盘改造更换顺序为基坑开挖支护、基坑衬砌、后退区换拱扩挖、吊装设备安装、旧边块拆卸、新边块安装、中心块检修,见图 3。图 2 基坑法示意图Fig.2 Sketch of foundation pit method3.3.1 基坑施工海瑞 克 S795 号 TBM 刀 盘 边 块 几 何 尺 寸 为5 600 mm1 820 mm1 980 mm,无法通过 TBM 后支撑部位(后支撑中间间距约 1 850 mm,向上逐渐减小),因此在后支撑后方选择基坑位置,基坑中线与隧道中心线重合,基坑开挖轮廓线尺寸为 10.2 m3.5 m3.3 m,基坑周边采
24、用 32 mm 中空注浆锚杆支护,锚杆长度为 5.0 m,间距为 900 mm900 mm 方形布置,钢筋混凝土衬砌厚度为 700 mm,衬砌后净空尺寸为8.8 m2.1 m2.6 m。开挖前进行底拱加固,“放小炮”分多次开挖,人工出渣至后配套,主洞内采用有轨运输,在支洞交叉口转为无轨运输至洞外渣场。3.3.2 后退区域扩挖基坑位于后支撑后方,TBM 刀盘需经历多次反复进退才能到达基坑位置,为实现刀盘后退需要对护盾后方 32 m 范围进行换拱、扩挖处理9。为确保安全,6691第 11 期杨银伟:敞开式掘进机洞内检修改造方案及费用分析 以引汉济渭秦岭输水隧洞岭北 TBM 设备检修改造为例换拱按“
25、先立后拆”顺序进行,拱架间距为 45 cm,扩挖范围为拱部 180,扩挖半径为 4.51 m,扩挖后岩面喷5 cm 厚 C20 混凝土封闭,然后架设 H150 钢拱架,钢拱架两端拱脚坐落在坚实岩体上,拱脚设置 2 根 4 m 长22 锁脚锚杆。采用人工风镐扩挖,开挖循环严格控制在 45 cm 内,开挖后立即施作钢拱架,钢架外翼板内侧纵向焊接 16 钢筋,连接筋环向间距为 30 cm,钢架内侧封焊 6 mm 厚钢板,回填 C30 混凝土。换拱扩挖过程中必须对围岩进行监控量测,监控围岩变形收敛程度。图 3 刀盘检修流程图Fig.3 Flowchart of cutterhead overhaul3
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