全斷面隧道掘進機錨桿鉆機潤滑保護

毛本慶 馬婧婧

中鐵十八局集團宣傳部 天津市

一、TBM簡介

TBM（Tunnel Boring Machine）即全斷面隧道掘進機，是目前長大隧道施工最有效的大型綜合性施工機械。1997年我國首次引進兩臺德國WIRTH公司生產的TB880E掘進機，分別用于秦嶺隧道Ⅰ線進口和出口段施工，該掘進機最突出的特點是集快速、安全、同步和系統性于一機。TB880E掘進機刀盤直徑8.8m，整機長256m，由主機、連接橋和后配套3大部分組成，具體包括刀盤及其驅動系統、ZED激光導向、通信、巖石支護、通風除塵與運輸系統。操作系統及整機各關鍵部位均由PLC控制。

秦嶺隧道使用德國WIRTH公司TB880E型TBM施工，機上配備5臺TAMROCK鉆機，安裝在刀盤護盾的后部，在隧道頂部進行鉆孔作業，對隧道進行臨時支護。可以說TAMROCK鉆機是TBM安全掘進的保護神，其工作性能的好壞直接關系到TBM能否安全、順利掘進以及工程質量能否達到設計要求，因此對其日常維護保養，保證鉆機處于最佳工作狀態顯得尤為重要。

5臺鉆機配有4臺HL300S型和1臺THC500型鑿巖機，共同特點是均采用釬尾油氣潤滑，這種潤滑的作用有3點：（1）可以潤滑各滑動副。（2）可以在鑿巖機內形成壓力密封，防止外部的灰塵和水進入。（3）可在釬尾與沖擊活塞錘擊面形成油膜，防止活塞干打。

TBM鉆機釬尾油氣潤滑系統如圖1所示。TBM上的壓縮空氣經過截止閥進入水分離器，除去空氣中所含的水分，在加油器的分配閥中形成潤滑油氣后經油氣管1輸送到各鉆機的釬尾氣沖洗閥。在此，如果鉆機需進行鉆孔作業，PP（信號油路）接口有信號油通過，沖洗閥開啟，潤滑油氣從執行端口A通過油氣管2進入鑿巖機內部，實現釬尾潤滑。

圖1 TBM鉆機釬尾油氣潤滑系統

與TBM配套的TAMROCK鉆機釬尾油氣潤滑沒有自動監測和保護裝置，在TBM試掘進期間，因組裝時一鉆機釬尾潤滑氣管（即圖1中油氣管1）漏接，至使在3天內連續打壞兩臺鑿巖機，均為沖擊活塞早期損壞。以后又在一次機械修理中，因釬尾氣源被移做它用而未能及時恢復，使一臺鑿巖機出現同樣故障，另一臺鑿巖機內部進入水和灰塵，造成鑿巖機內部很多零件早期損壞。鑒于此，必須對TAMROCK鉆機釬尾潤滑系統安裝1套自動保護裝置，以在鑿巖機失去釬尾油氣潤滑時能實現自動停機。分析鉆機釬尾油氣潤滑和電氣控制原理圖，構思了3種解決方案。

二、解決方案

1.從分配閥處提取壓力信號

在釬尾油加油器分配閥上提取壓力信號（圖2），將其引入壓力開關，由此信號控制壓力開關動作，從而產生一個邏輯判斷，當氣壓小于一定值時，啟動緊急停機開關，使鉆機停止工作。由于釬尾氣額定壓力為0.45MPa（4.5bar），且各鉆機單元釬尾油氣的開啟對此處影響不大，因此壓力開關動作壓力P0應設在0.35～0.4MPa（3.5～4bar）范圍之間，可根據工地已有備件選用，既可監測有無氣壓，又可監測壓力是否在額定值的許可范圍之內。口上安裝測壓頭，將壓力信號引入壓力開關（常開型），壓力開關與鉆機緊急停止開關（常閉型）串聯。在此串入緊急停止開關而非常規起動開關的好處是在緊急停止開關動作后，TBM操作室能顯示報警信息并需得到確認消除后才能重新啟動鉆機。

當P＜P0時，壓力開關斷開，緊急停止開關斷開，使鉆機緊急停止或不能啟動，TBM操作室顯示報警信息；

當P＞P0時，壓力開關閉合，緊急停止開關復位，TBM操作室確認后消除故障信息，表示壓力正常，鉆機可以工作。

此方案的特點是能監測鉆機釬尾油氣潤滑系統的原始壓力，簡便易行，只需一套裝置就能對整個鉆機系統的釬尾潤滑進行監測和保護，但是對于支路上即分配閥以后的油氣管路出現的氣路故障（泄漏、堵塞）不能起到保護作用。

2.從沖洗閥處提取壓力信號

在釬尾氣沖洗閥測壓頭WPM（此測壓點測量的是進氣口P的壓力）處提取壓力信號，以此控制壓力開關動作，通過緊急停止開關實現自動停機。沖洗閥位于操作臺側面，直接控制鑿巖機釬尾潤滑油氣的開啟，最能反映鑿巖機釬尾潤滑狀況。

圖2 方案1

圖3 方案2

如圖3，控制原理同方案1，但在圖3中增加一個復位按鈕，以備緊急停機之后，能重新啟動鉆機，使鉆機復位并方便檢查。因開啟釬尾油氣時，會產生一定的壓力降，故其動作壓力不能太高。經過試驗，可將壓力開關的臨界值P0設為0.15～0.2MPa（1.5～2bar）。實際工作中，為防止鉆機正常情況下壓力開關誤動，可選較小值。

此方案能較好的監測獨立鉆機的釬尾油氣潤滑狀況，對鑿巖機是否正常工作起到較好的監測保護作用，且裝置簡單易行。但每個鉆機單元都需要配備一套，成本相對較高，且對沖洗閥出現的諸如閥芯卡死等故障不能實現自動保護。

3.將壓力狀態輸入主PLC控制器

TBM本身相當于一個自動化工廠，有一套完整的PLC控制系統。因此如果在其主PLC控制器中加入控制模塊，將釬尾潤滑氣壓力狀態通過壓力傳感器輸入主PLC控制器，通過比較、判斷，以監測當前釬尾潤滑氣工作狀態是否正常，并以此決定是否終止鉆機工作，并在TBM操作室顯示故障信息，以提醒TBM司機及機械維修人員注意，有助于及時發現故障并能迅速處理，避免重大事故的發生，保證施工的順利進行。具體設想如圖4所示。

圖4 方案3

在每個操作臺的沖洗閥油氣出口A上安裝1個測壓3通，引出壓力信號P2，將其引入壓力傳感器S2；再從信號油路入口PP安裝一測壓3通，引出另壓力信號P1，將其引入另一壓力傳感器S1。由于釬尾氣的開啟是通過信號油路PP來控制，因此正常情況下當沖洗閥有信號壓力P1，額定壓力為2.7MPa（27bar），設定值為2.3MPa（23bar）時，釬尾潤滑油氣開啟，由于鑿巖機有一定的排氣量，故P2壓力達不到0.45MPa（4.5bar），實際控制中將 P2值設定為 0.15～0.2MPa（1.5～2bar）；當 PP 口信號壓力消失時，釬尾潤滑油氣沖洗閥關閉，P2壓力約為0。設計控制模塊流程圖如圖5所示。

方案3比較復雜，所需的傳感器較多，且涉及到PLC編程控制，需經TBM生產廠家WIRTH公司的同意許可方可實施，需要較長的準備時間，從短期來說，不宜在工地現場實施。但能直接監測進入鑿巖機內部的釬尾氣壓是否正常，因此保護更全面，并能夠顯示故障信息，使之能得到及時處理，保證施工的順利進行，具有一定的可行性。

三、方案比較

圖5 控制模塊流程圖

以上3種方案，所用裝置依次復雜，所花費的成本也漸高，但保護性依次更好，各有優缺點。根據工地實際情況，錨桿鉆機現已處于穩定的工作時期，釬尾潤滑系統運轉正常，因此單個鉆機釬尾潤滑出現故障的可能性很小。相反，由于釬尾潤滑油需每天檢查、添加，就必須對其進行切斷氣源，卸壓。為防止人為因素（如添加完釬尾潤滑油之后，未及時打開氣）而造成鑿巖機損壞，且根據幾次鑿巖機發生的重大事故來看，人為因素造成的事故為其主要因素，因此采用第一種方案監測釬尾油氣氣源壓力，能滿足現場需要且簡便易行。第二種方案亦較簡單，能對獨立鉆機單元進行有效保護，但需對每個鉆機單元配備一套保護裝置，在條件允許的情況下可以優先考慮。第三種方案相對復雜，涉及到PLC控制及編程等技術問題，需經WIRTH公司同意方可實施，但其保護更加可靠，可待日后時機成熟時采用。

四、實際應用及效果

實施中采用第一種保護方案，在沒有合適的壓力開關的情況下，用一動作壓力為0.4MPa（4bar）的壓差開關，改裝成一壓力開關，組裝成保護系統。投入使用后，在幾個月的施工中，防止了幾起潛在事故的發生，如空壓機意外停機，釬尾氣氣閥關閉后未及時開啟，沒有發生因釬尾油氣潤滑系統故障而導致鑿巖機損壞事故，證明此保護裝置的實施成功而有效。