巖爆地質段敞開式TBM關鍵設備維保技術探討

楊陽

摘 要：為解決硬巖TBM在巖爆地段施工時，關鍵設備頻繁損壞、施工效率低、施工成本增加問題，針對引漢濟渭嶺南TBM在巖爆段現場施工情況，分析TBM關鍵設備的損壞形式及原因，并提出TBM關鍵設備在運行保養方面采取的改進措施，使硬巖TBM在巖爆段順利掘進，提高施工效率，對類似工程起一定的借鑒作用。

關鍵詞：敞開式TBM;巖爆;關鍵設備;改進措施;維保

TBM施工具有快速、安全、高效等鉆爆法不可比擬的優勢，在我國的長大隧道施工使用越來越廣泛。但TBM一旦遇到巖爆等不良地質段，關鍵設備系統問題頻發，維修保養將花費大量的時間，嚴重制約施工進度。針對引漢濟渭嶺南TBM在巖爆段施工過程中，關鍵設備頻繁出現的問題進行分析，并在關鍵設備運行保養方面采取相應的改進措施。

1工程概況

標段位于陜西省寧陜縣四畝地鎮境內，全長18.275km，主洞采用一臺由羅賓斯公司制造的Φ8.02m敞開式硬巖掘進機施工，連續皮帶機出渣。為解決TBM長距離出渣、通風及第二掘進段施工組織問題，標段中間設一座4號支洞（采用無軌斜井施工），承擔TBM檢修洞施工與主洞TBM的鉆爆接應任務。

2巖爆段敞開式TBM關鍵設備損壞形式及原因分析

2.1主電機損壞形式及原因分析

（1）強巖爆致使主電機減速箱損壞，減速機內部齒輪油通過主電機轉子軸間隙處流入主電機內部，導致定子繞組絕緣值降低，不能滿足使用要求。

（2）隧洞底部強巖爆致使主電機外殼受損，耐壓強度降低，電機整體報廢。

（3）強巖爆、強震動致使主電機冷卻水回路管頭損壞，電機運行時溫度過高，變頻器頻繁報溫度過高故障，頻繁運行導致電機損壞。

2.2液壓系統損壞形式及原因分析

2.2.1執行元件及閥塊損壞

巖爆產生的不規則石塊形成瞬間沖擊力，直接作用在液壓執行元件及閥塊上，導致其直接損壞，損壞后需要大量時間進行排查并處理，必須對液壓系統進行更換、清洗等工作。

2.2.2液壓管路損壞

巖爆掉落的不規則棱角鋒利的石塊，砸落至帶壓狀態的液壓油管，使其表面橡膠破損鋼絲編織層破裂，從而使整條液壓管路損壞，必須停機進行檢修更換方可使用。

2.3拱架安裝器損壞形式及原因分析

2.3.1拱架安裝環損壞

拱架安裝環在TBM掘進期間基本都在護盾內部，只有開始安裝鋼拱架支護時才會離開護盾，在安裝鋼拱架時會出現不同強度巖爆，或是圍巖上部，或是隧道底部，所釋放的沖擊力極易造成拱架安裝環的損壞變形。

2.3.2拱架安裝器結構架斷裂、變形

在高頻強巖爆地段施工過程中，頂部垮塌的巖石順勢而下，巨大的重力勢能直接作用在拱架安裝器結構件上，造成整體結構件鏈接部位開裂及變形，致使整套系統部分功能缺失，而部分永久性損傷即使后續維修人員進行焊接修補，也無法達到新機使用狀態。

2.4錨桿鉆機損壞形式及原因分析

2.4.1巖爆落石造成鉆機整體結構掉落

由于錨桿鉆機的工作性質和使用需求，其頂部與周身無任何防護措施，若頂部發生高頻強巖爆，所掉落的石塊直接將錨桿鉆機整體結構件砸落，鉆機整體結構掉落極易造成推進梁的扭曲變形。

2.4.2巖爆大石塊造成鉆機耐磨滑道砸傷變形

巖爆落石多以三角形、錐形等不規則形狀呈現，塊徑大且棱角鋒利，在大石塊的沖擊作用下，致使鉆機推進梁耐磨滑道損傷變形（如圖所示），滑道表面出現破損將加重母座的磨損程度，極大減少設備的使用壽命。

2.4.3巖爆大石塊造成鉆機變速箱剎車損壞

高頻強巖爆產生的落石砸落至驅動裝置本身，直接造成鏈接螺栓斷裂，驅動齒與行走軌道分離，使整套驅動的制動功能失效，致使鉆機滑落造成結構件以及機身的損壞，鉆機自身重量的下墜力度加上落石的沖擊，極易造成鉆機剎車花鍵軸的斷裂，以及變速箱內部行星齒的損壞。

2.5皮帶機損壞形式及原因分析

2.5.1皮帶機結構件損壞

在巖爆段施工時，大量大塊巖石從掘進巖面垮落，加之刀盤刮渣倉局部損壞無法及時修復，大塊的巖石未有效破碎即被輸送到主機皮帶機接渣斗處，造成接渣斗弧形板、扇形板、梯形板被砸落變形、掉落、緩沖床磨損。

2.5.2輸送帶破損、撕裂

巖爆產生的大塊巖石頻繁堵塞皮帶機下渣斗，若未及時發現并停機，極易造成輸送帶縱向撕裂;在巖渣輸送過程中，巖渣不斷通過各個轉載點，在下落過程中對皮帶機產生極大的沖擊力，大塊巖石在通過落差較大的下料口，由于重力作用極易造成輸送帶貫穿破損。

3施工工程過程中采取的維保及改進措施

巖爆地質段TBM設備掘進運行，維保是關鍵，通過每日強制保養4h發現故障原因并采取修復方式及改進措施能夠有效降低設備故障率，減少巖爆對TBM設備影響，針對上述產生的故障，采取了以下改進措施：

3.1主電機損改進措施

（1）變頻器報電機短路故障時，立即停止使用故障電機，及時通知值班電工對電機進行阻值測定，相間及相對地阻值未達到標準，嚴禁使用;

（2）電機接線盒使用高強度亞克力板封閉，防止隧洞底部強巖爆后水流進入接線盒內導致接線排和接線端子損壞，間接導致電機定子繞組線圈燒毀

3.2液壓系統改進措施

（1）對設備裸漏的液壓管路，采用分段連接，減少長距離更換破損管路造成液壓系統的污染，并使用螺旋保護套纏繞油管，極大減少了油管被巖爆損壞情況發生，進一步降低了成本的浪費。

（2）為降低液壓馬達及油缸長時間超負荷運轉，導致元器件的損壞率，在各部位液壓系統增添安全溢流閥，以保證元器件內部穩定的工作壓力，降低液壓設備的故障率。

3.3拱架安裝器改進措施

（1）考慮在不影響整體使用效果以及改造所耽誤的進度，在拱架安裝器一號斜撐的兩側，添加輔助支撐系統，在遇到巖爆落石積壓的情況下，能提供額外的支撐力度，使鋼拱架支護效果達到標準要求，同時保證作業區域的人員安全。

（2）在易損壞的設備區域添加防護罩，減少落石對設備的沖擊損傷;對整體結構框架，主要受力點使用鋼板加固，增強整體結構強度;對安裝環液壓驅動裝置安裝座加固，防止落石撞擊造成底座斷裂;6組頂撐裝置導向柱，導向套外部使用鋼板包裹，減輕本體的磨損。

3.4錨桿鉆機改進措施

（1）在剎車下部添加支撐架，即便鏈接螺栓斷裂也能起到制動作用，避免鉆機小車的整體滑落，此外在整套驅動的上部焊接防護罩，減少巖爆落石的直接砸損，降低設備的故障及損壞率。

（2）在兩臺液壓油泵的泄露油管處增添大流量水冷裝置，使油品的溫度從源頭處降低，改善的液壓系統內部的高溫環境，提升液壓系統各元器件的工作性能。

（3）及時的調整鉆機系統的沖擊、旋轉、進給壓力保持鉆機不超負荷運轉，對于圍巖硬度較高的地段，將沖擊壓力適當增大，增強其自身碎巖能力，降低鉆機進眼速率，以此保證錨桿鉆機系統的穩定。

3.5皮帶機改進措施

（1）TBM在巖爆地段掘進時，為有效破碎掌子面的巖石，減少大量的大石塊進入皮帶機，掘進時必須合理選擇掘進參數。結合引漢濟渭TBM和掘進時的情況，選擇低轉速、低推力、低扭矩（轉速2～3r/min，推力為100～180bar，扭矩1200～2000knm）的掘進參數。

（2）橋架皮帶機及轉載皮帶機的緩沖床，由緩沖托輥改為聚乙烯緩沖條設計，可以有效吸收沖擊、防止輸送帶撕裂，減緩物料對輸送帶的沖擊和損壞。

（3）為有效遏制輸送帶縱向撕裂情況的出現，經選型及數次現場試用，最終確定EP250鋼絲網抗撕裂皮帶可滿足使用要求，該種輸送帶具有尼龍輸送帶優點的同時，另外具有縱向強度高、抗撕裂的特點。

3.6現場技術管理措施

為有效減少巖爆造成主驅動、拱架安裝器、錨桿鉆機、液壓系統、皮帶系統的設備損傷，針對現場管理與施工條件，制定了一系列的管理專項措施;有效降低了設備故障率，提高員工積極性：

（1）制定專項設備考核制度，根據本月設備的完好率及使用率情況，對現場操作人員和管理人員進行專項獎罰措施，以此充分調動員工的積極性，使其更富有責任心。

（2）設定專人進行設備的操作與維護，防止因人員自身水平的問題，造成設備故障頻發。

（3）定期對各班操作手、巡守工進行理論培訓，使其對設備的工作原理、使用方法有更清晰的認識，可以處理一些常見的設備故障。

（4）加強設備改進部位的日常檢查，對每日巡檢進行記錄匯總，建立專用設備履歷。

結論

總之，在高頻強巖爆地質條件下，對敞開式TBM關鍵設備損壞形式，對關鍵設備的改進措施及維保頻次，經引漢濟渭嶺南TBM現場施工實踐，能有效降低TBM關鍵設備故障率，提高設備利用率。

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