隧道TBM掘進(jìn)機(jī)錨桿鉆機(jī)潤滑保護(hù)分析

高東

（張家口路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，河北 張家口 075000）

一、引言

某長大隧道全長2.2517km，按照設(shè)計(jì)報(bào)告，其設(shè)計(jì)坡度為1.1%，該隧道主要通過的地層依次為散變質(zhì)砂巖、角斑巖及花崗巖、片巖等巖性條件，隧道全長中Ⅱ、Ⅲ級圍巖占比74.1%。隧道進(jìn)出口處均采用TBM施工技術(shù)，施工段長1.4872km，進(jìn)口段TBM開挖施工斷面設(shè)計(jì)直徑8.8m，成洞直徑7.6m。

結(jié)合類似項(xiàng)目實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，該隧道施工主要使用德國生產(chǎn)的TB880E型TBM，5臺(tái)配套性TAMROCK鉆機(jī)為保證掘進(jìn)工效，在刀盤護(hù)盾后方共安裝有5臺(tái)具備配套功能的TAMROCK鉆機(jī)，鉆機(jī)性能的好壞直接關(guān)系到TBM設(shè)備運(yùn)行過程的安全與效率，為此應(yīng)加強(qiáng)鉆機(jī)日常養(yǎng)護(hù)，確保其性能始終處于最佳狀態(tài)。

二、潤滑保護(hù)現(xiàn)狀

該項(xiàng)目TBM采用的配套性鉆機(jī)還配備有4臺(tái)HL-300S型鑿巖機(jī)和1臺(tái)THC-500型鑿巖機(jī)，全部鑿巖機(jī)均采用釬尾油氣潤滑方式[1]，各滑動(dòng)件均能得到較好潤滑，并能在鑿巖機(jī)內(nèi)形成壓力密封，避免外部塵土和水分等污染物侵入，還可以在釬尾和活塞沖擊錘擊面自由形成一層厚度適宜的油膜，為活塞順利運(yùn)動(dòng)提供良好條件。在該型號(hào)掘進(jìn)機(jī)潤滑系統(tǒng)內(nèi)部，壓縮空氣通過TBM上所設(shè)置的截止閥進(jìn)入水氣分離器，其中所包含水分經(jīng)過分離器分離被去除后便形成純度較高的潤滑油氣，經(jīng)油氣管輸送至鉆機(jī)釬尾沖洗閥。當(dāng)鉆機(jī)有鉆孔任務(wù)時(shí)，信號(hào)油開啟沖洗閥，潤滑油氣便順利地從執(zhí)行端口流經(jīng)油氣管，最終進(jìn)入鑿巖機(jī)內(nèi)，達(dá)到潤滑釬尾的目的。

三、解決方案

根據(jù)對鉆機(jī)釬尾油氣潤滑作用原理及電氣控制原理的分析，主要提出以下三種壓力信號(hào)自動(dòng)保護(hù)方案。

（一）從分配閥提取壓力信號(hào)保護(hù)

壓力信號(hào)從釬尾油氣分配閥上引出，并引入壓力開關(guān)，生成自動(dòng)邏輯判斷系統(tǒng)[2]：若油氣壓力低于設(shè)計(jì)值，緊急停機(jī)開關(guān)則自動(dòng)啟動(dòng)，鉆機(jī)和鑿巖機(jī)便停止運(yùn)行。考慮到釬尾油氣額定氣壓0.45MPa，故其鉆機(jī)單元釬尾油氣是否處于開啟狀態(tài)對此并無明顯影響，考慮到節(jié)能降耗，故應(yīng)將壓力開關(guān)動(dòng)作壓力控制在0.35MPa～0.40MPa范圍內(nèi)，以便監(jiān)測油氣壓力是否位于允許范圍內(nèi)。在鉆機(jī)釬尾加油器分配閥的備用接口處安裝測壓頭，從而將壓力信號(hào)引至常開型壓力開關(guān)，并串聯(lián)該壓力開關(guān)和急停開關(guān)；急停開關(guān)的串聯(lián)能在鉆機(jī)急停發(fā)生后使TBM操作室及時(shí)發(fā)出報(bào)警信息，并在接收到故障消除信息后及時(shí)重啟鉆機(jī)。

當(dāng)鉆機(jī)實(shí)際運(yùn)行壓力P比開關(guān)動(dòng)作壓力小時(shí)，壓力開關(guān)及急停開關(guān)均會(huì)按照設(shè)計(jì)要求斷開，鉆機(jī)也會(huì)因此轉(zhuǎn)入急停狀態(tài)，掘進(jìn)機(jī)TBM操作室會(huì)同時(shí)發(fā)出聲音和視覺雙重報(bào)警信息信號(hào)；相反，當(dāng)鉆機(jī)實(shí)際運(yùn)行壓力比開關(guān)動(dòng)作壓力大時(shí)，壓力開關(guān)便會(huì)自動(dòng)閉合，急停開關(guān)也會(huì)轉(zhuǎn)至復(fù)位狀態(tài)，掘進(jìn)機(jī)TBM操作室會(huì)自動(dòng)發(fā)出校核壓力校核指令，并待校核正常后自動(dòng)解除故障警報(bào)信息，確保掘進(jìn)鉆機(jī)繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

該保護(hù)方案僅需設(shè)置一套保護(hù)裝置便能有效監(jiān)測鉆機(jī)釬尾油氣潤滑系統(tǒng)原始壓力，運(yùn)行簡便，但是無法監(jiān)測和保護(hù)分配閥油氣管支路堵塞、泄漏等氣路故障。

（二）從沖洗閥處提取壓力信號(hào)保護(hù)

壓力信號(hào)從釬尾油氣沖洗閥測壓頭上引出，并控制壓力開關(guān)。由于沖洗閥主要設(shè)置在操作臺(tái)側(cè)方，直接控制著鑿巖機(jī)釬尾潤滑油氣閥門的啟閉，能有效反應(yīng)鑿巖機(jī)釬尾實(shí)際潤滑狀態(tài)。其控制原理與從分配閥提取壓力信號(hào)保護(hù)方案控制原理相同，但是增設(shè)了復(fù)位按鈕，以便鉆機(jī)急停后的重啟。鉆機(jī)釬尾油氣系統(tǒng)的開啟會(huì)產(chǎn)生壓力降低，所以其壓力不應(yīng)過高，結(jié)合類似項(xiàng)目操作經(jīng)驗(yàn)，壓力開關(guān)臨界值應(yīng)控制在0.15MPa～0.20MPa范圍內(nèi)。為避免壓力開關(guān)發(fā)生誤動(dòng)并影響控制效果，應(yīng)選擇最小的壓力開關(guān)動(dòng)作壓力。

按照該方案設(shè)計(jì)能有效實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)釬尾油氣實(shí)際潤滑情況的自動(dòng)檢測，并為鑿巖機(jī)正常運(yùn)行提供有效實(shí)時(shí)監(jiān)測保護(hù)，操作過程更為簡便，但前提是必須為每一臺(tái)鉆機(jī)單元事先配備一套保護(hù)裝置，故運(yùn)行成本較高，并且無法實(shí)現(xiàn)對沖洗閥閥芯卡死、短路等故障的實(shí)時(shí)監(jiān)測和與保護(hù)。

（三）將壓力狀態(tài)輸入主PLC控制器

將機(jī)械自動(dòng)運(yùn)行控制模塊加入掘進(jìn)TBM機(jī)械主PLC控制器內(nèi)，還必須借助壓力傳感器將鉆機(jī)釬尾潤滑油氣壓力實(shí)際值輸入主PLC控制器，經(jīng)過前后狀態(tài)對比判斷鉆機(jī)釬尾潤滑油氣系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)監(jiān)測和判斷結(jié)果確定是否需要急停鉆機(jī)，TBM操作室內(nèi)可同步發(fā)出故障信息。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，掘進(jìn)機(jī)各個(gè)操作平臺(tái)沖洗閥油氣出口上均有安裝三通測壓三通裝置，在檢測過程中必須將壓力信號(hào)引入相應(yīng)壓力傳感器中；還應(yīng)當(dāng)同時(shí)在信號(hào)油路入口處的PP結(jié)構(gòu)上安裝三通測壓三通裝置，并在壓力傳感器中引入壓力信號(hào)；信號(hào)油路PP控制著釬尾油氣系統(tǒng)，當(dāng)沖洗閥額定壓力2.8MPa、設(shè)定壓力2.3MPa時(shí)且壓力信號(hào)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，釬尾潤滑油氣系統(tǒng)開啟。因鑿巖機(jī)具備自動(dòng)排氣能力，故壓力信號(hào)達(dá)不到0.45MPa的壓力水平，則實(shí)際控制中應(yīng)按照0.15MPa～0.20MPa的范圍控制壓力信號(hào)；一旦PP結(jié)構(gòu)接口處壓力信號(hào)值消失，則釬尾潤滑油氣沖洗閥門便會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，壓力信號(hào)值也會(huì)在瞬時(shí)間降至最低值0，從而引發(fā)鉆機(jī)急停。

四、方案比選及應(yīng)用

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，以上三種錨桿鉆機(jī)潤滑保護(hù)方案復(fù)雜程度依次遞增，設(shè)計(jì)及應(yīng)用成本也逐個(gè)提高，保護(hù)性能依次增大。結(jié)合隧道工程運(yùn)行實(shí)際，錨桿鉆機(jī)性能較為穩(wěn)定，鉆機(jī)釬尾油氣潤滑系統(tǒng)也正常運(yùn)轉(zhuǎn)，鉆機(jī)釬尾潤滑故障發(fā)生的可能性較小，只需切斷氣源卸壓后每日進(jìn)行釬尾潤滑油氣的檢查和添加。為避免氣源未及時(shí)打開等人因失誤引發(fā)鑿巖機(jī)故障和損壞，應(yīng)采用第一種（即從分配閥提取壓力信號(hào)保護(hù)）方案進(jìn)行釬尾油氣氣源壓力是否滿足施工需要的監(jiān)測。

該項(xiàng)目TBM施工中采用的是第一種保護(hù)方案，并將動(dòng)作壓力40kPa的壓差開關(guān)改裝為壓力開關(guān)用于保護(hù)系統(tǒng)組裝。在此后數(shù)月的施工過程中有效避免了釬尾氣閥未及時(shí)開啟、空壓機(jī)意外停機(jī)造成鑿巖機(jī)釬尾油氣潤滑工作面缺失損壞等潛在事故，確保了隧道掘進(jìn)施工的順利進(jìn)行。

五、結(jié)語

綜上所述，本文所提出的從分配閥提取壓力信號(hào)保護(hù)、從沖洗閥處提取壓力信號(hào)保護(hù)及將壓力狀態(tài)輸入主PLC控制器的三種壓力信號(hào)自動(dòng)保護(hù)方案設(shè)計(jì)的操作復(fù)雜程度、成本、耗時(shí)依次遞增，保護(hù)效果也逐個(gè)增強(qiáng)，對于隧道施工實(shí)際而言，必須綜合考慮工期、施工質(zhì)量、施工成本，選擇最為適宜的鑿巖機(jī)所用釬尾油氣潤滑保護(hù)方式。