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(chǎn)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(tǒng)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(qū)動系統(tǒng)、ZED激光導(dǎo)向、通信、巖石支護、通風除塵與運輸系統(tǒng)。操作系統(tǒng)及整機各關(guān)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(yè)，對隧道進行臨時支護?？梢哉fTAMROCK鉆機是TBM安全掘進的保護神，其工作性能的好壞直接關(guān)系到TBM能否安全、順利掘進以及工程質(zhì)量能否達到設(shè)計要求，因此對其日常維護保養(yǎng)，保證鉆機處于最佳工作狀態(tài)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(nèi)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(tǒng)如圖1所示。TBM上的壓縮空氣經(jīng)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(jīng)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(yè)，PP（信號油路）接口有信號油通過，沖洗閥開啟，潤滑油氣從執(zhí)行端口A通過油氣管2進入鑿巖機內(nèi)部，實現(xiàn)釬尾潤滑。

圖1 TBM鉆機釬尾油氣潤滑系統(tǒng)

與TBM配套的TAMROCK鉆機釬尾油氣潤滑沒有自動監(jiān)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(nèi)連續(xù)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(fù)，使一臺鑿巖機出現(xiàn)同樣故障，另一臺鑿巖機內(nèi)部進入水和灰塵，造成鑿巖機內(nèi)部很多零件早期損壞。鑒于此，必須對TAMROCK鉆機釬尾潤滑系統(tǒng)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(xiàn)自動停機。分析鉆機釬尾油氣潤滑和電氣控制原理圖，構(gòu)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(guān)，由此信號控制壓力開關(guān)動作，從而產(chǎn)生一個邏輯判斷，當氣壓小于一定值時，啟動緊急停機開關(guān)，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(guān)動作壓力P0應(yīng)設(shè)在0.35～0.4MPa（3.5～4bar）范圍之間，可根據(jù)工地已有備件選用，既可監(jiān)測有無氣壓，又可監(jiān)測壓力是否在額定值的許可范圍之內(nèi)。口上安裝測壓頭，將壓力信號引入壓力開關(guān)（常開型），壓力開關(guān)與鉆機緊急停止開關(guān)（常閉型）串聯(lián)。在此串入緊急停止開關(guān)而非常規(guī)起動開關(guān)的好處是在緊急停止開關(guān)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(guān)斷開，緊急停止開關(guān)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(guān)閉合，緊急停止開關(guān)復(fù)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(jiān)測鉆機釬尾油氣潤滑系統(tǒng)的原始壓力，簡便易行，只需一套裝置就能對整個鉆機系統(tǒng)的釬尾潤滑進行監(jiān)測和保護，但是對于支路上即分配閥以后的油氣管路出現(xiàn)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(guān)動作，通過緊急停止開關(guān)實現(xiàn)自動停機。沖洗閥位于操作臺側(cè)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(fù)位按鈕，以備緊急停機之后，能重新啟動鉆機，使鉆機復(fù)位并方便檢查。因開啟釬尾油氣時，會產(chǎn)生一定的壓力降，故其動作壓力不能太高。經(jīng)過試驗，可將壓力開關(guān)的臨界值P0設(shè)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(guān)誤動，可選較小值。

此方案能較好的監(jiān)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(jiān)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(xiàn)的諸如閥芯卡死等故障不能實現(xiàn)自動保護。

3.將壓力狀態(tài)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(tǒng)。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(tài)通過壓力傳感器輸入主PLC控制器，通過比較、判斷，以監(jiān)測當前釬尾潤滑氣工作狀態(tài)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(fā)現(xiàn)故障并能迅速處理，避免重大事故的發(fā)生，保證施工的順利進行。具體設(shè)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(shè)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(shè)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(guān)閉，P2壓力約為0。設(shè)計控制模塊流程圖如圖5所示。

方案3比較復(fù)雜，所需的傳感器較多，且涉及到PLC編程控制，需經(jīng)TBM生產(chǎn)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(xiàn)場實施。但能直接監(jiān)測進入鑿巖機內(nèi)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(fù)雜，所花費的成本也漸高，但保護性依次更好，各有優(yōu)缺點。根據(jù)工地實際情況，錨桿鉆機現(xiàn)已處于穩(wěn)定的工作時期，釬尾潤滑系統(tǒng)運轉(zhuǎn)正常，因此單個鉆機釬尾潤滑出現(xiàn)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(jù)幾次鑿巖機發(fā)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(jiān)測釬尾油氣氣源壓力，能滿足現(xiàn)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(yōu)先考慮。第三種方案相對復(fù)雜，涉及到PLC控制及編程等技術(shù)問題，需經(jīng)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(yīng)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(guān)的情況下，用一動作壓力為0.4MPa（4bar）的壓差開關(guān)，改裝成一壓力開關(guān)，組裝成保護系統(tǒng)。投入使用后，在幾個月的施工中，防止了幾起潛在事故的發(fā)生，如空壓機意外停機，釬尾氣氣閥關(guān)閉后未及時開啟，沒有發(fā)生因釬尾油氣潤滑系統(tǒng)故障而導(dǎo)致鑿巖機損壞事故，證明此保護裝置的實施成功而有效。