毛本慶 馬婧婧

中鐵十八局集團(tuán)宣傳部 天津市

一、TBM簡(jiǎn)介

TBM（Tunnel Boring Machine）即全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)，是目前長(zhǎng)大隧道施工最有效的大型綜合性施工機(jī)械。1997年我國(guó)首次引進(jìn)兩臺(tái)德國(guó)WIRTH公司生產(chǎn)的TB880E掘進(jìn)機(jī)，分別用于秦嶺隧道Ⅰ線進(jìn)口和出口段施工，該掘進(jìn)機(jī)最突出的特點(diǎn)是集快速、安全、同步和系統(tǒng)性于一機(jī)。TB880E掘進(jìn)機(jī)刀盤直徑8.8m，整機(jī)長(zhǎng)256m，由主機(jī)、連接橋和后配套3大部分組成，具體包括刀盤及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、ZED激光導(dǎo)向、通信、巖石支護(hù)、通風(fēng)除塵與運(yùn)輸系統(tǒng)。操作系統(tǒng)及整機(jī)各關(guān)鍵部位均由PLC控制。

秦嶺隧道使用德國(guó)WIRTH公司TB880E型TBM施工，機(jī)上配備5臺(tái)TAMROCK鉆機(jī)，安裝在刀盤護(hù)盾的后部，在隧道頂部進(jìn)行鉆孔作業(yè)，對(duì)隧道進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)?？梢哉f(shuō)TAMROCK鉆機(jī)是TBM安全掘進(jìn)的保護(hù)神，其工作性能的好壞直接關(guān)系到TBM能否安全、順利掘進(jìn)以及工程質(zhì)量能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，因此對(duì)其日常維護(hù)保養(yǎng)，保證鉆機(jī)處于最佳工作狀態(tài)顯得尤為重要。

5臺(tái)鉆機(jī)配有4臺(tái)HL300S型和1臺(tái)THC500型鑿巖機(jī)，共同特點(diǎn)是均采用釬尾油氣潤(rùn)滑，這種潤(rùn)滑的作用有3點(diǎn)：（1）可以潤(rùn)滑各滑動(dòng)副。（2）可以在鑿巖機(jī)內(nèi)形成壓力密封，防止外部的灰塵和水進(jìn)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(jī)釬尾油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)如圖1所示。TBM上的壓縮空氣經(jīng)過(guò)截止閥進(jìn)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(rùn)滑油氣后經(jīng)油氣管1輸送到各鉆機(jī)的釬尾氣沖洗閥。在此，如果鉆機(jī)需進(jìn)行鉆孔作業(yè)，PP（信號(hào)油路）接口有信號(hào)油通過(guò)，沖洗閥開(kāi)啟，潤(rùn)滑油氣從執(zhí)行端口A通過(guò)油氣管2進(jìn)入鑿巖機(jī)內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)釬尾潤(rùn)滑。

圖1 TBM鉆機(jī)釬尾油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)

與TBM配套的TAMROCK鉆機(jī)釬尾油氣潤(rùn)滑沒(méi)有自動(dòng)監(jiān)測(cè)和保護(hù)裝置，在TBM試掘進(jìn)期間，因組裝時(shí)一鉆機(jī)釬尾潤(rùn)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(tái)鑿巖機(jī)，均為沖擊活塞早期損壞。以后又在一次機(jī)械修理中，因釬尾氣源被移做它用而未能及時(shí)恢復(fù)，使一臺(tái)鑿巖機(jī)出現(xiàn)同樣故障，另一臺(tái)鑿巖機(jī)內(nèi)部進(jìn)入水和灰塵，造成鑿巖機(jī)內(nèi)部很多零件早期損壞。鑒于此，必須對(duì)TAMROCK鉆機(jī)釬尾潤(rùn)滑系統(tǒng)安裝1套自動(dòng)保護(hù)裝置，以在鑿巖機(jī)失去釬尾油氣潤(rùn)滑時(shí)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停機(jī)。分析鉆機(jī)釬尾油氣潤(rùn)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(hào)

在釬尾油加油器分配閥上提取壓力信號(hào)（圖2），將其引入壓力開(kāi)關(guān)，由此信號(hào)控制壓力開(kāi)關(guān)動(dòng)作，從而產(chǎn)生一個(gè)邏輯判斷，當(dāng)氣壓小于一定值時(shí)，啟動(dòng)緊急停機(jī)開(kāi)關(guān)，使鉆機(jī)停止工作。由于釬尾氣額定壓力為0.45MPa（4.5bar），且各鉆機(jī)單元釬尾油氣的開(kāi)啟對(duì)此處影響不大，因此壓力開(kāi)關(guān)動(dòng)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(cè)有無(wú)氣壓，又可監(jiān)測(cè)壓力是否在額定值的許可范圍之內(nèi)?？谏习惭b測(cè)壓頭，將壓力信號(hào)引入壓力開(kāi)關(guān)（常開(kāi)型），壓力開(kāi)關(guān)與鉆機(jī)緊急停止開(kāi)關(guān)（常閉型）串聯(lián)。在此串入緊急停止開(kāi)關(guān)而非常規(guī)起動(dòng)開(kāi)關(guān)的好處是在緊急停止開(kāi)關(guān)動(dòng)作后，TBM操作室能顯示報(bào)警信息并需得到確認(rèn)消除后才能重新啟動(dòng)鉆機(jī)。

當(dāng)P＜P0時(shí)，壓力開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，緊急停止開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，使鉆機(jī)緊急停止或不能啟動(dòng)，TBM操作室顯示報(bào)警信息；

當(dāng)P＞P0時(shí)，壓力開(kāi)關(guān)閉合，緊急停止開(kāi)關(guān)復(fù)位，TBM操作室確認(rèn)后消除故障信息，表示壓力正常，鉆機(jī)可以工作。

此方案的特點(diǎn)是能監(jiān)測(cè)鉆機(jī)釬尾油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)的原始?jí)毫?，?jiǎn)便易行，只需一套裝置就能對(duì)整個(gè)鉆機(jī)系統(tǒng)的釬尾潤(rùn)滑進(jìn)行監(jiān)測(cè)和保護(hù)，但是對(duì)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(hù)作用。

2.從沖洗閥處提取壓力信號(hào)

在釬尾氣沖洗閥測(cè)壓頭WPM（此測(cè)壓點(diǎn)測(cè)量的是進(jìn)氣口P的壓力）處提取壓力信號(hào)，以此控制壓力開(kāi)關(guān)動(dòng)作，通過(guò)緊急停止開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停機(jī)。沖洗閥位于操作臺(tái)側(cè)面，直接控制鑿巖機(jī)釬尾潤(rùn)滑油氣的開(kāi)啟，最能反映鑿巖機(jī)釬尾潤(rùn)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(gè)復(fù)位按鈕，以備緊急停機(jī)之后，能重新啟動(dòng)鉆機(jī)，使鉆機(jī)復(fù)位并方便檢查。因開(kāi)啟釬尾油氣時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的壓力降，故其動(dòng)作壓力不能太高。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，可將壓力開(kāi)關(guān)的臨界值P0設(shè)為0.15～0.2MPa（1.5～2bar）。實(shí)際工作中，為防止鉆機(jī)正常情況下壓力開(kāi)關(guān)誤動(dòng)，可選較小值。

此方案能較好的監(jiān)測(cè)獨(dú)立鉆機(jī)的釬尾油氣潤(rùn)滑狀況，對(duì)鑿巖機(jī)是否正常工作起到較好的監(jiān)測(cè)保護(hù)作用，且裝置簡(jiǎn)單易行。但每個(gè)鉆機(jī)單元都需要配備一套，成本相對(duì)較高，且對(duì)沖洗閥出現(xiàn)的諸如閥芯卡死等故障不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)保護(hù)。

3.將壓力狀態(tài)輸入主PLC控制器

TBM本身相當(dāng)于一個(gè)自動(dòng)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(rùn)滑氣壓力狀態(tài)通過(guò)壓力傳感器輸入主PLC控制器，通過(guò)比較、判斷，以監(jiān)測(cè)當(dāng)前釬尾潤(rùn)滑氣工作狀態(tài)是否正常，并以此決定是否終止鉆機(jī)工作，并在TBM操作室顯示故障信息，以提醒TBM司機(jī)及機(jī)械維修人員注意，有助于及時(shí)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(jìn)行。具體設(shè)想如圖4所示。

圖4 方案3

在每個(gè)操作臺(tái)的沖洗閥油氣出口A上安裝1個(gè)測(cè)壓3通，引出壓力信號(hào)P2，將其引入壓力傳感器S2；再?gòu)男盘?hào)油路入口PP安裝一測(cè)壓3通，引出另壓力信號(hào)P1，將其引入另一壓力傳感器S1。由于釬尾氣的開(kāi)啟是通過(guò)信號(hào)油路PP來(lái)控制，因此正常情況下當(dāng)沖洗閥有信號(hào)壓力P1，額定壓力為2.7MPa（27bar），設(shè)定值為2.3MPa（23bar）時(shí)，釬尾潤(rùn)滑油氣開(kāi)啟，由于鑿巖機(jī)有一定的排氣量，故P2壓力達(dá)不到0.45MPa（4.5bar），實(shí)際控制中將 P2值設(shè)定為 0.15～0.2MPa（1.5～2bar）；當(dāng) PP 口信號(hào)壓力消失時(shí)，釬尾潤(rùn)滑油氣沖洗閥關(guān)閉，P2壓力約為0。設(shè)計(jì)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(shí)施，需要較長(zhǎng)的準(zhǔn)備時(shí)間，從短期來(lái)說(shuō)，不宜在工地現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。但能直接監(jiān)測(cè)進(jìn)入鑿巖機(jī)內(nèi)部的釬尾氣壓是否正常，因此保護(hù)更全面，并能夠顯示故障信息，使之能得到及時(shí)處理，保證施工的順利進(jìn)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(fèi)的成本也漸高，但保護(hù)性依次更好，各有優(yōu)缺點(diǎn)。根據(jù)工地實(shí)際情況，錨桿鉆機(jī)現(xiàn)已處于穩(wěn)定的工作時(shí)期，釬尾潤(rùn)滑系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，因此單個(gè)鉆機(jī)釬尾潤(rùn)滑出現(xiàn)故障的可能性很小。相反，由于釬尾潤(rùn)滑油需每天檢查、添加，就必須對(duì)其進(jìn)行切斷氣源，卸壓。為防止人為因素（如添加完釬尾潤(rùn)滑油之后，未及時(shí)打開(kāi)氣）而造成鑿巖機(jī)損壞，且根據(jù)幾次鑿巖機(jī)發(fā)生的重大事故來(lái)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(cè)釬尾油氣氣源壓力，能滿足現(xiàn)場(chǎng)需要且簡(jiǎn)便易行。第二種方案亦較簡(jiǎn)單，能對(duì)獨(dú)立鉆機(jī)單元進(jìn)行有效保護(hù)，但需對(duì)每個(gè)鉆機(jī)單元配備一套保護(hù)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(duì)復(fù)雜，涉及到PLC控制及編程等技術(shù)問(wèn)題，需經(jīng)WIRTH公司同意方可實(shí)施，但其保護(hù)更加可靠，可待日后時(shí)機(jī)成熟時(shí)采用。

四、實(shí)際應(yīng)用及效果

實(shí)施中采用第一種保護(hù)方案，在沒(méi)有合適的壓力開(kāi)關(guān)的情況下，用一動(dòng)作壓力為0.4MPa（4bar）的壓差開(kāi)關(guān)，改裝成一壓力開(kāi)關(guān)，組裝成保護(hù)系統(tǒng)。投入使用后，在幾個(gè)月的施工中，防止了幾起潛在事故的發(fā)生，如空壓機(jī)意外停機(jī)，釬尾氣氣閥關(guān)閉后未及時(shí)開(kāi)啟，沒(méi)有發(fā)生因釬尾油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)故障而導(dǎo)致鑿巖機(jī)損壞事故，證明此保護(hù)裝置的實(shí)施成功而有效。