曲長(zhǎng)海 教傳杰 吳根生

【摘 要】TBM264-311開(kāi)敞式全斷面硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)完成遼寧大伙房輸水工程近18km掘進(jìn)任務(wù)后，經(jīng)過(guò)三年半的閑置，對(duì)其關(guān)鍵部件改造、修復(fù)與升級(jí)，成功用于另一隧洞工程。文章結(jié)合大伙房水庫(kù)輸水工程施工中出現(xiàn)的各種問(wèn)題及掘進(jìn)中出現(xiàn)設(shè)備故障，對(duì)該機(jī)部分結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了優(yōu)化改造設(shè)計(jì)，為舊TBM設(shè)備重復(fù)利用提供了可借鑒的寶貴經(jīng)驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】TBM 關(guān)鍵部件 改造 修復(fù) 升級(jí)

1 引言

TBM264-311開(kāi)敞式全斷面硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)由遼寧工程局于2004年采購(gòu)，美國(guó)Robbins公司設(shè)計(jì)制造，TBM重約620t，變壓器容量5000kVA，開(kāi)挖直徑8.03m，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速0～8.3rpm，刀盤(pán)最大運(yùn)行推力22.934KN，10臺(tái)300kW驅(qū)動(dòng)電機(jī)，刀盤(pán)上裝備47把19英寸（483mm）盤(pán)型滾刀和4把17英寸（432mm）雙刃型滾刀。該機(jī)2008年9月完成大伙房輸水工程近18km掘進(jìn)任務(wù)后，閑置三年半時(shí)間，大量的橡膠油管和高壓電纜幾近報(bào)廢；絕大多數(shù)的油缸密封已經(jīng)完全失去原有效能。

鑒于大伙房輸水工程施工中出現(xiàn)的各種問(wèn)題及掘進(jìn)中出現(xiàn)設(shè)備故障，對(duì)該機(jī)部分結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了優(yōu)化改造，該機(jī)現(xiàn)用于遼寧另一個(gè)輸水工程。

2 刀盤(pán)支撐護(hù)盾優(yōu)化改造

原TBM頂護(hù)盾后面聯(lián)接指形護(hù)盾，指形護(hù)盾在掘進(jìn)施工中易被塌方石塊砸變形，不能起到很好的支撐作用。在掘進(jìn)施工中，遇到塌方區(qū)域時(shí)給操作人員帶來(lái)嚴(yán)重安全隱患，因此在此次維修中對(duì)指形護(hù)盾進(jìn)行改造，改造成封閉式護(hù)盾。

3 轉(zhuǎn)接優(yōu)化改造

原TBM轉(zhuǎn)接座加強(qiáng)筋在掘進(jìn)中嚴(yán)重被渣料磨損，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)接座間接磨損。在此次改造中，為了減少轉(zhuǎn)接座在使用中的磨損，在轉(zhuǎn)接座內(nèi)增加刮渣板，在掘進(jìn)施工中起到明顯效果。

4 環(huán)形梁安裝器優(yōu)化改造

原TBM環(huán)形梁安裝器帶有環(huán)形梁舉升小車(chē)，此裝置在主梁上占有很大空間，對(duì)操作員的操作和驅(qū)動(dòng)電機(jī)、錨桿鉆機(jī)等設(shè)備的檢修工作帶來(lái)很多不便，且工作靈活性差。改造后的環(huán)形梁安裝器采用4個(gè)固定擴(kuò)張油缸，頂部（2個(gè)）和兩側(cè)（每側(cè)各1個(gè)），同時(shí)對(duì)環(huán)形梁進(jìn)行擴(kuò)張，從而有效的保障了環(huán)形梁能緊貼隧道洞壁。改進(jìn)環(huán)形梁安裝器，使施工人員增加了安全感，鋼拱架安裝效率大大提高。

5 橋架平臺(tái)優(yōu)化改造

為減輕1號(hào)臺(tái)車(chē)及后配套直接承受連接橋施加的壓力，在1號(hào)臺(tái)車(chē)和連接橋之間新增設(shè)一個(gè)支撐輪組門(mén)架，支撐輪組門(mén)架使橋架有更好的支撐受力。同時(shí)對(duì)連接橋的走道平臺(tái)進(jìn)行改造，改造后可以從門(mén)架的上平臺(tái)和下平臺(tái)走到TBM主機(jī)前部，方便對(duì)橋架皮帶機(jī)和噴混裝置的維護(hù)和操作，改造后支撐輪組門(mén)架與連接橋相連。

6 液壓系統(tǒng)優(yōu)化改造

（1）液壓泵站優(yōu)化改造。維修改造前，液壓泵站安裝在主梁的左下方。因液壓泵站集成了整個(gè)液壓系統(tǒng)的閥塊以及各閥塊之間連接管路的錯(cuò)綜復(fù)雜，且其安裝位置在主梁處，掘進(jìn)施工時(shí)對(duì)其造成很大震動(dòng)，對(duì)管件磨損造成很大影響。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，檢修空間狹窄，安全隱患相對(duì)較高。因此，為了維護(hù)檢修方便，在此次維修改造中將其放到1號(hào)臺(tái)車(chē)上。

（2）液壓泵及油箱優(yōu)化改造。液壓系統(tǒng)優(yōu)化改造前，液壓泵和油箱是分離。改造后將液壓泵和液壓油箱集中布置，且安裝在1號(hào)臺(tái)車(chē)上，與液壓泵站相鄰，縮短了油箱到液壓泵、液壓泵到液壓泵站的供油距離，方便對(duì)泵及油箱的維護(hù)保養(yǎng)。

（3）后支撐和護(hù)盾油缸的控制閥塊位置優(yōu)化改造?？紤]到液壓泵站安裝在1號(hào)臺(tái)車(chē)上，而TBM拖拉油缸、撐靴油缸、推進(jìn)油缸及護(hù)盾油缸等都在主梁和機(jī)頭架處，這樣布置增加管路的長(zhǎng)度，也增加油管的使用數(shù)量，為降低因液壓泵站位置的改變所導(dǎo)致的管路變化，固將液壓泵站上的102-1和18-1閥塊安裝在安架和主梁上。

（4）環(huán)形梁安裝器操作閥塊位置優(yōu)化改造。對(duì)環(huán)形梁安裝器改造后，為了操作安全、方便，提高拱架安裝效率，因此將環(huán)形梁安裝器操作閥塊安裝在環(huán)形梁支撐架上。在施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，因掘進(jìn)時(shí)振動(dòng)劇烈，導(dǎo)致操作閥不同程度的損壞，嚴(yán)重影響剛拱架的安裝。因此操作閥塊和環(huán)形梁不能直接焊接，而是在它們之間增加一橡膠緩沖墊，以減少因振動(dòng)造成閥塊的損壞。

（5）TBM部分隱藏油缸優(yōu)化改造。TBM的后支撐油缸和撐靴內(nèi)部平衡油缸，因其安裝在設(shè)備的內(nèi)部，在掘進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)漏油現(xiàn)象處理相當(dāng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，所以將油缸的油管連接部位和接頭部位裸露在外表，以便于維修保養(yǎng)。

（6）主推進(jìn)油缸優(yōu)化改造。在掘進(jìn)施工中，為了保護(hù)油缸活塞桿不被刮傷，在油缸上安裝保護(hù)蓋板。但掘進(jìn)施工中產(chǎn)生的灰塵和固體顆粒卻很容易落到油缸活塞桿上，油缸端蓋上的防塵密封圈容易損壞，而端蓋防塵密封圈安裝的結(jié)構(gòu)又導(dǎo)致?lián)p壞后不能更換。防塵密封圈一旦損壞就會(huì)導(dǎo)致灰塵和固定小顆粒進(jìn)入端蓋內(nèi)部損壞油缸其他密封圈。為了能夠在防塵密封圈損壞后能及時(shí)更換新的防塵密封圈，對(duì)推進(jìn)油缸端蓋優(yōu)化改造。

（7）拖拉油缸優(yōu)化改造。在TBM掘進(jìn)過(guò)程中，拖拉油缸拖著后配套前移。隨著撐靴換步的同時(shí)，拖拉油缸的活塞桿也隨著伸出，伸出到一定長(zhǎng)度時(shí)就需要將拖拉油缸回收，因操作室無(wú)法判斷油缸伸出的長(zhǎng)度和需要回收的長(zhǎng)度，因此每次收拖拉油缸時(shí)都需要安排專(zhuān)人查看，影響TBM掘進(jìn)效率。因此在原有基礎(chǔ)增加一套拉線式行程傳感器，將油缸伸出量反饋到操作室。操作手在操作室內(nèi)就可以知道油缸的伸出量，換步效率明顯提高。

7 潤(rùn)滑系統(tǒng)改造

（1）潤(rùn)滑油箱和潤(rùn)滑泵的優(yōu)化改造。潤(rùn)滑系統(tǒng)優(yōu)化改造前，油箱和泵是分離的，并且安裝在主梁正下方，在承受因掘進(jìn)帶來(lái)劇烈振動(dòng)的同時(shí)也給維修保養(yǎng)帶來(lái)諸多不便，而且增加了更大的安全隱患。為了使?jié)櫥到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加緊湊、方便維修保養(yǎng)，將潤(rùn)滑油箱和泵安裝在2號(hào)臺(tái)車(chē)上。

（2）潤(rùn)滑回油泵優(yōu)化改造。潤(rùn)滑回油泵和磁性濾芯最初安裝在前主梁下面，不便于維修保養(yǎng)。因此將其安裝位置改到右側(cè)底護(hù)盾上。

8 電氣系統(tǒng)改造

（1）操作室優(yōu)化改造。改造前的操作室位于3號(hào)主梁靠近后支腿處，位置過(guò)于靠前，在掘進(jìn)過(guò)程中振動(dòng)大，對(duì)操作室內(nèi)的電腦等危害較大。而且由于位置限制，TBM操作室空間相對(duì)狹小，給操作手帶來(lái)諸多不便。改造后將操作室移至1#臺(tái)車(chē)尾部，大大減少了掘進(jìn)過(guò)程中震動(dòng)、粉塵等對(duì)電腦的危害。同時(shí)，操作室的尺寸結(jié)構(gòu)及內(nèi)部布置也做了很大改善。操作室內(nèi)部空間加大，操作手操作起來(lái)更加方便、舒適。內(nèi)部布置將液壓及潤(rùn)滑系統(tǒng)壓力儀表盤(pán)省去，通過(guò)程序以數(shù)字的形式在監(jiān)視器里顯示出來(lái)，操作手看起來(lái)更直觀、方便。主控電腦由原來(lái)的一臺(tái)工控機(jī)改為兩臺(tái)高性能的工控一體機(jī)，其中一臺(tái)作為備用，一旦主操作電腦出現(xiàn)故障，只需將主操作電腦上的通訊卡插到備用電腦上即可恢復(fù)，不會(huì)影響掘進(jìn)。同時(shí)，備用電腦也用作監(jiān)視器，以顯示不同的操作界面，方便操作手掌握各部分的運(yùn)行情況。

（2）PLC及I/O模塊優(yōu)化改造。改造前設(shè)備上所使用的PLC模塊，采用三菱公司生產(chǎn)的Q系列PLC，由于TBM結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作繁瑣，PLC模塊需要的輸入輸出點(diǎn)數(shù)多所使用的三菱系列PLC占用空間大，線路錯(cuò)綜復(fù)雜，影響美觀。改造后的PLC模塊采用德國(guó)MURR公司生產(chǎn)的CUBE系列PLC模塊。模塊結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小。模塊采用插接式接線方式，接線簡(jiǎn)單、維護(hù)方便。改造前的現(xiàn)場(chǎng)總線站采用三菱公司生產(chǎn)的FX系列I/O模塊，接線繁瑣且占用空間大。改造后采用CUBE20系列現(xiàn)場(chǎng)總線站。改造后各輸入輸出點(diǎn)對(duì)應(yīng)清晰明了，接線簡(jiǎn)單，維護(hù)起來(lái)十分方便。但由于安裝人員經(jīng)驗(yàn)不足，改造后的現(xiàn)場(chǎng)總線站沒(méi)有采取任何防護(hù)措施，在掘進(jìn)過(guò)程中極易受油、水及粉塵污染，造成模塊內(nèi)部損壞。將現(xiàn)場(chǎng)總線站安裝在帶減震的密封配電箱內(nèi)，這樣既可以減少油、水、粉塵對(duì)電器元件的損害，又可以避免長(zhǎng)期震動(dòng)造成模塊內(nèi)部接觸不良。

（3）電纜橋架優(yōu)化改造。本臺(tái)設(shè)備共有10臺(tái)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)，每臺(tái)電機(jī)采用兩條3×70mm2+3×50mm2的銅芯交聯(lián)聚氯乙烯電纜供電。電纜全部沿電纜橋架鋪設(shè)，本設(shè)備采用梯級(jí)式熱鍍鋅橋架，參見(jiàn)圖30，由于TBM掘進(jìn)過(guò)程中震動(dòng)大，電纜長(zhǎng)期與橋架的橫向連接相摩擦，經(jīng)常造成電纜磨損，導(dǎo)致電機(jī)出現(xiàn)過(guò)流現(xiàn)象，由于鋪設(shè)線路長(zhǎng)，橋架又全部覆蓋蓋板。查找線路損壞部位十分困難。這大大影響了掘進(jìn)進(jìn)度。為了減少這一現(xiàn)象發(fā)生，采用托盤(pán)式鍍鋅橋架，既可以防止摩擦造成的電纜損傷，又有利于橋架內(nèi)部的水分排出。

（4）液壓泵站電機(jī)冷卻系統(tǒng)優(yōu)化改造。改造前的液壓泵站電機(jī)靠自身所帶的風(fēng)扇進(jìn)行冷卻，由于經(jīng)常大功率、超負(fù)荷工作，電機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)高溫現(xiàn)象。針對(duì)此種情況，對(duì)電機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。增加了兩臺(tái)風(fēng)機(jī)對(duì)電機(jī)進(jìn)行冷卻。風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)電源直接從液壓泵站的軟啟動(dòng)開(kāi)關(guān)引出，使風(fēng)機(jī)和電機(jī)同步運(yùn)行，既起到冷卻電機(jī)的作用，又不會(huì)過(guò)多的浪費(fèi)電能。改造后冷去效果明顯提高。

9 結(jié)語(yǔ)

隧洞工程越來(lái)越廣泛地采用TBM施工，TBM設(shè)備龐大繁雜，既有笨重的鋼構(gòu)件，也有精密的控制設(shè)備和儀表，還復(fù)雜的電氣、液壓等管路系統(tǒng)，是一種大型高新技術(shù)設(shè)備。隨著功能的需要和技術(shù)的成熟，對(duì)舊TBM設(shè)備的關(guān)鍵部件改造、修復(fù)與升級(jí)有利于減少施工成本，降低工程造價(jià)。

作者簡(jiǎn)介：曲長(zhǎng)海（1968.12.26—），男（滿(mǎn)族），遼寧西豐人，華北水利水電學(xué)院水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專(zhuān)業(yè)畢業(yè)，大學(xué)本科。