王天宋

(中鐵十四局集團有限公司 山東濟南 252000)

1 引言

盾構(gòu)法作為暗挖法施工中的一種全機械化施工方法，利用盾構(gòu)機械在地層中推進，通過盾體外殼和預(yù)制成型管片支承四周圍巖防止發(fā)生隧道內(nèi)的坍塌，施工過程隧道一次成型，并且對地表擾動小、施工效率高、安全可靠[1]。管片吊機系統(tǒng)是盾構(gòu)隧道施工物料運輸?shù)年P(guān)鍵系統(tǒng)，對施工效率具有決定性的影響。管片吊機系統(tǒng)一旦發(fā)生故障就不能保障隧道管片供給，就會影響施工生產(chǎn)進度。馬偃輝通過對雙護盾全斷面隧道掘進機管片吊機電氣故障的分析研究，總結(jié)了工程中TBM管片吊機電纜線路系統(tǒng)故障、遙控發(fā)射與接收信號故障、剎車故障等常見故障產(chǎn)生的原因，提出針對性的解決方案，并給出了管片吊機日常操作保養(yǎng)的建議，有效保證了現(xiàn)場施工效率[2]。但目前對于大直徑盾構(gòu)機管片吊機系統(tǒng)故障的研究還相對較少。對此，本文依托京張鐵路隧道使用的海瑞克S-1050大直徑泥水平衡盾構(gòu)管片吊機系統(tǒng)的典型故障進行分析，為日后類似故障的排查與處理提供參考[3]。

2 工程概況

新建京張鐵路一標，標段全長10.487 km，線路自DK12+413北京北站向北引出，在DK13+400處進入清華園隧道，下穿學(xué)院南路、北三環(huán)、知春路、北四環(huán)、成府路、清華東路等。利用原有京包線形成雙線路基段至本標段終點DK22+900。

主要施工內(nèi)容為6.02 km隧道和4.467 km路基。其中包括盾構(gòu)隧道、明挖隧道及普通路基段、U型槽，剛構(gòu)中橋1座、框架小橋2座。清華園隧道是京張高鐵控制性工程，隧道盾構(gòu)段為單洞雙線隧道，管片外徑12.2 m、內(nèi)徑11.1 m，管片環(huán)寬2 m、壁厚0.55 m，6+2+1模式拼裝，總計2 243環(huán)，軌下結(jié)構(gòu)采用三塊全預(yù)制結(jié)構(gòu)進行拼裝。盾構(gòu)隧道采用兩臺外徑為12.2 m的泥水平衡盾構(gòu)機施工。

盾構(gòu)機穿越地層主要為粉質(zhì)黏土、粉砂、中粗砂及卵石土。卵石含量高，最大粒徑200 mm，密實，無膠結(jié)，遇水松散。卵石土地層對刀具的磨損非常嚴重且自穩(wěn)能力較差，掘進時需采用合理的掘進參數(shù)及優(yōu)質(zhì)的循環(huán)泥漿，同時做好刀具檢修工作。

3 吊機工作機理概述

海瑞克S-1050盾構(gòu)機為開挖直徑12.64 m的大直徑泥水平衡盾構(gòu)機。內(nèi)部臺車結(jié)構(gòu)分為三層，管片在運輸過程需要使用兩臺吊機轉(zhuǎn)運到喂片機上，首先管片運輸?shù)鯔C抓取運輸車上的管片，將兩塊管片運送至管片轉(zhuǎn)運基座上；然后管片旋轉(zhuǎn)吊機抓取單塊管片，旋轉(zhuǎn)90°方向后放到喂片機上，喂片機依次將整環(huán)管片輸送至盾構(gòu)機拼裝區(qū)域；最后通過拼裝機的真空吸盤吸附管片進行拼裝。兩臺吊機分別為管片運輸?shù)鯔C和管片旋轉(zhuǎn)吊機，如圖1所示。

圖1 管片運輸?shù)鯔C及旋轉(zhuǎn)吊機

3.1 管片運輸?shù)鯔C

管片運輸?shù)鯔C作為橫跨整個橋架的吊機，承載著盾構(gòu)機包括管片、油脂耗材等在內(nèi)的絕大部分物料的運輸，是十分重要的運輸工具[4]。吊機部分包括主吊機和輔助吊機，主吊機作為管片吊機有兩個15 t卷揚機牽引機械抓取裝置，抓取裝置為液壓驅(qū)動，靠4個小油缸實現(xiàn)伸縮鉸接；輔助吊機也稱為物料吊機，采用2 t環(huán)鏈式電動葫蘆。物料吊機可通過切換內(nèi)部不同線路實現(xiàn)葫蘆運行的快慢速；主吊機與行走電機驅(qū)動采用變頻器控制，可通過設(shè)定的工作頻率實現(xiàn)吊機的快慢速動作。吊機采用PLC控制，擁有一個操作室，內(nèi)部包括操作手柄與按鈕、運行狀態(tài)觸摸屏、監(jiān)控顯示屏。操作人員只需通過操作手柄與按鈕完成吊機的移動與物料的起吊，通過監(jiān)控屏幕隨時觀察吊機前后是否有阻礙物體，通過觸摸屏能查看吊機的運行狀態(tài)與報錯信息。通過這3個面板的信息，操作人員可以簡單并高效地完成物料的運輸工作，并能幫助作業(yè)人員完成吊機的日常維護作業(yè)。吊機上配置多處限位連鎖裝置，管片提升不到位、抓取裝置未收緊時，管片運輸?shù)鯔C將不能水平或垂直移動。管片運輸?shù)鯔C見圖2。

圖2 管片物料吊機

3.2 管片旋轉(zhuǎn)吊機

由于管片從外面運輸至洞內(nèi)時，管片的方向為縱向，管片運輸?shù)鯔C抓取后運送至轉(zhuǎn)運基座上時仍為縱向，而拼裝機拼裝的管片為橫向，故管片旋轉(zhuǎn)吊機的作用便是“承上啟下”[5]。吊機自身能夠旋轉(zhuǎn)180°，一是能將管片旋轉(zhuǎn)90°，以便前方能夠拼裝管片；二是無論運輸?shù)墓芷岸朔较蚴乔斑€是后，通過180°的旋轉(zhuǎn)調(diào)整，都能順利將管片調(diào)整為正確的方向。吊機采用4個5 t的環(huán)鏈式電動葫蘆懸掛真空吸盤，額定起重量16 t，單次可吸取1塊管片，4個葫蘆可以整體升降也可以單獨升降來調(diào)整吸盤的位置。吊機前后行走采用電機驅(qū)動，左右行走采用油缸伸縮，旋轉(zhuǎn)電機采用變頻器控制啟動。吊機采用PLC控制，所有操作均采用無線遙控器控制。當管片運輸?shù)轿缓?，操作人員將吊機的真空吸盤貼在管片上，抽取真空，當真空度達到要求時，管片才可被吊起。管片旋轉(zhuǎn)吊機見圖3。

圖3 管片旋轉(zhuǎn)吊機

4 故障現(xiàn)象描述

管片運輸?shù)鯔C與管片旋轉(zhuǎn)吊機同為PLC實現(xiàn)自動化控制，通過CPU與I/O模塊的交流對各個電氣元件進行監(jiān)視與控制，使用編制好的程序使各電機按照一定的順序動作。為了實現(xiàn)自動化的安全可靠性，吊機內(nèi)部存在多個傳感器，如果傳感器給CPU傳回錯誤信號，就會顯示報錯，導(dǎo)致吊機無法動作，只有恢復(fù)傳感器的正確信號才能使吊機繼續(xù)工作[6-8]。區(qū)別于吊機系統(tǒng)的常規(guī)故障，如電纜損壞、遙控信號發(fā)射接收故障等，現(xiàn)列出S-1176盾構(gòu)機在掘進過程中出現(xiàn)的吊機典型的故障問題。

(1)管片運輸?shù)鯔C故障

管片運輸?shù)鯔C的主吊機從管片運輸車上抓取管片準備垂直提升時，發(fā)現(xiàn)1號吊機沒有動作，2號吊機可正常動作，導(dǎo)致已被抓取的管片向一側(cè)傾斜。查看監(jiān)控屏幕的報警提示，顯示1號吊機處于超重狀態(tài)。

(2)管片旋轉(zhuǎn)吊機故障

管片放置到轉(zhuǎn)運基座上后，打開遙控器準備操作管片旋轉(zhuǎn)吊機，在未吸附管片時遙控器面板超重指示燈點亮，但此時吊機處于空載狀態(tài)，只能向下而不能向上運動。

5 故障原因分析與排除

5.1 管片運輸?shù)鯔C故障排查

超重狀態(tài)無法使用操作桿提升吊機，通過使用變頻器本地模式，手動調(diào)整前后吊機的鋼絲繩長度，保證吊機處于平衡位置，空載試吊。在起吊過程中，監(jiān)視屏幕幾次閃現(xiàn)1號吊機超重狀態(tài)的信息。由于空載過程吊機不可能處于超重狀態(tài)，分析很可能是機械系統(tǒng)、主電路或者控制電路出現(xiàn)故障。

5.1.1 稱重傳感器的工作原理

管片吊機采用的是數(shù)字式稱重傳感器，由電阻式應(yīng)變稱重傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、電子放大器、微處理器構(gòu)成[9-11]。電阻應(yīng)變式稱重傳感器基于這樣一個原理：彈性體(彈性元件、敏感梁)在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在表面的電阻應(yīng)變片(轉(zhuǎn)換元件)也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，阻值將發(fā)生變化(增大或減小)，再經(jīng)相應(yīng)的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(電壓或電流)，從而完成了將外力變換為電信號的過程[12]。稱重傳感器作為主吊卷揚機懸掛的銷軸，通過信號線連接模數(shù)模塊、放大器連接到PLC的輸入模塊，然后通過PLC的輸出模塊輸出到監(jiān)控屏幕。

5.1.2 檢查吊機機械系統(tǒng)部分

(1)卷揚機鋼絲繩

鋼絲繩纏繞完好，表面油脂潤滑正常，無銹漬。

(2)吊機承重銷軸

銷軸表面正常無裂痕，沒有明顯彎曲痕跡。

結(jié)果表明吊機部分無外表損傷，說明故障原因不在機械系統(tǒng)，問題可能出在電氣方面。

5.1.3 檢查主電路

通過查看電氣圖紙，從操作室的端子接頭沿著線路檢查，直到稱重傳感器接線盒。線路無破損、無彎折、無短路。檢查結(jié)果表明電氣接線無異常，問題可能出在控制電路方面。

5.1.4 檢查PLC控制電路

根據(jù)管片吊機線路圖，找出1號吊鉤的稱重傳感器PLC的輸入端9-5K1，其端子接頭為12號。當15-14B1得到信號后，通過模數(shù)信號轉(zhuǎn)換，BN端頭得到信號，下一級15-14K1的2號端子得到信號，然后13、14號端子接通，此時9-5K1的12號端子接收到電信號，監(jiān)視屏幕顯示1號吊機超重。

通過控制電路可知，超重報錯的原因很可能是稱重傳感器自身故障，導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)有誤。驗證方法為調(diào)換1號吊鉤與2號吊鉤的模數(shù)轉(zhuǎn)換卡，即15-14B1，再查看兩個吊鉤的狀態(tài)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)仍是1號吊鉤顯示超重，2號吊鉤顯示正常，與推測結(jié)果相符。更換完1號吊鉤的稱重傳感器后吊機恢復(fù)正常。

5.2 管片旋轉(zhuǎn)吊機故障排查

管片旋轉(zhuǎn)吊機空載狀態(tài)，4個葫蘆鏈條長度一致，真空吸盤水平懸空，故不可能處于超重狀態(tài)，可以從機械系統(tǒng)、主電路與控制電路開始排查。

(1)稱重傳感器工作原理

管片旋轉(zhuǎn)吊機與管片運輸?shù)鯔C的傳感器工作原理相同，但是兩者PLC輸入信號的類型不同。管片旋轉(zhuǎn)吊機的輸入信號為持續(xù)的數(shù)字信號，管片運輸?shù)鯔C的輸入信號為高電平信號。

(2)檢查機械系統(tǒng)

使用遙控器將吊機向下移動，吊機運動無異常，不存在鏈條卡殼問題。

(3)檢查主電路與PLC控制電路

排查主電路與PLC控制電路，選取1號葫蘆為例，找出1號葫蘆稱重傳感器的PLC輸入端9-3K1，由于該PLC輸入端需要持續(xù)的信號輸入，故整個電路需要保持通路。實際測量發(fā)現(xiàn)15-14F1前后的電壓不一致，由于15-14F1為保險絲，故推測是保險絲燒斷導(dǎo)致傳感器報錯，使用萬用表測量保險絲通斷，顯示為斷開狀態(tài)，與推測結(jié)果一致。更換新的保險絲后，通過復(fù)位按鈕，吊機恢復(fù)正常。

6 吊機系統(tǒng)維保建議

目前盾構(gòu)機尤其是大直徑泥水平衡盾構(gòu)機的吊機系統(tǒng)十分復(fù)雜，為保證高效的生產(chǎn)效率、安全性以及方便簡單的可操作性，控制系統(tǒng)則更為復(fù)雜。區(qū)別于常規(guī)的機械性故障，電氣系統(tǒng)故障往往發(fā)生率高且不易檢查，常常需要借助調(diào)取PLC程序進行診斷，對現(xiàn)場維保工程師的維修水平有較高要求，所以持之以恒的日常維保十分必要，可大大減少吊機系統(tǒng)的故障率。

(1)保養(yǎng)人員每天必須對管片吊機各部件的工作性能、各種動作進行總體檢查，一旦發(fā)現(xiàn)問題及時分析原因。

(2)每天打開控制柜采取看、聞、聽、摸確定電氣元件是否正常，如有異常，及時用萬用表檢測，排查故障。

(3)每天保養(yǎng)人員必須檢查升降和行走限位，注意觀察吊機行走和升降的速度；吊運管片過程中馬達剎車是否正常有效，如有異常，及時查找原因。

(4)每天檢查導(dǎo)向軸承、滑輪的運行情況，及時更換已損壞的軸承；檢查馬達傳動鏈條和齒輪。

7 結(jié)束語

從故障分析與排除的過程得知，即使是同一類型的故障，對于不同的吊機系統(tǒng)，最后得到的故障結(jié)論也不盡相同。但是分析故障的方法可以按照一定的步驟，抓住管片吊機的主要關(guān)鍵部件與線路，找出故障的核心部位，分線排查。在熟知盾構(gòu)機內(nèi)的電氣系統(tǒng)組成、精通電氣圖紙、了解不同類型的傳感器、熟悉PLC程序的前提下，有針對性地制定管片吊機的維保檢修方案。針對管片吊機發(fā)生的典型故障，制定以關(guān)鍵路線為中心的排查方案，才能在掘進過程中準確、快速地解決問題，提升盾構(gòu)機掘進效率和管片安裝質(zhì)量。