宋法亮， 劉 捷， 楊新舉， 趙海雷1,

(1. 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司， 廣東 廣州 511458； 2. 盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河南 鄭州 450001;3. 云桂鐵路云南有限公司， 云南 昆明 650011； 4. 中鐵隧道股份有限公司， 河南 鄭州 450001)

0 引言

TBM是一種超大型電液一體化機(jī)械，專用于硬巖隧道開挖，其包括刀盤系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)和皮帶出渣系統(tǒng)等，開挖隧道具有快速、安全、高效等特點(diǎn)，要優(yōu)于鉆爆法開挖[1-4]。但由于圍巖環(huán)境復(fù)雜，TBM在硬巖掘進(jìn)過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生刀盤卡死被困事故，給施工生產(chǎn)安全和施工效益帶來(lái)了不利影響[5-8]。

對(duì)于TBM脫困技術(shù)，其中一種是人工脫困技術(shù)，目前已有不少研究，例如： 趙毅[9]提出了TBM超前化學(xué)灌漿脫困技術(shù)，通過(guò)在刀盤內(nèi)超前鉆孔、在孔口混合和高壓力灌漿實(shí)施雙組分化學(xué)漿液，快速加固坍塌體、軟弱破碎層并有效脫困； 劉建平等[10]提出了針對(duì)高黎貢山隧道TBM小導(dǎo)洞的脫困技術(shù)，通過(guò)在護(hù)盾頂部人工開挖小導(dǎo)洞，對(duì)刀盤上方、護(hù)盾頂部的積渣進(jìn)行清理，以減小刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)阻力至轉(zhuǎn)矩恢復(fù)正常； 張兵等[11]提出了高黎貢山隧道破碎地層TBM施工技術(shù)及應(yīng)對(duì)方法，包括化學(xué)灌漿、小導(dǎo)洞開挖及支護(hù)、超前管棚等綜合應(yīng)對(duì)方法。另一種是提高TBM的刀盤轉(zhuǎn)矩技術(shù)，例如： 侯昆洲[12]提出了TBM刀盤電動(dòng)-液壓同步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用混合驅(qū)動(dòng)提高TBM脫困轉(zhuǎn)矩； 謝海波等[13]提出了液體黏性離合器新型TBM刀盤驅(qū)動(dòng)方案； 劉統(tǒng)等[14]提出了基于液壓變壓器的TBM刀盤混合驅(qū)動(dòng)技術(shù)。

雙速減速機(jī)作為提升主驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的專用零部件，曾在印度孟買地鐵UCG-01、墨西哥TEPⅡ排水隧洞等項(xiàng)目中使用。其中，孟買地鐵UCG-01項(xiàng)目的地質(zhì)條件為玄武巖、凝灰?guī)r、風(fēng)化角礫巖，采用的設(shè)備為硬巖-土壓跨模式掘進(jìn)機(jī)；墨西哥排水隧洞項(xiàng)目地質(zhì)條件主要為安山巖、軟土、復(fù)合復(fù)雜地層，采用的設(shè)備類型為硬巖-土壓跨模式掘進(jìn)機(jī)。以上設(shè)備在遭遇特殊地質(zhì)的情況下，通過(guò)高低轉(zhuǎn)速、大小轉(zhuǎn)矩的切換，使掘進(jìn)月進(jìn)尺由平均200多m提升到480 m。在國(guó)外隧道行業(yè)，雙速減速機(jī)已逐漸成為隧道掘進(jìn)機(jī)的標(biāo)配，但在國(guó)內(nèi)TBM施工上鮮有使用案例。本文針對(duì)TBM在高黎貢山隧道破碎圍巖遭遇的刀盤轉(zhuǎn)矩不足導(dǎo)致設(shè)備卡機(jī)的問(wèn)題，提出了在TBM主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)安裝雙速減速機(jī)的改造方案，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了安裝應(yīng)用。

1 工程背景

大瑞鐵路是我國(guó)第1條穿越橫斷山脈、地形地質(zhì)條件極為復(fù)雜的國(guó)家Ⅰ級(jí)干線鐵路。高黎貢山隧道作為其控制性工程，地質(zhì)環(huán)境具有“三高”(高地?zé)?、高地?yīng)力、高地震烈度)、“四活躍”(活躍的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、活躍的地?zé)崴h(huán)境、活躍的外動(dòng)力地質(zhì)條件和活躍的岸坡淺表改造過(guò)程)的特征，其中，平導(dǎo)TBM施工段采用一臺(tái)開挖直徑為6.39 m的敞開式硬巖掘進(jìn)機(jī)施工。自TBM掘進(jìn)以來(lái)，節(jié)理密集破碎帶、斷層破碎帶、全風(fēng)化花崗巖遇水流沙地層、涌水、蝕變透鏡體等不良地質(zhì)頻繁出現(xiàn)。不良地質(zhì)突發(fā)性強(qiáng)、持續(xù)段落長(zhǎng)、占比高，TBM頻繁遭遇卡機(jī)，掘進(jìn)緩慢，TBM自身優(yōu)越性未得到充分發(fā)揮。從2017年11月25日始發(fā)掘進(jìn)至2020年6月25日，平導(dǎo)TBM累計(jì)掘進(jìn)4 516.86 m，期間共發(fā)生11次卡機(jī)，其中8次卡機(jī)為圍巖破碎導(dǎo)致。分析原因主要為原裝TBM刀盤轉(zhuǎn)矩不足，刀盤自我保護(hù)跳停，導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)無(wú)法推進(jìn)，造成停機(jī)時(shí)間達(dá)到了總施工天數(shù)的48%。

2 原TBM主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作原理

原TBM主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。主驅(qū)動(dòng)包括主軸承、驅(qū)動(dòng)箱、大齒圈、主軸承密封、小齒輪、行星減速機(jī)和TBM主電機(jī)等。主軸承外圈通過(guò)螺栓與驅(qū)動(dòng)箱連接，內(nèi)圈通過(guò)螺栓連接刀盤轉(zhuǎn)接環(huán)和刀盤。刀盤轉(zhuǎn)接環(huán)通過(guò)螺栓與大齒圈連接。電機(jī)傳遞出的轉(zhuǎn)矩通過(guò)行星減速機(jī)減速增距傳遞到小齒輪上，小齒輪驅(qū)動(dòng)大齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 原TBM主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 雙速減速機(jī)應(yīng)用原理與性能分析

3.1 雙速減速機(jī)原理

雙速減速機(jī)有高速和低速2種模式。雙速減速機(jī)外部結(jié)構(gòu)如圖2所示。雙速減速機(jī)在低速模式下的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。在高速模式下，擋位轉(zhuǎn)換系統(tǒng)連接輸入軸和輸出軸，輸出軸和行星齒輪脫離，轉(zhuǎn)速直接由輸入軸傳遞至輸出軸，此時(shí)減速比為1.00； 在低速模式下，擋位轉(zhuǎn)換系統(tǒng)連接輸出軸和行星齒輪，輸入軸和輸出軸脫離，轉(zhuǎn)速由輸入軸傳遞至行星齒輪，再傳遞至輸出軸，減速比為1.47。通過(guò)手柄可直接控制切換高、低速模式。

雙速減速機(jī)安裝在TBM主電機(jī)與原減速機(jī)之間(如圖4所示)。安裝后，主驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)途徑為： 主電機(jī)—轉(zhuǎn)矩限制器—傳動(dòng)花鍵軸—雙速減速機(jī)—主減速機(jī)—小齒輪—大齒圈—轉(zhuǎn)接環(huán)—主軸承內(nèi)圈—刀盤。

④—前端面； ⑤—后端面； —觀察洞蓋板； —注油點(diǎn)。

①—把軸系統(tǒng)； ②—同步輸出軸系統(tǒng)； ③—同步輸入軸系統(tǒng)； ④—輸出軸安裝板； ⑤—輸入軸安裝板； ⑥—輸出軸密封； ⑦—輸入軸密封； ⑧—輸出端密封墊片； ⑨—輸入端密封墊片； ⑩—換熱器冷卻水輸入； —換熱器冷卻水輸出； —擋位轉(zhuǎn)換系統(tǒng)； —螺旋座圈； —防護(hù)蓋板； —堵頭； —剪切銷； —排氣孔； —空心塞子； —輸出端隔環(huán)； —輸入端隔環(huán)； —O型密封； —內(nèi)六角螺栓。

圖4 雙速減速機(jī)安裝位置

3.2 雙速減速機(jī)高、低速模式下刀盤額定轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩對(duì)比

1)刀盤額定轉(zhuǎn)速

(1)

式中：n0為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，取989 r/min；i1為行星減速機(jī)減速比，取29.34；i2為雙速減速機(jī)減速比，高速模式下取1.00，低速模式下取1.47；i3為小齒輪/大齒圈減速比，取6.26。

2)刀盤額定轉(zhuǎn)矩

Mi=M0·i1·i2·i3·i。

(2)

式中：M0為電機(jī)額定輸出轉(zhuǎn)矩，取3.19 kN·m;i為電機(jī)數(shù)量，取7。

通過(guò)計(jì)算可得： 1)高速模式下，ni=5.38 r/min,Mi=4 101.32 kN·m; 2)低速模式下，ni=3.66 r/min，Mi=6 028.93 kN·m。

從以上分析可以看出，低速模式下雙速減速機(jī)的原理是在不改變TBM主電機(jī)能力的前提下，通過(guò)提高減速比，以短時(shí)間突破傳動(dòng)鏈設(shè)計(jì)能力為代價(jià)，來(lái)獲得更高的脫困轉(zhuǎn)矩。

3.3 雙速減速機(jī)高、低速模式下設(shè)備性能特點(diǎn)

雙速減速機(jī)高、低速模式下設(shè)備性能對(duì)比見表1。安裝雙速減速機(jī)前后TBM轉(zhuǎn)矩對(duì)比見圖5。在低速模式下雙速減速機(jī)使得敞開式硬巖掘進(jìn)機(jī)的刀盤脫困轉(zhuǎn)矩得到顯著提高，在刀盤轉(zhuǎn)速低于4 r/min時(shí)，脫困轉(zhuǎn)矩可達(dá)到9 225 kN·m，為原設(shè)備脫困轉(zhuǎn)矩(6 150 kN·m)的1.47倍。在破碎圍巖情況下，要求保持TBM刀盤轉(zhuǎn)速在3 r/min以下，以減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)和超量出渣，避免皮帶機(jī)卡死，該情況下雙速減速機(jī)性能可以得到更好的發(fā)揮。

低速模式下，刀盤最高轉(zhuǎn)速由11.97 r/min降低至8.14 r/min，刀盤轉(zhuǎn)速和刀盤出渣能力受到限制，特別是在面對(duì)硬巖時(shí)，需要高刀盤轉(zhuǎn)速以提高破巖效率。因此，在正常圍巖下建議使用高速模式，這樣也方便對(duì)低速模式使用時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

4 主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)雙速減速機(jī)接口匹配設(shè)計(jì)研究

4.1 機(jī)械安裝接口匹配

TBM主大梁1區(qū)域結(jié)構(gòu)如圖6所示。雙速減速機(jī)安裝后，主電機(jī)尾部將相對(duì)原位置后移40 cm，對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生下列影響：

1)安裝雙速減速機(jī)前拱架安裝器拼裝機(jī)構(gòu)與主電機(jī)尾端距離11 cm，因此，拼裝機(jī)構(gòu)需向后移動(dòng)30 cm以上。

2)主電機(jī)端蓋超出頂護(hù)盾保護(hù)范圍。

3)原主電機(jī)傳動(dòng)軸不匹配，需進(jìn)行改造。

4)整個(gè)主梁空間將更加擁擠。

改造后的TBM主梁結(jié)構(gòu)如圖7所示。高黎貢山平導(dǎo)TBM是經(jīng)過(guò)再制造后在項(xiàng)目中投入使用的，在再制造時(shí)提前考慮了雙速減速機(jī)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，將TBM主梁全長(zhǎng)由13.339 m延伸至14.592 m，給支護(hù)設(shè)備留出空間，并將頂護(hù)盾向后延長(zhǎng)1 m，避免了雙速減速機(jī)安裝后對(duì)支護(hù)設(shè)備的影響。

表1 雙速減速機(jī)高、低速模式下設(shè)備性能對(duì)比

圖5 安裝雙速減速機(jī)前后TBM轉(zhuǎn)矩對(duì)比

圖6 TBM主大梁1區(qū)域結(jié)構(gòu)圖

①—主梁3； ②—延長(zhǎng)后主梁2。

原電機(jī)傳動(dòng)軸需進(jìn)行改造，將A處軸端削除17 mm。主電機(jī)傳動(dòng)軸改造圖如圖8所示。

4.2 刀盤控制程序升級(jí)

4.2.1 刀盤控制程序升級(jí)分析

相同刀盤轉(zhuǎn)矩情況下，低速模式TBM主電機(jī)轉(zhuǎn)矩為高速模式的1/1.47，因此，不需要對(duì)變頻器里的最大轉(zhuǎn)矩設(shè)定值進(jìn)行修改。雙速減速機(jī)在高低速模式下有不同的減速比，要求所有雙速減速機(jī)必須在同一個(gè)擋位下工作，否則，將會(huì)影響主驅(qū)動(dòng)安全。因此，在雙速減速機(jī)機(jī)械限位的同時(shí)，需要在PLC程序內(nèi)增加互鎖保護(hù)，同時(shí)在操作屏幕上顯示所有雙速減速機(jī)擋位狀態(tài)指示和刀盤互鎖指示。

4.2.2 PLC程序互鎖修改

在每個(gè)雙速減速機(jī)手柄處安裝2個(gè)位置傳感器，判定高速擋和低速擋狀態(tài)下手柄的位置，并將2個(gè)傳感器信號(hào)在PLC程序上實(shí)現(xiàn)連鎖。

手柄狀態(tài)PLC連鎖如圖9所示。由圖可知，只有當(dāng)所有高速擋觸點(diǎn)處于高電位且所有低速擋觸點(diǎn)處于低電位信號(hào)時(shí)，高速擋狀態(tài)判定線圈GB_STATE_HIGH_OK通電。擋位PLC連鎖如圖10所示。圖10中，高速擋狀態(tài)判定觸點(diǎn)GB_STATE_HIGH_OK處于高電位，低速擋連鎖原理與其類似。圖10中，將低速擋、高速擋判定觸點(diǎn)進(jìn)行并聯(lián)，當(dāng)有一個(gè)觸點(diǎn)條件滿足時(shí)，即可滿足雙速減速機(jī)連鎖條件。

4.2.3 轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩顯示修改

轉(zhuǎn)速顯示修改如圖11所示。臨時(shí)變量Temp_Reg_1是刀盤7個(gè)電機(jī)的平均轉(zhuǎn)速，通過(guò)DIV除法運(yùn)算指令，除以指定轉(zhuǎn)速比可得到刀盤轉(zhuǎn)速。根據(jù)雙速減速機(jī)狀態(tài)，將TBM轉(zhuǎn)速分為2種情況： 高速模式時(shí)GB_STATE_HIGH_OK觸點(diǎn)處于高電位，采用原減速比183.76；低速模式時(shí)GB_STATE_LOW_OK觸點(diǎn)處于高電位，減速比為270.13。轉(zhuǎn)矩顯示也需做類似修改。

圖9 手柄狀態(tài)PLC連鎖

圖10 擋位PLC連鎖

圖11 轉(zhuǎn)速顯示修改

4.2.4 刀盤參數(shù)界面修改

刀盤參數(shù)界面如圖12所示。在顯示屏刀盤參數(shù)界面，添加雙速減速機(jī)擋位指示燈，以顯示所有雙速減速機(jī)狀態(tài)。

圖12 刀盤參數(shù)界面

5 主驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)鏈強(qiáng)度校核

5.1 雙速減速機(jī)對(duì)主軸承壽命的影響分析

影響主軸承壽命的因素主要包括反推力以及TBM掘進(jìn)過(guò)程中糾偏角度所產(chǎn)生的傾覆力矩，刀盤轉(zhuǎn)矩對(duì)其影響較小[15]。主軸承的理論總轉(zhuǎn)數(shù)為5.195×106r，有90%的可能性達(dá)到或超過(guò)理論壽命。在刀盤轉(zhuǎn)速為8.96 r/min的情況下，主軸承壽命可以達(dá)到9 664 h；在刀盤轉(zhuǎn)速為3.6 r/min的情況下，主軸承可運(yùn)行24 053 h。雙速減速機(jī)安裝前彩云1號(hào)TBM累計(jì)開挖4 460 m，刀盤運(yùn)行時(shí)間為1 786 h，平均掘進(jìn)速度為2.50 m/h。平導(dǎo)TBM剩余掘進(jìn)洞段長(zhǎng)度為5 000 m，根據(jù)前期數(shù)據(jù)推算，剩余工程刀盤運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間約為2 000 h，主軸承壽命可滿足現(xiàn)場(chǎng)使用。

5.2 雙速減速機(jī)對(duì)齒輪系壽命的影響分析

刀盤轉(zhuǎn)矩由負(fù)載決定，當(dāng)掌子面圍巖破碎、刀盤長(zhǎng)時(shí)間在大轉(zhuǎn)矩下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)造成主驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)壽命嚴(yán)重減少，使用過(guò)程中原裝減速機(jī)、小齒輪及大齒圈等傳動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障及損壞的風(fēng)險(xiǎn)也較高。齒輪系壽命計(jì)算工況設(shè)置如表2所示，即在減速機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)、60%工況轉(zhuǎn)矩為4 100 kN·m、40%工況轉(zhuǎn)矩為6 150 kN·m的情況下，進(jìn)行減速機(jī)、大齒輪和減速機(jī)壽命的計(jì)算。

表2 齒輪系壽命計(jì)算工況設(shè)置

根據(jù)廠家提供的計(jì)算結(jié)果，大齒圈、小齒輪壽命為10 000 h。原裝減速機(jī)相應(yīng)故障發(fā)生的時(shí)間如下： Pitting Life(齒面點(diǎn)蝕)為1 796 h，Bending Life(彎曲疲勞)為534 501 h，Bearing Life(軸承壽命)為9 774 h。

原裝減速機(jī)齒面點(diǎn)蝕發(fā)生的時(shí)間為1 796 h，TBM剩余掘進(jìn)約需2 000 h。在一般圍巖條件下，TBM轉(zhuǎn)矩為1 000～2 000 kN·m，僅在極端地質(zhì)條件下，刀盤轉(zhuǎn)矩才會(huì)超出4 100 kN·m，理論上齒輪系壽命可滿足現(xiàn)場(chǎng)使用。

6 雙速減速機(jī)洞內(nèi)安裝

雙速減速機(jī)是彩云1號(hào)TBM在隧道內(nèi)掘進(jìn)4 km后安裝的，安裝前需斷開主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電源，拆除所有傳動(dòng)軸，確保按照所有必要的安全措施進(jìn)行操作。從機(jī)頭架中2個(gè)相鄰的主驅(qū)動(dòng)位置上拆除主電機(jī)和單速減速機(jī)總成。如果減速機(jī)沒(méi)有立即安裝在打開的主驅(qū)動(dòng)位置，則需要臨時(shí)封閉開口，防止異物進(jìn)入驅(qū)動(dòng)箱。雙速減速機(jī)的洞內(nèi)安裝工藝主要包括以下2個(gè)方面：

1)雙速減速機(jī)安裝工藝。首先，清理和檢查雙速減速機(jī)與機(jī)頭架之間的安裝接口和密封，確保沒(méi)有損壞； 然后，根據(jù)圖4，將2個(gè)減速機(jī)中的一個(gè)安裝到機(jī)頭架中，并在相鄰的打開的主驅(qū)動(dòng)位置上進(jìn)行齒間隙試驗(yàn)。重復(fù)以上步驟，直至所有主驅(qū)動(dòng)位置測(cè)試完成，然后安裝位置傳感器，用于判定手柄位置，并將數(shù)據(jù)連接至PLC，確保所有雙速減速機(jī)擋位相同。

2)主電機(jī)安裝工藝。7處主驅(qū)動(dòng)位置的雙速減速機(jī)安裝完成且齒間隙和接口都檢查完成后，從單級(jí)減速機(jī)上拆除主電機(jī)并將其安裝到雙速減速機(jī)上。將電源線重新連接到主驅(qū)動(dòng)電機(jī)上，并在刀盤旋轉(zhuǎn)之前核實(shí)所有系統(tǒng)是否正常工作。

7 雙速減速機(jī)使用管理制度

TBM轉(zhuǎn)矩傳遞涉及系統(tǒng)較多，使用雙速減速機(jī)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，將對(duì)轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)鏈上相關(guān)部件的壽命產(chǎn)生影響，甚至可能導(dǎo)致主機(jī)部位的結(jié)構(gòu)件扭曲變形。因此，雙速減速機(jī)的操作要點(diǎn)如下：

1)當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)矩長(zhǎng)期超過(guò)5 000 kN·m或刀盤卡機(jī)后啟用雙速減速機(jī);當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)矩長(zhǎng)期低于4 000 kN·m時(shí)不啟用雙速減速機(jī)。

2)使用雙速減速機(jī)前，對(duì)設(shè)備進(jìn)行必要的檢修。例如： 液壓系統(tǒng)關(guān)鍵線路是否有泄露； 關(guān)鍵閥件的壓力校訂是否符合圖紙要求； 鞍架滑軌間隙是否在圖紙要求范圍內(nèi)。

3)刀盤推進(jìn)過(guò)程中，在沒(méi)有改變流量的情況下如果推進(jìn)壓力下降，說(shuō)明前方巖石較軟，應(yīng)在下一掘進(jìn)行程中適當(dāng)調(diào)低撐靴壓力； 如果推進(jìn)壓力增加，說(shuō)明前方巖石變硬，下一掘進(jìn)行程中可維持或調(diào)高撐靴壓力。

4)側(cè)支撐應(yīng)對(duì)稱貼緊洞壁,頂部支撐減壓閥的壓力應(yīng)根據(jù)巖石條件適當(dāng)調(diào)高或調(diào)低，原則上遇到軟巖時(shí)頂支撐應(yīng)貼緊洞壁，并適當(dāng)嵌入洞壁5～10 mm。

5)密切關(guān)注主機(jī)界面主驅(qū)動(dòng)、齒輪油箱油溫報(bào)警信息，出現(xiàn)報(bào)警時(shí)必須停機(jī)查找原因。

6)記錄每次雙速減速機(jī)低速模式使用時(shí)長(zhǎng)，并嚴(yán)格執(zhí)行主驅(qū)動(dòng)振動(dòng)、油樣檢測(cè)周檢查制度。

8 典型案例分析

8.1 雙速減速機(jī)在工程中的應(yīng)用

2019年8月27日，高黎貢山隧道出口平導(dǎo)彩云1號(hào)TBM掘進(jìn)至PDZK221+481處時(shí)，遭遇高壓富水蝕變透鏡體不良地質(zhì)，主要表現(xiàn)為高壓突涌(最大涌水量為1 300 m3/h)、圍巖軟弱破碎、風(fēng)化程度高、遇水泥化、鉆孔壓力大無(wú)法穿透不良地質(zhì)體等，造成TBM被困時(shí)間較長(zhǎng)。

2020年5月12日，彩云1號(hào)TBM增加了雙速減速機(jī)進(jìn)行輔助脫困，在土建工作完成后，開啟雙速減速機(jī)低速模式，進(jìn)行刀盤脫困。2020年5月18日，不良地質(zhì)段仍在持續(xù)，掌子面圍巖穩(wěn)定性差，粉砂狀圍巖遇水泥化包裹在刀盤周邊，造成掘進(jìn)過(guò)程中轉(zhuǎn)矩持續(xù)不穩(wěn)定(如圖13所示)，刀盤轉(zhuǎn)矩持續(xù)在2 000～8 000 kN·m波動(dòng)，短時(shí)間內(nèi)甚至突破9 000 kN·m。掘進(jìn)6 m后轉(zhuǎn)矩開始下降，TBM通過(guò)不良地質(zhì)，歷經(jīng)約23 h。

括號(hào)內(nèi)的數(shù)據(jù)代表里程。

在本次脫困中如按原TBM設(shè)計(jì)脫困轉(zhuǎn)矩，TBM刀盤將在6 000 kN·m左右跳停，則需要采用土建施工進(jìn)行脫困，脫困時(shí)間將需要5～10 d。

雙速減速機(jī)的使用效果為川藏線TBM設(shè)計(jì)提供了參考，川藏線TBM的轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)增加到了30 000 kN·m左右。

8.2 出現(xiàn)的問(wèn)題及處理措施

在使用過(guò)程中仍存在一些問(wèn)題值得注意。例如： 在轉(zhuǎn)矩≥8 000 kN·m掘進(jìn)的情況下，轉(zhuǎn)矩油缸無(wú)法保持TBM滾動(dòng)角，TBM出現(xiàn)主機(jī)滾動(dòng)值迅速變大的情況，最大達(dá)到60 mm/m，且滾動(dòng)值調(diào)整困難，同時(shí)十字銷軸系統(tǒng)與鞍架部分連接螺栓發(fā)生斷裂。因此，在雙速減速機(jī)使用過(guò)程中，為確保TBM姿態(tài)，避免造成TBM結(jié)構(gòu)件損壞，建議現(xiàn)場(chǎng)采取以下措施：

1)密切關(guān)注掘進(jìn)參數(shù)變化，盡量降低設(shè)備轉(zhuǎn)矩。

2)圍巖條件允許時(shí)，后退TBM并緩慢反轉(zhuǎn)刀盤，降低滾動(dòng)角。

3)在護(hù)盾之間的間隙處打錨桿輔助定位。

4)提高轉(zhuǎn)矩油缸泄壓閥壓力值。

5)對(duì)十字銷軸更換更高強(qiáng)度螺栓。

9 結(jié)論與建議

本文介紹了雙速減速機(jī)原理、主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)匹配性改造及雙速減速機(jī)安裝、使用方法，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)使用案例論證了雙速減速機(jī)可提高TBM脫困能力、減小TBM卡機(jī)概率。雙速減速機(jī)在高黎貢山隧道項(xiàng)目中的成功應(yīng)用，開創(chuàng)了國(guó)內(nèi)硬巖掘進(jìn)機(jī)使用兩級(jí)減速機(jī)的先河。針對(duì)TBM脫困方法，得到如下結(jié)論與建議：

1)在TBM開挖直徑明確后，主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)強(qiáng)度應(yīng)按照盡量大的轉(zhuǎn)矩、推力輸出進(jìn)行設(shè)計(jì)匹配，盡量增加設(shè)備刀盤脫困轉(zhuǎn)矩及推力。

2)建議設(shè)計(jì)階段考慮增加雙速減速機(jī)，在較少設(shè)備成本的投入下，進(jìn)一步提高設(shè)備脫困轉(zhuǎn)矩，提升TBM在破碎圍巖下的適應(yīng)性。

3)要摒棄設(shè)備萬(wàn)能的思想，從目前的類似工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，遇到極端破碎圍巖時(shí)，還是建議以人工土建工法為主、設(shè)備方法為輔，進(jìn)行TBM刀盤脫困。

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