雙護盾TBM“V”形布置主推進系統(tǒng)缺陷研究

鐘瑞喜

（山西省水利建筑工程局，山西 太原 030006）

雙護盾TBM“V”形布置主推進系統(tǒng)缺陷研究

鐘瑞喜

（山西省水利建筑工程局，山西 太原 030006）

在東山供水工程9號隧洞兩次試掘進中，采用雙護盾TBM“V”形布置主推進系統(tǒng)，存在TBM機頭下沉、推進速度慢、持續(xù)右偏、系統(tǒng)控制靈活性低等缺陷，通過對“V”形布置主推進系統(tǒng)的缺陷原因分析，提出了改進方案，以服務(wù)工程建設(shè)。

雙護盾TBM；“V”形布置主推進系統(tǒng)；缺陷分析；改進措施

1 概況

20世紀90年代以來，全斷面雙護盾TBM在甘肅引大入秦、山西省萬家寨引黃工程、青海引大濟湟工程、陜西省引紅濟石工程、山西省中部引黃工程、晉中東山供水工程及青島地鐵、深圳地鐵等項目中得到了廣泛應(yīng)用。

全斷面雙護盾TBM具有以下特點：一是適應(yīng)通過復(fù)雜巖層，如硬巖、軟巖、軟硬巖結(jié)合帶、斷層及破碎帶等地層地質(zhì)條件施工。二是采用管片襯砌，支護速度快。三是人員及設(shè)備在護盾的保護下進行工作，安全性比開敞式TBM好。

雙護盾TBM主推進系統(tǒng)有“V”形和反扭矩兩種模式?！癡”形布置模式對主驅(qū)動軸承的限制較小，可選擇扭矩更大的主驅(qū)動軸承以適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)工況；伸縮護盾內(nèi)空間更大，方便設(shè)備布置和伸縮，特別適合小型雙護盾TBM。但受系統(tǒng)復(fù)雜、技術(shù)含量高、調(diào)試難度高、操作隨動性大等因素影響，在洞外安裝調(diào)試階段存在的缺陷和弊端不易發(fā)現(xiàn)，往往在施工運行時才暴露出來。以東山供水工程9號隧洞兩次試掘進為例，對雙護盾TBM“V”形布置模式主推進系統(tǒng)出現(xiàn)的缺陷進行分析，并探討改進措施。

2 試掘進效果

東山供水工程雙護盾TBM在兩次試掘進中推進速度慢，僅能達到30～40mm/min，遠達不到設(shè)計要求的100mm/min；機頭下沉和持續(xù)偏右，第一次試掘進從樁號29+607.7—29+583.544，共24.156m，隧洞向右偏離軸線935mm，向下偏離軸線533mm；第二次試掘進從樁號29+594.376—29+546.853，共47.523m，隧洞向右偏離軸線1861mm，向下偏離軸線1169mm。另外，在掘進過程發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)控制靈活性低等問題。

3 東山供水工程雙護盾TBM主推進系統(tǒng)配置

東山供水工程雙護盾TBM主推進系統(tǒng)配置為：驅(qū)動電機，4臺55kW，1450RPM；主推液壓泵1臺，REXROTH，56.7LPM，柱塞變量泵；主推進油缸10根，缸徑254mm，桿徑165.1mm，“V”形布置。

4 主推進系統(tǒng)缺陷分析

4.1 掘進過程TBM發(fā)生機頭下沉缺陷分析

雙護盾TBM在水平隧洞掘進時，無論良好圍巖和不良地質(zhì)圍巖，TBM主推進系統(tǒng)底部需克服的阻力遠大于頂部阻力。東山供水雙護盾TBM主推進油缸底部僅布置2根推進油缸，頂部卻布置4根推進油缸。在TBM向前掘進時，頂部的推力遠大于底部，使刀盤與洞軸線形成小于90°的夾角，機頭處于向下狀態(tài)。因此，主推進油缸結(jié)構(gòu)布局不合理，是造成機頭下沉的主要原因。

4.2 TBM推進速度慢故障分析

4.2.1 主推進液壓油泵選型估算分析

單根液壓缸面積為5.067075dm2。單根液壓缸推進速度要達到1dm/min，需要的流速為5.067075L/min。因此，10根液壓缸推進速度要達到1dm/min，需要的流速為50.67075L/min。

泵的流量應(yīng)滿足執(zhí)行元件最高速度要求，因此泵的輸出流量應(yīng)考慮系統(tǒng)泄漏量。

由于油泵距離執(zhí)行元件液壓油缸達90m，管路較長，系統(tǒng)泄漏的矯正系數(shù)（1.1～1.3）應(yīng)取大值1.3，液壓油泵排量應(yīng)達到65.872L/min，而目前設(shè)備選用主推進液壓泵額定排量僅能達到56.7L/min，系統(tǒng)泄露的矯正系數(shù)取中間值1.119，造成系統(tǒng)流量不足。

4.2.2 單雙號油缸交替調(diào)整滾動造成的影響分析

由于掘進過程刀盤順時針方向旋轉(zhuǎn)的慣性作用，導(dǎo)致前護盾存在順時針滾動的趨勢，因此主推進液壓系統(tǒng)的采用單號油缸與雙號油缸隨時進行滾動調(diào)整，而且在掘進過程中根據(jù)調(diào)整幅度需要不斷交替調(diào)整，而單號組油缸的調(diào)整會造成雙號組油缸溢流，反之也相同，這樣，在掘進過程幾乎損失一半的液壓油溢流。因此，雙護盾TBM“V”形布置主推進系統(tǒng)液壓油泵的實際泄漏系數(shù)應(yīng)達到1.65～2.2（管路長取大值，管路短取小值）。

4.2.3 回路配置不合理造成的影響分析

局部損失問題：主推進液壓油路采取三通閥串聯(lián)輸出方式，由于初始3個三通閥通徑小，造成液壓油因集流效應(yīng)發(fā)熱，消耗了大量液壓能，局部損失較大，導(dǎo)致主推進液壓回路流量和壓力嚴重不足。

沿程損失問題：液壓泵到分配閥的主管路太短，而分支小管路較長，導(dǎo)致分支管路沿程損失偏大。

4.3 TBM持續(xù)右偏故障分析

TBM掘進過程刀盤滾動后不能有效回調(diào)，滾動無法控制；尤其是發(fā)生大幅度的刀盤滾動后，在滾動回調(diào)前，主推進液壓油缸的分組失去功效，無法實現(xiàn)上下左右控制，導(dǎo)致右偏無法調(diào)整。

液壓系統(tǒng)設(shè)定壓力不足，導(dǎo)致油缸疲軟無力，不能有效動作；由于主推進系統(tǒng)的液壓管路僅有兩層鋼絲，無法承受高壓，因此，掘進時一直未調(diào)高系統(tǒng)壓力進行設(shè)備調(diào)試和試掘進。

液壓油泵選型偏小，流量配置不足。

管路配置不合理，沿程阻力大，導(dǎo)致流量和壓力損失較大；采用小型三通閥組串聯(lián)分配液壓流，造成很大的液壓阻力、集流和空穴現(xiàn)象，實際運行過程中發(fā)現(xiàn)分配閥塊產(chǎn)生集流高溫現(xiàn)象；管路配置凌亂，不便于維護和更換。

由于PLC程序設(shè)計控制功能不完善，PLC的操作界面功能不全，導(dǎo)致操作手對單根油缸不能實現(xiàn)單獨控制。

補油回路未設(shè)置流量控制。

4.4 系統(tǒng)控制靈活性低故障分析

所有主推油缸統(tǒng)一控制，無單根油缸控制功能；界面單調(diào)，功能不完善。

5 改進措施

5.1 掘進過程TBM機頭下沉改進措施

由于東山供水工程中TBM進入洞內(nèi)才發(fā)現(xiàn)上述缺陷，無論從工程進度還是工程投資考慮，從調(diào)整頂部油缸液壓鎖溢流閥的背壓參數(shù)，并對頂部油缸的流量和行程限制方面進行改造，使其與TBM掘進方向控制相適應(yīng)。因此首先在1～2號，9～10號油缸推進回路，增加節(jié)流閥，使其四根油缸的總進油流量小于底部5～6號兩根油缸的總進油流量；其次在1～2號，9～10號油缸液壓鎖的溢流閥設(shè)置5MPa的背壓，增加頂部一組油缸的推進阻力，使其行程適當滯后于其他3組；TBM推力降低到4500kN左右，確保TBM掘進。

5.2 TBM推進速度慢改進措施

一是更換兩臺大排量的液壓油泵（額定排量66L/min以上）作為推進液壓泵；完善管路配置，將12H雙層液壓管更換為20H四層鋼絲高壓液壓管，更換大通徑三通閥塊，分配閥位置由液壓泵站調(diào)整到支撐護盾內(nèi)，縮短分支小管路長度。二是主推油路加裝流量閥和比例式溢流閥，用以調(diào)節(jié)掘進速度。主推油路分流閥塊加裝兩個08孔徑的分流閥來提高掘進速度。

5.3 TBM持續(xù)右偏改進措施

將主推進液壓系統(tǒng)的管路由兩層鋼絲更換為能承受更高壓力的3層鋼絲管路，調(diào)高設(shè)定壓力（由18MPa調(diào)高至22～34.5MPa）；配置大流量液壓油泵；將三通閥塊更換為大口徑多路分配閥，避免大流量回路三通閥串聯(lián)；采用20H的3層液壓管或鋼管作為主推進液壓系統(tǒng)主管路，分配閥和控制閥組應(yīng)布置在支撐護盾或伸縮護盾內(nèi)，便于系統(tǒng)檢修和維護。同時增加人性化操作界面，補油回路增加流量控制閥，便于調(diào)整滾動控制幅度。

5.4 系統(tǒng)控制靈活性低改進措施

在主推進液壓回路，每根油缸增加1個流量控制閥，操作室可對每根液壓油缸實現(xiàn)調(diào)整控制或補油回路增加流量控制閥；采用人性化界面設(shè)計，確保實現(xiàn)單雙號分組、調(diào)向分組、單根操作、壓力、流量的適時調(diào)整等功能。

6 結(jié)語

通過對雙護盾TBM“V”形布置主推進液壓系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的缺陷采取改進措施，使雙護盾TBM在東山供水工程中正常使用，現(xiàn)已完成掘進5km，且未出現(xiàn)左右或上下偏移現(xiàn)象，推進速度大大提高。

TU741.1 ［

］C ［

］1004-7042（2016）06-0022-02

鐘瑞喜（1969-），男，1993年畢業(yè)于太原工業(yè)大學(xué)流體傳動與控制專業(yè)，高級工程師。

2016-04-12；

2016-05-25