厄瓜多爾美納斯水電項(xiàng)目雙護(hù)盾TBM主機(jī)詳解及系統(tǒng)化應(yīng)用

矯健

摘 要：TBM是英文Tunnel Boring Machine的縮寫(xiě)，含義為隧道掘進(jìn)機(jī)，是一種集機(jī)、電、液、氣、傳感、信息技術(shù)于一體的工廠化流水線隧道施工裝備，具有掘進(jìn)速度快、利于環(huán)保、綜合效益高等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)掘進(jìn)，同時(shí)完成破巖、出碴、支護(hù)等工作，完成傳統(tǒng)鉆爆法難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜地理地貌深埋長(zhǎng)隧洞的施工，使隧道施工實(shí)現(xiàn)工廠化和始終處于最佳狀態(tài)。在水利水電、礦山開(kāi)采、交通、市政、國(guó)防等隧洞工程中應(yīng)用正在迅猛增長(zhǎng)。

關(guān)鍵詞：TBM；水電；雙護(hù)盾；系統(tǒng)；設(shè)備

中圖分類(lèi)號(hào)：TM921.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）04-0159-03

美納斯水電工程是南美洲厄瓜多爾重要水利樞紐工程，電站為小流量高水頭引水式電站，主要建筑物有攔河壩、引水隧洞、調(diào)壓井、壓力豎井、地下廠房洞室群、尾水及互聯(lián)室工程、通風(fēng)電纜井、地面開(kāi)關(guān)站等。

引水隧洞全長(zhǎng)13896.62米，最大埋深610米，設(shè)計(jì)流量為65立方米/小時(shí)。其中75%為采取TBM硬巖掘進(jìn)機(jī)施工，長(zhǎng)10569.74米，開(kāi)挖斷面為圓形，直徑為5.67米，管片襯砌后直徑為4.8米。在相同的條件下，其掘進(jìn)速度約為常規(guī)鉆爆法的4～10倍；具有快速、優(yōu)質(zhì)、安全、經(jīng)濟(jì)、有利于環(huán)境保護(hù)和勞動(dòng)力保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

TBM主要分為3種類(lèi)型，并分別適應(yīng)于不同的地質(zhì)，有開(kāi)敞式、雙護(hù)盾、單護(hù)盾。美納斯水電項(xiàng)目的TBM為封閉式雙護(hù)盾，具有盾體推力大、滾刀間距小、刀盤(pán)破巖能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、效率高等特點(diǎn)。

下面對(duì)此雙護(hù)盾TBM設(shè)備組成及功能做詳解。

1 TBM主機(jī)詳解

TBM主機(jī)主要由刀盤(pán)、主軸承及驅(qū)動(dòng)組件、前盾、伸縮盾、支撐盾、尾盾及其輔助設(shè)備組成。如圖1所示。

1.1 刀盤(pán)

刀盤(pán)總成實(shí)現(xiàn)實(shí)際掘進(jìn)作業(yè)，針對(duì)每個(gè)工程地質(zhì)條件而設(shè)計(jì)，本TBM適用于硬巖掘進(jìn)，為封閉面板式結(jié)構(gòu)。

刀盤(pán)總成重量約60噸（不帶刀具），刀盤(pán)分為幾乎對(duì)稱(chēng)的兩半，現(xiàn)場(chǎng)栓接并最終焊接為整體。刀盤(pán)內(nèi)部包括6個(gè)卸渣槽，將石碴導(dǎo)入主機(jī)皮帶機(jī)集碴斗，開(kāi)口處配置鋼制鏟齒幫助搜集石渣進(jìn)入刀盤(pán)結(jié)構(gòu)。

刀盤(pán)與刀具均采用耐磨設(shè)計(jì)，保證刀盤(pán)在硬巖掘進(jìn)時(shí)的耐磨性能。刀盤(pán)配置4把雙刃29把單刃滾刀總成，滾刀直徑19英寸滾刀從內(nèi)向外1-37一次編號(hào)。刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)一周后每把滾刀各自行走一個(gè)環(huán)形軌跡，外圍刀行走的距離較遠(yuǎn)，故磨損較快。通過(guò)給外圍刀支撐座增加楔塊，可將開(kāi)挖直徑從5670毫米增加到5770毫米，單刃刀重量182千克（雙刃刀330千克），可抵抗315KN推力，推薦給刀盤(pán)施加的最大總推力11000KN。

刀盤(pán)滾刀可從刀盤(pán)內(nèi)部更換，保證了換刀的安全。刀盤(pán)配置7個(gè)噴水嘴以改良石渣，供水管路通過(guò)刀盤(pán)中心的回轉(zhuǎn)接頭實(shí)現(xiàn)供水。刀盤(pán)上配有圓形門(mén)封閉觀察孔。

1.2 前盾

前盾安裝主驅(qū)總成進(jìn)而安裝刀盤(pán)，總重約44噸，外徑5610mm。前盾后側(cè)安裝2個(gè)穩(wěn)定器（上方），10個(gè)主推油缸球鉸安裝座，2個(gè)輔助支撐總成以及4個(gè)行程儀耳座。前盾前端底部通過(guò)耐磨板加固，因?yàn)榍邢碌膸r石可能卡在刀盤(pán)與前盾之間造成劇烈磨損。底部區(qū)域還有兩個(gè)泄水口用于排泄開(kāi)挖前端的水。

1.3 刀盤(pán)主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

刀盤(pán)安裝在主驅(qū)總成上承受徑向和軸向力，總重約45噸（不含7個(gè)驅(qū)動(dòng)組件）。刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)方式為變頻驅(qū)動(dòng)，刀盤(pán)可以雙向旋轉(zhuǎn)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為掘進(jìn)出渣方向，在換刀和脫困時(shí)反向旋轉(zhuǎn)。刀盤(pán)轉(zhuǎn)速可以根據(jù)不同的地質(zhì)條件以及由PLC控制系統(tǒng)支持的驅(qū)動(dòng)模式而相應(yīng)改變。

主軸承采用大直徑、高承載力、長(zhǎng)壽命的三軸式設(shè)計(jì)，主軸承設(shè)計(jì)壽命20000小時(shí)。轉(zhuǎn)速達(dá)6.3RPM前主驅(qū)恒扭矩2900KNm運(yùn)轉(zhuǎn)。最大轉(zhuǎn)速（9RPM）時(shí)主驅(qū)輸出扭矩2200KNm。變頻驅(qū)動(dòng)可使電機(jī)獲得更大的脫困扭矩（達(dá)5700KNm），僅用于刀盤(pán)被卡住時(shí)的瞬間作業(yè)。

1.4 伸縮盾和鉸接系統(tǒng)

伸縮盾連接前盾和支撐盾，功能是使TBM掘進(jìn)與管片的安裝能同時(shí)進(jìn)行。

TBM的伸縮部件由一個(gè)外伸縮盾和一個(gè)內(nèi)伸縮盾組成。雙護(hù)盾模式掘進(jìn)時(shí)內(nèi)伸縮盾在外伸縮盾內(nèi)滑動(dòng)。二者一起保護(hù)前盾和支撐盾之間的設(shè)備不被塌方等情況損壞，尤其是保護(hù)主推油缸和主機(jī)皮帶機(jī)。兩個(gè)盾體均是兩半式結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)最終必須焊為一個(gè)整體。裝配重量約30噸。

1.5 支撐盾

支撐盾內(nèi)設(shè)有輔助推進(jìn)油缸和撐靴裝置，支撐盾總重量約105噸。標(biāo)準(zhǔn)掘進(jìn)（雙護(hù)盾）模式時(shí)該盾體將主機(jī)后半部分錨固在隧道壁上。通過(guò)伸出撐靴實(shí)現(xiàn)錨固，撐靴由4條油缸和其連接的2個(gè)撐靴板組成。支撐盾承受全部的掘進(jìn)反推力，在換刀時(shí)也可將前盾向后收回。

1.6 尾盾

尾盾支撐掘進(jìn)過(guò)程中未拼管片的部分。通過(guò)法蘭與支撐盾剛性相連，總重約15噸。尾盾尾部布置一列止?jié){板，避免注漿材料豆礫石和水泥等從尾部進(jìn)入盾體內(nèi)部。

1.7 推進(jìn)系統(tǒng)

主推進(jìn)油缸連接前盾和支撐盾，采用鉸接式，既傳遞推力又傳遞拉力。前盾和支撐盾直接布置10條主推油缸，掘進(jìn)過(guò)程中為便于轉(zhuǎn)向，主推油缸液壓分組為4組，通過(guò)有選擇地對(duì)各組油缸進(jìn)行加壓來(lái)使TBM實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。每組作用油缸的行程及壓力能同步在TBM主控室的顯示器上顯示。

12條輔推油缸安裝在支撐盾內(nèi)部，可從其后方伸出到尾盾中。單護(hù)盾模式時(shí)，輔推油缸頂靴頂緊到管片上實(shí)現(xiàn)步進(jìn)和掘進(jìn)類(lèi)似于主推油缸。

1.8 主機(jī)皮帶機(jī)

主機(jī)皮帶機(jī)安裝在盾體內(nèi)部，能夠在液壓油缸的作用下前后伸縮。主機(jī)皮帶輸送機(jī)將刀盤(pán)開(kāi)挖經(jīng)集渣斗搜集的渣料輸送到后配套其它出渣設(shè)備上。為便于運(yùn)輸和安裝，皮帶機(jī)主結(jié)構(gòu)分為兩段，總重17噸。

1.9 管片拼裝機(jī)

管片拼裝機(jī)由主環(huán)、兩個(gè)縱移導(dǎo)向柱、支撐單元和吸盤(pán)組成，由若干液壓缸和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)主環(huán)由兩套驅(qū)動(dòng)單元（馬達(dá)-減速機(jī)-小齒輪組成）驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)雙向旋轉(zhuǎn)。8個(gè)特制滾輪總成栓接到支撐盾上，用于支撐拼裝機(jī)并滿足旋轉(zhuǎn)功能。滾輪的磨損情況必須頻繁檢查，因?yàn)檫@對(duì)正確的管片拼裝作業(yè)尤為重要。拼裝機(jī)由專(zhuān)業(yè)人員通過(guò)無(wú)線操作。

拼裝機(jī)還可作為超前鉆的支撐。

1.10 超前鉆

該設(shè)備用于巖石取樣，檢查T(mén)BM周?chē)叵滤闆r以及為掘進(jìn)前方注漿鉆孔。鉆機(jī)設(shè)備不用時(shí)，可從拼裝機(jī)上拆下儲(chǔ)存到特定位。

2 TBM后配套及系統(tǒng)

美納斯TBM共有13節(jié)后配套臺(tái)車(chē)，各系統(tǒng)及系統(tǒng)部件分部于整機(jī)沿線。TBM主要有后注漿系統(tǒng)、空氣壓縮系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、液壓油系統(tǒng)、潤(rùn)滑和油脂系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、水系統(tǒng)等幾大系統(tǒng)。

2.1 后注漿系統(tǒng)

管片的拼裝是在尾盾內(nèi)部進(jìn)行的，在管片5.4米的外徑和5.67米的開(kāi)挖直徑間每環(huán)與隧道壁間存在3.5m3的間隙。這個(gè)體積必須被填滿以確保穩(wěn)定性和避免不必要的沉淀物。

灌漿步驟分為不同階段，包括兩種材料：豆礫石和水泥漿。

2.1.1 豆礫石

豆礫石用作回填灌漿的骨架材料。從管片頂部注入下落至底部，在新安裝的倒數(shù)第四和第五環(huán)區(qū)域，通過(guò)連接橋上的專(zhuān)用平臺(tái)灌豆礫石，豆礫石之間的間隙用注漿實(shí)現(xiàn)。

2.1.2 水泥漿

水泥漿也指的是注漿，是一種水泥、水與添加劑的混合物，添加劑用來(lái)調(diào)節(jié)流動(dòng)性，密度和凝固時(shí)間。水泥粉末通過(guò)特殊的儲(chǔ)料器經(jīng)過(guò)小火車(chē)帶至后配套，然后通過(guò)螺旋機(jī)傳輸至泵送系統(tǒng)，水泥漿液通過(guò)注入口注入管片背后的空隙中。

2.2 空氣壓縮系統(tǒng)

氣動(dòng)油脂泵、豆礫石泵、除塵器、風(fēng)動(dòng)工具的風(fēng)源及油脂潤(rùn)滑系統(tǒng)的動(dòng)力由空氣壓縮系統(tǒng)提供。系統(tǒng)包含2臺(tái)空壓機(jī)并聯(lián)連接到2臺(tái)能夠優(yōu)化空壓機(jī)功率損失的加壓空氣罐上。

2.3 電氣系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)主要部件包括：高壓電纜卷筒、高壓開(kāi)關(guān)柜、兩臺(tái)1500KVA的轉(zhuǎn)化成690V的變壓器、1臺(tái)1250KVA的變壓器、2臺(tái)變頻器柜、主電氣柜及其他控制柜，給變壓器，拼裝機(jī)，動(dòng)力單元等服務(wù)。

TBM電氣控制系統(tǒng)的核心部分為PLC系統(tǒng)，對(duì)TBM主要功能進(jìn)行控制，此TBM的PLC柜位于司機(jī)室。它安裝在帶有遠(yuǎn)程接口的操作臺(tái)上，并接入位于操作臺(tái)的工業(yè)計(jì)算機(jī)。

2.4 導(dǎo)向系統(tǒng)

隧道導(dǎo)向和位置監(jiān)控系統(tǒng)由一臺(tái)全站儀，2臺(tái)反射棱鏡，1臺(tái)TBM上的激光靶，一套與主機(jī)PLC進(jìn)行通信的軟件系統(tǒng)組成，系統(tǒng)提供給用戶TBM偏離其預(yù)定路線的詳細(xì)信息，以使得修正能夠快速進(jìn)行。導(dǎo)向的信息顯示在安裝于操作室的監(jiān)控器上。

2.5 液壓油系統(tǒng)

除刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)以外，所有主機(jī)的輔助功能部件均為液壓操作，所有功能部件運(yùn)行所需的液壓動(dòng)力裝置都置于后配套的平臺(tái)車(chē)上。

液壓系統(tǒng)給下面的設(shè)備提供動(dòng)力：

TBM油缸（主推進(jìn)，撐靴，輔助推進(jìn)，鉸接，穩(wěn)定器和輔助撐靴）、喂片機(jī)、管片卸載油缸、牽引油缸、皮帶機(jī)旋轉(zhuǎn)馬達(dá)、皮帶機(jī)油缸、管片拼裝機(jī)旋轉(zhuǎn)馬達(dá)、管片拼裝機(jī)主油缸、管片拼裝機(jī)夾緊油缸、主驅(qū)停車(chē)制動(dòng)等。

液壓泵站設(shè)機(jī)械式壓力表，同時(shí)設(shè)置壓力傳感器、溫度傳感器，將液壓油壓力和溫度等信號(hào)傳遞給PLC，并在主控室顯示。

2.6 潤(rùn)滑和油脂系統(tǒng)

為主驅(qū)提供潤(rùn)滑的有兩個(gè)系統(tǒng)。潤(rùn)滑油系統(tǒng)有兩條潤(rùn)滑主線，一條給密封空腔供油，一條給主軸承腔、小齒輪及小齒輪軸承潤(rùn)滑。主驅(qū)軸承油脂密封系統(tǒng)內(nèi)部和外部的密封通過(guò)一個(gè)所謂的“迷宮”填充硬潤(rùn)滑脂進(jìn)一步保護(hù)，免受外部污染。油脂通過(guò)安裝于油脂桶上的氣動(dòng)泵進(jìn)行傳送。在各個(gè)油路接口都有模塊化的分配器。

2.7 安全系統(tǒng)

此TBM有氣體監(jiān)測(cè)、消防、急停等安全系統(tǒng)，為T(mén)BM運(yùn)行提供安全保障。

2.7.1 氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

本機(jī)配備了各種防爆傳感器不斷監(jiān)測(cè)氧氣和可燃性氣體，有毒氣體，或以其他方式危險(xiǎn)性氣體和蒸氣的百分含量。位于控制艙的中央控制器當(dāng)檢測(cè)到危險(xiǎn)情況時(shí)發(fā)出視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)警報(bào)。氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（與PLC互鎖）是由檢測(cè)甲烷（CH4）的2個(gè)甲烷探測(cè)器，各一個(gè)CO，H2S和CO2探測(cè)器組成。

2.7.2 消防系統(tǒng)

每個(gè)后備套臺(tái)車(chē)配備2滅火器，一些潛在的危險(xiǎn)區(qū)域是由一個(gè)自動(dòng)滅火設(shè)備，檢測(cè)、滅火系統(tǒng)組成的保護(hù)系統(tǒng)

2.7.3 急停設(shè)備

緊急停止按鈕被安裝在機(jī)器的各個(gè)區(qū)域。有兩種類(lèi)型的按鈕：標(biāo)準(zhǔn)緊急急停和緊急疏散急停。

標(biāo)準(zhǔn)的是使用后保持按下?tīng)顟B(tài)的紅色蘑菇型按鈕。復(fù)位警報(bào)后，必須將它們旋轉(zhuǎn)到正常配置。

疏散應(yīng)急按鈕，由一個(gè)帶黃色的蓋子的發(fā)亮按鈕組成。這些按鈕只能在發(fā)生嚴(yán)重危害時(shí)使用，因?yàn)樗麄兺Ｖ沽嗣恳粋€(gè)機(jī)器的作業(yè)（氣體監(jiān)測(cè)，燈具及排水泵除外）。

2.8 通風(fēng)系統(tǒng)

為給工作區(qū)域提供清新的空氣，機(jī)器配備了通風(fēng)系統(tǒng)，其主風(fēng)機(jī)安裝于隧道外。1個(gè)1.6米直徑的通風(fēng)管道安裝于管片頂部連接風(fēng)機(jī)和后配套。

干凈的空氣管道從連接橋區(qū)域吸入空氣并將其引導(dǎo)至軟風(fēng)管儲(chǔ)存筒后方。除塵管線從TBM盾內(nèi)吸入空氣（部分封閉管路沿皮帶機(jī)兩側(cè)分布），并將其引導(dǎo)至軟風(fēng)管儲(chǔ)存筒后方。由兩條管線所產(chǎn)生的壓力差確保清潔的空氣向前流動(dòng)，沿著后配套，同時(shí)逆流凈化的空氣。

2.9 水系統(tǒng)

此TBM具有兩套獨(dú)立的系統(tǒng)：工業(yè)水系統(tǒng)和排水系統(tǒng)。管道被噴涂成深淺不同的綠色來(lái)區(qū)分不同的水路管線。

2.9.1 工業(yè)水系統(tǒng)

（1）外部回路。工地提供清潔的水源；管線供水通過(guò)過(guò)濾器組進(jìn)入熱交換器，熱交換器用來(lái)降低主冷卻回路中存在的流體的溫度。隨后，水經(jīng)過(guò)另外一個(gè)冷卻空壓機(jī)回路的熱交換器，最后回到5000升的水箱中。如果液位或溫度太高，水就會(huì)自動(dòng)傳送到排水系統(tǒng)水箱中，從那里可以抽到洞外。

（2）供給水路。此水管線可被視為外部管線的延續(xù)，管道都被漆成相同的顏色。管線由1臺(tái)4KW泵和一個(gè)500升的壓力罐組成，所以5.5bar的水壓可以給下面的設(shè)備進(jìn)行供水：超前鉆、沿后配套布置的供給接頭、刀盤(pán)噴嘴、TBM沿線的供給接頭等。

（3）主冷卻回路。這個(gè)閉環(huán)充滿了水和冷卻液。和外部回路相通的一個(gè)連接被用來(lái)初裝水，另外一個(gè)入口用來(lái)添加乙二醇；相關(guān)聯(lián)的閥否則始終閉合，因此冷卻回路獨(dú)立于其他的回路。兩臺(tái)并聯(lián)的水泵確保了水流的循環(huán)?；芈放渲昧艘慌_(tái)過(guò)濾器，一個(gè)500升的加壓力罐，用來(lái)冷卻如下設(shè)備：超前鉆泵站、變頻驅(qū)動(dòng)柜、潤(rùn)滑泵站、液壓系統(tǒng)泵站、刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)總成；若干個(gè)閥和流量傳感器可用于調(diào)整和監(jiān)測(cè)沿線的流量。

（4）空壓機(jī)回路。這個(gè)閉環(huán)被用來(lái)冷卻空壓機(jī)，通過(guò)上面描述的外部回路熱交換器?；芈酚梢粋€(gè)4KW的水泵和一個(gè)500升的壓力罐組成。

在機(jī)器啟動(dòng)時(shí)，工業(yè)水系統(tǒng)供自動(dòng)啟動(dòng)。

2.9.2 排水系統(tǒng)

水最終積聚在工作區(qū)域或者盾內(nèi)，使用專(zhuān)用的泵可以將水排出。兩個(gè)自吸式泵裝在連接橋臺(tái)車(chē)處通過(guò)6寸的水管對(duì)仰拱塊區(qū)域?qū)嵤┡潘?。一臺(tái)額外的潛水泵移至伸縮盾區(qū)域來(lái)排除TBM內(nèi)的水。

以上即為雙護(hù)盾TBM主機(jī)的詳解及系統(tǒng)化應(yīng)用介紹，該設(shè)備已在國(guó)外水利水電工程長(zhǎng)引水式發(fā)電樞紐電站中進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]朱興華，楊震.全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)TBM的選型設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].陜西水利水電技術(shù)，2006，02：25-29.

[2]魏紅亮，白宏峰，羅自明.TBM在煤礦快速掘進(jìn)中可行性思考[J].煤，2012，02：48-49.

[3]惠世前，金長(zhǎng)文.CCS水電站大斷面長(zhǎng)隧洞雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)技術(shù)[J].云南水力發(fā)電，2014，05：78-81.