敞開式TBM 錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)組成及日常維保

申會(huì)宇，任明軍，丁彭彪，劉豪杰，楊曉龍

（1.中鐵隧道股份有限公司，河南鄭州 450000；2.中鐵工程裝備集團(tuán)技術(shù)服務(wù)有限公司，河南鄭州 450000）

0 引言

前敞開式TBM 通過(guò)破碎帶的主要設(shè)備有超前鉆、錨桿鉆機(jī)和鋼拱架拼裝裝置等，它們一般安裝在掘進(jìn)主驅(qū)動(dòng)箱后端與主大梁連接的左右兩側(cè)，以便掘進(jìn)中通過(guò)不良地質(zhì)及時(shí)利用它們進(jìn)行處理。其中錨桿鉆機(jī)是錨桿支護(hù)施工的關(guān)鍵設(shè)備之一，直接關(guān)系到TBM 能否安全、順利掘進(jìn)以及工程質(zhì)量能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。某項(xiàng)目隧道硬巖掘進(jìn)機(jī)上采用的瑞典阿特拉斯錨桿鉆機(jī)，錨桿鉆機(jī)型號(hào)COP1838HD+，不同巖層條件下的成孔速度為4.3～4.8 m/min（160 Mp）、3.5～4.0 m/min（200 Mp），鉆孔范圍360°、鉆孔范圍Φ38～Φ89，采用獨(dú)立泵站，控制方式為線控+遙控，兩臺(tái)錨桿鉆機(jī)可以獨(dú)立進(jìn)行鉆孔作業(yè)，并與掘進(jìn)作業(yè)互不影響。

1 錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)基本組成

動(dòng)力總成+定位總成+控制總成+錨桿鉆機(jī)（圖1）。

圖1 錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)基本組成

1.1 錨桿鉆機(jī)泵站組成

錨桿鉆機(jī)左右兩側(cè)分別設(shè)有獨(dú)立液壓泵控制，液壓泵采用斜盤軸向軸塞恒壓恒流量變量泵，兩聯(lián)泵（泵1A10V100 最大排量100 cm3、泵2A10V71 最大排量71 cm3）輸出液壓油進(jìn)液壓閥組向錨桿鉆機(jī)提供沖擊動(dòng)作、推進(jìn)動(dòng)作及相應(yīng)的定位動(dòng)作均由泵1 提供液壓油；鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)動(dòng)作由泵2 提供足夠的壓力油；增壓水泵通過(guò)對(duì)掘進(jìn)機(jī)冷水系統(tǒng)水二次增壓，為錨桿鉆機(jī)提供足夠穩(wěn)定壓力的沖洗水，沖渣、冷卻；空壓機(jī)為風(fēng)冷V 型活塞式壓縮機(jī)，為錨桿鉆機(jī)脈沖潤(rùn)滑系統(tǒng)提供壓縮氣體，形成油霧吹散至錨桿鉆機(jī)的內(nèi)部潤(rùn)滑釬尾與導(dǎo)向銅套、釬尾、旋轉(zhuǎn)襯套和沖擊活塞接觸面；散熱器為水冷交換器，通過(guò)TBM 內(nèi)循環(huán)冷卻系統(tǒng)帶走錨桿鉆機(jī)液壓泵站熱量。

1.2 定位系統(tǒng)組成

錨桿鉆機(jī)的牽引和返回動(dòng)作由推進(jìn)油缸伸縮來(lái)牽引鋼絲繩和返回鋼絲繩控制完成；錨桿鉆機(jī)上安裝大量液壓軟管，軟管數(shù)量較多，為防止軟管松動(dòng)、耷拉、拉扯，軟管由軟管過(guò)板對(duì)絲裝置調(diào)節(jié)松緊。錨桿鉆機(jī)及推進(jìn)梁通過(guò)底座安裝在環(huán)形齒圈梁上，在液壓馬達(dá)+減速箱的驅(qū)動(dòng)下，可以實(shí)現(xiàn)在環(huán)形齒圈梁圓周方向上的運(yùn)動(dòng)。環(huán)形齒圈梁安裝在錨桿鉆機(jī)平臺(tái)上，在主梁上安裝有鉆機(jī)平臺(tái)和鉆機(jī)環(huán)形齒圈梁的行走軌道，在水平油缸的作用下，可以實(shí)現(xiàn)錨桿鉆機(jī)和環(huán)形齒圈梁沿隧道軸線的移動(dòng)，同時(shí)平臺(tái)設(shè)計(jì)有2 根隨動(dòng)油缸，可以實(shí)現(xiàn)在掘進(jìn)過(guò)程鉆機(jī)相對(duì)巖壁是靜止的。在TBM 掘進(jìn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)開孔作業(yè)，提高施工效率。推進(jìn)梁前后擺動(dòng)油缸能夠?qū)崿F(xiàn)推進(jìn)梁的前后角度的調(diào)整，左右擺動(dòng)油缸能夠?qū)崿F(xiàn)推進(jìn)梁的左右角度調(diào)整，輔推油缸實(shí)現(xiàn)推進(jìn)梁的上下位置的移動(dòng)。

1.3 錨桿鉆機(jī)組成

錨桿鉆機(jī)由機(jī)頭、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、沖擊機(jī)構(gòu)、機(jī)體等部件組成。

（1）機(jī)頭內(nèi)部裝有導(dǎo)套銅套、沖洗頭、止動(dòng)環(huán)。鉆桿通過(guò)連接套與釬尾聯(lián)接，機(jī)頭內(nèi)的導(dǎo)套銅套可對(duì)釬尾起導(dǎo)向作用，而脈沖潤(rùn)滑系統(tǒng)有壓縮氣體布置于錨桿鉆機(jī)潤(rùn)滑口位置，有壓縮空氣吹散潤(rùn)滑油形成油霧，吹散至錨桿鉆機(jī)的內(nèi)部潤(rùn)滑釬尾與導(dǎo)向銅套接觸面潤(rùn)滑、冷卻，保證錨桿鉆機(jī)內(nèi)部氣壓大于外部，防止小雜質(zhì)顆粒進(jìn)入機(jī)體。沖洗頭內(nèi)的3 道水封保持沖洗水能夠通過(guò)釬尾到鉆頭處有足夠流量的水，用于將鉆桿鉆出的巖渣沖洗干凈，同時(shí)防止沖洗水進(jìn)入鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)。止動(dòng)環(huán)的功能是疏導(dǎo)卡住的鉆桿，當(dāng)沖擊活塞驅(qū)動(dòng)釬尾到達(dá)其前面位置時(shí)，沖擊活塞會(huì)有剩余的沖擊速度，止動(dòng)環(huán)用來(lái)接收這部分沖擊力。

（2）回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（圖2）。錨桿鉆機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓馬達(dá)輸出的動(dòng)力經(jīng)過(guò)小齒輪驅(qū)動(dòng)大齒輪，從而使大齒輪在圓錐滾子軸承上轉(zhuǎn)動(dòng)。大齒輪通過(guò)驅(qū)動(dòng)器（四楞套）、旋轉(zhuǎn)襯套驅(qū)動(dòng)釬尾轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)。

（3）沖擊機(jī)構(gòu)包括中間體、沖擊活塞、前導(dǎo)向套、后導(dǎo)向套、換向閥、高壓蓄能器和緩沖蓄能器等。

2 錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)日常維保檢查分析

2.1 錨桿鉆機(jī)泵站日常維保檢查

（1）油箱溫度。油溫過(guò)高時(shí)檢查是否油箱油位過(guò)低或冷卻進(jìn)水溫度過(guò)高，檢查冷卻器是否堵塞，檢查內(nèi)循環(huán)冷卻系統(tǒng)是否運(yùn)行。

（2）液壓泵。產(chǎn)生噪聲時(shí)檢查是否吸入空氣，檢查是否吸油口堵塞，檢查是否油箱油位過(guò)低，檢查是否油泵連接軸松動(dòng)。

圖2 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

（3）空壓機(jī)。無(wú)法正常時(shí)工作檢查濾芯是否堵塞、電氣控制線路是否松動(dòng)。

（4）增壓水泵壓力。水泵出口壓力不足時(shí)，檢查進(jìn)水壓力，保證進(jìn)水壓力≥0.4 MPa；檢查管路是否破損泄漏、檢查增壓泵密封破損。

2.2 定位系統(tǒng)日常維保檢查

（1）推進(jìn)和返回鋼絲繩松緊度。推進(jìn)、返回鋼絲繩是否過(guò)緊或過(guò)松，鋼絲繩有無(wú)損傷。如果鋼絲繩磨損嚴(yán)重或出現(xiàn)松動(dòng)，就會(huì)導(dǎo)致?tīng)恳^桿鉆機(jī)動(dòng)作時(shí)不靈敏。同時(shí)還應(yīng)及時(shí)檢查清理鋼絲繩輪內(nèi)石渣，防止石渣堆積損傷鋼絲繩，造成鋼絲繩跳槽等。

（2）軟管與軟管卷盤之間夾渣。錨桿鉆機(jī)在敞開式TBM 掘進(jìn)機(jī)鉆孔過(guò)程中，由于是豎直或傾斜一定角度方向鉆孔，石渣極易進(jìn)入軟管滑輪與軟管之間，若是不及時(shí)清理容易造成軟管的磨損，降低軟管使用壽命和引發(fā)泄漏，使錨桿鉆機(jī)無(wú)法正常工作。

（3）軟管松緊檢查。若出現(xiàn)軟管松動(dòng)影響鉆機(jī)及推進(jìn)系統(tǒng)的操作，通過(guò)軟管過(guò)板對(duì)絲裝置調(diào)節(jié)軟管松緊。

（4）推進(jìn)梁摩擦滑片間隙大小及表面檢查。推進(jìn)梁摩擦滑片間隙是否過(guò)大或者過(guò)小。如果在導(dǎo)軌和梁之間存在大的間隙，或者導(dǎo)軌已經(jīng)嚴(yán)重磨損或刮傷，可能導(dǎo)致錨桿鉆機(jī)推進(jìn)或返回時(shí)卡滯，此時(shí)必須更換滑動(dòng)導(dǎo)軌，及時(shí)清理推進(jìn)梁摩擦鋼皮上的水泥和小石渣，以免造成鋼皮和摩擦片過(guò)快損壞。

（5）錨桿鉆機(jī)螺栓檢查。由于TBM 設(shè)備掘進(jìn)以及打錨桿時(shí)的震動(dòng)較大，需經(jīng)常檢查錨桿鉆機(jī)固定螺栓、錨桿鉆機(jī)邊螺栓、鋼絲繩、推進(jìn)梁固定螺栓等有無(wú)松動(dòng)，若有松動(dòng)立即按要求緊固。檢查推進(jìn)油缸前段漲緊套上一圈內(nèi)六角頭的螺栓有無(wú)松動(dòng)，若有松動(dòng)立刻緊固，否則會(huì)造成鋼絲繩無(wú)法調(diào)緊，損壞鋼絲繩等。鉆機(jī)側(cè)螺栓扭矩350 N·m、蓄能器螺栓扭矩220 N·m、錨桿鉆機(jī)安裝架螺栓扭矩250 N·m 和前尾螺栓扭矩300 N·m。

（6）錨桿鉆機(jī)環(huán)向形走。若無(wú)動(dòng)作，檢查馬達(dá)齒輪與環(huán)向形走齒卡是否夾石渣，馬達(dá)控制液壓閥芯是否卡死或電磁閥是否得電，馬達(dá)液壓油路是否泄漏，液壓油箱是否有液壓油。

（7）輔助推進(jìn)梁上下。若無(wú)動(dòng)作，檢查錨桿鉆機(jī)液壓閥組中減壓閥是否得電，輔助推進(jìn)梁液壓缸控制閥芯是否卡死或電磁閥是否得電，管是否磨損漏油，液壓油箱是否有液壓油。

（8）錨桿鉆機(jī)平臺(tái)前后左右移動(dòng)。若無(wú)動(dòng)作，檢查行走軌道與輪子之間是否卡石塊，前后行走油缸控制閥閥芯是否卡死或電磁閥是否得電，油管是否磨損漏油，液壓油箱是否有液壓油。

2.3 錨桿鉆機(jī)日常維保檢查

（1）防渣橡膠擋圈檢查。錨桿鉆機(jī)由于是豎直鉆孔，所以釬尾必須有防渣橡膠擋圈，防止雜質(zhì)進(jìn)入錨桿鉆機(jī)釬尾與機(jī)頭的導(dǎo)向套過(guò)早磨損。

（2）釬尾螺紋檢查。釬尾通過(guò)連接套與鉆桿鉆頭連接，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和沖擊動(dòng)作的傳遞，從而實(shí)現(xiàn)巖臂的開孔作業(yè)。一旦釬尾連接螺紋磨損就無(wú)法完成旋轉(zhuǎn)和沖擊動(dòng)作的傳遞，而造成釬尾快速磨損的原因之一是釬尾與連接套連接不緊固。

（3）COP 潤(rùn)滑維保檢查。每班檢查氣與潤(rùn)滑油從釬尾和前導(dǎo)套之間，及前端的孔中出來(lái)，潤(rùn)滑氣壓0.25～0.3 MPa，調(diào)節(jié)脈沖次數(shù)25 次/min。檢查潤(rùn)滑油箱中的油位，如果潤(rùn)滑系統(tǒng)已經(jīng)用光了油，在注油之后必須進(jìn)行排氣。若沒(méi)有潤(rùn)滑或者潤(rùn)滑不夠，極易出現(xiàn)以下述問(wèn)題：①機(jī)頭的導(dǎo)套維保檢查，當(dāng)磨損＞1 mm 即直徑＞39 mm 時(shí)必須更換，否則會(huì)造成釬尾回轉(zhuǎn)時(shí)偏心，使四棱套斷裂、沖擊活塞沖擊面過(guò)早磨損；②四棱套維保檢查，如果齒寬度＞2 mm，必須更換四棱套；③旋轉(zhuǎn)襯套維保檢查，充分的潤(rùn)滑是旋轉(zhuǎn)襯套保持良好性能必要條件，高推進(jìn)力和大孔徑造孔要及時(shí)提高潤(rùn)滑要求，若沒(méi)有潤(rùn)滑或者潤(rùn)滑不夠時(shí)襯套端面周圍會(huì)因高溫變色，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)襯套碎成兩半，通常還會(huì)對(duì)錨桿鉆機(jī)造成昂貴的二次損壞。

（4）沖洗水日常維保檢查。鉆孔時(shí)保證鉆頭處有足夠流量的水，水壓≥1 MPa，水泵進(jìn)水口＞0.4 MPa，且流量要足夠：①檢查錨桿鉆機(jī)機(jī)頭處，若是有漏水時(shí)，必須立即更換錨桿鉆機(jī)機(jī)頭內(nèi)水封，以免造成水進(jìn)入液壓系統(tǒng)；②檢查打鉆出水情況，打孔時(shí)要有水從鉆桿和孔的縫隙間流出，如沒(méi)有水流出立即停止打孔，退出鉆桿檢查原因（鉆桿鉆頭堵塞，或者有裂縫），若繼續(xù)打鉆極易造成鉆頭柱齒快速磨損和卡鉆桿。

（5）蓄能器日常維保檢查。每周檢查鑿巖機(jī)上2 個(gè)蓄能器的氮?dú)猓∟2）壓力，高壓蓄能器氮?dú)鈮毫? MPa，低壓蓄能器氮?dú)鈮毫? MPa。充氮?dú)鈺r(shí)先將蓄能器內(nèi)氮?dú)馔耆诺?，檢查充氮閥密封圈和氮?dú)饽て旰煤笤俪浼拥獨(dú)狻Ｐ钅芷髦荒艹淙氲獨(dú)?，若充入其他氣體，會(huì)造成蓄能器爆炸。

（6）旋轉(zhuǎn)壓力與推進(jìn)壓力日常檢查。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)配的45 mm鉆頭調(diào)轉(zhuǎn)速160～200 r/min，正轉(zhuǎn)方向?yàn)閺蔫弾r機(jī)釬尾往后看順時(shí)針?lè)较颉Ｍ七M(jìn)壓力3.5～8 MPa，需要根據(jù)巖石及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境在打孔時(shí)隨時(shí)調(diào)節(jié)控制，避免空打?？刂拼蚩讜r(shí)旋轉(zhuǎn)壓力5～6 MPa，旋轉(zhuǎn)壓力過(guò)高時(shí)需要降低推進(jìn)壓力，旋轉(zhuǎn)壓力過(guò)低增加推進(jìn)壓力。推進(jìn)壓力過(guò)低會(huì)造成鑿巖機(jī)空打損壞鉆具以及沖擊活塞，推進(jìn)壓力過(guò)高會(huì)造成鉆桿彎曲。

（7）錨桿鉆機(jī)在低推進(jìn)、無(wú)推進(jìn)或者反向推進(jìn)情況下易出現(xiàn)下述問(wèn)題：①機(jī)頭殼體前端環(huán)狀裂紋、沖洗頭、止動(dòng)環(huán)產(chǎn)生裂紋，沖擊在低推進(jìn)、無(wú)推進(jìn)或者反向推進(jìn)（反打）的情況下運(yùn)行太久，極易造成機(jī)頭、沖洗頭、止動(dòng)環(huán)產(chǎn)生裂紋；②緩沖活塞氣蝕損壞，推進(jìn)壓力過(guò)低迫使緩沖活塞運(yùn)動(dòng)向前，這也意味著活塞的沖擊位置也會(huì)靠前，活塞的行程將變長(zhǎng)，活塞和換向閥的換向時(shí)間將不再與錨桿鉆機(jī)所設(shè)計(jì)的時(shí)間相匹配，導(dǎo)致活塞前后導(dǎo)向套發(fā)生氣蝕；③沖擊活塞氣蝕損壞，長(zhǎng)時(shí)間在低推進(jìn)壓力下運(yùn)行、頻繁反打或者蓄能器充氮壓力不合適以及蓄能器損壞，都將加劇沖擊活塞的氣蝕磨損；④導(dǎo)向套氣蝕，推進(jìn)壓力過(guò)低、長(zhǎng)時(shí)間地反向推進(jìn)、鑿巖機(jī)在蓄能器充氮壓力過(guò)低，會(huì)造成前、后導(dǎo)向套的氣蝕。

所以禁止低推進(jìn)、無(wú)推進(jìn)或者反向推進(jìn)情況下的運(yùn)行沖擊尤為重要，尤其是在全沖擊的時(shí)候。

3 總結(jié)

隧道內(nèi)環(huán)境惡劣要做好錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)的維保維護(hù)工作，正確操作錨桿鉆機(jī)，及時(shí)檢查、更換損壞磨損的零部件，使錨桿鉆機(jī)使用效率達(dá)到最大效果，保證隧道內(nèi)的良好掘進(jìn)。