胡家河礦用敞開(kāi)式TBM 技術(shù)設(shè)計(jì)

田省強(qiáng)

（陜西彬長(zhǎng)胡家河礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽(yáng) 712000）

敞開(kāi)式TBM 可以極大提高挖掘速率，安全、高效地保證隧道挖掘進(jìn)程，具有成本低、使用壽命長(zhǎng)、方便拆裝、安全環(huán)保的特征。其由刀盤(pán)、主動(dòng)驅(qū)、主梁、鞍架等組成，每個(gè)部件功能不同，如主梁、鞍架構(gòu)成支撐推進(jìn)系統(tǒng)，可以提供充足動(dòng)力；支撐、錨桿鉆井系統(tǒng)組成支護(hù)系統(tǒng)，保證設(shè)備的穩(wěn)定；刀盤(pán)刮蹅板、刀盤(pán)溜蹅板構(gòu)成出蹅系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)每個(gè)系統(tǒng)、每個(gè)部件的優(yōu)選，最終形成滿(mǎn)足生產(chǎn)需求的敞開(kāi)式TBM 設(shè)備[1]。

1 TBM 成套設(shè)備選型設(shè)計(jì)

TBM 整套設(shè)備包括5 大系統(tǒng)、6 大構(gòu)件、7 個(gè)單元組成。

1.1 主機(jī)選型

刀盤(pán)由刀盤(pán)體鋼結(jié)構(gòu)、刀具、回轉(zhuǎn)接頭組成。TT6530 礦用TBM 刀盤(pán)分為5 塊：中心塊1 塊+邊塊4 塊，各塊間采用螺栓連接。刀具分為中心刀、面刀、邊滾刀，安裝方式均為背裝楔塊式。中心刀具為17 寸雙刃滾刀，直徑432mm；面刀為17 寸單刃滾刀，刀具直徑為432mm；邊滾刀為17 寸單刃滾刀，直徑為432mm。刀具最大擴(kuò)挖量為直徑方向100mm，出渣顆粒最大為250mm。

主驅(qū)動(dòng)主要由刀盤(pán)連接法蘭（鍛件）、變速箱、主軸承、小齒輪、花鍵軸、減速器、變頻電機(jī)、扭矩限制器、唇形密封、環(huán)件等組成。整個(gè)主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)變頻電機(jī)尾部的扭矩限制器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行扭矩限制保護(hù)。根據(jù)運(yùn)行狀況，此扭矩限制器同時(shí)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)扭矩調(diào)節(jié)設(shè)置[2]。

主梁支撐推進(jìn)系統(tǒng)主要由主梁、撐靴、推進(jìn)油缸、后支撐、調(diào)向糾偏機(jī)構(gòu)組成，主梁兩側(cè)設(shè)置有滑軌結(jié)構(gòu)，撐靴及撐靴油缸通過(guò)主梁側(cè)部滑軌實(shí)現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)連接。其中推進(jìn)油缸一段固定于主梁上，一端固定于撐靴上，通過(guò)撐緊動(dòng)壁的方式，推動(dòng)主機(jī)向前挖掘，通過(guò)回收推油缸的方式回復(fù)原位[3]。

1.2 TBM 后配套系統(tǒng)選型

TBM 后配套系統(tǒng)部分主要包括臨時(shí)支護(hù)系統(tǒng)、錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)及后配套拖車(chē)組成。

鋼筋網(wǎng)安裝器位于護(hù)盾后面，用于對(duì)爆破巖體提供一定初撐力，臨時(shí)支護(hù)頂板，支護(hù)范圍為頂板120°范圍（圖1）。

圖1 臨時(shí)支護(hù)系統(tǒng)示意圖

TBM 隨機(jī)配套錨桿機(jī)，數(shù)量為六臺(tái)，四臺(tái)錨桿機(jī)分別兩兩前后安裝在主梁兩側(cè)，兩臺(tái)錨桿鉆機(jī)安裝在后支撐左右兩側(cè)，其中1#與2#鉆機(jī)左右交替鉆孔可實(shí)現(xiàn)頂部五根錨桿支護(hù)，3#與4#鉆機(jī)左右交替鉆孔可實(shí)現(xiàn)頂部錨索施工，5#與6#鉆機(jī)左右交替鉆孔從而實(shí)現(xiàn)側(cè)幫鉆孔范圍施工，斷面180°以下錨桿后續(xù)人工補(bǔ)打以提升掘進(jìn)效率。錨桿鉆機(jī)型號(hào)MJZ300/550，單鉆桿最大鉆孔深度不少于1.5m（可接桿完成8m 錨索鉆孔），鉆孔速度為1～2.5m/min，轉(zhuǎn)速550rpm，回轉(zhuǎn)扭矩300Nm，鉆孔直徑φ30mm[4]。后配套拖車(chē)提供敞開(kāi)式TBM 生產(chǎn)所需要的其余設(shè)備，主機(jī)和拖車(chē)通過(guò)連接橋連接，連接橋底部設(shè)置有鋪軌空間，在連接橋處可供人員鋪設(shè)6m 長(zhǎng)鋼軌。對(duì)其不同管路用顏色加以區(qū)分，方便操作人員區(qū)分，此外還可以提供人性化、個(gè)性化設(shè)置，見(jiàn)圖2。

圖2 后配套拖車(chē)系統(tǒng)示意圖

1.3 TBM 五大系統(tǒng)

1.3.1 除塵通風(fēng)系統(tǒng)

TBM 整機(jī)用風(fēng)量10m3/min，需求空氣壓力為0.6～0.8MPa，后巷采用DN100 聚乙烯復(fù)合鋼管向設(shè)備供風(fēng)，TBM 后配套臺(tái)車(chē)上帶有儲(chǔ)氣罐，采用高壓膠管輸送到各個(gè)用風(fēng)點(diǎn)；洞內(nèi)除塵方式除了掌子面噴水降塵、皮帶機(jī)上噴水降塵外，設(shè)備上還配置了吸入式風(fēng)機(jī)濾網(wǎng)干式除塵設(shè)備。二次進(jìn)風(fēng)管與掘進(jìn)機(jī)前護(hù)盾相連，除塵器一是通過(guò)負(fù)壓作用，使得外面新鮮空氣流入作業(yè)區(qū)，同時(shí)避免內(nèi)部有害氣體外泄；二是出口位置的增壓風(fēng)機(jī)，抽走含粉塵空氣，經(jīng)過(guò)除塵器處理，達(dá)到環(huán)保要求，排入空氣中(表1)。

表1 除塵風(fēng)機(jī)作業(yè)參數(shù)

1.3.2 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)是是各部件動(dòng)力的源泉，包括推進(jìn)動(dòng)力、冷卻循環(huán)動(dòng)力等等，考慮到系統(tǒng)穩(wěn)定，敞開(kāi)式TBM 液壓原件均采用進(jìn)口來(lái)源。液壓泵站可以實(shí)時(shí)顯示壓力、溫度等參數(shù)，保證挖掘安全，另外敞開(kāi)式TBM 多備用液壓系統(tǒng)，從而保證某一關(guān)鍵部分出現(xiàn)問(wèn)題的情況下，設(shè)備的正常運(yùn)作。

1.3.3 水循環(huán)系統(tǒng)

水循環(huán)系統(tǒng)主要目的是冷卻高溫設(shè)備，如驅(qū)動(dòng)電機(jī)、配電箱等，避免由高溫產(chǎn)生的危險(xiǎn)。水源多采用地下水，TBM 整體需水量20m3/h，為避免水質(zhì)對(duì)設(shè)備的影響，采用LQR0-20T 凈化裝置進(jìn)行水質(zhì)凈化，然后通過(guò)高壓膠管送到TBM 供水劇痛，通過(guò)DN80 軟管向每個(gè)需水點(diǎn)提供。

1.3.4 導(dǎo)向系統(tǒng)

導(dǎo)向系統(tǒng)的型號(hào)為DDJ，結(jié)構(gòu)型式為激光靶式。敞開(kāi)式TBM配備自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)，保證挖掘過(guò)程中精準(zhǔn)的測(cè)量及操作，保證挖掘精度，同時(shí)方便作業(yè)人員實(shí)時(shí)調(diào)整掘進(jìn)姿態(tài)，避免挖掘誤差。

1.3.5 電氣系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)一種為設(shè)備配備變壓器，后巷采用10kV 高壓供電到TBM 隨車(chē)攜帶的變壓器上，然后變電壓等級(jí)1140v 為T(mén)BM各部分供電，一種為不配置變壓器，跟機(jī)電纜采用1140V 電壓等級(jí)的低壓電纜，需要截面積為120mm2的電纜6 根，電纜外徑φ64mm，此電壓等級(jí)供電距離僅1km，需每前進(jìn)1km 多移動(dòng)一次供電變壓器。

配電系統(tǒng)接地形式為T(mén)N-S 系統(tǒng)。變壓器具有溫度檢測(cè)和保護(hù)功能。高壓有短路保護(hù)，低壓供電系統(tǒng)有短路、接地和二級(jí)漏電等保護(hù)裝置所有電器設(shè)備防護(hù)等級(jí)不小于IP55，變頻柜和變頻電機(jī)有防潮加熱裝置，主驅(qū)動(dòng)電機(jī)防護(hù)等級(jí)為IP67。具有電容補(bǔ)償功能，功率因數(shù)cosφ≥0.90。30KW 及以上的電機(jī)采用軟啟動(dòng)器啟動(dòng)，大功率電機(jī)由程序控制錯(cuò)開(kāi)啟動(dòng)。照明系統(tǒng)配有應(yīng)急照明燈，能保證人員工作安全和設(shè)備維護(hù)檢查需要。

獨(dú)立于PLC 的專(zhuān)用安全回路，在控制室、各現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)、管片拼裝機(jī)遙控器、拖車(chē)上均配置緊急式按鈕，皮帶機(jī)上配有拉線(xiàn)和跑偏開(kāi)關(guān)。

PLC 的基本架構(gòu)采用SIEMENS S7-400 加PROFIBUS 和Profinet 總線(xiàn)擴(kuò)展的方式設(shè)計(jì)。設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集、管理操作員指令、故障診斷、控制設(shè)備的運(yùn)行及實(shí)施保護(hù)，生成各類(lèi)人機(jī)交互信息。

系統(tǒng)配置工業(yè)計(jì)算機(jī)帶兩個(gè)17 吋顯示屏，與PLC 連接，完成生產(chǎn)信息的顯示、參數(shù)設(shè)置、故障信息的顯示，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等功能，工業(yè)計(jì)算機(jī)和觸摸屏可互為熱備份狀態(tài)。

數(shù)據(jù)采集的基本單元是工業(yè)計(jì)算機(jī)，它存儲(chǔ)設(shè)備基本工作信息，包含實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)（每分鐘）、每環(huán)數(shù)據(jù)及錯(cuò)誤信息等。數(shù)據(jù)可以按設(shè)置的模式進(jìn)行趨勢(shì)顯示，能轉(zhuǎn)換成電子表格格式輸出。

地面監(jiān)控系統(tǒng)用光端機(jī)及光纖（用戶(hù)提供）將信息傳輸?shù)降孛妫孛嬗?jì)算機(jī)（用戶(hù)提供）通過(guò)專(zhuān)用軟件讀取TBM 工業(yè)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)顯示，數(shù)據(jù)查詢(xún)，報(bào)表打印及數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能。

2 TBM 設(shè)備入井

2.1 地面裝運(yùn)

本項(xiàng)目使用TBM 最大件為刀盤(pán)中心塊與主軸承，重量27噸，刀盤(pán)分塊后最大尺寸為6000mm×1600mm×3610mm，主驅(qū)動(dòng)拆解后最大尺寸為3625mm×2042mm×3340mm，地面采用吊車(chē)吊裝，配合礦用大平板車(chē)運(yùn)輸。

2.2 入井運(yùn)輸

刀盤(pán)分塊后最大尺寸為6000mm×1600mm×3610mm，刀盤(pán)中心塊整體利用工裝限位豎直放置運(yùn)輸下井，從而保證尺寸滿(mǎn)足罐籠6500×mm2600mm×4000mm 的尺寸限制。

2.3 主驅(qū)動(dòng)運(yùn)輸

主驅(qū)動(dòng)分塊后最大尺寸為3625mm×2042mm×3340mm，主驅(qū)動(dòng)整體利用工裝限位豎直放置運(yùn)輸下井，從而保證尺寸滿(mǎn)足罐籠6500mm×2600mm×4000mm 的尺寸限制。

3 TBM 設(shè)備組裝與拆機(jī)

3.1 組裝洞室

由組裝區(qū)域與步進(jìn)區(qū)域構(gòu)成，總長(zhǎng)比設(shè)備多15-20m 即可；組裝區(qū)域長(zhǎng)約30m，滿(mǎn)足TBM 主機(jī)安裝高度和起重量需求，寬度一般比開(kāi)挖直徑大1.5m（6.5m 開(kāi)挖直徑時(shí)為8m 左右），高度約為開(kāi)挖直徑2 倍（6.5m 開(kāi)挖直徑時(shí)為13m 左右）；步進(jìn)區(qū)域在C-C 組裝區(qū)域完成組裝的設(shè)備，由TBM 步進(jìn)裝置推送至B-B步進(jìn)區(qū)域，主機(jī)長(zhǎng)度20m 全部組裝完畢之后開(kāi)始步進(jìn)，步進(jìn)10m 即組裝10m 長(zhǎng)后配套。該斷面比設(shè)備直徑大0.54m 即可（6.5m 開(kāi)挖直徑時(shí)為7.09m 左右）。長(zhǎng)度約為40m。A-A 斷面為始發(fā)區(qū)域，主機(jī)步進(jìn)至始發(fā)區(qū)域后撐靴可以撐緊洞壁，當(dāng)?shù)侗P(pán)掌子面貼緊洞室開(kāi)挖面時(shí)此時(shí)撐靴撐緊洞壁平衡刀盤(pán)掘進(jìn)反力，刀盤(pán)向前掘進(jìn)逐步脫離底部步進(jìn)裝置。該斷面比設(shè)備直徑大0.3m 即可（6.5m 開(kāi)挖直徑時(shí)為6.8m 左右）。長(zhǎng)度約為20m。

3.2 洞內(nèi)拆機(jī)

TBM 掘進(jìn)到迎頭地段，需按照要求進(jìn)行洞內(nèi)拆機(jī)：（1）盾體尾部針對(duì)巷道斷面進(jìn)行擴(kuò)挖，形成20m 長(zhǎng)拆機(jī)洞室，洞室內(nèi)安裝拆機(jī)吊具；（2）TBM 拖車(chē)后部鋪設(shè)坡軌，同時(shí)拆除連續(xù)皮帶機(jī)；（3）利用葫蘆等吊具拆除TBM 拖車(chē)上部分超限超高部件，斷開(kāi)拖車(chē)連接，利用卷?yè)P(yáng)機(jī)或單軌吊將拖車(chē)從坡軌拉出，同時(shí)將主機(jī)向后移動(dòng)；（4）主機(jī)后退至距擴(kuò)挖洞室前方2500mm 處，開(kāi)始利用洞內(nèi)吊具分批拆解主機(jī)，分解之后分批運(yùn)出洞外，見(jiàn)圖3。

圖3 洞內(nèi)拆機(jī)示意圖

4 結(jié)論

開(kāi)展敞開(kāi)式TBM 設(shè)計(jì)，從基本原理、選型設(shè)計(jì)、設(shè)備入井、設(shè)備組裝拆機(jī)，對(duì)其深入研究。敞開(kāi)式TBM 具有良好的推力，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)硬巖挖掘；具有良好的支護(hù)能力，可以有效避免坍塌；具有良好的出碴能力，還可以直接觀測(cè)挖開(kāi)顏面，方便對(duì)其地質(zhì)描述；開(kāi)發(fā)和支護(hù)可以分開(kāi)，方便臨時(shí)設(shè)備的安裝。