舊TBM的關鍵部件改造修復與升級

曲長海 教傳杰 吳根生

【摘 要】TBM264-311開敞式全斷面硬巖隧道掘進機完成遼寧大伙房輸水工程近18km掘進任務后，經過三年半的閑置，對其關鍵部件改造、修復與升級，成功用于另一隧洞工程。文章結合大伙房水庫輸水工程施工中出現的各種問題及掘進中出現設備故障，對該機部分結構件進行了優化改造設計，為舊TBM設備重復利用提供了可借鑒的寶貴經驗。

【關鍵詞】TBM 關鍵部件 改造 修復 升級

1 引言

TBM264-311開敞式全斷面硬巖隧道掘進機由遼寧工程局于2004年采購，美國Robbins公司設計制造，TBM重約620t，變壓器容量5000kVA，開挖直徑8.03m，刀盤轉速0～8.3rpm，刀盤最大運行推力22.934KN，10臺300kW驅動電機，刀盤上裝備47把19英寸（483mm）盤型滾刀和4把17英寸（432mm）雙刃型滾刀。該機2008年9月完成大伙房輸水工程近18km掘進任務后，閑置三年半時間，大量的橡膠油管和高壓電纜幾近報廢；絕大多數的油缸密封已經完全失去原有效能。

鑒于大伙房輸水工程施工中出現的各種問題及掘進中出現設備故障，對該機部分結構件進行了優化改造，該機現用于遼寧另一個輸水工程。

2 刀盤支撐護盾優化改造

原TBM頂護盾后面聯接指形護盾，指形護盾在掘進施工中易被塌方石塊砸變形，不能起到很好的支撐作用。在掘進施工中，遇到塌方區域時給操作人員帶來嚴重安全隱患，因此在此次維修中對指形護盾進行改造，改造成封閉式護盾。

3 轉接優化改造

原TBM轉接座加強筋在掘進中嚴重被渣料磨損，從而導致轉接座間接磨損。在此次改造中，為了減少轉接座在使用中的磨損，在轉接座內增加刮渣板，在掘進施工中起到明顯效果。

4 環形梁安裝器優化改造

原TBM環形梁安裝器帶有環形梁舉升小車，此裝置在主梁上占有很大空間，對操作員的操作和驅動電機、錨桿鉆機等設備的檢修工作帶來很多不便，且工作靈活性差。改造后的環形梁安裝器采用4個固定擴張油缸，頂部（2個）和兩側（每側各1個），同時對環形梁進行擴張，從而有效的保障了環形梁能緊貼隧道洞壁。改進環形梁安裝器，使施工人員增加了安全感，鋼拱架安裝效率大大提高。

5 橋架平臺優化改造

為減輕1號臺車及后配套直接承受連接橋施加的壓力，在1號臺車和連接橋之間新增設一個支撐輪組門架，支撐輪組門架使橋架有更好的支撐受力。同時對連接橋的走道平臺進行改造，改造后可以從門架的上平臺和下平臺走到TBM主機前部，方便對橋架皮帶機和噴混裝置的維護和操作，改造后支撐輪組門架與連接橋相連。

6 液壓系統優化改造

（1）液壓泵站優化改造。維修改造前，液壓泵站安裝在主梁的左下方。因液壓泵站集成了整個液壓系統的閥塊以及各閥塊之間連接管路的錯綜復雜，且其安裝位置在主梁處，掘進施工時對其造成很大震動，對管件磨損造成很大影響。當出現故障時，檢修空間狹窄，安全隱患相對較高。因此，為了維護檢修方便，在此次維修改造中將其放到1號臺車上。

（2）液壓泵及油箱優化改造。液壓系統優化改造前，液壓泵和油箱是分離。改造后將液壓泵和液壓油箱集中布置，且安裝在1號臺車上，與液壓泵站相鄰，縮短了油箱到液壓泵、液壓泵到液壓泵站的供油距離，方便對泵及油箱的維護保養。

（3）后支撐和護盾油缸的控制閥塊位置優化改造。考慮到液壓泵站安裝在1號臺車上，而TBM拖拉油缸、撐靴油缸、推進油缸及護盾油缸等都在主梁和機頭架處，這樣布置增加管路的長度，也增加油管的使用數量，為降低因液壓泵站位置的改變所導致的管路變化，固將液壓泵站上的102-1和18-1閥塊安裝在安架和主梁上。

（4）環形梁安裝器操作閥塊位置優化改造。對環形梁安裝器改造后，為了操作安全、方便，提高拱架安裝效率，因此將環形梁安裝器操作閥塊安裝在環形梁支撐架上。在施工過程中發現，因掘進時振動劇烈，導致操作閥不同程度的損壞，嚴重影響剛拱架的安裝。因此操作閥塊和環形梁不能直接焊接，而是在它們之間增加一橡膠緩沖墊，以減少因振動造成閥塊的損壞。

（5）TBM部分隱藏油缸優化改造。TBM的后支撐油缸和撐靴內部平衡油缸，因其安裝在設備的內部，在掘進過程中出現漏油現象處理相當費時費力，所以將油缸的油管連接部位和接頭部位裸露在外表，以便于維修保養。

（6）主推進油缸優化改造。在掘進施工中，為了保護油缸活塞桿不被刮傷，在油缸上安裝保護蓋板。但掘進施工中產生的灰塵和固體顆粒卻很容易落到油缸活塞桿上，油缸端蓋上的防塵密封圈容易損壞，而端蓋防塵密封圈安裝的結構又導致損壞后不能更換。防塵密封圈一旦損壞就會導致灰塵和固定小顆粒進入端蓋內部損壞油缸其他密封圈。為了能夠在防塵密封圈損壞后能及時更換新的防塵密封圈，對推進油缸端蓋優化改造。

（7）拖拉油缸優化改造。在TBM掘進過程中，拖拉油缸拖著后配套前移。隨著撐靴換步的同時，拖拉油缸的活塞桿也隨著伸出，伸出到一定長度時就需要將拖拉油缸回收，因操作室無法判斷油缸伸出的長度和需要回收的長度，因此每次收拖拉油缸時都需要安排專人查看，影響TBM掘進效率。因此在原有基礎增加一套拉線式行程傳感器，將油缸伸出量反饋到操作室。操作手在操作室內就可以知道油缸的伸出量，換步效率明顯提高。

7 潤滑系統改造

（1）潤滑油箱和潤滑泵的優化改造。潤滑系統優化改造前，油箱和泵是分離的，并且安裝在主梁正下方，在承受因掘進帶來劇烈振動的同時也給維修保養帶來諸多不便，而且增加了更大的安全隱患。為了使潤滑系統的結構更加緊湊、方便維修保養，將潤滑油箱和泵安裝在2號臺車上。

（2）潤滑回油泵優化改造。潤滑回油泵和磁性濾芯最初安裝在前主梁下面，不便于維修保養。因此將其安裝位置改到右側底護盾上。

8 電氣系統改造

（1）操作室優化改造。改造前的操作室位于3號主梁靠近后支腿處，位置過于靠前，在掘進過程中振動大，對操作室內的電腦等危害較大。而且由于位置限制，TBM操作室空間相對狹小，給操作手帶來諸多不便。改造后將操作室移至1#臺車尾部，大大減少了掘進過程中震動、粉塵等對電腦的危害。同時，操作室的尺寸結構及內部布置也做了很大改善。操作室內部空間加大，操作手操作起來更加方便、舒適。內部布置將液壓及潤滑系統壓力儀表盤省去，通過程序以數字的形式在監視器里顯示出來，操作手看起來更直觀、方便。主控電腦由原來的一臺工控機改為兩臺高性能的工控一體機，其中一臺作為備用，一旦主操作電腦出現故障，只需將主操作電腦上的通訊卡插到備用電腦上即可恢復，不會影響掘進。同時，備用電腦也用作監視器，以顯示不同的操作界面，方便操作手掌握各部分的運行情況。

（2）PLC及I/O模塊優化改造。改造前設備上所使用的PLC模塊，采用三菱公司生產的Q系列PLC，由于TBM結構復雜、操作繁瑣，PLC模塊需要的輸入輸出點數多所使用的三菱系列PLC占用空間大，線路錯綜復雜，影響美觀。改造后的PLC模塊采用德國MURR公司生產的CUBE系列PLC模塊。模塊結構緊湊，占用空間小。模塊采用插接式接線方式，接線簡單、維護方便。改造前的現場總線站采用三菱公司生產的FX系列I/O模塊，接線繁瑣且占用空間大。改造后采用CUBE20系列現場總線站。改造后各輸入輸出點對應清晰明了，接線簡單，維護起來十分方便。但由于安裝人員經驗不足，改造后的現場總線站沒有采取任何防護措施，在掘進過程中極易受油、水及粉塵污染，造成模塊內部損壞。將現場總線站安裝在帶減震的密封配電箱內，這樣既可以減少油、水、粉塵對電器元件的損害，又可以避免長期震動造成模塊內部接觸不良。

（3）電纜橋架優化改造。本臺設備共有10臺主驅動電機，每臺電機采用兩條3×70mm2+3×50mm2的銅芯交聯聚氯乙烯電纜供電。電纜全部沿電纜橋架鋪設，本設備采用梯級式熱鍍鋅橋架，參見圖30，由于TBM掘進過程中震動大，電纜長期與橋架的橫向連接相摩擦，經常造成電纜磨損，導致電機出現過流現象，由于鋪設線路長，橋架又全部覆蓋蓋板。查找線路損壞部位十分困難。這大大影響了掘進進度。為了減少這一現象發生，采用托盤式鍍鋅橋架，既可以防止摩擦造成的電纜損傷，又有利于橋架內部的水分排出。

（4）液壓泵站電機冷卻系統優化改造。改造前的液壓泵站電機靠自身所帶的風扇進行冷卻，由于經常大功率、超負荷工作，電機經常出現高溫現象。針對此種情況，對電機冷卻系統進行了改進。增加了兩臺風機對電機進行冷卻。風機的啟動電源直接從液壓泵站的軟啟動開關引出，使風機和電機同步運行，既起到冷卻電機的作用，又不會過多的浪費電能。改造后冷去效果明顯提高。

9 結語

隧洞工程越來越廣泛地采用TBM施工，TBM設備龐大繁雜，既有笨重的鋼構件，也有精密的控制設備和儀表，還復雜的電氣、液壓等管路系統，是一種大型高新技術設備。隨著功能的需要和技術的成熟，對舊TBM設備的關鍵部件改造、修復與升級有利于減少施工成本，降低工程造價。

作者簡介：曲長海（1968.12.26—），男（滿族），遼寧西豐人，華北水利水電學院水文地質與工程地質專業畢業，大學本科。