厄瓜多爾美納斯水電項目雙護盾TBM主機詳解及系統化應用

矯健

摘 要：TBM是英文Tunnel Boring Machine的縮寫，含義為隧道掘進機，是一種集機、電、液、氣、傳感、信息技術于一體的工廠化流水線隧道施工裝備，具有掘進速度快、利于環保、綜合效益高等優點，可以實現連續掘進，同時完成破巖、出碴、支護等工作，完成傳統鉆爆法難以實現的復雜地理地貌深埋長隧洞的施工，使隧道施工實現工廠化和始終處于最佳狀態。在水利水電、礦山開采、交通、市政、國防等隧洞工程中應用正在迅猛增長。

關鍵詞：TBM；水電；雙護盾；系統；設備

中圖分類號：TM921.5 文獻標識碼：A 文章編號：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、調壓井、壓力豎井、地下廠房洞室群、尾水及互聯室工程、通風電纜井、地面開關站等。

引水隧洞全長13896.62米，最大埋深610米，設計流量為65立方米/小時。其中75%為采取TBM硬巖掘進機施工，長10569.74米，開挖斷面為圓形，直徑為5.67米，管片襯砌后直徑為4.8米。在相同的條件下，其掘進速度約為常規鉆爆法的4～10倍；具有快速、優質、安全、經濟、有利于環境保護和勞動力保護等優點。

TBM主要分為3種類型，并分別適應于不同的地質，有開敞式、雙護盾、單護盾。美納斯水電項目的TBM為封閉式雙護盾，具有盾體推力大、滾刀間距小、刀盤破巖能力強、結構優化、效率高等特點。

下面對此雙護盾TBM設備組成及功能做詳解。

1 TBM主機詳解

TBM主機主要由刀盤、主軸承及驅動組件、前盾、伸縮盾、支撐盾、尾盾及其輔助設備組成。如圖1所示。

1.1 刀盤

刀盤總成實現實際掘進作業，針對每個工程地質條件而設計，本TBM適用于硬巖掘進，為封閉面板式結構。

刀盤總成重量約60噸（不帶刀具），刀盤分為幾乎對稱的兩半，現場栓接并最終焊接為整體。刀盤內部包括6個卸渣槽，將石碴導入主機皮帶機集碴斗，開口處配置鋼制鏟齒幫助搜集石渣進入刀盤結構。

刀盤與刀具均采用耐磨設計，保證刀盤在硬巖掘進時的耐磨性能。刀盤配置4把雙刃29把單刃滾刀總成，滾刀直徑19英寸滾刀從內向外1-37一次編號。刀盤旋轉一周后每把滾刀各自行走一個環形軌跡，外圍刀行走的距離較遠，故磨損較快。通過給外圍刀支撐座增加楔塊，可將開挖直徑從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，推薦給刀盤施加的最大總推力11000KN。

刀盤滾刀可從刀盤內部更換，保證了換刀的安全。刀盤配置7個噴水嘴以改良石渣，供水管路通過刀盤中心的回轉接頭實現供水。刀盤上配有圓形門封閉觀察孔。

1.2 前盾

前盾安裝主驅總成進而安裝刀盤，總重約44噸，外徑5610mm。前盾后側安裝2個穩定器（上方），10個主推油缸球鉸安裝座，2個輔助支撐總成以及4個行程儀耳座。前盾前端底部通過耐磨板加固，因為切下的巖石可能卡在刀盤與前盾之間造成劇烈磨損。底部區域還有兩個泄水口用于排泄開挖前端的水。

1.3 刀盤主驅動系統

刀盤安裝在主驅總成上承受徑向和軸向力，總重約45噸（不含7個驅動組件）。刀盤驅動方式為變頻驅動，刀盤可以雙向旋轉，順時針旋轉為掘進出渣方向，在換刀和脫困時反向旋轉。刀盤轉速可以根據不同的地質條件以及由PLC控制系統支持的驅動模式而相應改變。

主軸承采用大直徑、高承載力、長壽命的三軸式設計，主軸承設計壽命20000小時。轉速達6.3RPM前主驅恒扭矩2900KNm運轉。最大轉速（9RPM）時主驅輸出扭矩2200KNm。變頻驅動可使電機獲得更大的脫困扭矩（達5700KNm），僅用于刀盤被卡住時的瞬間作業。

1.4 伸縮盾和鉸接系統

伸縮盾連接前盾和支撐盾，功能是使TBM掘進與管片的安裝能同時進行。

TBM的伸縮部件由一個外伸縮盾和一個內伸縮盾組成。雙護盾模式掘進時內伸縮盾在外伸縮盾內滑動。二者一起保護前盾和支撐盾之間的設備不被塌方等情況損壞，尤其是保護主推油缸和主機皮帶機。兩個盾體均是兩半式結構，現場最終必須焊為一個整體。裝配重量約30噸。

1.5 支撐盾

支撐盾內設有輔助推進油缸和撐靴裝置，支撐盾總重量約105噸。標準掘進（雙護盾）模式時該盾體將主機后半部分錨固在隧道壁上。通過伸出撐靴實現錨固，撐靴由4條油缸和其連接的2個撐靴板組成。支撐盾承受全部的掘進反推力，在換刀時也可將前盾向后收回。

1.6 尾盾

尾盾支撐掘進過程中未拼管片的部分。通過法蘭與支撐盾剛性相連，總重約15噸。尾盾尾部布置一列止漿板，避免注漿材料豆礫石和水泥等從尾部進入盾體內部。

1.7 推進系統

主推進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，掘進過程中為便于轉向，主推油缸液壓分組為4組，通過有選擇地對各組油缸進行加壓來使TBM實現轉向。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部，可從其后方伸出到尾盾中。單護盾模式時，輔推油缸頂靴頂緊到管片上實現步進和掘進類似于主推油缸。

1.8 主機皮帶機

主機皮帶機安裝在盾體內部，能夠在液壓油缸的作用下前后伸縮。主機皮帶輸送機將刀盤開挖經集渣斗搜集的渣料輸送到后配套其它出渣設備上。為便于運輸和安裝，皮帶機主結構分為兩段，總重17噸。

1.9 管片拼裝機

管片拼裝機由主環、兩個縱移導向柱、支撐單元和吸盤組成，由若干液壓缸和馬達驅動主環由兩套驅動單元（馬達-減速機-小齒輪組成）驅動，可實現雙向旋轉。8個特制滾輪總成栓接到支撐盾上，用于支撐拼裝機并滿足旋轉功能。滾輪的磨損情況必須頻繁檢查，因為這對正確的管片拼裝作業尤為重要。拼裝機由專業人員通過無線操作。

拼裝機還可作為超前鉆的支撐。

1.10 超前鉆

該設備用于巖石取樣，檢查TBM周圍地下水情況以及為掘進前方注漿鉆孔。鉆機設備不用時，可從拼裝機上拆下儲存到特定位。

2 TBM后配套及系統

美納斯TBM共有13節后配套臺車，各系統及系統部件分部于整機沿線。TBM主要有后注漿系統、空氣壓縮系統、電氣系統、導向系統、液壓油系統、潤滑和油脂系統、安全系統、通風系統、水系統等幾大系統。

2.1 后注漿系統

管片的拼裝是在尾盾內部進行的，在管片5.4米的外徑和5.67米的開挖直徑間每環與隧道壁間存在3.5m3的間隙。這個體積必須被填滿以確保穩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，在新安裝的倒數第四和第五環區域，通過連接橋上的專用平臺灌豆礫石，豆礫石之間的間隙用注漿實現。

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，添加劑用來調節流動性，密度和凝固時間。水泥粉末通過特殊的儲料器經過小火車帶至后配套，然后通過螺旋機傳輸至泵送系統，水泥漿液通過注入口注入管片背后的空隙中。

2.2 空氣壓縮系統

氣動油脂泵、豆礫石泵、除塵器、風動工具的風源及油脂潤滑系統的動力由空氣壓縮系統提供。系統包含2臺空壓機并聯連接到2臺能夠優化空壓機功率損失的加壓空氣罐上。

2.3 電氣系統

電氣系統主要部件包括：高壓電纜卷筒、高壓開關柜、兩臺1500KVA的轉化成690V的變壓器、1臺1250KVA的變壓器、2臺變頻器柜、主電氣柜及其他控制柜，給變壓器，拼裝機，動力單元等服務。

TBM電氣控制系統的核心部分為PLC系統，對TBM主要功能進行控制，此TBM的PLC柜位于司機室。它安裝在帶有遠程接口的操作臺上，并接入位于操作臺的工業計算機。

2.4 導向系統

隧道導向和位置監控系統由一臺全站儀，2臺反射棱鏡，1臺TBM上的激光靶，一套與主機PLC進行通信的軟件系統組成，系統提供給用戶TBM偏離其預定路線的詳細信息，以使得修正能夠快速進行。導向的信息顯示在安裝于操作室的監控器上。

2.5 液壓油系統

除刀盤驅動以外，所有主機的輔助功能部件均為液壓操作，所有功能部件運行所需的液壓動力裝置都置于后配套的平臺車上。

液壓系統給下面的設備提供動力：

TBM油缸（主推進，撐靴，輔助推進，鉸接，穩定器和輔助撐靴）、喂片機、管片卸載油缸、牽引油缸、皮帶機旋轉馬達、皮帶機油缸、管片拼裝機旋轉馬達、管片拼裝機主油缸、管片拼裝機夾緊油缸、主驅停車制動等。

液壓泵站設機械式壓力表，同時設置壓力傳感器、溫度傳感器，將液壓油壓力和溫度等信號傳遞給PLC，并在主控室顯示。

2.6 潤滑和油脂系統

為主驅提供潤滑的有兩個系統。潤滑油系統有兩條潤滑主線，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滑。主驅軸承油脂密封系統內部和外部的密封通過一個所謂的“迷宮”填充硬潤滑脂進一步保護，免受外部污染。油脂通過安裝于油脂桶上的氣動泵進行傳送。在各個油路接口都有模塊化的分配器。

2.7 安全系統

此TBM有氣體監測、消防、急停等安全系統，為TBM運行提供安全保障。

2.7.1 氣體監測系統

本機配備了各種防爆傳感器不斷監測氧氣和可燃性氣體，有毒氣體，或以其他方式危險性氣體和蒸氣的百分含量。位于控制艙的中央控制器當檢測到危險情況時發出視覺和聽覺警報。氣體監測系統（與PLC互鎖）是由檢測甲烷（CH4）的2個甲烷探測器，各一個CO，H2S和CO2探測器組成。

2.7.2 消防系統

每個后備套臺車配備2滅火器，一些潛在的危險區域是由一個自動滅火設備，檢測、滅火系統組成的保護系統

2.7.3 急停設備

緊急停止按鈕被安裝在機器的各個區域。有兩種類型的按鈕：標準緊急急停和緊急疏散急停。

標準的是使用后保持按下狀態的紅色蘑菇型按鈕。復位警報后，必須將它們旋轉到正常配置。

疏散應急按鈕，由一個帶黃色的蓋子的發亮按鈕組成。這些按鈕只能在發生嚴重危害時使用，因為他們停止了每一個機器的作業（氣體監測，燈具及排水泵除外）。

2.8 通風系統

為給工作區域提供清新的空氣，機器配備了通風系統，其主風機安裝于隧道外。1個1.6米直徑的通風管道安裝于管片頂部連接風機和后配套。

干凈的空氣管道從連接橋區域吸入空氣并將其引導至軟風管儲存筒后方。除塵管線從TBM盾內吸入空氣（部分封閉管路沿皮帶機兩側分布），并將其引導至軟風管儲存筒后方。由兩條管線所產生的壓力差確保清潔的空氣向前流動，沿著后配套，同時逆流凈化的空氣。

2.9 水系統

此TBM具有兩套獨立的系統：工業水系統和排水系統。管道被噴涂成深淺不同的綠色來區分不同的水路管線。

2.9.1 工業水系統

（1）外部回路。工地提供清潔的水源；管線供水通過過濾器組進入熱交換器，熱交換器用來降低主冷卻回路中存在的流體的溫度。隨后，水經過另外一個冷卻空壓機回路的熱交換器，最后回到5000升的水箱中。如果液位或溫度太高，水就會自動傳送到排水系統水箱中，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，管道都被漆成相同的顏色。管線由1臺4KW泵和一個500升的壓力罐組成，所以5.5bar的水壓可以給下面的設備進行供水：超前鉆、沿后配套布置的供給接頭、刀盤噴嘴、TBM沿線的供給接頭等。

（3）主冷卻回路。這個閉環充滿了水和冷卻液。和外部回路相通的一個連接被用來初裝水，另外一個入口用來添加乙二醇；相關聯的閥否則始終閉合，因此冷卻回路獨立于其他的回路。兩臺并聯的水泵確保了水流的循環。回路配置了一臺過濾器，一個500升的加壓力罐，用來冷卻如下設備：超前鉆泵站、變頻驅動柜、潤滑泵站、液壓系統泵站、刀盤驅動總成；若干個閥和流量傳感器可用于調整和監測沿線的流量。

（4）空壓機回路。這個閉環被用來冷卻空壓機，通過上面描述的外部回路熱交換器。回路由一個4KW的水泵和一個500升的壓力罐組成。

在機器啟動時，工業水系統供自動啟動。

2.9.2 排水系統

水最終積聚在工作區域或者盾內，使用專用的泵可以將水排出。兩個自吸式泵裝在連接橋臺車處通過6寸的水管對仰拱塊區域實施排水。一臺額外的潛水泵移至伸縮盾區域來排除TBM內的水。

以上即為雙護盾TBM主機的詳解及系統化應用介紹，該設備已在國外水利水電工程長引水式發電樞紐電站中進行實際應用。

參考文獻

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