双护盾TBM“V”形布置主推进系统缺陷研究

2017-01-20钟瑞喜

山西水利 2016年6期

关键词：油泵油缸管路

钟瑞喜

（山西省水利建筑工程局，山西太原 030006）

双护盾TBM“V”形布置主推进系统缺陷研究

钟瑞喜

（山西省水利建筑工程局，山西太原 030006）

在东山供水工程9号隧洞两次试掘进中，采用双护盾TBM“V”形布置主推进系统，存在TBM机头下沉、推进速度慢、持续右偏、系统控制灵活性低等缺陷，通过对“V”形布置主推进系统的缺陷原因分析，提出了改进方案，以服务工程建设。

双护盾TBM；“V”形布置主推进系统；缺陷分析；改进措施

1 概况

20世纪90年代以来，全断面双护盾TBM在甘肃引大入秦、山西省万家寨引黄工程、青海引大济湟工程、陕西省引红济石工程、山西省中部引黄工程、晋中东山供水工程及青岛地铁、深圳地铁等项目中得到了广泛应用。

全断面双护盾TBM具有以下特点：一是适应通过复杂岩层，如硬岩、软岩、软硬岩结合带、断层及破碎带等地层地质条件施工。二是采用管片衬砌，支护速度快。三是人员及设备在护盾的保护下进行工作，安全性比开敞式TBM好。

双护盾TBM主推进系统有“V”形和反扭矩两种模式。“V”形布置模式对主驱动轴承的限制较小，可选择扭矩更大的主驱动轴承以适应复杂的地质工况；伸缩护盾内空间更大，方便设备布置和伸缩，特别适合小型双护盾TBM。但受系统复杂、技术含量高、调试难度高、操作随动性大等因素影响，在洞外安装调试阶段存在的缺陷和弊端不易发现，往往在施工运行时才暴露出来。以东山供水工程9号隧洞两次试掘进为例，对双护盾TBM“V”形布置模式主推进系统出现的缺陷进行分析，并探讨改进措施。

2 试掘进效果

东山供水工程双护盾TBM在两次试掘进中推进速度慢，仅能达到30～40mm/min，远达不到设计要求的100mm/min；机头下沉和持续偏右，第一次试掘进从桩号29+607.7—29+583.544，共24.156m，隧洞向右偏离轴线935mm，向下偏离轴线533mm；第二次试掘进从桩号29+594.376—29+546.853，共47.523m，隧洞向右偏离轴线1861mm，向下偏离轴线1169mm。另外，在掘进过程发现系统控制灵活性低等问题。

3 东山供水工程双护盾TBM主推进系统配置

东山供水工程双护盾TBM主推进系统配置为：驱动电机，4台55kW，1450RPM；主推液压泵1台，REXROTH，56.7LPM，柱塞变量泵；主推进油缸10根，缸径254mm，杆径165.1mm，“V”形布置。

4 主推进系统缺陷分析

4.1 掘进过程TBM发生机头下沉缺陷分析

双护盾TBM在水平隧洞掘进时，无论良好围岩和不良地质围岩，TBM主推进系统底部需克服的阻力远大于顶部阻力。东山供水双护盾TBM主推进油缸底部仅布置2根推进油缸，顶部却布置4根推进油缸。在TBM向前掘进时，顶部的推力远大于底部，使刀盘与洞轴线形成小于90°的夹角，机头处于向下状态。因此，主推进油缸结构布局不合理，是造成机头下沉的主要原因。

4.2 TBM推进速度慢故障分析

4.2.1 主推进液压油泵选型估算分析

单根液压缸面积为5.067075dm2。单根液压缸推进速度要达到1dm/min，需要的流速为5.067075L/min。因此，10根液压缸推进速度要达到1dm/min，需要的流速为50.67075L/min。

泵的流量应满足执行元件最高速度要求，因此泵的输出流量应考虑系统泄漏量。

由于油泵距离执行元件液压油缸达90m，管路较长，系统泄漏的矫正系数（1.1～1.3）应取大值1.3，液压油泵排量应达到65.872L/min，而目前设备选用主推进液压泵额定排量仅能达到56.7L/min，系统泄露的矫正系数取中间值1.119，造成系统流量不足。

4.2.2 单双号油缸交替调整滚动造成的影响分析

由于掘进过程刀盘顺时针方向旋转的惯性作用，导致前护盾存在顺时针滚动的趋势，因此主推进液压系统的采用单号油缸与双号油缸随时进行滚动调整，而且在掘进过程中根据调整幅度需要不断交替调整，而单号组油缸的调整会造成双号组油缸溢流，反之也相同，这样，在掘进过程几乎损失一半的液压油溢流。因此，双护盾TBM“V”形布置主推进系统液压油泵的实际泄漏系数应达到1.65～2.2（管路长取大值，管路短取小值）。

4.2.3 回路配置不合理造成的影响分析

局部损失问题：主推进液压油路采取三通阀串联输出方式，由于初始3个三通阀通径小，造成液压油因集流效应发热，消耗了大量液压能，局部损失较大，导致主推进液压回路流量和压力严重不足。

沿程损失问题：液压泵到分配阀的主管路太短，而分支小管路较长，导致分支管路沿程损失偏大。

4.3 TBM持续右偏故障分析

TBM掘进过程刀盘滚动后不能有效回调，滚动无法控制；尤其是发生大幅度的刀盘滚动后，在滚动回调前，主推进液压油缸的分组失去功效，无法实现上下左右控制，导致右偏无法调整。

液压系统设定压力不足，导致油缸疲软无力，不能有效动作；由于主推进系统的液压管路仅有两层钢丝，无法承受高压，因此，掘进时一直未调高系统压力进行设备调试和试掘进。

液压油泵选型偏小，流量配置不足。

管路配置不合理，沿程阻力大，导致流量和压力损失较大；采用小型三通阀组串联分配液压流，造成很大的液压阻力、集流和空穴现象，实际运行过程中发现分配阀块产生集流高温现象；管路配置凌乱，不便于维护和更换。

由于PLC程序设计控制功能不完善，PLC的操作界面功能不全，导致操作手对单根油缸不能实现单独控制。

补油回路未设置流量控制。

4.4 系统控制灵活性低故障分析

所有主推油缸统一控制，无单根油缸控制功能；界面单调，功能不完善。

5 改进措施

5.1 掘进过程TBM机头下沉改进措施

由于东山供水工程中TBM进入洞内才发现上述缺陷，无论从工程进度还是工程投资考虑，从调整顶部油缸液压锁溢流阀的背压参数，并对顶部油缸的流量和行程限制方面进行改造，使其与TBM掘进方向控制相适应。因此首先在1～2号，9～10号油缸推进回路，增加节流阀，使其四根油缸的总进油流量小于底部5～6号两根油缸的总进油流量；其次在1～2号，9～10号油缸液压锁的溢流阀设置5MPa的背压，增加顶部一组油缸的推进阻力，使其行程适当滞后于其他3组；TBM推力降低到4500kN左右，确保TBM掘进。

5.2 TBM推进速度慢改进措施

一是更换两台大排量的液压油泵（额定排量66L/min以上）作为推进液压泵；完善管路配置，将12H双层液压管更换为20H四层钢丝高压液压管，更换大通径三通阀块，分配阀位置由液压泵站调整到支撑护盾内，缩短分支小管路长度。二是主推油路加装流量阀和比例式溢流阀，用以调节掘进速度。主推油路分流阀块加装两个08孔径的分流阀来提高掘进速度。

5.3 TBM持续右偏改进措施

将主推进液压系统的管路由两层钢丝更换为能承受更高压力的3层钢丝管路，调高设定压力（由18MPa调高至22～34.5MPa）；配置大流量液压油泵；将三通阀块更换为大口径多路分配阀，避免大流量回路三通阀串联；采用20H的3层液压管或钢管作为主推进液压系统主管路，分配阀和控制阀组应布置在支撑护盾或伸缩护盾内，便于系统检修和维护。同时增加人性化操作界面，补油回路增加流量控制阀，便于调整滚动控制幅度。

5.4 系统控制灵活性低改进措施

在主推进液压回路，每根油缸增加1个流量控制阀，操作室可对每根液压油缸实现调整控制或补油回路增加流量控制阀；采用人性化界面设计，确保实现单双号分组、调向分组、单根操作、压力、流量的适时调整等功能。