敞开式TBM 锚杆钻机系统组成及日常维保

申会宇，任明军，丁彭彪，刘豪杰，杨晓龙

（1.中铁隧道股份有限公司，河南郑州 450000；2.中铁工程装备集团技术服务有限公司，河南郑州 450000）

0 引言

前敞开式TBM 通过破碎带的主要设备有超前钻、锚杆钻机和钢拱架拼装装置等，它们一般安装在掘进主驱动箱后端与主大梁连接的左右两侧，以便掘进中通过不良地质及时利用它们进行处理。其中锚杆钻机是锚杆支护施工的关键设备之一，直接关系到TBM 能否安全、顺利掘进以及工程质量能否达到设计要求。某项目隧道硬岩掘进机上采用的瑞典阿特拉斯锚杆钻机，锚杆钻机型号COP1838HD+，不同岩层条件下的成孔速度为4.3～4.8 m/min（160 Mp）、3.5～4.0 m/min（200 Mp），钻孔范围360°、钻孔范围Φ38～Φ89，采用独立泵站，控制方式为线控+遥控，两台锚杆钻机可以独立进行钻孔作业，并与掘进作业互不影响。

1 锚杆钻机系统基本组成

动力总成+定位总成+控制总成+锚杆钻机（图1）。

图1 锚杆钻机系统基本组成

1.1 锚杆钻机泵站组成

锚杆钻机左右两侧分别设有独立液压泵控制，液压泵采用斜盘轴向轴塞恒压恒流量变量泵，两联泵（泵1A10V100 最大排量100 cm3、泵2A10V71 最大排量71 cm3）输出液压油进液压阀组向锚杆钻机提供冲击动作、推进动作及相应的定位动作均由泵1 提供液压油；钻机旋转动作由泵2 提供足够的压力油；增压水泵通过对掘进机冷水系统水二次增压，为锚杆钻机提供足够稳定压力的冲洗水，冲渣、冷却；空压机为风冷V 型活塞式压缩机，为锚杆钻机脉冲润滑系统提供压缩气体，形成油雾吹散至锚杆钻机的内部润滑钎尾与导向铜套、钎尾、旋转衬套和冲击活塞接触面；散热器为水冷交换器，通过TBM 内循环冷却系统带走锚杆钻机液压泵站热量。

1.2 定位系统组成

锚杆钻机的牵引和返回动作由推进油缸伸缩来牵引钢丝绳和返回钢丝绳控制完成；锚杆钻机上安装大量液压软管，软管数量较多，为防止软管松动、耷拉、拉扯，软管由软管过板对丝装置调节松紧。锚杆钻机及推进梁通过底座安装在环形齿圈梁上，在液压马达+减速箱的驱动下，可以实现在环形齿圈梁圆周方向上的运动。环形齿圈梁安装在锚杆钻机平台上，在主梁上安装有钻机平台和钻机环形齿圈梁的行走轨道，在水平油缸的作用下，可以实现锚杆钻机和环形齿圈梁沿隧道轴线的移动，同时平台设计有2 根随动油缸，可以实现在掘进过程钻机相对岩壁是静止的。在TBM 掘进过程实现开孔作业，提高施工效率。推进梁前后摆动油缸能够实现推进梁的前后角度的调整，左右摆动油缸能够实现推进梁的左右角度调整，辅推油缸实现推进梁的上下位置的移动。

1.3 锚杆钻机组成

锚杆钻机由机头、回转机构、冲击机构、机体等部件组成。

（1）机头内部装有导套铜套、冲洗头、止动环。钻杆通过连接套与钎尾联接，机头内的导套铜套可对钎尾起导向作用，而脉冲润滑系统有压缩气体布置于锚杆钻机润滑口位置，有压缩空气吹散润滑油形成油雾，吹散至锚杆钻机的内部润滑钎尾与导向铜套接触面润滑、冷却，保证锚杆钻机内部气压大于外部，防止小杂质颗粒进入机体。冲洗头内的3 道水封保持冲洗水能够通过钎尾到钻头处有足够流量的水，用于将钻杆钻出的岩渣冲洗干净，同时防止冲洗水进入钻机的液压系统。止动环的功能是疏导卡住的钻杆，当冲击活塞驱动钎尾到达其前面位置时，冲击活塞会有剩余的冲击速度，止动环用来接收这部分冲击力。

（2）回转机构（图2）。锚杆钻机回转机构液压马达输出的动力经过小齿轮驱动大齿轮，从而使大齿轮在圆锥滚子轴承上转动。大齿轮通过驱动器（四楞套）、旋转衬套驱动钎尾转动，从而带动钻杆转动。

（3）冲击机构包括中间体、冲击活塞、前导向套、后导向套、换向阀、高压蓄能器和缓冲蓄能器等。

2 锚杆钻机系统日常维保检查分析

2.1 锚杆钻机泵站日常维保检查

（1）油箱温度。油温过高时检查是否油箱油位过低或冷却进水温度过高，检查冷却器是否堵塞，检查内循环冷却系统是否运行。

（2）液压泵。产生噪声时检查是否吸入空气，检查是否吸油口堵塞，检查是否油箱油位过低，检查是否油泵连接轴松动。

图2 回转机构

（3）空压机。无法正常时工作检查滤芯是否堵塞、电气控制线路是否松动。

（4）增压水泵压力。水泵出口压力不足时，检查进水压力，保证进水压力≥0.4 MPa；检查管路是否破损泄漏、检查增压泵密封破损。

2.2 定位系统日常维保检查

（1）推进和返回钢丝绳松紧度。推进、返回钢丝绳是否过紧或过松，钢丝绳有无损伤。如果钢丝绳磨损严重或出现松动，就会导致牵引锚杆钻机动作时不灵敏。同时还应及时检查清理钢丝绳轮内石渣，防止石渣堆积损伤钢丝绳，造成钢丝绳跳槽等。

（2）软管与软管卷盘之间夹渣。锚杆钻机在敞开式TBM 掘进机钻孔过程中，由于是竖直或倾斜一定角度方向钻孔，石渣极易进入软管滑轮与软管之间，若是不及时清理容易造成软管的磨损，降低软管使用寿命和引发泄漏，使锚杆钻机无法正常工作。

（3）软管松紧检查。若出现软管松动影响钻机及推进系统的操作，通过软管过板对丝装置调节软管松紧。

（4）推进梁摩擦滑片间隙大小及表面检查。推进梁摩擦滑片间隙是否过大或者过小。如果在导轨和梁之间存在大的间隙，或者导轨已经严重磨损或刮伤，可能导致锚杆钻机推进或返回时卡滞，此时必须更换滑动导轨，及时清理推进梁摩擦钢皮上的水泥和小石渣，以免造成钢皮和摩擦片过快损坏。

（5）锚杆钻机螺栓检查。由于TBM 设备掘进以及打锚杆时的震动较大，需经常检查锚杆钻机固定螺栓、锚杆钻机边螺栓、钢丝绳、推进梁固定螺栓等有无松动，若有松动立即按要求紧固。检查推进油缸前段涨紧套上一圈内六角头的螺栓有无松动，若有松动立刻紧固，否则会造成钢丝绳无法调紧，损坏钢丝绳等。钻机侧螺栓扭矩350 N·m、蓄能器螺栓扭矩220 N·m、锚杆钻机安装架螺栓扭矩250 N·m 和前尾螺栓扭矩300 N·m。

（6）锚杆钻机环向形走。若无动作，检查马达齿轮与环向形走齿卡是否夹石渣，马达控制液压阀芯是否卡死或电磁阀是否得电，马达液压油路是否泄漏，液压油箱是否有液压油。

（7）辅助推进梁上下。若无动作，检查锚杆钻机液压阀组中减压阀是否得电，辅助推进梁液压缸控制阀芯是否卡死或电磁阀是否得电，管是否磨损漏油，液压油箱是否有液压油。

（8）锚杆钻机平台前后左右移动。若无动作，检查行走轨道与轮子之间是否卡石块，前后行走油缸控制阀阀芯是否卡死或电磁阀是否得电，油管是否磨损漏油，液压油箱是否有液压油。

2.3 锚杆钻机日常维保检查

（1）防渣橡胶挡圈检查。锚杆钻机由于是竖直钻孔，所以钎尾必须有防渣橡胶挡圈，防止杂质进入锚杆钻机钎尾与机头的导向套过早磨损。

（2）钎尾螺纹检查。钎尾通过连接套与钻杆钻头连接，进行旋转和冲击动作的传递，从而实现岩臂的开孔作业。一旦钎尾连接螺纹磨损就无法完成旋转和冲击动作的传递，而造成钎尾快速磨损的原因之一是钎尾与连接套连接不紧固。

（3）COP 润滑维保检查。每班检查气与润滑油从钎尾和前导套之间，及前端的孔中出来，润滑气压0.25～0.3 MPa，调节脉冲次数25 次/min。检查润滑油箱中的油位，如果润滑系统已经用光了油，在注油之后必须进行排气。若没有润滑或者润滑不够，极易出现以下述问题：①机头的导套维保检查，当磨损＞1 mm 即直径＞39 mm 时必须更换，否则会造成钎尾回转时偏心，使四棱套断裂、冲击活塞冲击面过早磨损；②四棱套维保检查，如果齿宽度＞2 mm，必须更换四棱套；③旋转衬套维保检查，充分的润滑是旋转衬套保持良好性能必要条件，高推进力和大孔径造孔要及时提高润滑要求，若没有润滑或者润滑不够时衬套端面周围会因高温变色，严重时甚至导致旋转衬套碎成两半，通常还会对锚杆钻机造成昂贵的二次损坏。

（4）冲洗水日常维保检查。钻孔时保证钻头处有足够流量的水，水压≥1 MPa，水泵进水口＞0.4 MPa，且流量要足够：①检查锚杆钻机机头处，若是有漏水时，必须立即更换锚杆钻机机头内水封，以免造成水进入液压系统；②检查打钻出水情况，打孔时要有水从钻杆和孔的缝隙间流出，如没有水流出立即停止打孔，退出钻杆检查原因（钻杆钻头堵塞，或者有裂缝），若继续打钻极易造成钻头柱齿快速磨损和卡钻杆。

（5）蓄能器日常维保检查。每周检查凿岩机上2 个蓄能器的氮气（N2）压力，高压蓄能器氮气压力9 MPa，低压蓄能器氮气压力3 MPa。充氮气时先将蓄能器内氮气完全放掉，检查充氮阀密封圈和氮气膜片完好后再充加氮气。蓄能器只能充入氮气，若充入其他气体，会造成蓄能器爆炸。

（6）旋转压力与推进压力日常检查。根据现场配的45 mm钻头调转速160～200 r/min，正转方向为从凿岩机钎尾往后看顺时针方向。推进压力3.5～8 MPa，需要根据岩石及现场环境在打孔时随时调节控制，避免空打。控制打孔时旋转压力5～6 MPa，旋转压力过高时需要降低推进压力，旋转压力过低增加推进压力。推进压力过低会造成凿岩机空打损坏钻具以及冲击活塞，推进压力过高会造成钻杆弯曲。

（7）锚杆钻机在低推进、无推进或者反向推进情况下易出现下述问题：①机头壳体前端环状裂纹、冲洗头、止动环产生裂纹，冲击在低推进、无推进或者反向推进（反打）的情况下运行太久，极易造成机头、冲洗头、止动环产生裂纹；②缓冲活塞气蚀损坏，推进压力过低迫使缓冲活塞运动向前，这也意味着活塞的冲击位置也会靠前，活塞的行程将变长，活塞和换向阀的换向时间将不再与锚杆钻机所设计的时间相匹配，导致活塞前后导向套发生气蚀；③冲击活塞气蚀损坏，长时间在低推进压力下运行、频繁反打或者蓄能器充氮压力不合适以及蓄能器损坏，都将加剧冲击活塞的气蚀磨损；④导向套气蚀，推进压力过低、长时间地反向推进、凿岩机在蓄能器充氮压力过低，会造成前、后导向套的气蚀。

所以禁止低推进、无推进或者反向推进情况下的运行冲击尤为重要，尤其是在全冲击的时候。

3 总结

隧道内环境恶劣要做好锚杆钻机系统的维保维护工作，正确操作锚杆钻机，及时检查、更换损坏磨损的零部件，使锚杆钻机使用效率达到最大效果，保证隧道内的良好掘进。