隧道TBM掘进机锚杆钻机润滑保护分析

高东

（张家口路桥建设集团有限公司，河北 张家口 075000）

一、引言

某长大隧道全长2.2517km，按照设计报告，其设计坡度为1.1%，该隧道主要通过的地层依次为散变质砂岩、角斑岩及花岗岩、片岩等岩性条件，隧道全长中Ⅱ、Ⅲ级围岩占比74.1%。隧道进出口处均采用TBM施工技术，施工段长1.4872km，进口段TBM开挖施工断面设计直径8.8m，成洞直径7.6m。

结合类似项目实践经验，该隧道施工主要使用德国生产的TB880E型TBM，5台配套性TAMROCK钻机为保证掘进工效，在刀盘护盾后方共安装有5台具备配套功能的TAMROCK钻机，钻机性能的好坏直接关系到TBM设备运行过程的安全与效率，为此应加强钻机日常养护，确保其性能始终处于最佳状态。

二、润滑保护现状

该项目TBM采用的配套性钻机还配备有4台HL-300S型凿岩机和1台THC-500型凿岩机，全部凿岩机均采用钎尾油气润滑方式[1]，各滑动件均能得到较好润滑，并能在凿岩机内形成压力密封，避免外部尘土和水分等污染物侵入，还可以在钎尾和活塞冲击锤击面自由形成一层厚度适宜的油膜，为活塞顺利运动提供良好条件。在该型号掘进机润滑系统内部，压缩空气通过TBM上所设置的截止阀进入水气分离器，其中所包含水分经过分离器分离被去除后便形成纯度较高的润滑油气，经油气管输送至钻机钎尾冲洗阀。当钻机有钻孔任务时，信号油开启冲洗阀，润滑油气便顺利地从执行端口流经油气管，最终进入凿岩机内，达到润滑钎尾的目的。

三、解决方案

根据对钻机钎尾油气润滑作用原理及电气控制原理的分析，主要提出以下三种压力信号自动保护方案。

（一）从分配阀提取压力信号保护

压力信号从钎尾油气分配阀上引出，并引入压力开关，生成自动逻辑判断系统[2]：若油气压力低于设计值，紧急停机开关则自动启动，钻机和凿岩机便停止运行。考虑到钎尾油气额定气压0.45MPa，故其钻机单元钎尾油气是否处于开启状态对此并无明显影响，考虑到节能降耗，故应将压力开关动作压力控制在0.35MPa～0.40MPa范围内，以便监测油气压力是否位于允许范围内。在钻机钎尾加油器分配阀的备用接口处安装测压头，从而将压力信号引至常开型压力开关，并串联该压力开关和急停开关；急停开关的串联能在钻机急停发生后使TBM操作室及时发出报警信息，并在接收到故障消除信息后及时重启钻机。

当钻机实际运行压力P比开关动作压力小时，压力开关及急停开关均会按照设计要求断开，钻机也会因此转入急停状态，掘进机TBM操作室会同时发出声音和视觉双重报警信息信号；相反，当钻机实际运行压力比开关动作压力大时，压力开关便会自动闭合，急停开关也会转至复位状态，掘进机TBM操作室会自动发出校核压力校核指令，并待校核正常后自动解除故障警报信息，确保掘进钻机继续稳定运行。

该保护方案仅需设置一套保护装置便能有效监测钻机钎尾油气润滑系统原始压力，运行简便，但是无法监测和保护分配阀油气管支路堵塞、泄漏等气路故障。

（二）从冲洗阀处提取压力信号保护

压力信号从钎尾油气冲洗阀测压头上引出，并控制压力开关。由于冲洗阀主要设置在操作台侧方，直接控制着凿岩机钎尾润滑油气阀门的启闭，能有效反应凿岩机钎尾实际润滑状态。其控制原理与从分配阀提取压力信号保护方案控制原理相同，但是增设了复位按钮，以便钻机急停后的重启。钻机钎尾油气系统的开启会产生压力降低，所以其压力不应过高，结合类似项目操作经验，压力开关临界值应控制在0.15MPa～0.20MPa范围内。为避免压力开关发生误动并影响控制效果，应选择最小的压力开关动作压力。

按照该方案设计能有效实现钻机钎尾油气实际润滑情况的自动检测，并为凿岩机正常运行提供有效实时监测保护，操作过程更为简便，但前提是必须为每一台钻机单元事先配备一套保护装置，故运行成本较高，并且无法实现对冲洗阀阀芯卡死、短路等故障的实时监测和与保护。

（三）将压力状态输入主PLC控制器

将机械自动运行控制模块加入掘进TBM机械主PLC控制器内，还必须借助压力传感器将钻机钎尾润滑油气压力实际值输入主PLC控制器，经过前后状态对比判断钻机钎尾润滑油气系统运行状态，并根据监测和判断结果确定是否需要急停钻机，TBM操作室内可同步发出故障信息。根据设计要求，掘进机各个操作平台冲洗阀油气出口上均有安装三通测压三通装置，在检测过程中必须将压力信号引入相应压力传感器中；还应当同时在信号油路入口处的PP结构上安装三通测压三通装置，并在压力传感器中引入压力信号；信号油路PP控制着钎尾油气系统，当冲洗阀额定压力2.8MPa、设定压力2.3MPa时且压力信号达到设定值时，钎尾润滑油气系统开启。因凿岩机具备自动排气能力，故压力信号达不到0.45MPa的压力水平，则实际控制中应按照0.15MPa～0.20MPa的范围控制压力信号；一旦PP结构接口处压力信号值消失，则钎尾润滑油气冲洗阀门便会自动关闭，压力信号值也会在瞬时间降至最低值0，从而引发钻机急停。

四、方案比选及应用

经过分析发现，以上三种锚杆钻机润滑保护方案复杂程度依次递增，设计及应用成本也逐个提高，保护性能依次增大。结合隧道工程运行实际，锚杆钻机性能较为稳定，钻机钎尾油气润滑系统也正常运转，钻机钎尾润滑故障发生的可能性较小，只需切断气源卸压后每日进行钎尾润滑油气的检查和添加。为避免气源未及时打开等人因失误引发凿岩机故障和损坏，应采用第一种（即从分配阀提取压力信号保护）方案进行钎尾油气气源压力是否满足施工需要的监测。

该项目TBM施工中采用的是第一种保护方案，并将动作压力40kPa的压差开关改装为压力开关用于保护系统组装。在此后数月的施工过程中有效避免了钎尾气阀未及时开启、空压机意外停机造成凿岩机钎尾油气润滑工作面缺失损坏等潜在事故，确保了隧道掘进施工的顺利进行。

五、结语

综上所述，本文所提出的从分配阀提取压力信号保护、从冲洗阀处提取压力信号保护及将压力状态输入主PLC控制器的三种压力信号自动保护方案设计的操作复杂程度、成本、耗时依次递增，保护效果也逐个增强，对于隧道施工实际而言，必须综合考虑工期、施工质量、施工成本，选择最为适宜的凿岩机所用钎尾油气润滑保护方式。