主驅動雙速減速機在高黎貢山隧道再制造TBM中的施工應用

宋法亮， 劉 捷， 楊新舉， 趙海雷1,

(1. 中鐵隧道局集團有限公司， 廣東 廣州 511458； 2. 盾構及掘進技術國家重點實驗室， 河南 鄭州 450001;3. 云桂鐵路云南有限公司， 云南 昆明 650011； 4. 中鐵隧道股份有限公司， 河南 鄭州 450001)

0 引言

TBM是一種超大型電液一體化機械，專用于硬巖隧道開挖，其包括刀盤系統、推進系統和皮帶出渣系統等，開挖隧道具有快速、安全、高效等特點，要優(yōu)于鉆爆法開挖[1-4]。但由于圍巖環(huán)境復雜，TBM在硬巖掘進過程中經常發(fā)生刀盤卡死被困事故，給施工生產安全和施工效益帶來了不利影響[5-8]。

對于TBM脫困技術，其中一種是人工脫困技術，目前已有不少研究，例如： 趙毅[9]提出了TBM超前化學灌漿脫困技術，通過在刀盤內超前鉆孔、在孔口混合和高壓力灌漿實施雙組分化學漿液，快速加固坍塌體、軟弱破碎層并有效脫困； 劉建平等[10]提出了針對高黎貢山隧道TBM小導洞的脫困技術，通過在護盾頂部人工開挖小導洞，對刀盤上方、護盾頂部的積渣進行清理，以減小刀盤轉動阻力至轉矩恢復正常； 張兵等[11]提出了高黎貢山隧道破碎地層TBM施工技術及應對方法，包括化學灌漿、小導洞開挖及支護、超前管棚等綜合應對方法。另一種是提高TBM的刀盤轉矩技術，例如： 侯昆洲[12]提出了TBM刀盤電動-液壓同步驅動系統，采用混合驅動提高TBM脫困轉矩； 謝海波等[13]提出了液體黏性離合器新型TBM刀盤驅動方案； 劉統等[14]提出了基于液壓變壓器的TBM刀盤混合驅動技術。

雙速減速機作為提升主驅動轉矩的專用零部件，曾在印度孟買地鐵UCG-01、墨西哥TEPⅡ排水隧洞等項目中使用。其中，孟買地鐵UCG-01項目的地質條件為玄武巖、凝灰?guī)r、風化角礫巖，采用的設備為硬巖-土壓跨模式掘進機；墨西哥排水隧洞項目地質條件主要為安山巖、軟土、復合復雜地層，采用的設備類型為硬巖-土壓跨模式掘進機。以上設備在遭遇特殊地質的情況下，通過高低轉速、大小轉矩的切換，使掘進月進尺由平均200多m提升到480 m。在國外隧道行業(yè)，雙速減速機已逐漸成為隧道掘進機的標配，但在國內TBM施工上鮮有使用案例。本文針對TBM在高黎貢山隧道破碎圍巖遭遇的刀盤轉矩不足導致設備卡機的問題，提出了在TBM主驅動系統安裝雙速減速機的改造方案，并在現場進行了安裝應用。

1 工程背景

大瑞鐵路是我國第1條穿越橫斷山脈、地形地質條件極為復雜的國家Ⅰ級干線鐵路。高黎貢山隧道作為其控制性工程，地質環(huán)境具有“三高”(高地熱、高地應力、高地震烈度)、“四活躍”(活躍的新構造運動、活躍的地熱水環(huán)境、活躍的外動力地質條件和活躍的岸坡淺表改造過程)的特征，其中，平導TBM施工段采用一臺開挖直徑為6.39 m的敞開式硬巖掘進機施工。自TBM掘進以來，節(jié)理密集破碎帶、斷層破碎帶、全風化花崗巖遇水流沙地層、涌水、蝕變透鏡體等不良地質頻繁出現。不良地質突發(fā)性強、持續(xù)段落長、占比高，TBM頻繁遭遇卡機，掘進緩慢，TBM自身優(yōu)越性未得到充分發(fā)揮。從2017年11月25日始發(fā)掘進至2020年6月25日，平導TBM累計掘進4 516.86 m，期間共發(fā)生11次卡機，其中8次卡機為圍巖破碎導致。分析原因主要為原裝TBM刀盤轉矩不足，刀盤自我保護跳停，導致設備停機無法推進，造成停機時間達到了總施工天數的48%。

2 原TBM主驅動系統工作原理

原TBM主驅動系統結構如圖1所示。主驅動包括主軸承、驅動箱、大齒圈、主軸承密封、小齒輪、行星減速機和TBM主電機等。主軸承外圈通過螺栓與驅動箱連接，內圈通過螺栓連接刀盤轉接環(huán)和刀盤。刀盤轉接環(huán)通過螺栓與大齒圈連接。電機傳遞出的轉矩通過行星減速機減速增距傳遞到小齒輪上，小齒輪驅動大齒圈轉動。

圖1 原TBM主驅動系統結構圖

3 雙速減速機應用原理與性能分析

3.1 雙速減速機原理

雙速減速機有高速和低速2種模式。雙速減速機外部結構如圖2所示。雙速減速機在低速模式下的內部結構如圖3所示。在高速模式下，擋位轉換系統連接輸入軸和輸出軸，輸出軸和行星齒輪脫離，轉速直接由輸入軸傳遞至輸出軸，此時減速比為1.00； 在低速模式下，擋位轉換系統連接輸出軸和行星齒輪，輸入軸和輸出軸脫離，轉速由輸入軸傳遞至行星齒輪，再傳遞至輸出軸，減速比為1.47。通過手柄可直接控制切換高、低速模式。

雙速減速機安裝在TBM主電機與原減速機之間(如圖4所示)。安裝后，主驅動傳動途徑為： 主電機—轉矩限制器—傳動花鍵軸—雙速減速機—主減速機—小齒輪—大齒圈—轉接環(huán)—主軸承內圈—刀盤。

④—前端面； ⑤—后端面； —觀察洞蓋板； —注油點。

①—把軸系統； ②—同步輸出軸系統； ③—同步輸入軸系統； ④—輸出軸安裝板； ⑤—輸入軸安裝板； ⑥—輸出軸密封； ⑦—輸入軸密封； ⑧—輸出端密封墊片； ⑨—輸入端密封墊片； ⑩—換熱器冷卻水輸入； —換熱器冷卻水輸出； —擋位轉換系統； —螺旋座圈； —防護蓋板； —堵頭； —剪切銷； —排氣孔； —空心塞子； —輸出端隔環(huán)； —輸入端隔環(huán)； —O型密封； —內六角螺栓。

圖4 雙速減速機安裝位置

3.2 雙速減速機高、低速模式下刀盤額定轉速、轉矩對比

1)刀盤額定轉速

(1)

式中：n0為電機額定轉速，取989 r/min；i1為行星減速機減速比，取29.34；i2為雙速減速機減速比，高速模式下取1.00，低速模式下取1.47；i3為小齒輪/大齒圈減速比，取6.26。

2)刀盤額定轉矩

Mi=M0·i1·i2·i3·i。

(2)

式中：M0為電機額定輸出轉矩，取3.19 kN·m;i為電機數量，取7。

通過計算可得： 1)高速模式下，ni=5.38 r/min,Mi=4 101.32 kN·m; 2)低速模式下，ni=3.66 r/min，Mi=6 028.93 kN·m。

從以上分析可以看出，低速模式下雙速減速機的原理是在不改變TBM主電機能力的前提下，通過提高減速比，以短時間突破傳動鏈設計能力為代價，來獲得更高的脫困轉矩。

3.3 雙速減速機高、低速模式下設備性能特點

雙速減速機高、低速模式下設備性能對比見表1。安裝雙速減速機前后TBM轉矩對比見圖5。在低速模式下雙速減速機使得敞開式硬巖掘進機的刀盤脫困轉矩得到顯著提高，在刀盤轉速低于4 r/min時，脫困轉矩可達到9 225 kN·m，為原設備脫困轉矩(6 150 kN·m)的1.47倍。在破碎圍巖情況下，要求保持TBM刀盤轉速在3 r/min以下，以減少對圍巖的擾動和超量出渣，避免皮帶機卡死，該情況下雙速減速機性能可以得到更好的發(fā)揮。

低速模式下，刀盤最高轉速由11.97 r/min降低至8.14 r/min，刀盤轉速和刀盤出渣能力受到限制，特別是在面對硬巖時，需要高刀盤轉速以提高破巖效率。因此，在正常圍巖下建議使用高速模式，這樣也方便對低速模式使用時長進行統計。

4 主驅動系統雙速減速機接口匹配設計研究

4.1 機械安裝接口匹配

TBM主大梁1區(qū)域結構如圖6所示。雙速減速機安裝后，主電機尾部將相對原位置后移40 cm，對設備結構將產生下列影響：

1)安裝雙速減速機前拱架安裝器拼裝機構與主電機尾端距離11 cm，因此，拼裝機構需向后移動30 cm以上。

2)主電機端蓋超出頂護盾保護范圍。

3)原主電機傳動軸不匹配，需進行改造。

4)整個主梁空間將更加擁擠。

改造后的TBM主梁結構如圖7所示。高黎貢山平導TBM是經過再制造后在項目中投入使用的，在再制造時提前考慮了雙速減速機對結構的影響，將TBM主梁全長由13.339 m延伸至14.592 m，給支護設備留出空間，并將頂護盾向后延長1 m，避免了雙速減速機安裝后對支護設備的影響。

表1 雙速減速機高、低速模式下設備性能對比

圖5 安裝雙速減速機前后TBM轉矩對比

圖6 TBM主大梁1區(qū)域結構圖

①—主梁3； ②—延長后主梁2。

原電機傳動軸需進行改造，將A處軸端削除17 mm。主電機傳動軸改造圖如圖8所示。

4.2 刀盤控制程序升級

4.2.1 刀盤控制程序升級分析

相同刀盤轉矩情況下，低速模式TBM主電機轉矩為高速模式的1/1.47，因此，不需要對變頻器里的最大轉矩設定值進行修改。雙速減速機在高低速模式下有不同的減速比，要求所有雙速減速機必須在同一個擋位下工作，否則，將會影響主驅動安全。因此，在雙速減速機機械限位的同時，需要在PLC程序內增加互鎖保護，同時在操作屏幕上顯示所有雙速減速機擋位狀態(tài)指示和刀盤互鎖指示。

4.2.2 PLC程序互鎖修改

在每個雙速減速機手柄處安裝2個位置傳感器，判定高速擋和低速擋狀態(tài)下手柄的位置，并將2個傳感器信號在PLC程序上實現連鎖。

手柄狀態(tài)PLC連鎖如圖9所示。由圖可知，只有當所有高速擋觸點處于高電位且所有低速擋觸點處于低電位信號時，高速擋狀態(tài)判定線圈GB_STATE_HIGH_OK通電。擋位PLC連鎖如圖10所示。圖10中，高速擋狀態(tài)判定觸點GB_STATE_HIGH_OK處于高電位，低速擋連鎖原理與其類似。圖10中，將低速擋、高速擋判定觸點進行并聯，當有一個觸點條件滿足時，即可滿足雙速減速機連鎖條件。

4.2.3 轉速及轉矩顯示修改

轉速顯示修改如圖11所示。臨時變量Temp_Reg_1是刀盤7個電機的平均轉速，通過DIV除法運算指令，除以指定轉速比可得到刀盤轉速。根據雙速減速機狀態(tài)，將TBM轉速分為2種情況： 高速模式時GB_STATE_HIGH_OK觸點處于高電位，采用原減速比183.76；低速模式時GB_STATE_LOW_OK觸點處于高電位，減速比為270.13。轉矩顯示也需做類似修改。

圖9 手柄狀態(tài)PLC連鎖

圖10 擋位PLC連鎖

圖11 轉速顯示修改

4.2.4 刀盤參數界面修改

刀盤參數界面如圖12所示。在顯示屏刀盤參數界面，添加雙速減速機擋位指示燈，以顯示所有雙速減速機狀態(tài)。

圖12 刀盤參數界面

5 主驅動傳動鏈強度校核

5.1 雙速減速機對主軸承壽命的影響分析

影響主軸承壽命的因素主要包括反推力以及TBM掘進過程中糾偏角度所產生的傾覆力矩，刀盤轉矩對其影響較小[15]。主軸承的理論總轉數為5.195×106r，有90%的可能性達到或超過理論壽命。在刀盤轉速為8.96 r/min的情況下，主軸承壽命可以達到9 664 h；在刀盤轉速為3.6 r/min的情況下，主軸承可運行24 053 h。雙速減速機安裝前彩云1號TBM累計開挖4 460 m，刀盤運行時間為1 786 h，平均掘進速度為2.50 m/h。平導TBM剩余掘進洞段長度為5 000 m，根據前期數據推算，剩余工程刀盤運轉時間約為2 000 h，主軸承壽命可滿足現場使用。

5.2 雙速減速機對齒輪系壽命的影響分析

刀盤轉矩由負載決定，當掌子面圍巖破碎、刀盤長時間在大轉矩下運轉時，會造成主驅動傳動系統壽命嚴重減少，使用過程中原裝減速機、小齒輪及大齒圈等傳動系統出現故障及損壞的風險也較高。齒輪系壽命計算工況設置如表2所示，即在減速機連續(xù)運轉、60%工況轉矩為4 100 kN·m、40%工況轉矩為6 150 kN·m的情況下，進行減速機、大齒輪和減速機壽命的計算。

表2 齒輪系壽命計算工況設置

根據廠家提供的計算結果，大齒圈、小齒輪壽命為10 000 h。原裝減速機相應故障發(fā)生的時間如下： Pitting Life(齒面點蝕)為1 796 h，Bending Life(彎曲疲勞)為534 501 h，Bearing Life(軸承壽命)為9 774 h。

原裝減速機齒面點蝕發(fā)生的時間為1 796 h，TBM剩余掘進約需2 000 h。在一般圍巖條件下，TBM轉矩為1 000～2 000 kN·m，僅在極端地質條件下，刀盤轉矩才會超出4 100 kN·m，理論上齒輪系壽命可滿足現場使用。

6 雙速減速機洞內安裝

雙速減速機是彩云1號TBM在隧道內掘進4 km后安裝的，安裝前需斷開主驅動電機的電源，拆除所有傳動軸，確保按照所有必要的安全措施進行操作。從機頭架中2個相鄰的主驅動位置上拆除主電機和單速減速機總成。如果減速機沒有立即安裝在打開的主驅動位置，則需要臨時封閉開口，防止異物進入驅動箱。雙速減速機的洞內安裝工藝主要包括以下2個方面：

1)雙速減速機安裝工藝。首先，清理和檢查雙速減速機與機頭架之間的安裝接口和密封，確保沒有損壞； 然后，根據圖4，將2個減速機中的一個安裝到機頭架中，并在相鄰的打開的主驅動位置上進行齒間隙試驗。重復以上步驟，直至所有主驅動位置測試完成，然后安裝位置傳感器，用于判定手柄位置，并將數據連接至PLC，確保所有雙速減速機擋位相同。

2)主電機安裝工藝。7處主驅動位置的雙速減速機安裝完成且齒間隙和接口都檢查完成后，從單級減速機上拆除主電機并將其安裝到雙速減速機上。將電源線重新連接到主驅動電機上，并在刀盤旋轉之前核實所有系統是否正常工作。

7 雙速減速機使用管理制度

TBM轉矩傳遞涉及系統較多，使用雙速減速機時間過長，將對轉矩傳動鏈上相關部件的壽命產生影響，甚至可能導致主機部位的結構件扭曲變形。因此，雙速減速機的操作要點如下：

1)當刀盤轉矩長期超過5 000 kN·m或刀盤卡機后啟用雙速減速機;當刀盤轉矩長期低于4 000 kN·m時不啟用雙速減速機。

2)使用雙速減速機前，對設備進行必要的檢修。例如： 液壓系統關鍵線路是否有泄露； 關鍵閥件的壓力校訂是否符合圖紙要求； 鞍架滑軌間隙是否在圖紙要求范圍內。

3)刀盤推進過程中，在沒有改變流量的情況下如果推進壓力下降，說明前方巖石較軟，應在下一掘進行程中適當調低撐靴壓力； 如果推進壓力增加，說明前方巖石變硬，下一掘進行程中可維持或調高撐靴壓力。

4)側支撐應對稱貼緊洞壁,頂部支撐減壓閥的壓力應根據巖石條件適當調高或調低，原則上遇到軟巖時頂支撐應貼緊洞壁，并適當嵌入洞壁5～10 mm。

5)密切關注主機界面主驅動、齒輪油箱油溫報警信息，出現報警時必須停機查找原因。

6)記錄每次雙速減速機低速模式使用時長，并嚴格執(zhí)行主驅動振動、油樣檢測周檢查制度。

8 典型案例分析

8.1 雙速減速機在工程中的應用

2019年8月27日，高黎貢山隧道出口平導彩云1號TBM掘進至PDZK221+481處時，遭遇高壓富水蝕變透鏡體不良地質，主要表現為高壓突涌(最大涌水量為1 300 m3/h)、圍巖軟弱破碎、風化程度高、遇水泥化、鉆孔壓力大無法穿透不良地質體等，造成TBM被困時間較長。

2020年5月12日，彩云1號TBM增加了雙速減速機進行輔助脫困，在土建工作完成后，開啟雙速減速機低速模式，進行刀盤脫困。2020年5月18日，不良地質段仍在持續(xù)，掌子面圍巖穩(wěn)定性差，粉砂狀圍巖遇水泥化包裹在刀盤周邊，造成掘進過程中轉矩持續(xù)不穩(wěn)定(如圖13所示)，刀盤轉矩持續(xù)在2 000～8 000 kN·m波動，短時間內甚至突破9 000 kN·m。掘進6 m后轉矩開始下降，TBM通過不良地質，歷經約23 h。

括號內的數據代表里程。

在本次脫困中如按原TBM設計脫困轉矩，TBM刀盤將在6 000 kN·m左右跳停，則需要采用土建施工進行脫困，脫困時間將需要5～10 d。

雙速減速機的使用效果為川藏線TBM設計提供了參考，川藏線TBM的轉矩設計增加到了30 000 kN·m左右。

8.2 出現的問題及處理措施

在使用過程中仍存在一些問題值得注意。例如： 在轉矩≥8 000 kN·m掘進的情況下，轉矩油缸無法保持TBM滾動角，TBM出現主機滾動值迅速變大的情況，最大達到60 mm/m，且滾動值調整困難，同時十字銷軸系統與鞍架部分連接螺栓發(fā)生斷裂。因此，在雙速減速機使用過程中，為確保TBM姿態(tài)，避免造成TBM結構件損壞，建議現場采取以下措施：

1)密切關注掘進參數變化，盡量降低設備轉矩。

2)圍巖條件允許時，后退TBM并緩慢反轉刀盤，降低滾動角。

3)在護盾之間的間隙處打錨桿輔助定位。

4)提高轉矩油缸泄壓閥壓力值。

5)對十字銷軸更換更高強度螺栓。

9 結論與建議

本文介紹了雙速減速機原理、主驅動系統匹配性改造及雙速減速機安裝、使用方法，并通過現場使用案例論證了雙速減速機可提高TBM脫困能力、減小TBM卡機概率。雙速減速機在高黎貢山隧道項目中的成功應用，開創(chuàng)了國內硬巖掘進機使用兩級減速機的先河。針對TBM脫困方法，得到如下結論與建議：

1)在TBM開挖直徑明確后，主驅動系統傳動強度應按照盡量大的轉矩、推力輸出進行設計匹配，盡量增加設備刀盤脫困轉矩及推力。

2)建議設計階段考慮增加雙速減速機，在較少設備成本的投入下，進一步提高設備脫困轉矩，提升TBM在破碎圍巖下的適應性。

3)要摒棄設備萬能的思想，從目前的類似工程經驗來看，遇到極端破碎圍巖時，還是建議以人工土建工法為主、設備方法為輔，進行TBM刀盤脫困。

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