关于德国TB880E掘进机除尘系统电机防水改进技术

　　摘要：TB880E型掘进机是针对西安至安康铁路秦岭特长隧道施工要求，从德国WIRTH公司生产的敞开式硬岩掘进机，自1997年开始，先后在秦岭隧道、西南铁路桃花铺隧道、南疆铁路吐库二线中天山隧道施工，一些设备严重老化。除尘系统在TBM施工中起着至关重要的作用，能否正常运转将直接影响施工进度。TB880E型隧道掘进机除尘风机电机经过近10000小时的运转，电机轴端防水出现问题，导致电机轴端频繁进水，造成电机线圈多次烧毁，严重制约了施工进度，为彻底解决这一问题，在中天山隧道施工时，经过深入分析和研究，制定出了确实可行的防水方案，确保了2014年2月28日吐库二线中天山隧道成功贯通。本文对这一方案进行了深入分析和论述，值得广大同仁借鉴。

　　关键词：隧道掘进机；除尘系统；电机防水；改进

　　1.引言

　　TB880E型掘进机是针对西安至安康铁路秦岭特长隧道施工要求，从德国WIRTH公司生产的敞开式硬岩掘进机。自1997年开始，先后在秦岭隧道、西南铁路桃花铺隧道、南疆铁路吐库二线中天山隧道施工，一些设备严重老化。长大隧道施工，通风除尘极其重要，不良的通风会导致粉尘含量超标，将严重危害作业人员的身心健康，也不利于设备的正常运转［1］。TB880E型隧道掘进机设备配置复杂，机电、液压设备多，运行中对作业环境、温度要求较高；PPS导向系统要求洞内粉尘含量低、可见度要高。

　　良好的通风除尘效果，保证了洞内作业人员免受空气含氧量低及粉尘含量高的危险，有利于发挥电脑、PLC程序控制、PPS导向等精密高科技设备的功能。

　　掌子面喷水除尘与吸入式风机滤网除尘相结合，将洞内粉尘含量降到了最低限度，解决了长大隧道施工的长距离独头通风问题，可保证洞内的良好通风。

　　2.通风除尘系统简介

　　2.1供风系统

　　TB880E型隧道掘进机在施工过程中，工作面处所需风量约为30m3/s。

　　洞口风机采用三台Howden-Buffalo公司生产的150XNAxial型风机串联安装，以增大风压，最大压风量1800—3600m3/min，最大风压7453Pa。在掘进长度为0—4km时，启动一台风机，4—6.5km时启动两台风机串联供风，6.5—9.2km时启动三台风机串联供风。由洞外风机输送的新风到达TBM后配套17#拖车时，经接力风机增压后，沿布置于后配套及连接桥左侧的圆形及异形铁皮风筒继续向前输送至TBM主机与连接桥交汇处（离刀盘工作掌子面约25m；在4#拖车处新风经冷却风机和空调机组降温），此处要求向前供风风速v≥0.164m/s，向后风速v≥0.164m/s。

　　2.2除尘系统

　　TBM掘进过程中刀具破岩产生的大量粉尘是洞内的主要污染源，TBM的除尘系统首先通过刀盘喷水嘴在掌子面处喷水降尘，之后将仍含有粉尘的空气用一台最大风量600m3/min的除尘风机由刀盘内部空腔经过密闭的方形除尘风筒吸出，在风机叶轮前有分支的2根φ12mm高压水管，将8bar的高压水喷向带粉尘的空气，二次降尘后的空气经过除尘滤网（四层）过滤，得到彻底净化，并排向洞内（距掌子面35m），此处要求风速v≥0.33m/s。

　　除尘系统的有力保证是水的供应，在TBM的刀盘上有32个喷水嘴，当TBM掘进时，刀盘区域水泵启动，高达10bar的压力水经中心回转接头由喷水嘴喷向掌子面，用以降低刀具破岩时产生的粉尘，同时除尘风机处配有清水泵及污水泵，清水泵是蜗杆式的压力泵，而污水泵为离心式排污泵，清水泵提供8bar的高压水，污水泵将含有大量污染颗粒的污水排向TBM的2#胶带输送机，随石碴运送出洞。

　　3.除尘系统电机防水存在的问题及影响

　　良好的通风除尘效果，可确保洞内作业人员免受空气含氧量低及粉尘含量高的危险，经测试，在无除尘风机工作的情况下继续掘进，10分钟内，主机区域的可视距离就变得不足3m，PPS导向系统因接收不到信号导致液晶显示屏无正确数据显示，因此在除尘风机不工作的情况下掘进将无法进行。除尘风机电机经过近10000小时的运转，电机轴端防水密封出现问题（刚性密封，无法修复），因密封效果欠佳，多次从轴端进水（电机叶轮前1m处有分支的2根φ12mm高压水管作为二级降尘）造成电机线圈烧毁，转子绝缘漆脱落，电机转子损毁。因防水问题近一年来平均每个月就要拆检两次电机，每次拆卸电机耗时在15小时左右（导致TBM停机15小时），粗略估算，每月将影响掘进进尺近20米，严重制约了施工进度，同时，电机维修频次增加也大大增加了维修费用。

　　4.除尘系统电机防水改进方案及实施

　　为彻底解决以上问题，经过探讨和研究，提出以下方案：

　　4.1方案1

　　在电机前端盖外侧与电机叶轮之间缠绕棉布条或棉纱等丝织物，通过其吸收渗透进的水分并依靠电机轴的高速旋转产生的离心力将水甩出，经测试，此方法虽简便易行但因离心力作用丝织物在较短时间内就被甩脱，且此方案并不能将水完全阻隔，仍有部分污水渗透进电机轴端，此方案应急可以但长久考虑不可行。

　　4.2方案2

　　在电机前端盖外侧与电机叶轮之间安装三道密封和一道挡板［2］。通过密封和挡板将通过电机轴渗透进的水阻挡在端盖外侧。经测试，此方案简便易行且效果良好，值得采用。

　　4.3方案实施

　　在电机前端盖与电机叶轮之间的轴上开2个槽，从端盖一侧依次安装骨架密封1、骨架密封2、0型圈和尼龙挡板。之所以安设四道屏障，是考虑到电机运转时扇叶产生的强大风速使水雾具有较强的穿透力［3］。具体如下：

　　4.3.1电机端盖前输出端为变径轴，轴径分别为￠100、￠70。在端盖前￠100轴上开一环型槽（靠近变截面一侧），宽25mm，深1mm，将骨架密封1安装在槽中，与电机前端盖紧密结合在一起，作为最后一道屏障将渗透进的残余水分封堵在外。密封1尺寸为：内径98mm，外径130mm，厚度为25mm。

　　4.3.2骨架密封2位于骨架密封1前，在输出轴变径处开一环型槽，宽10mm，深1mm，将骨架密封2安装在槽内，与骨架密封1贴在一起，可确保输出轴变径处的封堵效果，内径68mm，外径100mm，厚度10mm。

　　4.3.3O型圈安装在挡板与密封2之间，与骨架密封2紧贴，O型圈作为第二道密封，可以阻挡挡板处渗透过来的残余水分。O型圈的尺寸为：内径68mm，外径72mm。

　　4.3.4尼龙挡板设计为内径70mm，外径260mm，厚度为20mm的一个圆盘，在加工时考虑偏差确保尼龙挡板与电机输出轴过盈配合，使挡板与除尘风机电机轴紧密结合在一起，在圆盘表面加工有脱水纹路，在电机高速旋转时，设有脱水纹路的挡板与电机轴同时做高速旋转，利用离心力将水和含水粉尘甩离电机轴［4］。

　　5.效益分析

　　除尘系统电机防水的改进，彻底解决了电机轴端进水的问题，经过近半年运转，电机未再发生因进水而出现故障，为快速掘进提供了有力保障，2014年2月28日，吐库二线中天山隧道成功贯通。从经济角度分析，在电机防水措施改进之前，按每月维修2次、15000元/次、总掘进工期75个月核算，所需维修费用需225万元，防水措施改进之后，初步核算节省了维修费用189万元，如果再考虑拆卸电机所占用的掘进时间，所创造的经济价值将更加可观。

　　参考文献：

　　［1］刘秋新，吴媛媛，黄露霞；钢铁企业除尘系统中若干问题的研讨［J］；建筑热能通风空调；2005年01期

　　［2］马积新；隧道掘进机及盾构施工引起的地层振动［J］；现代隧道技术；1995年01期

　　［3］王晋川；在桑德巴尔水电工程中使用隧道掘进机进行隧道施工［J］；现代隧道技术；1994年06期

　　［4］张羽；隧道掘进机（TBM）在工程施工中的应用［J］；科技情报开发与经济；2005年03期

　　王锐