狹小貫通面環(huán)境下的TBM步進(jìn)機(jī)構(gòu)簡易安裝措施

岳曉斌

(中鐵十八局集團(tuán)隧道工程有限公司，重慶 400700)

TBM英文全稱Tunnel Boring Machine，是集機(jī)、電、液一體的專業(yè)隧道施工設(shè)備，國內(nèi)專指全斷面硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)。TBM法施工使隧道開挖、出渣、支護(hù)、導(dǎo)向等工序同步作業(yè)，實(shí)現(xiàn)一次成洞，相比鉆爆法施工具有速度快、質(zhì)量好、安全環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，所以廣泛用于鐵道、水電、交通、礦山、市政等隧洞工程中。TBM在完成一個(gè)掘進(jìn)施工段后，需要通過專用的步進(jìn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)移到下一個(gè)工作面，在狹小的隧道中安裝步進(jìn)機(jī)構(gòu)，操作難度大，本文結(jié)合工程實(shí)例，探討在狹小貫通面步進(jìn)機(jī)構(gòu)的簡易安裝措施。

1 步進(jìn)機(jī)構(gòu)介紹

案例工程采用一臺(tái)國產(chǎn)小直徑TBM，其步進(jìn)機(jī)構(gòu)見圖1：

圖1 TBM步進(jìn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

步進(jìn)底板的主要作用為承受TBM運(yùn)行時(shí)主機(jī)的重量，降低主機(jī)運(yùn)行時(shí)形成的接地比壓。在具體步進(jìn)過程中，刀盤的底護(hù)盾，在步進(jìn)底板上通過相對(duì)滑動(dòng)來持續(xù)向前推進(jìn)。但步進(jìn)底板的表面非常光滑，可減少護(hù)盾在滑動(dòng)過程中的摩擦阻力，從而提升TBM主機(jī)步進(jìn)的速度和效率[1]。

水平推進(jìn)油缸是TBM步進(jìn)機(jī)構(gòu)的主要組成部分，安裝在鋼板和TBM底護(hù)盾之間，TBM在步進(jìn)過程中，如果推進(jìn)油缸伸出時(shí)，鋼板和混凝土之間的摩擦力大于鋼板和TBM主機(jī)之間的摩擦力，則TBM向前移動(dòng)。推進(jìn)油缸在收縮過程中，TBM主機(jī)幾乎已經(jīng)完全脫離了鋼板，此時(shí)水平推進(jìn)油缸，只推動(dòng)鋼板向前移動(dòng)一個(gè)油缸的行程，如此循環(huán)往復(fù)，就實(shí)現(xiàn)了TBM持續(xù)向前步進(jìn)[2]。

舉升油缸的主要作用是配合后支撐，舉起TBM刀盤，讓刀盤順利脫離鋼板，促使水平推進(jìn)油缸能推動(dòng)鋼板向前移動(dòng)。支撐架的主要作用為承受TBM主機(jī)后部的重量，在TBM向前步進(jìn)過程中，為其提供一個(gè)反向作用力。后支撐的主要作用為配合TBM主機(jī)前部的舉升油缸，以便于水平推進(jìn)油缸能使鋼板向前拖動(dòng)。同時(shí)，步進(jìn)泵站為TBM步進(jìn)提供所需動(dòng)力。

2 狹小貫通面安裝步進(jìn)機(jī)構(gòu)的簡易措施

國內(nèi)已有大量關(guān)于安裝TBM步進(jìn)機(jī)構(gòu)的文獻(xiàn)，但是照搬以往經(jīng)驗(yàn)和按廠家要求進(jìn)行安裝，而不考慮工地實(shí)際情況，往往對(duì)安裝工作造成很大困難，現(xiàn)針對(duì)本項(xiàng)目安裝時(shí)出現(xiàn)的問題進(jìn)行詳細(xì)介紹，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施[3]。

2.1 TBM機(jī)頭與步進(jìn)小車對(duì)接

安裝步進(jìn)機(jī)構(gòu)時(shí)，需要將TBM前移并將底護(hù)盾固定在步進(jìn)小車上。機(jī)頭包含護(hù)盾、刀盤、主驅(qū)動(dòng)等部件，總重約245噸，在TBM前進(jìn)時(shí)，由撐靴提供支撐力，機(jī)頭會(huì)因太重而下降，不能成功安裝到步進(jìn)小車上。

簡易措施：預(yù)先在步進(jìn)底板上安裝“八字形”墊板，由寬及窄；圓弧形的底護(hù)盾在八字形墊板上向前滑動(dòng)時(shí)，機(jī)頭會(huì)被逐漸抬高，直到與步進(jìn)小車平齊，從而順利安裝到步進(jìn)小車上面。

墊板采用20mm厚鋼板堆焊而成，焊接前對(duì)鋼板毛刺及切割不平整的部位用磨光機(jī)進(jìn)行打磨，然后逐層進(jìn)行焊接，根據(jù)板厚選擇合適的焊條類型，焊接過程嚴(yán)格控制焊接電流及速度，注意焊件變形情況[4]。墊板總長1000mm、總高度200mm、寬度200mm，調(diào)整合適的角度，保證墊板一端與步進(jìn)小車高度一致，并將墊板焊接到步進(jìn)底板上。安裝示意圖如圖2、3所示：

圖2 墊板安裝示意圖（俯視圖）

圖3 墊板安裝示意圖（正視圖）

2.2 支撐架安裝位置施工

機(jī)頭安裝到步進(jìn)小車上后，整機(jī)需繼續(xù)向前“推進(jìn)”，主要目的是將鞍架移動(dòng)到前方平地上，以安裝支撐架(支撐架安裝面為平面)，但是撐靴走到極限位置后，安裝空間仍然不足。為解決該問題，以往通常選擇在貫通面前端用混泥土澆筑供TBM撐靴支撐的弧形面，待TBM向前行走一段距離后再安裝支撐架，但此方法需要提前施工，并且耗費(fèi)較大[5]。

簡易措施：支撐架需要安裝在鞍架下方的平地上，而TBM掘進(jìn)的隧洞截面為圓形。為滿足安裝要求，在TBM貫通后回退刀盤，對(duì)刀盤前面一定尺寸內(nèi)的弧形斷面進(jìn)行施工，開挖出一個(gè)支撐架安裝平面，然后再向前推進(jìn)TBM，達(dá)到安裝位置后再安裝支撐架[6]。

通過圖紙等資料確認(rèn)，鞍架下部的支撐架長3850mm，寬3500mm，撐靴收回后，鞍架可再向前移動(dòng)1900mm，所以需開挖的支撐架安裝面長度為3850-1900=1950mm。因此，考慮到施工誤差，選擇開挖面長度2000mm，寬度3510mm，即可滿足支撐架安裝要求。隧道底部留出寬為500mm圍巖不開挖（詳見圖4），以在TBM向前移動(dòng)時(shí)給機(jī)頭提供支撐力。通過計(jì)算，總開挖土方為0.98*2=1.96m3，采用挖掘機(jī)施工一天即可完成。相較于傳統(tǒng)的立模澆筑弧形支撐面，節(jié)省人力物力，效率較高[7]。

圖4 土方開挖示意圖（陰影部分）單位：mm

2.3 步進(jìn)動(dòng)力改進(jìn)

為提供步進(jìn)動(dòng)力，本臺(tái)TBM配備了步進(jìn)泵站，長*寬*高為2.5*1.5*1.5（m），尺寸很大，但是實(shí)際貫通面狹小，無運(yùn)輸、倒運(yùn)空間，很難安裝。以往常常采用分體運(yùn)輸，到安裝位置后再組裝，安裝好后需重新對(duì)泵進(jìn)行調(diào)校，非常麻煩且耗時(shí)。

簡易措施：不使用步進(jìn)泵站，采用TBM本身的液壓泵站提供步進(jìn)所需的動(dòng)力。

本臺(tái)TBM步進(jìn)泵站配置55KW異步電機(jī)、軸向柱塞泵A11VLO130LRDU型，其性能參數(shù)如表1所示：

表1 TBM步進(jìn)泵站性能參數(shù)

根據(jù)泵的選型及性能，步進(jìn)泵站的設(shè)計(jì)最大流量為Qv max=265L/min，正常工作狀態(tài)下為最大排量的80%，即Qv=265*0.8=212L/min。泵的工作壓力與排量關(guān)系如圖5所示：

圖5 泵的工作壓力與排量關(guān)系圖

對(duì)TBM本身的液壓泵站的幾個(gè)液壓泵進(jìn)行測(cè)算分析，鋼拱架安裝系統(tǒng)配置30KW異步電機(jī)、軸向柱塞泵A11VLO130LRDU型，正常工作情況下壓力220bar，經(jīng)計(jì)算可以滿足步進(jìn)所需動(dòng)力；主機(jī)皮帶機(jī)泵、齒輪油回油泵工作壓力低，且排量小，不能滿足步進(jìn)所需的動(dòng)力；撐靴泵和推進(jìn)泵流量和壓力均能滿足，但是TBM步進(jìn)為“換步模式”，推進(jìn)泵和撐靴泵需在“推進(jìn)模式”，改裝難度大，所以也無法滿足要求[8]；復(fù)位泵為大流量泵，但其工作壓力僅有40bar左右，且壓力無法通過現(xiàn)場(chǎng)溢流閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以也無法滿足要求；綜上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，鋼拱架液壓系統(tǒng)的管路正好位于步進(jìn)機(jī)構(gòu)附近，比較容易改裝，所以選擇使用鋼拱架的液壓系統(tǒng)替代原來的步進(jìn)液壓系統(tǒng)，通過實(shí)際驗(yàn)證，該方案可行。

3 結(jié)語

結(jié)合工程實(shí)例，分析了狹小貫通面環(huán)境下的TBM步進(jìn)機(jī)構(gòu)簡易安裝措施，著重提出了三大問題：TBM機(jī)頭與步進(jìn)小車對(duì)接、支撐架安裝位置施工和步進(jìn)動(dòng)力改進(jìn)，并給出了相應(yīng)措施。研究表明：通過該措施的應(yīng)用，確保了TBM順利完成轉(zhuǎn)場(chǎng)工作，該簡易安裝措施簡便可行。