遼西北供水工程TBM步進裝置

韓佳霖，高偉賢，李清文

北方重工集團有限公司盾構機分公司，遼寧沈陽 110114

遼西北引水工程中TBM8 標段隧道使用Robbins 技術敞開式TBM 隧道掘進機進行施工，通過TBM 步進裝置進行步進作業。由于TBM 步進裝置的結構問題，造成實際施工過程中發生了支撐架變形、拉桿彎曲和震動等不良現象，影響了敞開式TBM 的步進效率和施工進度，因此，本文從步進裝置的結構及工作原理入手，結合遼西北引水工程中敞開式TBM 步進裝置的實際使用情況，剖析問題的實質，希望對今后敞開式TBM 步進裝置的優化設計提供有益的參考。

1 工程概況

遼西北供水工程中TBM8 標段主隧洞段施工總長度18.059km，采用1 臺敞開式TBM 隧道掘進機進行施工，TBM 的掘進方向為直線（無拐點），逆坡掘進，縱坡坡度0.3116‰。開挖洞徑D=8.5m，敞開式TBM 刀盤開挖直徑D=8.53m（邊刀安裝新刀時）。洞口至TBM 開挖面采用鉆爆法施工，敞開式TBM需要步進2342.18m 到達開挖面。

2 TBM 步進裝置結構

敞開式TBM 隧道掘進機步進裝置如圖1 所示，主要包括導向底座、前支腿、底部滑板、步進油缸、拉桿、支撐架。導向底座底部與隧洞底部的導向槽配合，保證TBM 沿隧洞軸線步進；前支腿可以通過支撐油缸和收縮油缸實現伸縮動作，行程50mm，前支腿一端與護盾焊接在一起，另一端支撐地面；底部滑板位于導向底座與護盾之間，上部與護盾連接，底部與導向底座配合，當TBM 向前步進時，底部滑板與導向底座之間產生滑動摩擦；拉桿一端與導向底座連接，另一端與支撐架連接；支撐架與鞍架采用螺栓把合在一起。

圖1 TBM 步進機構示意圖

3 TBM 步進裝置工作原理

敞開式TBM 隧道掘進機步進裝置的主要工作原理是運用鋼板與混凝土地面的摩擦系數大于鋼板與鋼板之間的摩擦系數的特點，實現步進裝置的推進動作。

（1）底部滑板與導向底座之間以及鞍架滑道產生的摩擦力

式中：μ1-有潤滑時鋼板與鋼板之間摩擦系數0.1～0.12；

FN1-TBM 主機重力。

（2）導向底座以及支撐架與混凝土地面之間產生的摩擦力

式中：μ2-鋼板與混凝土地面之間摩擦系數0.2～0.3；

FN2-TBM 主機以及步進裝置的重力之和。

（3）后配套對步進的阻力

式中：μ3-牽引摩擦因數；

FN3-TBM 后配套總重。

（4）由上述計算可知

所以，導向底座和支撐架與混凝土地面產生的摩擦力足夠克服底部滑板與導向底座之間的摩擦力以及鞍架滑道的摩擦力，還有后配套帶來的阻力，滿足TBM 步進動作的推進要求。

TBM 步進裝置初始狀態時后支撐處于提升狀態，支撐架貼緊地面，前支腿與地面接觸；開始步進時前支腿抬起，然后步進油缸伸出，此時底部滑板與護盾同時向前移動；TBM 整體向前平移1.8m 后達到一個行程，后支撐落下，將TBM 主機后部撐起，此時支撐架離開地面，然后前支腿落下撐緊地面，將TBM 主機前部撐起一定距離后，步進油缸開始收縮，導向底座向前移動，并通過拉桿拉動支撐架使鞍架向前移動，步進油缸收縮1.8m 后完成換步動作后，后支撐提升，支撐架貼緊地面，支撐TBM 主機后部，完成一次步進循環作業。

5 TBM 步進裝置工程實際問題與改進對策

1）支撐架與連桿在步進過程中產生了嚴重的變形。主要是結構強度不夠造成的，同時，連桿與支撐架的鉸接點位于支撐架底部，這也使得支撐架在工作時產生了很大的扭矩，在以后的設計中需要增加支撐架結構強度；

2）在換步過程中，導向底座向前移動時，步進裝置偶爾會產生劇烈震動現象。前支腿底部偶爾也會與混凝土地面產生刮蹭。這主要是由于前支腿的支撐油缸行程不足，當前支腿支撐地面時，TBM 主機前部撐起的高度較低，從而當混凝土地面不是十分平整的時候會造成導向底座偶爾被卡住，阻力瞬間增加，使導向底座向前移動過程中產生了巨大的阻力，產生震動現象。在以后的設計中可以將支撐油缸的行程加大，由50mm增加至100mm，增加前支腿的動作范圍，避免導向底座劇烈震動的同時也可以避免前支腿與混凝土地面刮蹭；

3）隧洞施工中，當TBM 到達開挖面，步進工序結束時，需要將TBM 步進裝置拆卸下來，然后運出洞外，而TBM 步進裝置的導向底座尺寸較大，拆卸及運輸非常不便。在以后的設計中，可以將導向底座設計成可拆卸式，這樣會大大節省步進裝置的拆卸及運輸時間，提高TBM 施工效率；

4）TBM 步進裝置步進速度比較低，每個循環平均需要11.5min。根據施工現場的實際情況，還可以提高推進速度，可以增加液壓系統的流量，提高步進油缸的推進及收縮速度，將TBM 步進裝置每個循環提高至8.5min；

6 結論

遼西北供水工程中TBM8 標段步進距離較長，所以步進工序也是整個施工項目的關鍵部分之一。本文針對TBM 步進裝置的結構以及工程實際中所遇到的問題進行了分析，并提出一些建議，希望可以為今后TBM 步進裝置的優化設計提供參考。

[1]李南川.西秦嶺隧道TBM掘進步進施工技術[期刊論文].隧道建設，2011，12.

[2]趙第厚.TBM卡機的原因和對策[期刊論文.山西水利科技，2008，8.