敞開式TBM復合滑板式步進機構解析

徐東博　郇利民　暢海潮　張慧峰

摘 要：在敞開式TBM與鉆爆法功法相結合的隧洞工程施工中，為滿足施工工期和TBM設備安全需要，在保證設備安全的前提下，對TBM步進機構的可靠性、步進效率要求越來越高。以往步進裝置存在影響設備安全、施工困難且效率低等不利因素。在以往常用步進裝置的基礎上，本文提出了一種復合滑板式步進機構，為提高TBM步進效率和保障設備安全提供了有效的理論及實際依據。

關鍵詞：敞開式TBM 施工工期 TBM設備安全 步進效率 復合滑板式

中圖分類號：TV554 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）03（b）-0113-02

由于TBM設備選型、制造、運輸、組裝周期較長，為保證工期，一般采用鉆爆法與TBM相結合的中間支洞接應方式縮短TBM施工工期。中間支洞鉆爆法接應，直接導致了TBM中間轉場時步進距離的加長，使得TBM步進占用直線工期。TBM步進速度的快慢將直接影響到總工期和經濟效益，因此，在保證設備安全的前提下實現快速步進是目前急需解決的重要問題之一。

1 常用滑板式步進機構形式及工作原理

1.1 常用滑板式步進機構結構

常用滑板式步進機構結構如圖1所示，其主要包括1前滑板、2支撐座（左右各1組）、3頂升油缸組、4提升油缸、5步進油缸、6連接桿、7尾部支撐架、8尾支撐、9推進油缸、10鞍架。其中前滑板底部設置的導向座與隧洞底面的導向槽相配合以保證TBM沿隧道預設軸線滑行；支撐座上端弧面與側護盾焊接，底部坐落于隧道底面；頂升油缸組安裝于支撐座上，當頂升油缸伸長時將TBM前部頂起，TBM從前滑板上抬起；提升油缸亦安裝于支撐座上，用于將支撐座從隧道底面提起/落下；連接桿將前滑板與尾部支撐架連接；步進油缸用于TBM向前步進；尾部支架采用螺栓與鞍架連接以支撐TBM尾部重量。

1.2 常用滑板式步進機構工作原理

常用滑板式步進機構的主要工作原理是采用前滑板1與隧洞底面的摩擦系數μ1（鋼材與混凝土之間0.2～0.3）大于底護盾與前滑板1（鋼材與鋼材之間有潤滑的情況下0.1～0.12）之間摩擦系數μ2的特點，即：TBM向前步進時前滑板與隧道底面之間的摩擦力F1（=G×μ1）大于護盾與前滑板之間的摩擦力F2（=G×μ2）+主梁滑道摩擦力F3。步進油缸推進時因F1>F2+F3，TBM則在前滑板上向前移動，而前滑板保持不動來實現TBM的向前移動。

2 常用滑板式步進機構分析

常用滑板式步進機構的工作流程是：（1）初始狀態支撐座2提起，TBM后支腿提起，底護盾坐落于前滑板上，前滑板與地面貼死，尾部支撐架7貼緊地面；（2）開始推進時步進油缸伸出，TBM在前滑板上向前滑動，尾部支架保持不動，TBM整體向前步進一個行程；（3）頂升油缸組伸出將護盾頂起，支撐TBM前部重量，同時尾支撐落下支撐TBM后部重量；（4）步進油缸回縮將前滑板向前拖動，并通過連接桿帶動鞍架和尾部支架向前移動；（5）完成換步后頂升油缸組縮回、尾支撐提起，恢復初始狀態完成一個步進循環。

在其工作過程中的步驟（2）TBM向前步進/換步時，鞍架和尾部支架保持不動，推進油缸需跟隨步進油缸被動伸長/縮短，其缺點是：（1）向前步進/換步時推進油缸需被動伸長/縮短，缸體和活塞桿與密封產生摩擦，此時油缸內部無油品潤滑，整個過程會對密封有一定程度的磨損，長距離步進時無法保證油缸密封壽命，危及TBM設備安全。為保證TBM設備安全，施工時推進油缸會在TBM步進完成后安裝，安裝難度較大。

（2）長距離步進時，鞍架和主梁滑道產生摩擦，存在滑道耐磨板磨損或無法使用的風險。

3 新型復合滑板式步進機構

根據以上對常用步進機構分析，現提出一種新型復合式滑板式步進機構，其結構如圖2所示。

整個結構包括主要包括1前滑板、2支撐座（左右各1組）、3頂升油缸組、4提升油缸、5步進油缸、6連接桿、7輪組式支撐架、8后滑板、9尾支撐、10推進油缸、11鞍架。其工作原理與常用滑板式相同，其工作過程為：（1）初始狀態支撐座提起，TBM后支腿提起，底護盾坐落于前滑板上，前滑板與地面貼死，輪組式支撐架坐落于后滑板的軌道上，后滑板與地面貼死；（2）工作時步進油缸伸出，TBM在前滑板上向前滑動，輪組式支撐架隨步進油缸伸出在后滑板軌道上隨TBM向前滑動，TBM整體向前步進，過程中推進油缸及鞍架與主梁無相對運動；（3）頂升油缸組伸出至支撐座將護盾頂起，支撐TBM前部重量，尾支撐落下支撐TBM后部重量，此時輪組式支撐架與后滑板上的軌道脫離；（4）步進油缸回縮將前滑板向前拖動，同時通過連接桿帶動后滑板向前移動；（5）完成換步后頂升油缸組縮回、尾支撐提起，恢復初始狀態。

與常用滑板式步進機構相比，其特點是：（1）步進時推進油缸始終保持相對靜止狀態，不隨步進油缸伸長/縮短，保證了油缸密封壽命；（2）推進油缸在設備組裝時直接安裝，施工難度降低；（3）鞍架與主梁滑道無相對運動，主梁滑道耐磨板無磨損；（4）因其尾部支撐的摩擦為滾動摩擦，步進效率可提升10%～15%，減少施工工期。

4 結語

步進機構工作時，在有效的保證推進油缸及主梁滑道耐磨板等設備安全的同時，亦提高了施工效率，縮短了施工工期，適合應用于TBM的快速步進。

參考文獻

[1] 韓佳霖，高偉賢.遼西北供水工程TBM步進裝置[J].應用技術，2014，2（下）：184，192.

[2] 齊志沖，賀飛.開敞式TBM滑板式步進技術在引松工程的應用[J].隧道建設，2017（5）：184-188.

[3] 周雁領.開敞式TBM步進技術[J].隧道建設，2015（5）：468-472.