TBM侧向平移、空推新设备的研发及应用

朱朋金, 赵康林, 肖利星

(中铁隧道集团二处有限公司， 河北 三河 065201)

0 引言

盾构和岩石掘进机(以下简称TBM)因施工快速、安全、环保等优势，在地下工程领域应用越来越广泛[1-2]。但受地上地下建构筑物较多等客观条件所限， TBM经常会出现侧向平移或空推始发接收的工况。

国内很多学者针对TBM平移、空推等技术进行过研究探讨，如李志军等[3]采用“基座+钢轨”空推和“弧形导台加轨道法”2种方式空推过站；肖利星[4]采用“弧形导台+预埋滑行钢轨、空推架插孔”，利用TBM自身辅推油缸动力实现快速空推及纠偏功能；赵岗领等[5]采用“弧形导台加轨道法”空推盾构过暗挖隧道段；刘建国[6]采用铺钢轨+基座顶推平移方式实现盾构平移解体吊出，采用导台+钢轨方式实现盾构机区间空推等；王珣等[7]采用铺钢板+千斤顶顶推托架方式平移空推盾构过站；张伟[8]采用油缸水平顶推盾构始发台(基座)实现水平推移，采用顶升千斤顶循环铺钢板、棍轴法+推进油缸顶推基座过站技术；邝光霖等[9]采用推进油缸顶推(托架)基座+顶升千斤顶循环铺钢板及滚钢法，同时在钢板平台上加装滚钢滚动面的钢板卡槽，以防滚钢前行中跑偏，实现盾构过站。

总体来讲，TBM现有平移及空推工法大致原理为“导台/基座+先轨(钢板、棍轴)后推”法(以下简称“先轨后推”)，而导台空推明显优于基座平移[10-12]，但“先轨后推”整体工艺前期准备工作量大、预埋精度要求高，且参与作业人员较多，每次顶推距离受千斤顶行程限定，每循环顶推前钢板及棍轴需重复安装定位，效率较低，另外平移、空推工序采用的装置设备不同，工序转换存在风险。

本文结合青岛地铁8号线闫—鞍区间TBM多次平移+空推工况实践，针对传统“先轨后推”平移、空推工艺缺点，思考在TBM传统基座上增加轮系等机构实现高效率、低风险重物移运，着重从提高基座的承载能力、驱动力、轮系的强度、地面承载力及平整度等方面入手进行创新工装，重点解决基座及轮系强度、导向、转向等问题，研发出TBM新型平移、空推设备及应用工法。

1 工程概况

青岛地铁8号线闫家山站—南昌路北站区间、南昌路北站—嘉定山站区间、嘉定山站—鞍山路站区间采用2台双护盾TBM掘进施工[13-15]，单台TBM掘进长度4.7 km，刀盘直径7.032 m，主机长13.5 m，整机长145 m。在闫—南区间设置1处始发工点，受地面条件限制，始发井位于线路东侧，采用“侧向平移+弧形出渣导洞”始发方案[10](见图1)，设置1座始发井+1座出渣井、1座TBM平移横通道(47 m)、1座后盲洞(68 m)、1座双(单)线弧形出渣导洞(78 m)[15]。

2台TBM先后在闫—南区间始发井组装后，沿横通道平移至正线接口处，沿正线始发导洞(矿山法)空推至与TBM分界位置始发，掘进至南昌路北站接收；再空推过站后二次始发，掘进至嘉定山站接收；再空推过站后3次始发，掘进至鞍山路站小里程端头接收并解体吊出。单台TBM施工存在1次侧向平移、1次空推始发、2次空推过站、3次车站到达和2次车站始发工况，见图2。

2 传统“先轨后推”平移、空推装置

目前TBM平移的常规工艺原理： 在地面预埋钢板后浇筑混凝土，养护完成后铺设钢轨[3]，并将钢轨与钢板连为一体，再安装平移TBM基座，待TBM接收顶推至平移基座上后，用液压千斤顶顶推基座[5-7]，基座连同TBM一同平移。TBM平移装置如图3所示。

图1 闫—南区间“TBM侧向平移+弧形出渣导洞”始发方案平面示意图

Fig. 1 Plan of TBM launching scheme of lateral moving + curved mucking tunnel of Yanjiashan Station-North Nanchanglu Station

图2 TBM始发、掘进、空推、接收示意图

Fig. 2 Sketch of TBM launching, boring, advancing without load and receiving

(a) 铺设钢轨及基座安装 (b) TBM平移顶推作业

图3 TBM平移装置

Fig. 3 Equipments for TBM lateral moving

TBM空推的主要常规做法是： “弧形导台预埋钢轨+空推架或夹轨装置”[3-5]及“顶推基座+循环铺钢板、棍轴过站”[7-9]。前者工艺速率相对较高且空推线路控制较准，但夹轨器因存在受力不均导致轨道变形断裂风险，不建议采用。大多采用空推架方式，即在弧形导台两侧预埋钢轨，在导台中部预埋方钢管(作为空推架插孔)[4]，所有部件预埋完成后浇筑施工混凝土，待混凝土浇筑养护完成后，将空推架插入导台预留方钢孔内，采用TBM自身动力装置顶推空推架完成空推作业。TBM空推装置如图4所示。

采取常规“先轨后推”平移及空推工艺，前期预埋等准备工作量大，精度要求高，另外，常规方式需先顶推完成横向平移，再采用纵向顶推上弧形导台后，安装顶推反力架进行空推，工序不能连续，整体进度慢(空推15～20 m/d，平移5～10 m/d)，耗费人力多，存在平移与空推接口施工风险大等问题。

(a) 弧形导台预埋钢轨+方钢孔(b) 辅推油缸顶推空推架为反力前进

图4 空推装置

Fig. 4 Equipments for TBM advancing without load

如何安全、高效、快速地完成TBM平移、空推作业，并解决平移空推连续作业，一直是行业内重点关注的问题，国内外还没有可以同时解决TBM平移和空推的装置及工法，研究新设备工艺是行业发展的需要。

结合实际工况，闫—南—嘉—鞍区间2台TBM施工共存在2次侧向平移、2次空推始发、4次空推过站、6次车站到达和4次车站始发，采用传统平移空推工艺功效较低，将大大占用工期、风险大。因此有必要对传统平移和空推工艺进行革新优化。

3 TBM主机平移、空推新装置

针对传统“先轨后推”平移及空推工艺进行优化，借鉴“重载运输平板车”理念，在原先基座基础上，增加轮系及驱动力，研发出新型的平移、空推装置——TBM主机液动移位装置。

3.1 液动移位装置功能

该装置可以实现TBM主机安全快速侧向平移、正向空推移位始发/接收功能，不需要浇筑弧形导台结构及预埋轨道、方钢等。

3.2 液动移位装置工作原理

装置由液控系统驱动行驶，采用电液控制，行走马达带动移位装置与主机平移，到达指定位置后，通过驱动轮组件与从动轮组件原地90°转向，完成移位装置行进方向90°转向后，开动马达继续带动移位装置将主机纵向空推。

3.3 液动移位装置主要技术指标

1)可载TBM主机外形尺寸： 外径≤8 m，长度≤14 m；

2)可载TBM主机质量： ≤600 t；

3)可以适应水泥地面的最大坡度： 33‰；

4)前行移动速率： 0.2～0.4 m/min；

5)返回最大速率： 0.8 m/min；

6)液压系统工作压力： 25 MPa；

7)TBM主机底部离地最高370 mm，移位装置底面离地120 mm；

8)路面平整度要求±2 cm。

3.4 液动移位装置组成

TBM主机液动移位装置主要由承载台架、驱动轮和从动轮组件、横纵向导向机构、转向机构、顶升支架组合(千斤顶)和护轮撑垫、液压动力组件、电控系统、电液操作台小车、卸载机构(千斤顶)等组成。装置机械结构部分如图5所示。

图5 装置机械结构部分

3.4.1 承载台架

承载台架采用U形焊接托架结构，采用低合金高强度结构钢以提高承载能力。

与TBM主机匹配，台架全长13.05 m，宽4.5 m，尽可能利用正线空推通道的横向空间，在台架U形弧下的空间布局轮系和其他运动机构，包括驱动轮组件、从动轮组件、从动轮转向机构、顶升和导向机构以及液压管路与电控线路等。

由于始发井宽度限制及出于方便运输的考虑，将承载台架设计为6段拼装式结构，运输时分6段，使用时分首、中、尾3段，通过一般螺栓和六角头铰制螺栓连接紧固。

3.4.2 驱动轮组件

承载台架共设8个驱动轮组件，驱动轮组件主要由加压油缸、主支架、扭力环、液压马达、驱动轮组件等组成，详见图6。驱动轮组件主要使用液压马达带动驱动轮组转动形成驱动力矩，通过加压油缸向下顶推主支架并进一步给予驱动轮组以正压力，在正压力下，驱动力矩通过摩擦作用转换为前进的动力带动移位装置前进。

在驱动轮钢轮毂的外圈包裹聚氨酯胎面，聚氨酯作为弹性体有较好的综合力学性能与承载能力，且摩擦因数大，不需要太大的正压力就可以转化出足够的摩擦力用于驱动，摩擦试验表明，驱动轮外敷材料聚胺酯跟水泥地面摩擦因数可以达到0.2，能有效地保护所行走的水泥地面。另外从结构上对轮的转向角度进行了机械限位，转到90°后有几度的摆动范围，能确保驱动轮前进方向稳定，不会有大的波动。

3.4.3 从动轮组件

驱动轮组件所承受96 t(12×8)载荷远远不能满足TBM重载要求，承载台架需要尽可能多的从动轮组件能承担全部载荷，同时考虑到地面水泥耐压强度的影响，通过空间充分利用，可设置56组从动轮组件，分4列，左右对称分布。

从动轮组件与地面间采用地坦克形式，地坦克轮系外层采用尼龙，经计算，满足对水泥地面的压强要求(<30 MPa)，为适应主机前后极不均衡的质量分布，采用多种刚度的碟形弹簧，使各从动轮受到的压力不致相差太大。从动轮组件如图7所示。

图6 驱动轮组件

图7 从动轮组件

3.4.4 导向机构

导向机构在装置横纵向移位时，机构中的导向轮伸入水泥地面上的导向槽(详见本文3.5)，起移动导向作用，而在上下坡需要停留、减速和在平地需停车时，则给导向轮施加足够液压力使轮底部跟水泥地平面产生很大的摩擦力起刹车作用。

横向导向机构如图8所示。横纵向导向机构结构体部分主要采用45#钢，导向轮采用聚氨酯(E=7.5 MPa)。

3.4.5 顶升支架组合与护轮撑垫

1)顶升支架组合。顶升支架是通过其下部相联接的支腿油缸先使其油缸的缸筒下伸触地，后液压油反推其内活塞筒向上顶住自身而将台架连同主机抬起，协助从动轮转向机构完成所有从动轮的转向。

每个支腿油缸最大顶升力为200 t，本工况共设置4个顶升油缸。

2)护轮撑垫。其作用是保护从动轮组件弹性变形不超过其允许极限值。护垫圆盘跟承载台架是螺纹连接，与地面距离可以机动调节，圆盘对地压力在地面耐压范围内。

图8 横向导向机构

3.4.6 卸载机构

移位装置移位至导台界面后，利用装置后部卸载油缸将TBM主机推至导台上。卸载油缸共设置2个。

3.4.7 液压电控组件

液压组件系统为驱动轮的加压油缸、转向马达、支腿油缸、卸载油缸、从动轮转向油缸、导向轮油缸提供动力，完成预定的动作和功能，满足使用要求。

根据液压组件的控制要求配置电气控制内容。

3.4.8 承载台架验算

对承载台架进行强度分析计算，根据其使用工况，分别对吊装工况、水平横移+正线空推工况、换向工况进行仿真计算。

3.4.8.1 吊装工况

吊装工况为将TBM主机分段吊至移位装置上的工作过程。该过程中，由于刀盘+前盾+主驱动质量大且集中于较小一段长度内，因此对刀盘+前盾+主驱动吊放至移位装置上这一过程进行分析计算。根据装置的对称性，模型取其一半建立，如图9所示。

图9 吊装工况

计算得到该工况下装置首段上最大等效应力446.6 MPa，位置在前盾+主驱动与移位装置台架首段的接触处，为接触挤压应力。主机液动移位装置首段最大变形量为37.16 mm，如图10所示。其他部分应力较小，装置结构强度满足要求。

同时，提取本工况下从动轮弹簧受到的最大压缩力为189 412 N，对应的最大压缩量为26.08 mm。

图10 移位装置台架首段变形分布(单位: mm)

Fig. 10 Deformation nephogram of initial section of moving equipment framework (unit: mm)

3.4.8.2 水平横移+正线空推工况

该工况下，8个驱动轮组件、56个从动轮组件全部承受压力。网格划分模型如图11所示。水平横移+正线空推工况移位装置台架上最大等效应力为376.2 MPa，位置在前盾+主驱动与移位装置台架接触处横梁和纵梁连接处附近，最大变形量为36.95 mm，如图12所示，其他部分应力较小。该工况下装置结构强度满足要求。

该工况下，从动轮组件弹簧受到最大压缩力为135 710 N，对应的最大压缩量为35.83 mm。

图11 水平横移+正线空推工况(完整模型)

Fig. 11 Complete model of horizontal moving and advancing without load

3.4.8.3 换向工况

驱动轮组件换向时，其提起后完成换向。因此，该工况仅计算56个从动轮组件受力时的状态。该状态下，装置网格划分模型同水平横移+正线空推工况的网格模型，换向工况移位装置台架上最大等效应力为401.7 MPa，位置在前盾+主驱动与移位装置台架接触处横梁和纵梁连接处附近，最大变形量为38.68 mm，详见图13。

换向工况中移位装置台架分为与TBM主机接触的承压板、承压板下面的加强筋、其他横梁和纵梁3部分。其中，承压板上的最大等效应力为264.4 MPa，承压板下面的加强筋上最大等效应力为205.8 MPa，横梁和纵梁上的最大等效应力是401.7 MPa，其他部分应力较小，该工况下装置强度满足要求。

图12 水平横移+正线空推工况： 移位装置台架变形分布(单位: mm)

Fig. 12 Deformation nephogram of moving equipment framework under condition of horizontal moving and advancing without load (unit: mm)

图13 换向工况： 移位装置台架变形分布(单位： mm)

Fig. 13 Deformation nephogram of moving equipment framework under condition of turning (unit: mm)

该工况下，从动轮上弹簧最大压缩力为141 993 N，最大压缩量为37.49 mm。

3.5 横通道及正线平移空推配套土建施工

为配合TBM主机液动移位装置行进，移位路面需浇筑为平面，并在横通道地面中心设置宽350 mm、深150 mm的导向槽，在横通道底板浇筑过程中同期实施，横通道底板混凝土采用模筑施工，混凝土强度等级≥C30，见图14。

区间始发导洞导台采用“平面+弧形”结构布置，始发导洞前140 m设置平面导台，最后15 m为传统弧形导台[4]，长度与TBM主机长度匹配，便于TBM定位始发，见图15。

始发导洞平面导台中心设置移位装置导向槽，导向槽尺寸与横通道一致，并与横通道底板导向槽垂直联通(见图14)，待移位装置通过横通道平移至正线接口处时，导向轮恰好位于横通道导向槽和区间导台导向槽交叉口，移位装置各轮系转向90°后，继续沿着区间平面导台缓缓移动至掌子面弧形导台面处，采用装置卸载机构将主机顶出装置到弧形导台上。弧形导台底面与平面导台高差为370 mm(移位装置弧形底至地面高度)，详见图15—16。

(a) 平移横通道底板及平移装置导向槽

(b) 与正线始发导洞导向槽联通

图15 正线始发导洞“平面+弧形”导台实照

图16 平面导台与弧形导台位置示意图

3.6 工作流程

从TBM主机下井并在液动移位装置上组装拼接完成开始，将主机沿既定线路水平横移后再纵向前移空推到导台前，然后将主机卸载至始发导台上准备掘进作业，具体流程见图17。

由于井内空间受限，TBM主机和装置均不能在井内实施转向，所以从水平横移到纵向空推的切换是通过装置底部的轮胎换向实现的，TBM及移位装置本身并不发生旋转。

图17 移位装置平移、空推工艺流程图

Fig. 17 Flowchart of lateral moving and advancing without load of TBM

空推始发的工况流程如下：

1)液动移位装置组装调试。在竖井地面上，将装置承载台架各分段(6段)结构通过高强螺栓连接，并安装好所有的轮系，然后将液压管路与电控线路连接起来，吊装下井就位。

2)井底组装TBM主机各组件。TBM刀盘、前盾、主驱动、伸缩盾、支撑盾、尾盾等从竖井吊到本装置的承载台架上进行组装，待主机焊接完毕，准备横向移位，见图18。

图18 TBM主机在井底液动移位装置上组装实照

Fig. 18 TBM main body equipped on hydraulic moving equipment

3)装置平移。调整装置横向导向轮进入底板导向槽内，启动装置液压系统，压力稳定后，启动加压油缸，驱动轮受压下伸触地，稳定后启动行走马达，对应驱动轮同时动作带动所有从动轮运转，装置牵引着电液操作台小车一起缓慢移动，操作人员在机组旁操控设备运行，见图19。

4)当移位装置越过正线导向槽且移位装置中线正对正线导向槽时停车，行走马达立即停转，并将加压油缸卸压、驱动轮离地，接着将横向导向轮油缸缩回，到位后被锁定，横向移位完成，见图20。

图19 TBM主机液动移位装置在横通道平移实照

Fig. 19 Lateral moving of TBM main body equipped on hydraulic moving equipment

图20 TBM主机侧向平移至正线接口实照

Fig. 20 TBM main body laterally moving to main line connection

5)轮系换向90°。按下按钮启动4个支腿油缸，其缸筒先向下伸触地，然后里面的活塞向上运动，顶住顶升支架而将TBM主机抬起，到位后，位置被锁住，再让从动轮转向油缸和转向马达动作，完成从动轮和驱动轮的90°转向，即所有轮转到台架的纵向方向(朝向装置前段)。完毕，让4个支腿油缸泄压，缸中弹簧复位，台架下沉复位，见图21。

(a) TBM主机轮系转向 (b) 正线空推

图21 TBM主机轮系转向及正线空推

Fig. 21 Gear turning and main line advancing without load of TBM main body

6)正线空推。安装装置纵向前后两端纵向导向轮，使其放置在地面导向槽内，加压驱动轮后启动行走马达，驱动轮同时动作带动所有从动轮运转，装置徐徐向前移动，操作人员在机组旁操控设备运行，打开摄像头和灯光，监控前端的情况；遇到下坡时按下刹车按钮，这时2个导向油缸迅速充入液压油，横向导向机构中伸出导向轮，轮底部紧压地面，产生滑动摩擦而刹车，下坡后终止刹车，导向油缸将导向轮提起。待到导向台前部的附近(2 m左右)时按下刹车按钮和停车按钮，根据其惯性距离，分几次靠近导向台而停车。TBM主机在正线始发导洞内空推见图22。

图22 TBM主机在正线始发导洞内空推实图

Fig. 22 TBM main body advancing without load in launching tunnel of main line

7)装置退出。装置移位停靠至正线弧形导台边停车，将卸盾油缸固定架焊接到已铺设好的水泥地面预埋钢板上，卸盾油缸安装到固定架上，连接好液压管路，启动卸盾油缸，利用其活塞杆头通过中间增加顶铁的方式将TBM主机推到弧形导台上，见图23。

图23 液压站将主机顶出装置到弧形导台实照

Fig. 23 TBM main body pushing to guide by hydraulic equipment

正线空推完成，然后按退回按钮，行走马达反转，装置退回始发地，拆分段，待下次用。

8)空推过站与上述平移、空推始发思路基本一致。装置提前停靠于弧形导台大里程端[12]，焊接固定架(见图23)，TBM利用传统弧形导台空推上液动移位装置后，拆除固定架，启动装置沿过站线路装载TBM主机+后配套过站，行进至车站大里程端始发导台边，再重复(7)步骤，完成装置退出、TBM始发。

4 应用效果

该装置代替常规盾构/TBM基座，采用大量特制钢材、聚氨酯及高强度尼龙等新兴材料，最大程度减小装置高度、增加装置抗压强度，最大限度利用既有隧道断面，利用装置各轮系、导向及举升油缸、行走及转向马达、位移传感器等，实现基座的横向、纵向精确位移、上机、下机等功能，施工风险小，效率高，实测移动速度为1 m/54 s，不需要额外的其他设施与设备，完成整个过程仅需要3～4名操作人员。

闫—南区间第1台TBM自2019年7月12日吊装至8月9日组装调试始发历时28 d，第2台TBM自2019年10月29日吊装至11月23日组装调试始发历时25 d，较传统“先轨后推”工艺有效节约工期约15 d(未包含前期准备工作)。

但同时，该装置对于平移地面强度(不低于30 MPa)、平整度(±2 cm)要求较高，否则会出现地面摩擦力过大、动力不足、驱动轮打滑、装置偏移等情况，并且对500 m以下小曲线适应性较差，装置驱动力不足，行进容易偏离线路，仍存在改进优化的空间。

5 结论与建议

TBM主机液动移位装置创新工装在青岛地铁的成功应用，实现了TBM平移空推作业的机械自动化，较传统“先轨后推”工艺大大减少了前期工作量；将TBM平移空推工序合二为一，且设备可拆可联、机动灵活，搬运方便，提高了作业效率，安全性大大提升；还可延长长度，满足不同外形尺寸的TBM主机，具有较大的通用性，适用范围广。但该装置对平移地面的平整度、强度有一定的要求，隧道曲线适应性较低，仍存在优化空间。另外该设备造价较高，可综合工程实际工况进行方案比选，建议单次使用采用租赁周转方式。

随着科技的不断进步，隧道施工的机械化、智能化应用已日渐成熟，本文通过对TBM主机平移空推工序的机械化工装研究应用，可为类似TBM工况施工提供借鉴参考。