狭小贯通面环境下的TBM步进机构简易安装措施

2020-08-30岳晓斌

鄂州大学学报 2020年4期

岳晓斌

(中铁十八局集团隧道工程有限公司，重庆 400700)

TBM英文全称Tunnel Boring Machine，是集机、电、液一体的专业隧道施工设备，国内专指全断面硬岩隧道掘进机。TBM法施工使隧道开挖、出渣、支护、导向等工序同步作业，实现一次成洞，相比钻爆法施工具有速度快、质量好、安全环保的优点，所以广泛用于铁道、水电、交通、矿山、市政等隧洞工程中。TBM在完成一个掘进施工段后，需要通过专用的步进机构转移到下一个工作面，在狭小的隧道中安装步进机构，操作难度大，本文结合工程实例，探讨在狭小贯通面步进机构的简易安装措施。

1 步进机构介绍

案例工程采用一台国产小直径TBM，其步进机构见图1：

图1 TBM步进机构结构图（单位：mm）

步进底板的主要作用为承受TBM运行时主机的重量，降低主机运行时形成的接地比压。在具体步进过程中，刀盘的底护盾，在步进底板上通过相对滑动来持续向前推进。但步进底板的表面非常光滑，可减少护盾在滑动过程中的摩擦阻力，从而提升TBM主机步进的速度和效率[1]。

水平推进油缸是TBM步进机构的主要组成部分，安装在钢板和TBM底护盾之间，TBM在步进过程中，如果推进油缸伸出时，钢板和混凝土之间的摩擦力大于钢板和TBM主机之间的摩擦力，则TBM向前移动。推进油缸在收缩过程中，TBM主机几乎已经完全脱离了钢板，此时水平推进油缸，只推动钢板向前移动一个油缸的行程，如此循环往复，就实现了TBM持续向前步进[2]。

举升油缸的主要作用是配合后支撑，举起TBM刀盘，让刀盘顺利脱离钢板，促使水平推进油缸能推动钢板向前移动。支撑架的主要作用为承受TBM主机后部的重量，在TBM向前步进过程中，为其提供一个反向作用力。后支撑的主要作用为配合TBM主机前部的举升油缸，以便于水平推进油缸能使钢板向前拖动。同时，步进泵站为TBM步进提供所需动力。

2 狭小贯通面安装步进机构的简易措施

国内已有大量关于安装TBM步进机构的文献，但是照搬以往经验和按厂家要求进行安装，而不考虑工地实际情况，往往对安装工作造成很大困难，现针对本项目安装时出现的问题进行详细介绍，并提出相应的改进措施[3]。

2.1 TBM机头与步进小车对接

安装步进机构时，需要将TBM前移并将底护盾固定在步进小车上。机头包含护盾、刀盘、主驱动等部件，总重约245吨，在TBM前进时，由撑靴提供支撑力，机头会因太重而下降，不能成功安装到步进小车上。

简易措施：预先在步进底板上安装“八字形”垫板，由宽及窄；圆弧形的底护盾在八字形垫板上向前滑动时，机头会被逐渐抬高，直到与步进小车平齐，从而顺利安装到步进小车上面。

垫板采用20mm厚钢板堆焊而成，焊接前对钢板毛刺及切割不平整的部位用磨光机进行打磨，然后逐层进行焊接，根据板厚选择合适的焊条类型，焊接过程严格控制焊接电流及速度，注意焊件变形情况[4]。垫板总长1000mm、总高度200mm、宽度200mm，调整合适的角度，保证垫板一端与步进小车高度一致，并将垫板焊接到步进底板上。安装示意图如图2、3所示：

图2 垫板安装示意图（俯视图）

图3 垫板安装示意图（正视图）

2.2 支撑架安装位置施工

机头安装到步进小车上后，整机需继续向前“推进”，主要目的是将鞍架移动到前方平地上，以安装支撑架(支撑架安装面为平面)，但是撑靴走到极限位置后，安装空间仍然不足。为解决该问题，以往通常选择在贯通面前端用混泥土浇筑供TBM撑靴支撑的弧形面，待TBM向前行走一段距离后再安装支撑架，但此方法需要提前施工，并且耗费较大[5]。

简易措施：支撑架需要安装在鞍架下方的平地上，而TBM掘进的隧洞截面为圆形。为满足安装要求，在TBM贯通后回退刀盘，对刀盘前面一定尺寸内的弧形断面进行施工，开挖出一个支撑架安装平面，然后再向前推进TBM，达到安装位置后再安装支撑架[6]。

通过图纸等资料确认，鞍架下部的支撑架长3850mm，宽3500mm，撑靴收回后，鞍架可再向前移动1900mm，所以需开挖的支撑架安装面长度为3850-1900=1950mm。因此，考虑到施工误差，选择开挖面长度2000mm，宽度3510mm，即可满足支撑架安装要求。隧道底部留出宽为500mm围岩不开挖（详见图4），以在TBM向前移动时给机头提供支撑力。通过计算，总开挖土方为0.98*2=1.96m3，采用挖掘机施工一天即可完成。相较于传统的立模浇筑弧形支撑面，节省人力物力，效率较高[7]。

图4 土方开挖示意图（阴影部分）单位：mm

2.3 步进动力改进

为提供步进动力，本台TBM配备了步进泵站，长*宽*高为2.5*1.5*1.5（m），尺寸很大，但是实际贯通面狭小，无运输、倒运空间，很难安装。以往常常采用分体运输，到安装位置后再组装，安装好后需重新对泵进行调校，非常麻烦且耗时。

简易措施：不使用步进泵站，采用TBM本身的液压泵站提供步进所需的动力。

本台TBM步进泵站配置55KW异步电机、轴向柱塞泵A11VLO130LRDU型，其性能参数如表1所示：

表1 TBM步进泵站性能参数

根据泵的选型及性能，步进泵站的设计最大流量为Qv max=265L/min，正常工作状态下为最大排量的80%，即Qv=265*0.8=212L/min。泵的工作压力与排量关系如图5所示：

图5 泵的工作压力与排量关系图

对TBM本身的液压泵站的几个液压泵进行测算分析，钢拱架安装系统配置30KW异步电机、轴向柱塞泵A11VLO130LRDU型，正常工作情况下压力220bar，经计算可以满足步进所需动力；主机皮带机泵、齿轮油回油泵工作压力低，且排量小，不能满足步进所需的动力；撑靴泵和推进泵流量和压力均能满足，但是TBM步进为“换步模式”，推进泵和撑靴泵需在“推进模式”，改装难度大，所以也无法满足要求[8]；复位泵为大流量泵，但其工作压力仅有40bar左右，且压力无法通过现场溢流阀进行调节，所以也无法满足要求；综上，结合现场情况，钢拱架液压系统的管路正好位于步进机构附近，比较容易改装，所以选择使用钢拱架的液压系统替代原来的步进液压系统，通过实际验证，该方案可行。