开敞式TBM步进技术

周雁领（中铁十八局集团有限公司，天津 300222）

开敞式TBM步进技术

周雁领
（中铁十八局集团有限公司，天津 300222）

摘要：我国采用硬岩掘进机施工的项目，有一个突出的特点是TBM法和钻爆法充分结合，因而开始掘进前、中间转场或贯通后TBM都需要步进，甚至是长距离步进，TBM步进速度对工期影响较为明显。本文系统地总结了现有的TBM步进技术，重点论述目前效率最高、迅速得以推广应用的滑板式步进技术，包括结构与原理、步进流程、技术要点、应用效果、适应性改进、辅助工程需要注意的事项等。开敞式TBM采用滑板式步进技术具有设备投入少、施工设施投资少、步进速度快、适用于长短距离步进的优点。

关键词：开敞式TBM；步进技术；步进方式；滑板式

0　引言

21世纪是地下空间开发利用的世纪［1］，我国已成为地下工程建设大国，在水利水电、铁路、城市轨道交通、市政、公路等基础建设中，隧道（洞）工程所占比例很大。

我国的隧道建设在地域方面有2大特点。一是城市隧道工程，如地铁隧道，长度不大，但建设环境复杂，干扰因素多；二是山岭隧道，如水利水电、铁路、公路等隧道，往往为长隧道，甚至为特长隧道，建设环境恶劣，环境保护要求高。我国的隧道建设在工期方面存在一个显著特点——紧张。往往在施工阶段大幅压缩施工工期，甚至科学的工期被一再提前［2－3］，由于长期形成的思维惯性，短时间内很难得到妥善解决，作为工程技术人员，只能努力适应。

长大隧道如何合理缩短建设工期，工程建设、设计、施工单位曾想过许多办法，笔者也在不断思考，认为：对于施工来讲，首先要解决的是总体施工规划，其次是施工方法。在我国，钻爆法和最先进的TBM法有机结合，依据工程建设环境和地质条件，合理划分二者的施工区段及长度，是最佳的选择。例如：西康铁路秦岭隧道全长18.45 km，其中I线隧道TBM掘进10.3 km、钻爆法开挖8.15 km；西合铁路桃花铺一号隧道全长7.23 km，其中TBM掘进6.02 km、钻爆法开挖1.21 km；兰渝铁路西秦岭隧道全长28.2 km，其中左线隧道TBM掘进13.6 km、钻爆法开挖14.6 km，右线隧道TBM掘进14.9 km、钻爆法开挖13.3 km，等等。大部

分工程TBM掘进段与钻爆法施工段交错布置，TBM必须以适当方式通过，业内称之为“步进”。TBM步进段，可在组装调试后、开始掘进前，可在两掘进段之间，也可在TBM贯通后、拆卸前，TBM步进长度少则数百米，多则数千米。例如：兰渝铁路西秦岭隧道左线及右线TBM开始掘进前步进长度均约2 000 m，两掘进段之间左线转场步进长度为4 300 m，右线转场步进长度为2 400 m。在保证设备安全的前提下快速步进且经济合理，是广大工程技术人员需要解决的重要问题之一。

文献［1］全面介绍了TBM施工技术和工程实践，很多内容涉及到步进，也有关于步进注意事项的论述，但不够完整和详细；文献［2］和文献［3］论述了TBM的发展与应用，但未涉及步进技术；文献［4－7］介绍了兰渝铁路西秦岭隧道TBM步进施工技术；文献［8－10］介绍了西秦岭隧道TBM步进弧形混凝土底板的结构与施工；文献［11］论述了一种滑轨式TBM步进技术以及施工过程中遇到的人为失误事故的处理措施；文献［12］简要说明了辽西北供水工程TBM步进机构的组成以及改进建议；文献［13－15］论述了开敞式TBM过站施工技术。

经广泛查阅研读，尚未发现系统论述现有步进技术的文献，大多只说明了一种特定的步进方式。本文结合工程实例，总结已有的TBM步进方式，重点论述经过研究并不断得以推广和改进的滑板式步进技术的原理、结构、施工过程与操作要点，并探讨技术改进措施。实践证明，该技术具有设备投入少、施工设施投资少、步进速度快、适用于长短距离步进的特点，是目前最先进的步进技术，能够显著降低步进成本，提高效率，缩短工期，对TBM施工具有重要的参考意义。

1　步进方式调查

TBM可以通过多种方式实现步进。

1.1反力架式

TBM组装后，在主机尾部设置反力架（钢结构、混凝土结构等），TBM推进油缸顶推在反力架上（后续步进时，需要在推进油缸与反力架之间不断安装管片或类似结构物），实现主机前移，并拖动后配套随之前进。反力架式适用于护盾式TBM，目前在单护盾、双护盾硬岩掘进机以及盾构施工项目中应用较普遍，步进长度通常较小。工程实例为引大济湟工程。

1.2掘进式

开敞式TBM撑靴撑紧按步进要求完成衬砌的洞壁，推进油缸为步进提供前进动力，底护盾在隧道底板上向前滑行（如果底板为平面，则需要在底护盾上安装相应机构使其底面同样变为平面），步进过程与正常掘进相仿。由于撑靴对隧道洞壁施工质量要求高，因此应用较少。

1.3蛙跳式

双X型支撑开敞式TBM的一种步进方式，步进机构分别安装于底护盾、前后外机架、后支撑，推进油缸为TBM前移提供动力。前后外机架步进机构支撑TBM主机，底护盾、后支撑步进机构被提离地面，推进油缸伸出，推动主机在两外机架上向前滑动，行程到位后，底护盾及后支撑步进机构落下并支撑主机，两机架步进机构脱离地面，推进油缸收回并带动机架前移，为下一循环步进作业做好准备［1］。工程实例为南疆吐库二线铁路中天山隧道。双X型支撑TBM虽然造价较低，但应用越来越少，该步进方式被逐步淘汰。

1.4轨行式

TBM主机下方安装若干带有动力的驱动轮及支撑轮组，在预先铺设的钢轨上带动TBM向前运动，可适用于各种机型和不同步进长度，但成本相对较高。工程实例为辽宁大伙房输水工程。

1.5滑轨式

步进洞内预设滑轨（钢轨、型钢等），底护盾后方安装步进油缸，油缸另一侧设有轨夹，夹紧轨道为TBM在滑轨上前移提供反力；或油缸另一端增加焊接在滑轨上的钢结构［11］；或步进油缸另一侧安装活动式牛腿，牛腿插入地板预留空洞中，为TBM前移提供反力，可适用于各种机型。工程实例为重庆轨道交通6号线铜锣山隧道。

1.6坦克式

TBM主机底部安装坦克小车（又称重物移运器），承载主机，并背负主机向前移动，目前在盾构工程中应用较多，主要应用于过站阶段［13－15］。

1.7滑板式

TBM底护盾下部安装小滑板，可在大滑板上滑动，大滑板置于混凝土底板上，底护盾和大滑板之间安装有步进油缸；同时，为保证TBM的稳定，在撑靴下方设有支撑支架。该技术是作者所在技术团队结合兰渝铁路西秦岭隧道研发，并与TBM制造商通力合作共同实施的，其运行成本较低，步进速度快，已经有弧形底板、水平底板等不同形式，在短时间内得以推广，如重庆地铁工程、引汉济渭供水工程、辽西北供水工程、吉林中部城市引松供水工程等［4－7，12］。

2　滑板式步进技术

2.1原理与结构

滑板式步进系统的主要结构如图1所示。由于大滑板与混凝土底板之间（即钢材与混凝土之间）以及小滑板与大滑板之间（即钢与钢之间）的摩擦因数不同，前者为0.2～0.3，后者为0.15，且大小滑板之间涂抹润滑剂后摩擦因数会更小（0.1～0.12），而两者所

承受的压力基本相当，因而后者所产生的摩擦力远小于前者。TBM步进时，步进油缸向前顶推TBM的反力由上述摩擦力的差值承担。

图1　滑板式步进系统结构组成Fig.1 Structure of slidingtype TBM stepping system

为了步进时便于控制TBM的方向，在混凝土底板中间沿隧道轴线方向设置导向槽，通过导向轮控制TBM的左右偏移量。

2.2步进流程［5］

1）步进油缸伸出，推动主机在大滑板上向前滑动，推进油缸随动伸出，同时拖动后配套系统在钢轨上向前运动，完成一个完整的步进行程（与掘进行程长度相同）。

2）举升油缸和后支撑同时向下伸出，作用于混凝土底板上，两者共同作用将TBM主机向上抬起，小滑板脱离大滑板，同时撑靴支架脱离底板。

3）步进油缸回收，拖动大滑板在底板上向前滑动1个行程；同时，推进油缸收回，拖动撑靴支架向前移动1个行程。

4）举升油缸和后支撑同时收回，TBM主机再次依靠滑板和撑靴支架承载，开始再次步进，如此循环，TBM就可以不断地向前步进。

2.3技术要点

1）开始步进前，全面检查步进洞，混凝土底板要有足够的平整度，不能有明显的凸起，更不能残留裸露的钢筋等杂物；复核断面尺寸，如有干扰应提前处理。

2）全面检查和清理导向槽（如果有），不能残留石渣等杂物，位置和尺寸满足步进要求，确保不会出现导向轮卡滞现象。

3）确保步进所需的液压系统具有良好的状态。

4）举升油缸承载质量大、行程短，从结构设计至操作过程控制都要严格把关，控制好伸缩量和垂直度，举升高度控制以小滑板脱离大滑板约1 cm为宜，同时又要保证撑靴支架完全脱离底板。这就要求混凝土底板的平整度要高，否则就必须加大举升油缸的提升量，进而要配置较大行程的油缸，影响油缸的合理安装位置。

5）关注大滑板和小滑板的耐磨防护，避免异常磨损。

6）撑靴支架在步进换步过程中可能会发生姿态改变，注意调整左右方向。

7）仰拱预制块铺设及注浆、轨线延伸与正常掘进基本相同，但务必要保证运输与安装速度和质量，避免仰拱块安装或注浆不及时、稳固性差而影响正常步进。

2.4应用效果

吐库二线铁路中天山隧道采用蛙跳式步进技术，232 m步进耗时18 d，平均12.9 m／d；兰渝铁路西秦岭隧道左线采用滑板式步进技术，25 d步进2 113 m，最高班进度（2班／d，每班12 h）100.5 m，最高日进度173 m［4］；辽西北供水工程二段四标采用滑板式步进技术，35 d完成4 431.5 m步进，平均步进126.6 m／d，最高日进度220 m以上。这在以往是不可能实现的。

3　滑板式步进技术适应性改进

3.1大滑板厚度减小

西秦岭隧道TBM步进大滑板钢板厚度70 mm，质量为37 t，生产及运输成本较高。后续工程实践中经过努力探索，优化结构，钢板厚度减小至40 mm，且结构刚度与强度满足快速步进的要求，步进机构的质量、制造成本、安装和拆除成本大幅下降，同时降低了洞内拆除的难度。

3.2提升耐磨性

如果TBM长距离步进，就必须高度关注步进机构的耐磨性，某工程在施工过程中曾出现钢板严重磨损，甚至影响正常步进的现象。经过研究与实践，可采取的措施有2种：1）大小滑板之间增设耐磨板；2）步进过程中保证相对运动的滑板之间具有良好的润滑，有效的做法是每个步进循环涂抹一次润滑油，保证能形成可靠油膜的同时，清除摩擦面上的颗粒物。

3.3牵引杆

步进换步时撑靴支架需要向前移动，最初的实施方案中需要依靠推进油缸实现，但推进油缸直径大，甚至超过1 000 mm，伸缩速度相对缓慢，用油量大，往往会影响步进速度；且步进过程中推进油缸没有更重要的作用，属于严重的“大马拉小车”。因此，提出了牵引杆方案，即在大滑板与步进支架之间设置铰接拉杆，换步时支架与大滑板一并前移，既方便又快捷。

3.4组合式大滑板

开挖直径为10.2 m的TBM，大滑板尺寸为10.7 m×6.3 m（长×宽），开挖直径为8.5 m的TBM，大滑

板尺寸为9.2 m×3.5 m（长×宽），以往均设计为1个整体焊接件，运输不便；TBM步进到位后需及时拆除，大滑板的尺寸质量都比较大，而洞内作业空间小、条件差，只能火焰切割，效率低且影响再次使用。目前，我国TBM的应用现状是TBM掘进15～20 km的工程较多，通常中间设辅助通道，分为2个阶段施工，2个阶段施工之间TBM需要再次步进。为此，设计了分体组合式大滑板，沿纵向将其分为左右2个部分，通过连接板螺栓连接，运输、拆装作业方便，且能保证正常使用。组合式大滑板见图2。

图2　组合式大滑板Fig.2 Combined large sliding plate

4　滑板式步进技术配套措施

TBM步进前期需做好充足的准备工作，除TBM组装调试外，还要事先施作混凝土底板、导向槽等；此外，也有相应的配套工程，如仰拱预制块铺设、轨线延伸、连续皮带机安装等。只有各项工作得以统筹谋划、协调作业，才能取得更好的工程效益。

4.1混凝土底板

TBM步进段混凝土底板，可根据工程性质与需求，设计为水平或弧形。为了便于步进过程中的方向控制，水平底板上需要预留导向槽，大滑板上增加1组导向轮；如果是弧形底板，则可取消导向槽。

底板施工可随步进洞开挖一并施作，开挖后一次性施工更便于施工组织。西秦岭隧道采用的滑模施工工艺取得了良好的效果，25 d完成2 113 m浇筑施工任务，最高日进度173 m［4］。

4.2仰拱铺设

对于铺设仰拱预制块的隧道，必须边步进边铺设仰拱块，既要保证铺设精度与速度，又要保证背部及时回填、迅速达到满足后配套及有轨运输车辆通行的强度要求。因此，仰拱铺设效率往往会直接制约TBM的步进速度。可采取以下措施：

生产仰拱预制块时，在其下部施作4个支承墩，这样就能够有效保证铺设后仰拱块的稳定性及承载能力，且铺设操作便捷、快速，同时，又便于后期背部回填。

4.3预制轨排

对于没有仰拱预制块的隧道，TBM步进的同时必须及时铺设后配套及有轨运输车辆走行轨道。轨道大多安装于钢枕之上。一种做法是加工较长的钢枕，长度通常为3.5 m以上，铺设4根钢轨，轨道制式可以是四轨三线、四轨双线，或者后配套单独走行于2根外轨、运输车辆走行于2根内轨；另一种做法是运输车辆走行轨直接铺设于混凝土底板，后配套走行轨为独立轨排，两侧钢轨与独立钢枕分别预先加工为成品轨排，单独运输和安装，可在步进过程中循环使用，铺设速度快、物料投入少、作业效率高、成本低，非常适合长距离步进的TBM工程。预制轨排见图3。

图3　预制轨排Fig.3 Prefabricated track panel

5　结论与体会

TBM可以通过多种方式实现步进。实践证明，开敞式TBM滑板式步进技术是目前最先进的步进技术，具有设备投资少、配套工程措施费用低、步进速度快、操作便捷等优势，在长距离步进时速度快、成本低的优点更为突出。

任何一项技术的发展，都遵循着普遍存在的规律，滑板式TBM步进技术同样如此。从2008年开始研究设计，到2010年在工程中应用，至今经历了从无到有、从少到多，成本从高到低，速度从慢到快的过程，虽经不断完善和改进，但仍然存在一些需完善之处。例如，某些工程中的混凝土底板对于工程本身并非必要，只是为了满足TBM步进而设置，因而存在一定程度的工程浪费，今后需要继续深入研究（如在保证顺利步进的前提下滑板式步进技术对混凝土底板的要求可以降低到什么程度，是否有可能取消底板混凝土等），以合理降低混凝土底板成本。

唯有不断创新，才能持续发展，TBM步进技术同样如此，期待更加便捷、成本更低、工程适用性更强的步进方式早日成为现实。

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Stepping Technology of Opentype TBM

ZHOU Yanling
（China Railway 18th Bureau Group Co.，Ltd.，Tianjin 300222，China）

Abstract：When a tunnel is built by hardrock TBM，there is a prominent feature that TBM and D＆B（drill and blast）are used in the same tunnel.Therefore，stepping of TBM，even longdistance stepping of TBM，has to be made before TBM driving，during site changing of TBM，or after TBM driving.TBM stepping speed will significantly affect the construction period for a project.In the paper，the existing TBM stepping techniques are systematically summarized，and the slidingtype TBM stepping technology，which has been widely applied due to its high efficiency，are presented.The technologies presented include the structure and principle of the slidingtype TBM stepping technology，the stepping process，the main technical points，the application result，the adaptability improvement，and supplementary facilities to which special attention should be paid.Slidingtype TBM stepping technology has many advantages，such as less equipment investment and facility investment，high stepping speed，and being suitable for both longdistance stepping and shortdistance stepping.

Key words：opentype hard rock tunnel boring machine（TBM）；stepping technology；stepping mode；sliding plate

作者简介：周雁领（1974—），女，河北沧州人，1998年毕业于石家庄铁道学院，设备工程与管理专业，本科，高级工程师，现从事TBM施工及科研管理工作。

收稿日期：2015－03－19；修回日期：2015－03－30

中图分类号：U 455

文献标志码：B

文章编号：1672－741X（2015）05－0468－05

DOI：10.3973／j.issn.1672－741X.2015.05.013