敞开式TBM复合滑板式步进机构解析

徐东博　郇利民　畅海潮　张慧峰

摘 要：在敞开式TBM与钻爆法功法相结合的隧洞工程施工中，为满足施工工期和TBM设备安全需要，在保证设备安全的前提下，对TBM步进机构的可靠性、步进效率要求越来越高。以往步进装置存在影响设备安全、施工困难且效率低等不利因素。在以往常用步进装置的基础上，本文提出了一种复合滑板式步进机构，为提高TBM步进效率和保障设备安全提供了有效的理论及实际依据。

关键词：敞开式TBM 施工工期 TBM设备安全 步进效率 复合滑板式

中图分类号：TV554 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）03（b）-0113-02

由于TBM设备选型、制造、运输、组装周期较长，为保证工期，一般采用钻爆法与TBM相结合的中间支洞接应方式缩短TBM施工工期。中间支洞钻爆法接应，直接导致了TBM中间转场时步进距离的加长，使得TBM步进占用直线工期。TBM步进速度的快慢将直接影响到总工期和经济效益，因此，在保证设备安全的前提下实现快速步进是目前急需解决的重要问题之一。

1 常用滑板式步进机构形式及工作原理

1.1 常用滑板式步进机构结构

常用滑板式步进机构结构如图1所示，其主要包括1前滑板、2支撑座（左右各1组）、3顶升油缸组、4提升油缸、5步进油缸、6连接杆、7尾部支撑架、8尾支撑、9推进油缸、10鞍架。其中前滑板底部设置的导向座与隧洞底面的导向槽相配合以保证TBM沿隧道预设轴线滑行；支撑座上端弧面与侧护盾焊接，底部坐落于隧道底面；顶升油缸组安装于支撑座上，当顶升油缸伸长时将TBM前部顶起，TBM从前滑板上抬起；提升油缸亦安装于支撑座上，用于将支撑座从隧道底面提起/落下；连接杆将前滑板与尾部支撑架连接；步进油缸用于TBM向前步进；尾部支架采用螺栓与鞍架连接以支撑TBM尾部重量。

1.2 常用滑板式步进机构工作原理

常用滑板式步进机构的主要工作原理是采用前滑板1与隧洞底面的摩擦系数μ1（钢材与混凝土之间0.2～0.3）大于底护盾与前滑板1（钢材与钢材之间有润滑的情况下0.1～0.12）之间摩擦系数μ2的特点，即：TBM向前步进时前滑板与隧道底面之间的摩擦力F1（=G×μ1）大于护盾与前滑板之间的摩擦力F2（=G×μ2）+主梁滑道摩擦力F3。步进油缸推进时因F1>F2+F3，TBM则在前滑板上向前移动，而前滑板保持不动来实现TBM的向前移动。

2 常用滑板式步进机构分析

常用滑板式步进机构的工作流程是：（1）初始状态支撑座2提起，TBM后支腿提起，底护盾坐落于前滑板上，前滑板与地面贴死，尾部支撑架7贴紧地面；（2）开始推进时步进油缸伸出，TBM在前滑板上向前滑动，尾部支架保持不动，TBM整体向前步进一个行程；（3）顶升油缸组伸出将护盾顶起，支撑TBM前部重量，同时尾支撑落下支撑TBM后部重量；（4）步进油缸回缩将前滑板向前拖动，并通过连接杆带动鞍架和尾部支架向前移动；（5）完成换步后顶升油缸组缩回、尾支撑提起，恢复初始状态完成一个步进循环。

在其工作过程中的步骤（2）TBM向前步进/换步时，鞍架和尾部支架保持不动，推进油缸需跟随步进油缸被动伸长/缩短，其缺点是：（1）向前步进/换步时推进油缸需被动伸长/缩短，缸体和活塞杆与密封产生摩擦，此时油缸内部无油品润滑，整个过程会对密封有一定程度的磨损，长距离步进时无法保证油缸密封寿命，危及TBM设备安全。为保证TBM设备安全，施工时推进油缸会在TBM步进完成后安装，安装难度较大。

（2）长距离步进时，鞍架和主梁滑道产生摩擦，存在滑道耐磨板磨损或无法使用的风险。

3 新型复合滑板式步进机构

根据以上对常用步进机构分析，现提出一种新型复合式滑板式步进机构，其结构如图2所示。

整个结构包括主要包括1前滑板、2支撑座（左右各1组）、3顶升油缸组、4提升油缸、5步进油缸、6连接杆、7轮组式支撑架、8后滑板、9尾支撑、10推进油缸、11鞍架。其工作原理与常用滑板式相同，其工作过程为：（1）初始状态支撑座提起，TBM后支腿提起，底护盾坐落于前滑板上，前滑板与地面贴死，轮组式支撑架坐落于后滑板的轨道上，后滑板与地面贴死；（2）工作时步进油缸伸出，TBM在前滑板上向前滑动，轮组式支撑架随步进油缸伸出在后滑板轨道上随TBM向前滑动，TBM整体向前步进，过程中推进油缸及鞍架与主梁无相对运动；（3）顶升油缸组伸出至支撑座将护盾顶起，支撑TBM前部重量，尾支撑落下支撑TBM后部重量，此时轮组式支撑架与后滑板上的轨道脱离；（4）步进油缸回缩将前滑板向前拖动，同时通过连接杆带动后滑板向前移动；（5）完成换步后顶升油缸组缩回、尾支撑提起，恢复初始状态。

与常用滑板式步进机构相比，其特点是：（1）步进时推进油缸始终保持相对静止状态，不随步进油缸伸长/缩短，保证了油缸密封寿命；（2）推进油缸在设备组装时直接安装，施工难度降低；（3）鞍架与主梁滑道无相对运动，主梁滑道耐磨板无磨损；（4）因其尾部支撑的摩擦为滚动摩擦，步进效率可提升10%～15%，减少施工工期。

4 结语

步进机构工作时，在有效的保证推进油缸及主梁滑道耐磨板等设备安全的同时，亦提高了施工效率，缩短了施工工期，适合应用于TBM的快速步进。

参考文献

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