TBM常见混喷结构及新型混喷结构的研究及应用

王鹏星，王亚威，陈宝宗，张 啸

（中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450016）

全断面硬岩掘进机（TBM）目前广泛应用在铁路、公路、水电建设等隧道工程，TBM施工涉及方方面面许多作业，但主要是掘进、支护、出渣三大作业。作为支护作业的重要组成部分，混凝土喷射系统是影响隧道施工进度及施工安全的重要一环[3～5]，在部分斜井或简易TBM中，为减轻主机重量，满足小转弯曲线等要求，往往会压缩主机长度，舍弃拱架、钻机等一次支护系统，此时，混喷作为唯一支护系统，其重要性就更加凸显。现有施工的TBM设备中，由于隧洞空间限制、地质环境不同、施工团队支护习惯不同等多种因素影响，混凝土喷射系统的结构形式也各有不同。目前，国内外技术成熟的TBM制造商都有自己成熟的设计体系及理念，对于混凝土喷射系统的设计也有不同的理解。虽然各个厂商在混凝土喷射系统结构设计的细节上各有不同，但整体结构上却大同小异，比较成熟常见的结构形式如下。

1 桥架式混喷结构

桥架式混喷结构通常由桥架及环形大车（或称机械手）两大部分组成，具体结构如图1所示，图2为桥架式混喷结构截面图。桥架式混喷结构中桥架为箱型梁结构，其中，桥架箱型梁一方面作为受力件，承受环形大车、防尘罩、皮带机等部件的重量，传递主机与后配套台车之间牵引力；另一方面为充分利用空间，桥架箱型结构可以作为污风或新鲜风的通道。桥架通过支腿架设在隧洞轨道上，使桥架下方具有可行驶列车编组进行物料运输的空间。桥架上方布置有防尘罩，防尘罩内部有人行通道，并布置有皮带机、风筒、电缆及液压流体管路等。桥架左右两侧布置有环形大车行走轨道，环形大车通过轮对卡在轨道中架设在桥架上，沿着轨道在隧道轴向方向上前后移动。环形大车上安装有可周向旋转运动的旋转小车，旋转小车上固定有可伸缩喷射臂。喷射臂通过旋转小车旋转可实现隧道周向混凝土喷射覆盖，覆盖范围一般在240°～270°（图3）。通过环形大车在轨道上前后移动及喷射臂自身伸缩，可实现隧道轴向方向混凝土喷射覆盖，单个喷射臂覆盖范围通常为6m，一般为4m环形大车前后移动+2m喷射臂伸缩或5m环形大车前后移动+1m喷射臂伸缩（图4）。桥架前后端部设有防尘板，防尘板将桥架喷射混凝土区域与其他作业区域隔离，避免喷射混凝土时产生的粉尘污染其他作业区域。

图1 桥架式混喷结构

图2 桥架式混喷结构截面图

图3 喷射臂周向覆盖范围示意图

图4 喷射臂轴向覆盖范围示意图

经验表明，TBM隧道施工中机械手喷头与洞壁最佳使用距离为800～1200mm。要保证机械手喷头与洞壁距离处于最佳使用距离范围内，桥架式混喷结构由于本身结构形式所限制，通常适用于7m以上的隧洞直径。隧道直径小于7m时，采用此种结构形式就会出现机械手喷头与洞壁距离过近，喷射混凝土时反弹料就会增多，喷射效率就会降低，同时还会出现通风设计、人员通道设计困难，皮带机不易维修，更换托辊困难等诸多问题。

桥架式混喷结构具有如下优点：①防尘罩内部具有人行通道，可直达后配套台车上层平台，桥架下部物料运输通道又可直达后配套台车下层平台，采用桥架式混喷结构可使TBM人员及物料运输通道整体更为通畅；②喷射覆盖范围广，单个机械手有效覆盖范围轴向方向可达6m，圆周方向可达240°～270°；③2个机械手一备一用更加可靠，可降低因机械手故障而导致施工停止的风险；④防尘罩可以有效阻挡混凝土反弹料，使人员通道及下部作业环境相对整洁；⑤皮带机布置在防尘罩内部，两侧即为人行通道，便于日常检查及维修。

其缺点为：①桥架式混喷结构空间占有率比较大，防尘罩、皮带机及桥架下方列车编组通道占据很大隧道空间，因此此种结构桥架处液压流体管路不易布置，风筒不易布置，混凝土管路不宜布置；②环形大车整体结构为环形结构件，长时间使用后会产生变形，隧道施工中后期旋转小车会出现卡滞现象，维修保养成本增大。

2 滑靴式混喷结构

滑靴式混喷结构通常由滑靴及混凝土喷射移动装置两大部分组成,具体结构如图5所示，图6为滑靴式混喷结构截面图。

滑靴式混喷结构中滑靴为桁架结构，由钢管和型钢焊接而成,可分为过道、风筒支架、主梁三大部分（图7）：过道位于风筒支架两侧，作为人行通道及物料运输通道；风筒支架一方面作为新鲜风通道，另一方面作为支撑结构在TBM掘进时紧贴隧道岩石洞壁滑行；主梁负责传递主机与后配套牵引力。混凝土喷射移动装置可分为移动架和喷射臂两大部分：移动架通过轮对卡在轨道中架设在滑靴平台中央位置，通过液压油缸可实现前后2m移动，喷射臂通过螺栓固定在移动架上，喷射臂自身可实现3m伸缩，因此在轴向方向上混凝土喷射覆盖范围可达5m（图8）。喷射臂的喷头通过摆动液压马达可实现周向摆动，但由于滑靴结构限制，一般只能实现180°～240°混凝土喷射覆盖（图9）。防尘罩位于滑靴正上方，移动架可在防尘罩上方滑动，防尘罩内部可布置污风风筒及液压流体管线等，在滑靴前后两端也设置有防尘挡板，避免喷浆区域的粉尘污染其它作业区域。

图5 滑靴式混喷结构

图6 滑靴式混喷结构截面图

图7 滑靴结构图

滑靴式混喷结构整体来说结构紧凑，为保证机械手喷头与洞壁距离处于最佳使用距离为800～1200mm范围内，此种结构通常适用于5m以下的隧洞直径，大于此直径时采用此种结构会导致喷头距离洞壁过远，同样会使反弹料增多，喷射效率低下，同时会造成整体结构不协调，出现设备布局不紧凑现象。

图8 喷射臂轴向覆盖范围示意图

图9 喷射臂周向覆盖范围示意图

滑靴式混喷结构优点：①结构形式相对简单，易于设计，加工制造成本相对较低；②由于本身结构对于空间占有相对较小，则易于布置风筒通道、皮带机及混凝土管路；③此种结构形式移动架和机械臂易于保养维修，周向喷射覆盖通过喷射臂喷头周向摆动实现，不会出现桥架式混喷结构旋转小车旋转卡滞现象。

滑靴式混喷结构缺点为：①皮带机位于滑靴的主梁和风筒支架之间，不易维修，更换皮带托辊不方便；②圆周方向混凝土喷射覆盖范围相对较小，一般仅为180°～240°范围；③人员和物料运输通道没有桥架式混喷结构通畅；④混凝土反弹料直接落在人行通道和布置在此区域的管线上，不易清理，作业环境相对较差。

3 新型混喷结构

桥架式混喷结构和滑靴式混喷结构能很好地解决7m以上及5m以下隧洞直径的混凝土喷射问题，但5～7m直径的隧洞采用这两种混喷结构都不能达到很好的效果，为解决这一问题，一种新型混喷结构应运而生,其结构如图10所示。

图10 新型混喷结构图

该新型混喷结构桥架和桥架式混喷结构桥架类似，均为箱型梁结构，由支腿架设在隧道轨道上，下部预留足够物料运输空间及人员通道，上部设置防尘罩来保护内部皮带机，防尘罩为可拆卸合页结构，便于皮带机日常维修保养和更换托辊。桥架两侧设有轨道和齿条，机械手架设在桥架上，机械手和操作移动平台一体，由操作移动平台上的马达驱动齿轮啮合齿条实现前后行走，可实现轴向6m范围混凝土喷射覆盖（图11）。机械手主要由旋转总成和齿圈总成构成，旋转总成通过齿轮啮合可在齿圈总成上旋转，加上旋转总成上喷头自身摆动马达摆动动作，可实现周向240°～270°喷射覆盖（图12）。

图11 机械手轴向覆盖范围示意图

图12 机械手周向覆盖范围示意图

此种结构已应用在内蒙古引绰济辽TBM上。该新型混喷结构形式新颖、独特，结构紧凑，在有限的隧道空间范围内能够实现喷头周向旋转和轴向前后移动，平衡了桥架式混喷结构和滑靴式混喷结构特点，兼顾了两者优点，在5～7m直径的隧洞中使用时在满足物料运输、人行通道、通风通道通畅的情况下还能保证混凝土喷射喷头与洞壁之间具有最佳的喷射距离，具有很好的推广及应用价值。

4 结语

桥架式混喷结构和滑靴式混喷结构是目前TBM混凝土喷射系统比较成熟的混喷结构，其各有优缺点和适用范围，直径在5m以下隧洞，推荐采用滑靴式混喷结构，直径在7m以上隧洞，推荐采用桥架式混喷结构。

新型混喷结构平衡了桥架式混喷结构和滑靴式混喷结构的特点，兼顾了两者优点，值得在5～7m范围直径的隧洞中推广使用，其实际使用效果尚需更多工程验证。