TBM側(cè)向平移、空推新設(shè)備的研發(fā)及應(yīng)用

朱朋金, 趙康林, 肖利星

(中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司， 河北 三河 065201)

0 引言

盾構(gòu)和巖石掘進(jìn)機(jī)(以下簡稱TBM)因施工快速、安全、環(huán)保等優(yōu)勢，在地下工程領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛[1-2]。但受地上地下建構(gòu)筑物較多等客觀條件所限， TBM經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)側(cè)向平移或空推始發(fā)接收的工況。

國內(nèi)很多學(xué)者針對TBM平移、空推等技術(shù)進(jìn)行過研究探討，如李志軍等[3]采用“基座+鋼軌”空推和“弧形導(dǎo)臺加軌道法”2種方式空推過站；肖利星[4]采用“弧形導(dǎo)臺+預(yù)埋滑行鋼軌、空推架插孔”，利用TBM自身輔推油缸動(dòng)力實(shí)現(xiàn)快速空推及糾偏功能；趙崗領(lǐng)等[5]采用“弧形導(dǎo)臺加軌道法”空推盾構(gòu)過暗挖隧道段；劉建國[6]采用鋪鋼軌+基座頂推平移方式實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)平移解體吊出，采用導(dǎo)臺+鋼軌方式實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)區(qū)間空推等；王珣等[7]采用鋪鋼板+千斤頂頂推托架方式平移空推盾構(gòu)過站；張偉[8]采用油缸水平頂推盾構(gòu)始發(fā)臺(基座)實(shí)現(xiàn)水平推移，采用頂升千斤頂循環(huán)鋪鋼板、棍軸法+推進(jìn)油缸頂推基座過站技術(shù)；鄺光霖等[9]采用推進(jìn)油缸頂推(托架)基座+頂升千斤頂循環(huán)鋪鋼板及滾鋼法，同時(shí)在鋼板平臺上加裝滾鋼滾動(dòng)面的鋼板卡槽，以防滾鋼前行中跑偏，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)過站。

總體來講，TBM現(xiàn)有平移及空推工法大致原理為“導(dǎo)臺/基座+先軌(鋼板、棍軸)后推”法(以下簡稱“先軌后推”)，而導(dǎo)臺空推明顯優(yōu)于基座平移[10-12]，但“先軌后推”整體工藝前期準(zhǔn)備工作量大、預(yù)埋精度要求高，且參與作業(yè)人員較多，每次頂推距離受千斤頂行程限定，每循環(huán)頂推前鋼板及棍軸需重復(fù)安裝定位，效率較低，另外平移、空推工序采用的裝置設(shè)備不同，工序轉(zhuǎn)換存在風(fēng)險(xiǎn)。

本文結(jié)合青島地鐵8號線閆—鞍區(qū)間TBM多次平移+空推工況實(shí)踐，針對傳統(tǒng)“先軌后推”平移、空推工藝缺點(diǎn)，思考在TBM傳統(tǒng)基座上增加輪系等機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高效率、低風(fēng)險(xiǎn)重物移運(yùn)，著重從提高基座的承載能力、驅(qū)動(dòng)力、輪系的強(qiáng)度、地面承載力及平整度等方面入手進(jìn)行創(chuàng)新工裝，重點(diǎn)解決基座及輪系強(qiáng)度、導(dǎo)向、轉(zhuǎn)向等問題，研發(fā)出TBM新型平移、空推設(shè)備及應(yīng)用工法。

1 工程概況

青島地鐵8號線閆家山站—南昌路北站區(qū)間、南昌路北站—嘉定山站區(qū)間、嘉定山站—鞍山路站區(qū)間采用2臺雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)施工[13-15]，單臺TBM掘進(jìn)長度4.7 km，刀盤直徑7.032 m，主機(jī)長13.5 m，整機(jī)長145 m。在閆—南區(qū)間設(shè)置1處始發(fā)工點(diǎn)，受地面條件限制，始發(fā)井位于線路東側(cè)，采用“側(cè)向平移+弧形出渣導(dǎo)洞”始發(fā)方案[10](見圖1)，設(shè)置1座始發(fā)井+1座出渣井、1座TBM平移橫通道(47 m)、1座后盲洞(68 m)、1座雙(單)線弧形出渣導(dǎo)洞(78 m)[15]。

2臺TBM先后在閆—南區(qū)間始發(fā)井組裝后，沿橫通道平移至正線接口處，沿正線始發(fā)導(dǎo)洞(礦山法)空推至與TBM分界位置始發(fā)，掘進(jìn)至南昌路北站接收；再空推過站后二次始發(fā)，掘進(jìn)至嘉定山站接收；再空推過站后3次始發(fā)，掘進(jìn)至鞍山路站小里程端頭接收并解體吊出。單臺TBM施工存在1次側(cè)向平移、1次空推始發(fā)、2次空推過站、3次車站到達(dá)和2次車站始發(fā)工況，見圖2。

2 傳統(tǒng)“先軌后推”平移、空推裝置

目前TBM平移的常規(guī)工藝原理： 在地面預(yù)埋鋼板后澆筑混凝土，養(yǎng)護(hù)完成后鋪設(shè)鋼軌[3]，并將鋼軌與鋼板連為一體，再安裝平移TBM基座，待TBM接收頂推至平移基座上后，用液壓千斤頂頂推基座[5-7]，基座連同TBM一同平移。TBM平移裝置如圖3所示。

圖1 閆—南區(qū)間“TBM側(cè)向平移+弧形出渣導(dǎo)洞”始發(fā)方案平面示意圖

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

圖2 TBM始發(fā)、掘進(jìn)、空推、接收示意圖

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

(a) 鋪設(shè)鋼軌及基座安裝 (b) TBM平移頂推作業(yè)

圖3 TBM平移裝置

Fig. 3 Equipments for TBM lateral moving

TBM空推的主要常規(guī)做法是： “弧形導(dǎo)臺預(yù)埋鋼軌+空推架或夾軌裝置”[3-5]及“頂推基座+循環(huán)鋪鋼板、棍軸過站”[7-9]。前者工藝速率相對較高且空推線路控制較準(zhǔn)，但夾軌器因存在受力不均導(dǎo)致軌道變形斷裂風(fēng)險(xiǎn)，不建議采用。大多采用空推架方式，即在弧形導(dǎo)臺兩側(cè)預(yù)埋鋼軌，在導(dǎo)臺中部預(yù)埋方鋼管(作為空推架插孔)[4]，所有部件預(yù)埋完成后澆筑施工混凝土，待混凝土澆筑養(yǎng)護(hù)完成后，將空推架插入導(dǎo)臺預(yù)留方鋼孔內(nèi)，采用TBM自身動(dòng)力裝置頂推空推架完成空推作業(yè)。TBM空推裝置如圖4所示。

采取常規(guī)“先軌后推”平移及空推工藝，前期預(yù)埋等準(zhǔn)備工作量大，精度要求高，另外，常規(guī)方式需先頂推完成橫向平移，再采用縱向頂推上弧形導(dǎo)臺后，安裝頂推反力架進(jìn)行空推，工序不能連續(xù)，整體進(jìn)度慢(空推15～20 m/d，平移5～10 m/d)，耗費(fèi)人力多，存在平移與空推接口施工風(fēng)險(xiǎn)大等問題。

(a) 弧形導(dǎo)臺預(yù)埋鋼軌+方鋼孔(b) 輔推油缸頂推空推架為反力前進(jìn)

圖4 空推裝置

Fig. 4 Equipments for TBM advancing without load

如何安全、高效、快速地完成TBM平移、空推作業(yè)，并解決平移空推連續(xù)作業(yè)，一直是行業(yè)內(nèi)重點(diǎn)關(guān)注的問題，國內(nèi)外還沒有可以同時(shí)解決TBM平移和空推的裝置及工法，研究新設(shè)備工藝是行業(yè)發(fā)展的需要。

結(jié)合實(shí)際工況，閆—南—嘉—鞍區(qū)間2臺TBM施工共存在2次側(cè)向平移、2次空推始發(fā)、4次空推過站、6次車站到達(dá)和4次車站始發(fā)，采用傳統(tǒng)平移空推工藝功效較低，將大大占用工期、風(fēng)險(xiǎn)大。因此有必要對傳統(tǒng)平移和空推工藝進(jìn)行革新優(yōu)化。

3 TBM主機(jī)平移、空推新裝置

針對傳統(tǒng)“先軌后推”平移及空推工藝進(jìn)行優(yōu)化，借鑒“重載運(yùn)輸平板車”理念，在原先基座基礎(chǔ)上，增加輪系及驅(qū)動(dòng)力，研發(fā)出新型的平移、空推裝置——TBM主機(jī)液動(dòng)移位裝置。

3.1 液動(dòng)移位裝置功能

該裝置可以實(shí)現(xiàn)TBM主機(jī)安全快速側(cè)向平移、正向空推移位始發(fā)/接收功能，不需要澆筑弧形導(dǎo)臺結(jié)構(gòu)及預(yù)埋軌道、方鋼等。

3.2 液動(dòng)移位裝置工作原理

裝置由液控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)行駛，采用電液控制，行走馬達(dá)帶動(dòng)移位裝置與主機(jī)平移，到達(dá)指定位置后，通過驅(qū)動(dòng)輪組件與從動(dòng)輪組件原地90°轉(zhuǎn)向，完成移位裝置行進(jìn)方向90°轉(zhuǎn)向后，開動(dòng)馬達(dá)繼續(xù)帶動(dòng)移位裝置將主機(jī)縱向空推。

3.3 液動(dòng)移位裝置主要技術(shù)指標(biāo)

1)可載TBM主機(jī)外形尺寸： 外徑≤8 m，長度≤14 m；

2)可載TBM主機(jī)質(zhì)量： ≤600 t；

3)可以適應(yīng)水泥地面的最大坡度： 33‰；

4)前行移動(dòng)速率： 0.2～0.4 m/min；

5)返回最大速率： 0.8 m/min；

6)液壓系統(tǒng)工作壓力： 25 MPa；

7)TBM主機(jī)底部離地最高370 mm，移位裝置底面離地120 mm；

8)路面平整度要求±2 cm。

3.4 液動(dòng)移位裝置組成

TBM主機(jī)液動(dòng)移位裝置主要由承載臺架、驅(qū)動(dòng)輪和從動(dòng)輪組件、橫縱向?qū)驒C(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、頂升支架組合(千斤頂)和護(hù)輪撐墊、液壓動(dòng)力組件、電控系統(tǒng)、電液操作臺小車、卸載機(jī)構(gòu)(千斤頂)等組成。裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)部分如圖5所示。

圖5 裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)部分

3.4.1 承載臺架

承載臺架采用U形焊接托架結(jié)構(gòu)，采用低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼以提高承載能力。

與TBM主機(jī)匹配，臺架全長13.05 m，寬4.5 m，盡可能利用正線空推通道的橫向空間，在臺架U形弧下的空間布局輪系和其他運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，包括驅(qū)動(dòng)輪組件、從動(dòng)輪組件、從動(dòng)輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、頂升和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)以及液壓管路與電控線路等。

由于始發(fā)井寬度限制及出于方便運(yùn)輸?shù)目紤]，將承載臺架設(shè)計(jì)為6段拼裝式結(jié)構(gòu)，運(yùn)輸時(shí)分6段，使用時(shí)分首、中、尾3段，通過一般螺栓和六角頭鉸制螺栓連接緊固。

3.4.2 驅(qū)動(dòng)輪組件

承載臺架共設(shè)8個(gè)驅(qū)動(dòng)輪組件，驅(qū)動(dòng)輪組件主要由加壓油缸、主支架、扭力環(huán)、液壓馬達(dá)、驅(qū)動(dòng)輪組件等組成，詳見圖6。驅(qū)動(dòng)輪組件主要使用液壓馬達(dá)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪組轉(zhuǎn)動(dòng)形成驅(qū)動(dòng)力矩，通過加壓油缸向下頂推主支架并進(jìn)一步給予驅(qū)動(dòng)輪組以正壓力，在正壓力下，驅(qū)動(dòng)力矩通過摩擦作用轉(zhuǎn)換為前進(jìn)的動(dòng)力帶動(dòng)移位裝置前進(jìn)。

在驅(qū)動(dòng)輪鋼輪轂的外圈包裹聚氨酯胎面，聚氨酯作為彈性體有較好的綜合力學(xué)性能與承載能力，且摩擦因數(shù)大，不需要太大的正壓力就可以轉(zhuǎn)化出足夠的摩擦力用于驅(qū)動(dòng)，摩擦試驗(yàn)表明，驅(qū)動(dòng)輪外敷材料聚胺酯跟水泥地面摩擦因數(shù)可以達(dá)到0.2，能有效地保護(hù)所行走的水泥地面。另外從結(jié)構(gòu)上對輪的轉(zhuǎn)向角度進(jìn)行了機(jī)械限位，轉(zhuǎn)到90°后有幾度的擺動(dòng)范圍，能確保驅(qū)動(dòng)輪前進(jìn)方向穩(wěn)定，不會(huì)有大的波動(dòng)。

3.4.3 從動(dòng)輪組件

驅(qū)動(dòng)輪組件所承受96 t(12×8)載荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足TBM重載要求，承載臺架需要盡可能多的從動(dòng)輪組件能承擔(dān)全部載荷，同時(shí)考慮到地面水泥耐壓強(qiáng)度的影響，通過空間充分利用，可設(shè)置56組從動(dòng)輪組件，分4列，左右對稱分布。

從動(dòng)輪組件與地面間采用地坦克形式，地坦克輪系外層采用尼龍，經(jīng)計(jì)算，滿足對水泥地面的壓強(qiáng)要求(<30 MPa)，為適應(yīng)主機(jī)前后極不均衡的質(zhì)量分布，采用多種剛度的碟形彈簧，使各從動(dòng)輪受到的壓力不致相差太大。從動(dòng)輪組件如圖7所示。

圖6 驅(qū)動(dòng)輪組件

圖7 從動(dòng)輪組件

3.4.4 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

導(dǎo)向機(jī)構(gòu)在裝置橫縱向移位時(shí)，機(jī)構(gòu)中的導(dǎo)向輪伸入水泥地面上的導(dǎo)向槽(詳見本文3.5)，起移動(dòng)導(dǎo)向作用，而在上下坡需要停留、減速和在平地需停車時(shí)，則給導(dǎo)向輪施加足夠液壓力使輪底部跟水泥地平面產(chǎn)生很大的摩擦力起剎車作用。

橫向?qū)驒C(jī)構(gòu)如圖8所示。橫縱向?qū)驒C(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)體部分主要采用45#鋼，導(dǎo)向輪采用聚氨酯(E=7.5 MPa)。

3.4.5 頂升支架組合與護(hù)輪撐墊

1)頂升支架組合。頂升支架是通過其下部相聯(lián)接的支腿油缸先使其油缸的缸筒下伸觸地，后液壓油反推其內(nèi)活塞筒向上頂住自身而將臺架連同主機(jī)抬起，協(xié)助從動(dòng)輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)完成所有從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)向。

每個(gè)支腿油缸最大頂升力為200 t，本工況共設(shè)置4個(gè)頂升油缸。

2)護(hù)輪撐墊。其作用是保護(hù)從動(dòng)輪組件彈性變形不超過其允許極限值。護(hù)墊圓盤跟承載臺架是螺紋連接，與地面距離可以機(jī)動(dòng)調(diào)節(jié)，圓盤對地壓力在地面耐壓范圍內(nèi)。

圖8 橫向?qū)驒C(jī)構(gòu)

3.4.6 卸載機(jī)構(gòu)

移位裝置移位至導(dǎo)臺界面后，利用裝置后部卸載油缸將TBM主機(jī)推至導(dǎo)臺上。卸載油缸共設(shè)置2個(gè)。

3.4.7 液壓電控組件

液壓組件系統(tǒng)為驅(qū)動(dòng)輪的加壓油缸、轉(zhuǎn)向馬達(dá)、支腿油缸、卸載油缸、從動(dòng)輪轉(zhuǎn)向油缸、導(dǎo)向輪油缸提供動(dòng)力，完成預(yù)定的動(dòng)作和功能，滿足使用要求。

根據(jù)液壓組件的控制要求配置電氣控制內(nèi)容。

3.4.8 承載臺架驗(yàn)算

對承載臺架進(jìn)行強(qiáng)度分析計(jì)算，根據(jù)其使用工況，分別對吊裝工況、水平橫移+正線空推工況、換向工況進(jìn)行仿真計(jì)算。

3.4.8.1 吊裝工況

吊裝工況為將TBM主機(jī)分段吊至移位裝置上的工作過程。該過程中，由于刀盤+前盾+主驅(qū)動(dòng)質(zhì)量大且集中于較小一段長度內(nèi)，因此對刀盤+前盾+主驅(qū)動(dòng)吊放至移位裝置上這一過程進(jìn)行分析計(jì)算。根據(jù)裝置的對稱性，模型取其一半建立，如圖9所示。

圖9 吊裝工況

計(jì)算得到該工況下裝置首段上最大等效應(yīng)力446.6 MPa，位置在前盾+主驅(qū)動(dòng)與移位裝置臺架首段的接觸處，為接觸擠壓應(yīng)力。主機(jī)液動(dòng)移位裝置首段最大變形量為37.16 mm，如圖10所示。其他部分應(yīng)力較小，裝置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

同時(shí)，提取本工況下從動(dòng)輪彈簧受到的最大壓縮力為189 412 N，對應(yīng)的最大壓縮量為26.08 mm。

圖10 移位裝置臺架首段變形分布(單位: mm)

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

3.4.8.2 水平橫移+正線空推工況

該工況下，8個(gè)驅(qū)動(dòng)輪組件、56個(gè)從動(dòng)輪組件全部承受壓力。網(wǎng)格劃分模型如圖11所示。水平橫移+正線空推工況移位裝置臺架上最大等效應(yīng)力為376.2 MPa，位置在前盾+主驅(qū)動(dòng)與移位裝置臺架接觸處橫梁和縱梁連接處附近，最大變形量為36.95 mm，如圖12所示，其他部分應(yīng)力較小。該工況下裝置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

該工況下，從動(dòng)輪組件彈簧受到最大壓縮力為135 710 N，對應(yīng)的最大壓縮量為35.83 mm。

圖11 水平橫移+正線空推工況(完整模型)

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

3.4.8.3 換向工況

驅(qū)動(dòng)輪組件換向時(shí)，其提起后完成換向。因此，該工況僅計(jì)算56個(gè)從動(dòng)輪組件受力時(shí)的狀態(tài)。該狀態(tài)下，裝置網(wǎng)格劃分模型同水平橫移+正線空推工況的網(wǎng)格模型，換向工況移位裝置臺架上最大等效應(yīng)力為401.7 MPa，位置在前盾+主驅(qū)動(dòng)與移位裝置臺架接觸處橫梁和縱梁連接處附近，最大變形量為38.68 mm，詳見圖13。

換向工況中移位裝置臺架分為與TBM主機(jī)接觸的承壓板、承壓板下面的加強(qiáng)筋、其他橫梁和縱梁3部分。其中，承壓板上的最大等效應(yīng)力為264.4 MPa，承壓板下面的加強(qiáng)筋上最大等效應(yīng)力為205.8 MPa，橫梁和縱梁上的最大等效應(yīng)力是401.7 MPa，其他部分應(yīng)力較小，該工況下裝置強(qiáng)度滿足要求。

圖12 水平橫移+正線空推工況： 移位裝置臺架變形分布(單位: mm)

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

圖13 換向工況： 移位裝置臺架變形分布(單位： mm)

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

該工況下，從動(dòng)輪上彈簧最大壓縮力為141 993 N，最大壓縮量為37.49 mm。

3.5 橫通道及正線平移空推配套土建施工

為配合TBM主機(jī)液動(dòng)移位裝置行進(jìn)，移位路面需澆筑為平面，并在橫通道地面中心設(shè)置寬350 mm、深150 mm的導(dǎo)向槽，在橫通道底板澆筑過程中同期實(shí)施，橫通道底板混凝土采用模筑施工，混凝土強(qiáng)度等級≥C30，見圖14。

區(qū)間始發(fā)導(dǎo)洞導(dǎo)臺采用“平面+弧形”結(jié)構(gòu)布置，始發(fā)導(dǎo)洞前140 m設(shè)置平面導(dǎo)臺，最后15 m為傳統(tǒng)弧形導(dǎo)臺[4]，長度與TBM主機(jī)長度匹配，便于TBM定位始發(fā)，見圖15。

始發(fā)導(dǎo)洞平面導(dǎo)臺中心設(shè)置移位裝置導(dǎo)向槽，導(dǎo)向槽尺寸與橫通道一致，并與橫通道底板導(dǎo)向槽垂直聯(lián)通(見圖14)，待移位裝置通過橫通道平移至正線接口處時(shí)，導(dǎo)向輪恰好位于橫通道導(dǎo)向槽和區(qū)間導(dǎo)臺導(dǎo)向槽交叉口，移位裝置各輪系轉(zhuǎn)向90°后，繼續(xù)沿著區(qū)間平面導(dǎo)臺緩緩移動(dòng)至掌子面弧形導(dǎo)臺面處，采用裝置卸載機(jī)構(gòu)將主機(jī)頂出裝置到弧形導(dǎo)臺上?；⌒螌?dǎo)臺底面與平面導(dǎo)臺高差為370 mm(移位裝置弧形底至地面高度)，詳見圖15—16。

(a) 平移橫通道底板及平移裝置導(dǎo)向槽

(b) 與正線始發(fā)導(dǎo)洞導(dǎo)向槽聯(lián)通

圖15 正線始發(fā)導(dǎo)洞“平面+弧形”導(dǎo)臺實(shí)照

圖16 平面導(dǎo)臺與弧形導(dǎo)臺位置示意圖

3.6 工作流程

從TBM主機(jī)下井并在液動(dòng)移位裝置上組裝拼接完成開始，將主機(jī)沿既定線路水平橫移后再縱向前移空推到導(dǎo)臺前，然后將主機(jī)卸載至始發(fā)導(dǎo)臺上準(zhǔn)備掘進(jìn)作業(yè)，具體流程見圖17。

由于井內(nèi)空間受限，TBM主機(jī)和裝置均不能在井內(nèi)實(shí)施轉(zhuǎn)向，所以從水平橫移到縱向空推的切換是通過裝置底部的輪胎換向?qū)崿F(xiàn)的，TBM及移位裝置本身并不發(fā)生旋轉(zhuǎn)。

圖17 移位裝置平移、空推工藝流程圖

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

空推始發(fā)的工況流程如下：

1)液動(dòng)移位裝置組裝調(diào)試。在豎井地面上，將裝置承載臺架各分段(6段)結(jié)構(gòu)通過高強(qiáng)螺栓連接，并安裝好所有的輪系，然后將液壓管路與電控線路連接起來，吊裝下井就位。

2)井底組裝TBM主機(jī)各組件。TBM刀盤、前盾、主驅(qū)動(dòng)、伸縮盾、支撐盾、尾盾等從豎井吊到本裝置的承載臺架上進(jìn)行組裝，待主機(jī)焊接完畢，準(zhǔn)備橫向移位，見圖18。

圖18 TBM主機(jī)在井底液動(dòng)移位裝置上組裝實(shí)照

Fig. 18 TBM main body equipped on hydraulic moving equipment

3)裝置平移。調(diào)整裝置橫向?qū)蜉嗊M(jìn)入底板導(dǎo)向槽內(nèi)，啟動(dòng)裝置液壓系統(tǒng)，壓力穩(wěn)定后，啟動(dòng)加壓油缸，驅(qū)動(dòng)輪受壓下伸觸地，穩(wěn)定后啟動(dòng)行走馬達(dá)，對應(yīng)驅(qū)動(dòng)輪同時(shí)動(dòng)作帶動(dòng)所有從動(dòng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)，裝置牽引著電液操作臺小車一起緩慢移動(dòng)，操作人員在機(jī)組旁操控設(shè)備運(yùn)行，見圖19。

4)當(dāng)移位裝置越過正線導(dǎo)向槽且移位裝置中線正對正線導(dǎo)向槽時(shí)停車，行走馬達(dá)立即停轉(zhuǎn)，并將加壓油缸卸壓、驅(qū)動(dòng)輪離地，接著將橫向?qū)蜉営透卓s回，到位后被鎖定，橫向移位完成，見圖20。

圖19 TBM主機(jī)液動(dòng)移位裝置在橫通道平移實(shí)照

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

圖20 TBM主機(jī)側(cè)向平移至正線接口實(shí)照

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

5)輪系換向90°。按下按鈕啟動(dòng)4個(gè)支腿油缸，其缸筒先向下伸觸地，然后里面的活塞向上運(yùn)動(dòng)，頂住頂升支架而將TBM主機(jī)抬起，到位后，位置被鎖住，再讓從動(dòng)輪轉(zhuǎn)向油缸和轉(zhuǎn)向馬達(dá)動(dòng)作，完成從動(dòng)輪和驅(qū)動(dòng)輪的90°轉(zhuǎn)向，即所有輪轉(zhuǎn)到臺架的縱向方向(朝向裝置前段)。完畢，讓4個(gè)支腿油缸泄壓，缸中彈簧復(fù)位，臺架下沉復(fù)位，見圖21。

(a) TBM主機(jī)輪系轉(zhuǎn)向 (b) 正線空推

圖21 TBM主機(jī)輪系轉(zhuǎn)向及正線空推

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

6)正線空推。安裝裝置縱向前后兩端縱向?qū)蜉?，使其放置在地面?dǎo)向槽內(nèi)，加壓驅(qū)動(dòng)輪后啟動(dòng)行走馬達(dá)，驅(qū)動(dòng)輪同時(shí)動(dòng)作帶動(dòng)所有從動(dòng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)，裝置徐徐向前移動(dòng)，操作人員在機(jī)組旁操控設(shè)備運(yùn)行，打開攝像頭和燈光，監(jiān)控前端的情況；遇到下坡時(shí)按下剎車按鈕，這時(shí)2個(gè)導(dǎo)向油缸迅速充入液壓油，橫向?qū)驒C(jī)構(gòu)中伸出導(dǎo)向輪，輪底部緊壓地面，產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦而剎車，下坡后終止剎車，導(dǎo)向油缸將導(dǎo)向輪提起。待到導(dǎo)向臺前部的附近(2 m左右)時(shí)按下剎車按鈕和停車按鈕，根據(jù)其慣性距離，分幾次靠近導(dǎo)向臺而停車。TBM主機(jī)在正線始發(fā)導(dǎo)洞內(nèi)空推見圖22。

圖22 TBM主機(jī)在正線始發(fā)導(dǎo)洞內(nèi)空推實(shí)圖

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

7)裝置退出。裝置移位?？恐琳€弧形導(dǎo)臺邊停車，將卸盾油缸固定架焊接到已鋪設(shè)好的水泥地面預(yù)埋鋼板上，卸盾油缸安裝到固定架上，連接好液壓管路，啟動(dòng)卸盾油缸，利用其活塞桿頭通過中間增加頂鐵的方式將TBM主機(jī)推到弧形導(dǎo)臺上，見圖23。

圖23 液壓站將主機(jī)頂出裝置到弧形導(dǎo)臺實(shí)照

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

正線空推完成，然后按退回按鈕，行走馬達(dá)反轉(zhuǎn)，裝置退回始發(fā)地，拆分段，待下次用。

8)空推過站與上述平移、空推始發(fā)思路基本一致。裝置提前?？坑诨⌒螌?dǎo)臺大里程端[12]，焊接固定架(見圖23)，TBM利用傳統(tǒng)弧形導(dǎo)臺空推上液動(dòng)移位裝置后，拆除固定架，啟動(dòng)裝置沿過站線路裝載TBM主機(jī)+后配套過站，行進(jìn)至車站大里程端始發(fā)導(dǎo)臺邊，再重復(fù)(7)步驟，完成裝置退出、TBM始發(fā)。

4 應(yīng)用效果

該裝置代替常規(guī)盾構(gòu)/TBM基座，采用大量特制鋼材、聚氨酯及高強(qiáng)度尼龍等新興材料，最大程度減小裝置高度、增加裝置抗壓強(qiáng)度，最大限度利用既有隧道斷面，利用裝置各輪系、導(dǎo)向及舉升油缸、行走及轉(zhuǎn)向馬達(dá)、位移傳感器等，實(shí)現(xiàn)基座的橫向、縱向精確位移、上機(jī)、下機(jī)等功能，施工風(fēng)險(xiǎn)小，效率高，實(shí)測移動(dòng)速度為1 m/54 s，不需要額外的其他設(shè)施與設(shè)備，完成整個(gè)過程僅需要3～4名操作人員。

閆—南區(qū)間第1臺TBM自2019年7月12日吊裝至8月9日組裝調(diào)試始發(fā)歷時(shí)28 d，第2臺TBM自2019年10月29日吊裝至11月23日組裝調(diào)試始發(fā)歷時(shí)25 d，較傳統(tǒng)“先軌后推”工藝有效節(jié)約工期約15 d(未包含前期準(zhǔn)備工作)。

但同時(shí)，該裝置對于平移地面強(qiáng)度(不低于30 MPa)、平整度(±2 cm)要求較高，否則會(huì)出現(xiàn)地面摩擦力過大、動(dòng)力不足、驅(qū)動(dòng)輪打滑、裝置偏移等情況，并且對500 m以下小曲線適應(yīng)性較差，裝置驅(qū)動(dòng)力不足，行進(jìn)容易偏離線路，仍存在改進(jìn)優(yōu)化的空間。

5 結(jié)論與建議

TBM主機(jī)液動(dòng)移位裝置創(chuàng)新工裝在青島地鐵的成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了TBM平移空推作業(yè)的機(jī)械自動(dòng)化，較傳統(tǒng)“先軌后推”工藝大大減少了前期工作量；將TBM平移空推工序合二為一，且設(shè)備可拆可聯(lián)、機(jī)動(dòng)靈活，搬運(yùn)方便，提高了作業(yè)效率，安全性大大提升；還可延長長度，滿足不同外形尺寸的TBM主機(jī)，具有較大的通用性，適用范圍廣。但該裝置對平移地面的平整度、強(qiáng)度有一定的要求，隧道曲線適應(yīng)性較低，仍存在優(yōu)化空間。另外該設(shè)備造價(jià)較高，可綜合工程實(shí)際工況進(jìn)行方案比選，建議單次使用采用租賃周轉(zhuǎn)方式。

隨著科技的不斷進(jìn)步，隧道施工的機(jī)械化、智能化應(yīng)用已日漸成熟，本文通過對TBM主機(jī)平移空推工序的機(jī)械化工裝研究應(yīng)用，可為類似TBM工況施工提供借鑒參考。