周雁領（中鐵十八局集團有限公司，天津 300222）

開敞式TBM步進技術

周雁領
（中鐵十八局集團有限公司，天津 300222）

摘要：我國采用硬巖掘進機施工的項目，有一個突出的特點是TBM法和鉆爆法充分結合，因而開始掘進前、中間轉場或貫通后TBM都需要步進，甚至是長距離步進，TBM步進速度對工期影響較為明顯。本文系統(tǒng)地總結了現有的TBM步進技術，重點論述目前效率最高、迅速得以推廣應用的滑板式步進技術，包括結構與原理、步進流程、技術要點、應用效果、適應性改進、輔助工程需要注意的事項等。開敞式TBM采用滑板式步進技術具有設備投入少、施工設施投資少、步進速度快、適用于長短距離步進的優(yōu)點。

關鍵詞：開敞式TBM；步進技術；步進方式；滑板式

0　引言

21世紀是地下空間開發(fā)利用的世紀［1］，我國已成為地下工程建設大國，在水利水電、鐵路、城市軌道交通、市政、公路等基礎建設中，隧道（洞）工程所占比例很大。

我國的隧道建設在地域方面有2大特點。一是城市隧道工程，如地鐵隧道，長度不大，但建設環(huán)境復雜，干擾因素多；二是山嶺隧道，如水利水電、鐵路、公路等隧道，往往為長隧道，甚至為特長隧道，建設環(huán)境惡劣，環(huán)境保護要求高。我國的隧道建設在工期方面存在一個顯著特點——緊張。往往在施工階段大幅壓縮施工工期，甚至科學的工期被一再提前［2－3］，由于長期形成的思維慣性，短時間內很難得到妥善解決，作為工程技術人員，只能努力適應。

長大隧道如何合理縮短建設工期，工程建設、設計、施工單位曾想過許多辦法，筆者也在不斷思考，認為：對于施工來講，首先要解決的是總體施工規(guī)劃，其次是施工方法。在我國，鉆爆法和最先進的TBM法有機結合，依據工程建設環(huán)境和地質條件，合理劃分二者的施工區(qū)段及長度，是最佳的選擇。例如：西康鐵路秦嶺隧道全長18.45 km，其中I線隧道TBM掘進10.3 km、鉆爆法開挖8.15 km；西合鐵路桃花鋪一號隧道全長7.23 km，其中TBM掘進6.02 km、鉆爆法開挖1.21 km；蘭渝鐵路西秦嶺隧道全長28.2 km，其中左線隧道TBM掘進13.6 km、鉆爆法開挖14.6 km，右線隧道TBM掘進14.9 km、鉆爆法開挖13.3 km，等等。大部

分工程TBM掘進段與鉆爆法施工段交錯布置，TBM必須以適當方式通過，業(yè)內稱之為“步進”。TBM步進段，可在組裝調試后、開始掘進前，可在兩掘進段之間，也可在TBM貫通后、拆卸前，TBM步進長度少則數百米，多則數千米。例如：蘭渝鐵路西秦嶺隧道左線及右線TBM開始掘進前步進長度均約2 000 m，兩掘進段之間左線轉場步進長度為4 300 m，右線轉場步進長度為2 400 m。在保證設備安全的前提下快速步進且經濟合理，是廣大工程技術人員需要解決的重要問題之一。

文獻［1］全面介紹了TBM施工技術和工程實踐，很多內容涉及到步進，也有關于步進注意事項的論述，但不夠完整和詳細；文獻［2］和文獻［3］論述了TBM的發(fā)展與應用，但未涉及步進技術；文獻［4－7］介紹了蘭渝鐵路西秦嶺隧道TBM步進施工技術；文獻［8－10］介紹了西秦嶺隧道TBM步進弧形混凝土底板的結構與施工；文獻［11］論述了一種滑軌式TBM步進技術以及施工過程中遇到的人為失誤事故的處理措施；文獻［12］簡要說明了遼西北供水工程TBM步進機構的組成以及改進建議；文獻［13－15］論述了開敞式TBM過站施工技術。

經廣泛查閱研讀，尚未發(fā)現系統(tǒng)論述現有步進技術的文獻，大多只說明了一種特定的步進方式。本文結合工程實例，總結已有的TBM步進方式，重點論述經過研究并不斷得以推廣和改進的滑板式步進技術的原理、結構、施工過程與操作要點，并探討技術改進措施。實踐證明，該技術具有設備投入少、施工設施投資少、步進速度快、適用于長短距離步進的特點，是目前最先進的步進技術，能夠顯著降低步進成本，提高效率，縮短工期，對TBM施工具有重要的參考意義。

1　步進方式調查

TBM可以通過多種方式實現步進。

1.1反力架式

TBM組裝后，在主機尾部設置反力架（鋼結構、混凝土結構等），TBM推進油缸頂推在反力架上（后續(xù)步進時，需要在推進油缸與反力架之間不斷安裝管片或類似結構物），實現主機前移，并拖動后配套隨之前進。反力架式適用于護盾式TBM，目前在單護盾、雙護盾硬巖掘進機以及盾構施工項目中應用較普遍，步進長度通常較小。工程實例為引大濟湟工程。

1.2掘進式

開敞式TBM撐靴撐緊按步進要求完成襯砌的洞壁，推進油缸為步進提供前進動力，底護盾在隧道底板上向前滑行（如果底板為平面，則需要在底護盾上安裝相應機構使其底面同樣變?yōu)槠矫妫?，步進過程與正常掘進相仿。由于撐靴對隧道洞壁施工質量要求高，因此應用較少。

1.3蛙跳式

雙X型支撐開敞式TBM的一種步進方式，步進機構分別安裝于底護盾、前后外機架、后支撐，推進油缸為TBM前移提供動力。前后外機架步進機構支撐TBM主機，底護盾、后支撐步進機構被提離地面，推進油缸伸出，推動主機在兩外機架上向前滑動，行程到位后，底護盾及后支撐步進機構落下并支撐主機，兩機架步進機構脫離地面，推進油缸收回并帶動機架前移，為下一循環(huán)步進作業(yè)做好準備［1］。工程實例為南疆吐庫二線鐵路中天山隧道。雙X型支撐TBM雖然造價較低，但應用越來越少，該步進方式被逐步淘汰。

1.4軌行式

TBM主機下方安裝若干帶有動力的驅動輪及支撐輪組，在預先鋪設的鋼軌上帶動TBM向前運動，可適用于各種機型和不同步進長度，但成本相對較高。工程實例為遼寧大伙房輸水工程。

1.5滑軌式

步進洞內預設滑軌（鋼軌、型鋼等），底護盾后方安裝步進油缸，油缸另一側設有軌夾，夾緊軌道為TBM在滑軌上前移提供反力；或油缸另一端增加焊接在滑軌上的鋼結構［11］；或步進油缸另一側安裝活動式牛腿，牛腿插入地板預留空洞中，為TBM前移提供反力，可適用于各種機型。工程實例為重慶軌道交通6號線銅鑼山隧道。

1.6坦克式

TBM主機底部安裝坦克小車（又稱重物移運器），承載主機，并背負主機向前移動，目前在盾構工程中應用較多，主要應用于過站階段［13－15］。

1.7滑板式

TBM底護盾下部安裝小滑板，可在大滑板上滑動，大滑板置于混凝土底板上，底護盾和大滑板之間安裝有步進油缸；同時，為保證TBM的穩(wěn)定，在撐靴下方設有支撐支架。該技術是作者所在技術團隊結合蘭渝鐵路西秦嶺隧道研發(fā)，并與TBM制造商通力合作共同實施的，其運行成本較低，步進速度快，已經有弧形底板、水平底板等不同形式，在短時間內得以推廣，如重慶地鐵工程、引漢濟渭供水工程、遼西北供水工程、吉林中部城市引松供水工程等［4－7，12］。

2　滑板式步進技術

2.1原理與結構

滑板式步進系統(tǒng)的主要結構如圖1所示。由于大滑板與混凝土底板之間（即鋼材與混凝土之間）以及小滑板與大滑板之間（即鋼與鋼之間）的摩擦因數不同，前者為0.2～0.3，后者為0.15，且大小滑板之間涂抹潤滑劑后摩擦因數會更?。?.1～0.12），而兩者所

承受的壓力基本相當，因而后者所產生的摩擦力遠小于前者。TBM步進時，步進油缸向前頂推TBM的反力由上述摩擦力的差值承擔。

圖1　滑板式步進系統(tǒng)結構組成Fig.1 Structure of slidingtype TBM stepping system

為了步進時便于控制TBM的方向，在混凝土底板中間沿隧道軸線方向設置導向槽，通過導向輪控制TBM的左右偏移量。

2.2步進流程［5］

1）步進油缸伸出，推動主機在大滑板上向前滑動，推進油缸隨動伸出，同時拖動后配套系統(tǒng)在鋼軌上向前運動，完成一個完整的步進行程（與掘進行程長度相同）。

2）舉升油缸和后支撐同時向下伸出，作用于混凝土底板上，兩者共同作用將TBM主機向上抬起，小滑板脫離大滑板，同時撐靴支架脫離底板。

3）步進油缸回收，拖動大滑板在底板上向前滑動1個行程；同時，推進油缸收回，拖動撐靴支架向前移動1個行程。

4）舉升油缸和后支撐同時收回，TBM主機再次依靠滑板和撐靴支架承載，開始再次步進，如此循環(huán)，TBM就可以不斷地向前步進。

2.3技術要點

1）開始步進前，全面檢查步進洞，混凝土底板要有足夠的平整度，不能有明顯的凸起，更不能殘留裸露的鋼筋等雜物；復核斷面尺寸，如有干擾應提前處理。

2）全面檢查和清理導向槽（如果有），不能殘留石渣等雜物，位置和尺寸滿足步進要求，確保不會出現導向輪卡滯現象。

3）確保步進所需的液壓系統(tǒng)具有良好的狀態(tài)。

4）舉升油缸承載質量大、行程短，從結構設計至操作過程控制都要嚴格把關，控制好伸縮量和垂直度，舉升高度控制以小滑板脫離大滑板約1 cm為宜，同時又要保證撐靴支架完全脫離底板。這就要求混凝土底板的平整度要高，否則就必須加大舉升油缸的提升量，進而要配置較大行程的油缸，影響油缸的合理安裝位置。

5）關注大滑板和小滑板的耐磨防護，避免異常磨損。

6）撐靴支架在步進換步過程中可能會發(fā)生姿態(tài)改變，注意調整左右方向。

7）仰拱預制塊鋪設及注漿、軌線延伸與正常掘進基本相同，但務必要保證運輸與安裝速度和質量，避免仰拱塊安裝或注漿不及時、穩(wěn)固性差而影響正常步進。

2.4應用效果

吐庫二線鐵路中天山隧道采用蛙跳式步進技術，232 m步進耗時18 d，平均12.9 m／d；蘭渝鐵路西秦嶺隧道左線采用滑板式步進技術，25 d步進2 113 m，最高班進度（2班／d，每班12 h）100.5 m，最高日進度173 m［4］；遼西北供水工程二段四標采用滑板式步進技術，35 d完成4 431.5 m步進，平均步進126.6 m／d，最高日進度220 m以上。這在以往是不可能實現的。

3　滑板式步進技術適應性改進

3.1大滑板厚度減小

西秦嶺隧道TBM步進大滑板鋼板厚度70 mm，質量為37 t，生產及運輸成本較高。后續(xù)工程實踐中經過努力探索，優(yōu)化結構，鋼板厚度減小至40 mm，且結構剛度與強度滿足快速步進的要求，步進機構的質量、制造成本、安裝和拆除成本大幅下降，同時降低了洞內拆除的難度。

3.2提升耐磨性

如果TBM長距離步進，就必須高度關注步進機構的耐磨性，某工程在施工過程中曾出現鋼板嚴重磨損，甚至影響正常步進的現象。經過研究與實踐，可采取的措施有2種：1）大小滑板之間增設耐磨板；2）步進過程中保證相對運動的滑板之間具有良好的潤滑，有效的做法是每個步進循環(huán)涂抹一次潤滑油，保證能形成可靠油膜的同時，清除摩擦面上的顆粒物。

3.3牽引桿

步進換步時撐靴支架需要向前移動，最初的實施方案中需要依靠推進油缸實現，但推進油缸直徑大，甚至超過1 000 mm，伸縮速度相對緩慢，用油量大，往往會影響步進速度；且步進過程中推進油缸沒有更重要的作用，屬于嚴重的“大馬拉小車”。因此，提出了牽引桿方案，即在大滑板與步進支架之間設置鉸接拉桿，換步時支架與大滑板一并前移，既方便又快捷。

3.4組合式大滑板

開挖直徑為10.2 m的TBM，大滑板尺寸為10.7 m×6.3 m（長×寬），開挖直徑為8.5 m的TBM，大滑

板尺寸為9.2 m×3.5 m（長×寬），以往均設計為1個整體焊接件，運輸不便；TBM步進到位后需及時拆除，大滑板的尺寸質量都比較大，而洞內作業(yè)空間小、條件差，只能火焰切割，效率低且影響再次使用。目前，我國TBM的應用現狀是TBM掘進15～20 km的工程較多，通常中間設輔助通道，分為2個階段施工，2個階段施工之間TBM需要再次步進。為此，設計了分體組合式大滑板，沿縱向將其分為左右2個部分，通過連接板螺栓連接，運輸、拆裝作業(yè)方便，且能保證正常使用。組合式大滑板見圖2。

圖2　組合式大滑板Fig.2 Combined large sliding plate

4　滑板式步進技術配套措施

TBM步進前期需做好充足的準備工作，除TBM組裝調試外，還要事先施作混凝土底板、導向槽等；此外，也有相應的配套工程，如仰拱預制塊鋪設、軌線延伸、連續(xù)皮帶機安裝等。只有各項工作得以統(tǒng)籌謀劃、協調作業(yè)，才能取得更好的工程效益。

4.1混凝土底板

TBM步進段混凝土底板，可根據工程性質與需求，設計為水平或弧形。為了便于步進過程中的方向控制，水平底板上需要預留導向槽，大滑板上增加1組導向輪；如果是弧形底板，則可取消導向槽。

底板施工可隨步進洞開挖一并施作，開挖后一次性施工更便于施工組織。西秦嶺隧道采用的滑模施工工藝取得了良好的效果，25 d完成2 113 m澆筑施工任務，最高日進度173 m［4］。

4.2仰拱鋪設

對于鋪設仰拱預制塊的隧道，必須邊步進邊鋪設仰拱塊，既要保證鋪設精度與速度，又要保證背部及時回填、迅速達到滿足后配套及有軌運輸車輛通行的強度要求。因此，仰拱鋪設效率往往會直接制約TBM的步進速度?？刹扇∫韵麓胧?/p>

生產仰拱預制塊時，在其下部施作4個支承墩，這樣就能夠有效保證鋪設后仰拱塊的穩(wěn)定性及承載能力，且鋪設操作便捷、快速，同時，又便于后期背部回填。

4.3預制軌排

對于沒有仰拱預制塊的隧道，TBM步進的同時必須及時鋪設后配套及有軌運輸車輛走行軌道。軌道大多安裝于鋼枕之上。一種做法是加工較長的鋼枕，長度通常為3.5 m以上，鋪設4根鋼軌，軌道制式可以是四軌三線、四軌雙線，或者后配套單獨走行于2根外軌、運輸車輛走行于2根內軌；另一種做法是運輸車輛走行軌直接鋪設于混凝土底板，后配套走行軌為獨立軌排，兩側鋼軌與獨立鋼枕分別預先加工為成品軌排，單獨運輸和安裝，可在步進過程中循環(huán)使用，鋪設速度快、物料投入少、作業(yè)效率高、成本低，非常適合長距離步進的TBM工程。預制軌排見圖3。

圖3　預制軌排Fig.3 Prefabricated track panel

5　結論與體會

TBM可以通過多種方式實現步進。實踐證明，開敞式TBM滑板式步進技術是目前最先進的步進技術，具有設備投資少、配套工程措施費用低、步進速度快、操作便捷等優(yōu)勢，在長距離步進時速度快、成本低的優(yōu)點更為突出。

任何一項技術的發(fā)展，都遵循著普遍存在的規(guī)律，滑板式TBM步進技術同樣如此。從2008年開始研究設計，到2010年在工程中應用，至今經歷了從無到有、從少到多，成本從高到低，速度從慢到快的過程，雖經不斷完善和改進，但仍然存在一些需完善之處。例如，某些工程中的混凝土底板對于工程本身并非必要，只是為了滿足TBM步進而設置，因而存在一定程度的工程浪費，今后需要繼續(xù)深入研究（如在保證順利步進的前提下滑板式步進技術對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。

唯有不斷創(chuàng)新，才能持續(xù)發(fā)展，TBM步進技術同樣如此，期待更加便捷、成本更低、工程適用性更強的步進方式早日成為現實。

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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

作者簡介：周雁領（1974—），女，河北滄州人，1998年畢業(yè)于石家莊鐵道學院，設備工程與管理專業(yè)，本科，高級工程師，現從事TBM施工及科研管理工作。

收稿日期：2015－03－19；修回日期：2015－03－30

中圖分類號：U 455

文獻標志碼：B

文章編號：1672－741X（2015）05－0468－05

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