TBM常見混噴結(jié)構(gòu)及新型混噴結(jié)構(gòu)的研究及應(yīng)用

王鵬星，王亞威，陳寶宗，張 嘯

（中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016）

全斷面硬巖掘進機（TBM）目前廣泛應(yīng)用在鐵路、公路、水電建設(shè)等隧道工程，TBM施工涉及方方面面許多作業(yè)，但主要是掘進、支護、出渣三大作業(yè)。作為支護作業(yè)的重要組成部分，混凝土噴射系統(tǒng)是影響隧道施工進度及施工安全的重要一環(huán)[3～5]，在部分斜井或簡易TBM中，為減輕主機重量，滿足小轉(zhuǎn)彎曲線等要求，往往會壓縮主機長度，舍棄拱架、鉆機等一次支護系統(tǒng)，此時，混噴作為唯一支護系統(tǒng)，其重要性就更加凸顯。現(xiàn)有施工的TBM設(shè)備中，由于隧洞空間限制、地質(zhì)環(huán)境不同、施工團隊支護習(xí)慣不同等多種因素影響，混凝土噴射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式也各有不同。目前，國內(nèi)外技術(shù)成熟的TBM制造商都有自己成熟的設(shè)計體系及理念，對于混凝土噴射系統(tǒng)的設(shè)計也有不同的理解。雖然各個廠商在混凝土噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的細節(jié)上各有不同，但整體結(jié)構(gòu)上卻大同小異，比較成熟常見的結(jié)構(gòu)形式如下。

1 橋架式混噴結(jié)構(gòu)

橋架式混噴結(jié)構(gòu)通常由橋架及環(huán)形大車（或稱機械手）兩大部分組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖2為橋架式混噴結(jié)構(gòu)截面圖。橋架式混噴結(jié)構(gòu)中橋架為箱型梁結(jié)構(gòu)，其中，橋架箱型梁一方面作為受力件，承受環(huán)形大車、防塵罩、皮帶機等部件的重量，傳遞主機與后配套臺車之間牽引力；另一方面為充分利用空間，橋架箱型結(jié)構(gòu)可以作為污風(fēng)或新鮮風(fēng)的通道。橋架通過支腿架設(shè)在隧洞軌道上，使橋架下方具有可行駛列車編組進行物料運輸?shù)目臻g。橋架上方布置有防塵罩，防塵罩內(nèi)部有人行通道，并布置有皮帶機、風(fēng)筒、電纜及液壓流體管路等。橋架左右兩側(cè)布置有環(huán)形大車行走軌道，環(huán)形大車通過輪對卡在軌道中架設(shè)在橋架上，沿著軌道在隧道軸向方向上前后移動。環(huán)形大車上安裝有可周向旋轉(zhuǎn)運動的旋轉(zhuǎn)小車，旋轉(zhuǎn)小車上固定有可伸縮噴射臂。噴射臂通過旋轉(zhuǎn)小車旋轉(zhuǎn)可實現(xiàn)隧道周向混凝土噴射覆蓋，覆蓋范圍一般在240°～270°（圖3）。通過環(huán)形大車在軌道上前后移動及噴射臂自身伸縮，可實現(xiàn)隧道軸向方向混凝土噴射覆蓋，單個噴射臂覆蓋范圍通常為6m，一般為4m環(huán)形大車前后移動+2m噴射臂伸縮或5m環(huán)形大車前后移動+1m噴射臂伸縮（圖4）。橋架前后端部設(shè)有防塵板，防塵板將橋架噴射混凝土區(qū)域與其他作業(yè)區(qū)域隔離，避免噴射混凝土?xí)r產(chǎn)生的粉塵污染其他作業(yè)區(qū)域。

圖1 橋架式混噴結(jié)構(gòu)

圖2 橋架式混噴結(jié)構(gòu)截面圖

圖3 噴射臂周向覆蓋范圍示意圖

圖4 噴射臂軸向覆蓋范圍示意圖

經(jīng)驗表明，TBM隧道施工中機械手噴頭與洞壁最佳使用距離為800～1200mm。要保證機械手噴頭與洞壁距離處于最佳使用距離范圍內(nèi)，橋架式混噴結(jié)構(gòu)由于本身結(jié)構(gòu)形式所限制，通常適用于7m以上的隧洞直徑。隧道直徑小于7m時，采用此種結(jié)構(gòu)形式就會出現(xiàn)機械手噴頭與洞壁距離過近，噴射混凝土?xí)r反彈料就會增多，噴射效率就會降低，同時還會出現(xiàn)通風(fēng)設(shè)計、人員通道設(shè)計困難，皮帶機不易維修，更換托輥困難等諸多問題。

橋架式混噴結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點：①防塵罩內(nèi)部具有人行通道，可直達后配套臺車上層平臺，橋架下部物料運輸通道又可直達后配套臺車下層平臺，采用橋架式混噴結(jié)構(gòu)可使TBM人員及物料運輸通道整體更為通暢；②噴射覆蓋范圍廣，單個機械手有效覆蓋范圍軸向方向可達6m，圓周方向可達240°～270°；③2個機械手一備一用更加可靠，可降低因機械手故障而導(dǎo)致施工停止的風(fēng)險；④防塵罩可以有效阻擋混凝土反彈料，使人員通道及下部作業(yè)環(huán)境相對整潔；⑤皮帶機布置在防塵罩內(nèi)部，兩側(cè)即為人行通道，便于日常檢查及維修。

其缺點為：①橋架式混噴結(jié)構(gòu)空間占有率比較大，防塵罩、皮帶機及橋架下方列車編組通道占據(jù)很大隧道空間，因此此種結(jié)構(gòu)橋架處液壓流體管路不易布置，風(fēng)筒不易布置，混凝土管路不宜布置；②環(huán)形大車整體結(jié)構(gòu)為環(huán)形結(jié)構(gòu)件，長時間使用后會產(chǎn)生變形，隧道施工中后期旋轉(zhuǎn)小車會出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象，維修保養(yǎng)成本增大。

2 滑靴式混噴結(jié)構(gòu)

滑靴式混噴結(jié)構(gòu)通常由滑靴及混凝土噴射移動裝置兩大部分組成,具體結(jié)構(gòu)如圖5所示，圖6為滑靴式混噴結(jié)構(gòu)截面圖。

滑靴式混噴結(jié)構(gòu)中滑靴為桁架結(jié)構(gòu)，由鋼管和型鋼焊接而成,可分為過道、風(fēng)筒支架、主梁三大部分（圖7）：過道位于風(fēng)筒支架兩側(cè)，作為人行通道及物料運輸通道；風(fēng)筒支架一方面作為新鮮風(fēng)通道，另一方面作為支撐結(jié)構(gòu)在TBM掘進時緊貼隧道巖石洞壁滑行；主梁負責(zé)傳遞主機與后配套牽引力。混凝土噴射移動裝置可分為移動架和噴射臂兩大部分：移動架通過輪對卡在軌道中架設(shè)在滑靴平臺中央位置，通過液壓油缸可實現(xiàn)前后2m移動，噴射臂通過螺栓固定在移動架上，噴射臂自身可實現(xiàn)3m伸縮，因此在軸向方向上混凝土噴射覆蓋范圍可達5m（圖8）。噴射臂的噴頭通過擺動液壓馬達可實現(xiàn)周向擺動，但由于滑靴結(jié)構(gòu)限制，一般只能實現(xiàn)180°～240°混凝土噴射覆蓋（圖9）。防塵罩位于滑靴正上方，移動架可在防塵罩上方滑動，防塵罩內(nèi)部可布置污風(fēng)風(fēng)筒及液壓流體管線等，在滑靴前后兩端也設(shè)置有防塵擋板，避免噴漿區(qū)域的粉塵污染其它作業(yè)區(qū)域。

圖5 滑靴式混噴結(jié)構(gòu)

圖6 滑靴式混噴結(jié)構(gòu)截面圖

圖7 滑靴結(jié)構(gòu)圖

滑靴式混噴結(jié)構(gòu)整體來說結(jié)構(gòu)緊湊，為保證機械手噴頭與洞壁距離處于最佳使用距離為800～1200mm范圍內(nèi)，此種結(jié)構(gòu)通常適用于5m以下的隧洞直徑，大于此直徑時采用此種結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致噴頭距離洞壁過遠，同樣會使反彈料增多，噴射效率低下，同時會造成整體結(jié)構(gòu)不協(xié)調(diào)，出現(xiàn)設(shè)備布局不緊湊現(xiàn)象。

圖8 噴射臂軸向覆蓋范圍示意圖

圖9 噴射臂周向覆蓋范圍示意圖

滑靴式混噴結(jié)構(gòu)優(yōu)點：①結(jié)構(gòu)形式相對簡單，易于設(shè)計，加工制造成本相對較低；②由于本身結(jié)構(gòu)對于空間占有相對較小，則易于布置風(fēng)筒通道、皮帶機及混凝土管路；③此種結(jié)構(gòu)形式移動架和機械臂易于保養(yǎng)維修，周向噴射覆蓋通過噴射臂噴頭周向擺動實現(xiàn)，不會出現(xiàn)橋架式混噴結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)小車旋轉(zhuǎn)卡滯現(xiàn)象。

滑靴式混噴結(jié)構(gòu)缺點為：①皮帶機位于滑靴的主梁和風(fēng)筒支架之間，不易維修，更換皮帶托輥不方便；②圓周方向混凝土噴射覆蓋范圍相對較小，一般僅為180°～240°范圍；③人員和物料運輸通道沒有橋架式混噴結(jié)構(gòu)通暢；④混凝土反彈料直接落在人行通道和布置在此區(qū)域的管線上，不易清理，作業(yè)環(huán)境相對較差。

3 新型混噴結(jié)構(gòu)

橋架式混噴結(jié)構(gòu)和滑靴式混噴結(jié)構(gòu)能很好地解決7m以上及5m以下隧洞直徑的混凝土噴射問題，但5～7m直徑的隧洞采用這兩種混噴結(jié)構(gòu)都不能達到很好的效果，為解決這一問題，一種新型混噴結(jié)構(gòu)應(yīng)運而生,其結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 新型混噴結(jié)構(gòu)圖

該新型混噴結(jié)構(gòu)橋架和橋架式混噴結(jié)構(gòu)橋架類似，均為箱型梁結(jié)構(gòu)，由支腿架設(shè)在隧道軌道上，下部預(yù)留足夠物料運輸空間及人員通道，上部設(shè)置防塵罩來保護內(nèi)部皮帶機，防塵罩為可拆卸合頁結(jié)構(gòu)，便于皮帶機日常維修保養(yǎng)和更換托輥。橋架兩側(cè)設(shè)有軌道和齒條，機械手架設(shè)在橋架上，機械手和操作移動平臺一體，由操作移動平臺上的馬達驅(qū)動齒輪嚙合齒條實現(xiàn)前后行走，可實現(xiàn)軸向6m范圍混凝土噴射覆蓋（圖11）。機械手主要由旋轉(zhuǎn)總成和齒圈總成構(gòu)成，旋轉(zhuǎn)總成通過齒輪嚙合可在齒圈總成上旋轉(zhuǎn)，加上旋轉(zhuǎn)總成上噴頭自身擺動馬達擺動動作，可實現(xiàn)周向240°～270°噴射覆蓋（圖12）。

圖11 機械手軸向覆蓋范圍示意圖

圖12 機械手周向覆蓋范圍示意圖

此種結(jié)構(gòu)已應(yīng)用在內(nèi)蒙古引綽濟遼TBM上。該新型混噴結(jié)構(gòu)形式新穎、獨特，結(jié)構(gòu)緊湊，在有限的隧道空間范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)噴頭周向旋轉(zhuǎn)和軸向前后移動，平衡了橋架式混噴結(jié)構(gòu)和滑靴式混噴結(jié)構(gòu)特點，兼顧了兩者優(yōu)點，在5～7m直徑的隧洞中使用時在滿足物料運輸、人行通道、通風(fēng)通道通暢的情況下還能保證混凝土噴射噴頭與洞壁之間具有最佳的噴射距離，具有很好的推廣及應(yīng)用價值。

4 結(jié)語

橋架式混噴結(jié)構(gòu)和滑靴式混噴結(jié)構(gòu)是目前TBM混凝土噴射系統(tǒng)比較成熟的混噴結(jié)構(gòu)，其各有優(yōu)缺點和適用范圍，直徑在5m以下隧洞，推薦采用滑靴式混噴結(jié)構(gòu)，直徑在7m以上隧洞，推薦采用橋架式混噴結(jié)構(gòu)。

新型混噴結(jié)構(gòu)平衡了橋架式混噴結(jié)構(gòu)和滑靴式混噴結(jié)構(gòu)的特點，兼顧了兩者優(yōu)點，值得在5～7m范圍直徑的隧洞中推廣使用，其實際使用效果尚需更多工程驗證。