全斷面岩石掘進機

全斷面岩石掘進機是指技術密集程度較高的機、電、液一體的大型地下施工設備主要用於岩石地質結構的鐵路、公路、水利水電引水導洞、捷運及地下工程隧道掘進建築施工。

基本介紹

• 中文名：全斷面岩石掘進機
• 外文名：Full Face Rock Tunnel Boring Machine
• 簡稱：TBM
• 用途：隧道掘進
• 基本功能：出碴、掘進等
• 配套設備：主機所需配套設備等

簡介

全斷面岩石掘進機 (簡稱 TBM ) 是技術密集程度較高的機、電、液一體的大型地下施工設備，主要用於岩石地質結構的鐵路、公路、水利水電引水導洞、捷運及地下工程隧道掘進建築施工。掘進機可交替完成掘進、步進工作，並可實現掘進、出碴連續作業 ，將挖掘的碴石通過刀盤頭部送達皮帶輸送機 ，運出隧道。

按照對不同地質條件的適應性及護盾形式，全斷面岩石掘進機可分為：支撐式 (敞開式)和護盾式兩大類。支撐式可分為雙 X 型和單大梁 T 型掘進機；護盾式可分為單護盾、雙護盾和三護盾。目前，國內使用的全斷面岩石掘進機主要是雙 X 型、單大梁 T 型掘進機及雙護盾掘進機。支撐 式全斷面岩石掘進機是利用支撐機構撐緊洞壁以承受向前推進的反作用力及反扭轉的掘進機，適用於岩石整體性較好的隧洞；單護盾掘進機只適用於軟岩地質條件下依靠支撐管片來實現支撐的掘進機；雙護盾掘進機綜合了支撐式掘進機與單護盾掘進機的特點，既有支撐靴板，適用於硬岩，又有護盾，適用於軟岩以及地層條件比較複雜的地層的掘進，採用預製管片襯砌。

基本功能

掘進機主要有掘進、出碴 、導向及支護等四項基本功能。

1、掘進

掘進功能包括破碎岩盤和掘進機不斷前進的功能。為此掘進機必須配置與其相匹配的滾刀，通過推進機構推進液壓油缸產生推力驅動刀盤，並產生變換滾刀破岩位置的迴轉力矩；還須配置合適的支撐機構 (T 型或雙x 型)，將破岩掘進力產生的反力矩和扭轉力矩產生的反力矩傳遞給洞壁，以形成足夠的破岩力。實現掘進功能的基本機構是滾刀、刀盤、刀盤支撐裝置及刀盤旋轉驅動系統。

2、出碴

出碴功能可細分為導碴、鏟碴、溜碴和運碴功能，並與掘進功能一起實現連續作業。

(1)導碴。刀盤旋轉時，滾刀在規定的貫入量和足夠的破岩力的作用下擠碎岩盤，岩碴在洞底被旋轉的刀盤舀起，順鏟口導碴條落入鏟斗。

(2)鏟碴。刀盤周邊設定若干個低邊鏟斗，將已經破碎的岩碴從洞底鏟入鏟斗，當鏟斗隨刀盤旋轉到上部時，岩碴經溜槽卸入皮帶機。為防止鏟口邊緣磨損，鏟斗唇口裝有可更換的抗磨刮板。

(3)溜碴。鏟斗內岩碴隨刀盤轉動到掘進機上方，超過堆積的安息角後靠 自重隨出碴斜道滑落到輸送帶上。出碴斜道設定橡膠擋護，以防岩碴灑落。

(4)運碴。皮帶輸送機將岩碴轉運出洞。為清理乾淨洞底岩碴，減少滾刀的磨耗，降低側翼鏟斗擾動洞壁，在保證刀盤剛度的前提下，掘進機應配有足夠的鏟斗和足夠大的容積，合適的鏟斗進出口，合理的出碴斜道和刀盤轉速，以確保排碴能力滿足掘進要求。

3、導向

通過雷射導向定位系統 (與陀螺儀配合使用)計算測定和預測機器的位置及偏轉角，用於直線或曲線隧道掘進方向的確定、調整。掘進偏離預期的洞線方向時，雷射源、感光靶將所測數據通過計算機系統處理，測出掘進機偏移量，同時輸出指令，使支撐靴、液壓油缸和平衡液壓油缸調整水平方向和垂直方向的偏差；當掘進機受刀盤迴轉的反作用力矩作用，發生整體偏轉時，則通過平衡液壓油缸予以糾正。

4、支護

支護功能可體現在未掘進地質的預處理、掘進後洞壁的局部支護和全部洞壁的襯砌三種狀態下。當已預報掘進機前方未掘進段將出現不良地質時(如山地、地下水)，主要採用混凝土灌漿、化學灌漿和冰凍固結進行預處理；掘進後出現局部不良地質時，主要採用噴混凝土、錨桿、掛網、設定鋼拱架進行處理；掘進後 。隧道洞壁接觸空氣便全線水解、風化時，採用全洞壁混凝土預製塊襯砌、密封和灌漿保護處理。

實現支護功能需要配置超前鑽機、錨桿機、鋼拱架安裝機、?昆凝土管片安裝機、噴混凝土機、混凝土灌漿機、化學注漿泵和冰凍機等設備。

構造及套用特點

1、支撐式全斷面岩石掘進機

支撐式全斷面岩石掘進機主要由刀盤、刀盤支承裝置和刀盤驅動裝置、機架、支撐及推進系統、前後下支承及調向機構等部分組成。

(1)刀盤。它是掘進機主要重型結構件，可分為平面、球面和錐面等三類。目前，大直徑掘進機都趨向採用平面刀盤。

(2)刀盤支撐裝置。又稱支承殼體或導向殼體，為重型焊接結構件。刀盤軸承安在其上 ，軸承內圈與刀盤相連，外圈與刀盤支承殼體相接。

(3)機架。機架為機器的主體，可分內外機架。內機架是掘進過程中可移動的部分，即大梁或主梁；外機架在掘進過程中為不動的部分，與液壓水平支撐或 x 支撐相連。機架用於連線主要部件及傳遞破岩的反扭矩 ，是掘進機 的主要結構件。

(4)支撐及推進系統。支撐和推進採用液壓系統 ，水平支撐和 x 型支撐架設在內機架滑道上，可沿內機架前後滑動。

(5)前、後下支承及調向機構(以羅賓斯型為例)。掘進機前下支承與刀盤支承殼體連成一體，支承機器前部重量，後下支承裝在內機架的後面，後下支承的伸縮由液壓缸控制(前下支承為固定式)。採用安裝 在外機架與大梁之 間的扭 矩油缸對機器進行垂直方向的調整，以前下支撐為垂直方向調整的支點，扭矩油缸伸長時，大梁相對於水平支撐升高，掘進機向下掘進；反之則向上掘進。

2、雙護盾掘進機

雙護盾掘進機與支撐式岩石掘進機的區別在於它沒有主梁和後部支撐裝置，其主體由前護盾、伸縮護盾、支撐護盾及尾盾等四部分構成。

(1)前護盾。前護盾是由厚鋼板滾壓、焊接而成的圓形殼體。其內裝有刀盤、驅動組件、皮帶輸送機、穩定器和反扭矩油缸，推進油缸的前端也安裝在其殼體內。

(2)伸縮護盾。伸縮護盾是連線前護盾和後護盾的內外兩個筒狀結構。它的功能是掘進機在掘進的同時可完成管片的安裝 ，從而使掘進機實現較小曲線段掘進。

外伸縮護盾焊於前護盾體上，內伸縮護盾由伸縮油缸支承，可向前縱向移動；內伸縮護盾上開有視窗，以便檢查和清洗兩殼體的縫隙；內伸縮護盾在雙護盾模式下工作 時與推進油缸一起縱 向移動 ，每結束一個掘進行程時，內伸縮護盾就伸入到外伸縮護盾內。

(3)支撐護盾。支撐護盾內裝有支撐靴 、反扭矩油缸、推進油缸和輔助推進油缸。為了降低對隧洞邊牆的壓力，支撐靴的表面積應足夠大；通過系統控制使支撐靴在隧洞邊牆上施加的壓力和刀盤的推力成正比，即根據刀盤所需 的推力來調整支撐靴的支撐壓力。

(4 )尾盾。尾盾安裝在支撐護盾的後部 ，其內部有管片安裝器 ，盾尾 的型式有密封式和敞開式。在尾盾殼體的保護下，可進行管片的安裝和仰拱管片底部灌注砂漿。

雙護盾掘進機綜合了支撐式掘進機與單護盾掘進機的特點，既有支撐靴板，又有護盾，使機器對不同地質條件的適應能力大大增加。因此，雙護盾掘進機適用於硬岩、軟岩及地層條件比較複雜的地層的掘進並採用預製管片襯砌。

後配套設備

後配套設備主要由三部分組成：主機所需配套設備、洞內出碴運輸和運料設備及臨時輔助設施。

(1)主機所需配套設備。包括掘進機 的液壓系統、供電系統、膠帶運輸系統、潤滑油泵系統和降溫、防塵供水及安全等系統。

(2)洞內出碴和運料設備。主要包括礦車有軌出碴及進料設備、連續膠帶機出碴及輕軌進料設備。

(3)臨時輔助設施。主要有臨時支護設備、通風系統和其他輔助設施。

工作循環

1、支撐式掘進機

以單 T 型支撐為例 ，如右圖所示 。

(1)掘進行程。主支撐板處於主梁前位 ，漲緊靴向兩側伸出支撐靴撐緊洞壁，後部支撐靴向上提起後，設備主體處於浮動狀態，雷射調整定位。驅動裝置驅動刀盤旋轉的同時 ，推進機構液壓缸活塞桿推進掘進機掘進。當推進液壓缸活塞桿全部伸出後，刀盤裝置停止驅動。此時，支撐鞍架處於主梁後部。

(2)換步行程。漲緊支撐靴回收離開洞壁，同時，後部支撐靴向下伸出至地面撐起掘進機，推進機構 液壓缸活塞桿 回縮帶動 主支撐板 回到主梁前部，準備進入下一個掘進工作循環 。

2、雙護盾掘進機

1）自穩能支撐地質條件下的掘進自穩能支撐地質條件下的掘進，如右圖所示。它是指洞壁能給掘進機支撐靴提供足夠 的推進反力和滾刀破岩所需 的阻力矩 ，即岩壁無較大 的破碎帶、斷層和地下水的地質狀況。

(1)掘進行程。後護盾水平支撐靴伸 出撐 緊洞壁，皮帶輸送機工作，同時，驅動刀盤旋轉；推進機構液壓缸活塞桿推進掘進機掘進，後護盾後部管片拼裝機拼裝管片，並與掘進同步工作。

(2)換步行程。刀盤停止旋轉，後護盾水平支撐靴 回縮離開洞壁 ，推進活塞桿回縮拖動掘進機後護盾前移。

2）自穩不能支撐地質條件下的掘進

自穩不能支撐地質條件下的掘進，如右圖所示。它是指洞壁不能給掘進機支撐靴提供推進反力和滾刀破 岩所需 的阻力矩 ，岩壁處 於較大 的破碎帶、斷層和地下水的地質狀況。

(1)掘進行程。開始掘進前，輔助推進油缸必須伸出，頂到襯砌塊表面，依靠襯砌塊承受推進力的反力和部分反扭矩 (指殼體摩擦力之外的部分)；支撐靴後退到與後護盾一致位置，即支撐靴板並沒有向洞壁施加壓緊力；刀盤旋轉，輔助推進油缸開始加壓外伸，把前護盾和後護盾一起向前推，直至完成一個行程的推進 。

(2)換步行程。刀盤停止迴轉，輔助推進液壓缸活塞桿回縮，為安裝管片留出空間。管片拼裝機安裝管片，此時管片安裝不能與掘進同時進行。因此，掘進速度比自穩能支撐地質狀態的掘進速度慢。

書籍

內容簡介

《全斷面岩石掘進機》全面系統地介紹了全斷面岩石掘進機的國內外發展史、主要類型和工作原理、主機與後配套設備的構造；詳細論述了掘進機類型、主要部件和後配套的選型，組織施工管理，並介紹了相應的施工技術。

作者簡介

喬世珊，教授級高級工程師，武漢大學兼職教授。現為水利部綜合事業局副局長，長期從事與水利水電工程有關的科研與技術管理，曾先後兩次赴英國、加本大留學1992年被原國家教委人事部授予“有突出貢獻的回國留學人員”稱號，2002年獲國務院政府特殊津貼。

茅承覺，教授，1955年畢業於華東水利學院（現河海大學)，曾任職於華北水利水電學院，華北電力大學(北京)。1978年獲全國科學大會獎。編著出版4本專著與教材，發表論文30多篇，1992年獲國務院政府特殊津貼。

劉春，教授級高級工程師，任鐵道部基建總局、中國鐵路工程總公司副處長。副總工程師，兼任秦沈鐵路指揮部副指揮長，西合指揮部副指揮長，秦嶺隧道北口TBM技術負資人。獲鐵道部科技大會獎《1978)，鐵道部科技進步獎（1998)，2001）年獲國務院政府特殊津貼。

圖書目錄

第一章 概論
第一節 引言
第二節 全斷面岩石掘進機與盾構機
一、掘進機的廣義概念
二、全斷面岩石掘進機
三、盾構機
四、全斷面岩石掘進機與盾構機結構的互通性
第三節 全斷面岩石掘進機施工特點
第四節 國外全斷面岩石掘進機發展概況
一、國外掘進機主要廠商概況
二、國外掘進機技術發展概況
第五節 我國全斷面岩石掘進機發展概況
第二章 全斷面岩石掘進機原理與構造
第一節 全斷面岩石掘進機分類及使用
一、支撐式（敞開式或開敞式）全斷面岩石掘進機
二、護盾式全斷面岩石掘進機
三、擴孔式全斷面岩石掘進機
四、搖臂式岩石掘進機
第二節 支撐式全斷面岩石掘進機
一、支撐式全斷面岩石掘進機工作原理
二、幾種典型機型
三、支撐式掘進機構造
四、幾種支撐式掘進機機型分析
第三節 護盾式全斷面岩石掘進機
一、單護盾全斷面岩石掘進機
二、雙護盾全斷面岩石掘進機
三、三護盾掘進機
四、護盾式掘進機的主要生產廠家
五、掘進進尺水平
第四節 擴孔式和搖臂式掘進機
一、擴孔式掘進機
二、搖臂式掘進機
第三章 掘進機後配套設備
第四章 選型
第五章 施工組織管理與技術
附錄
參考文獻