[科普中国]-全断面岩石掘进机

简介

全断面岩石掘进机 (简称 TBM ) 是技术密集程度较高的机、电、液一体的大型地下施工设备，主要用于岩石地质结构的铁路、公路、水利水电引水导洞、地铁及地下工程隧道掘进建筑施工。掘进机可交替完成掘进、步进工作，并可实现掘进、出碴连续作业 ，将挖掘的碴石通过刀盘头部送达皮带输送机 ，运出隧道。

按照对不同地质条件的适应性及护盾形式，全断面岩石掘进机可分为：支撑式 (敞开式)和护盾式两大类。支撑式可分为双 X 型和单大梁 T 型掘进机；护盾式可分为单护盾、双护盾和三护盾。目前，国内使用的全断面岩石掘进机主要是双 X 型、单大梁 T 型掘进机及双护盾掘进机。支撑 式全断面岩石掘进机是利用支撑机构撑紧洞壁以承受向前推进的反作用力及反扭转的掘进机，适用于岩石整体性较好的隧洞；单护盾掘进机只适用于软岩地质条件下依靠支撑管片来实现支撑的掘进机；双护盾掘进机综合了支撑式掘进机与单护盾掘进机的特点，既有支撑靴板，适用于硬岩，又有护盾，适用于软岩以及地层条件比较复杂的地层的掘进，采用预制管片衬砌。1

基本功能掘进机主要有掘进、出碴 、导向及支护等四项基本功能。

1、掘进

掘进功能包括破碎岩盘和掘进机不断前进的功能。为此掘进机必须配置与其相匹配的滚刀，通过推进机构推进液压油缸产生推力驱动刀盘，并产生变换滚刀破岩位置的回转力矩；还须配置合适的支撑机构 (T 型或双x 型)，将破岩掘进力产生的反力矩和扭转力矩产生的反力矩传递给洞壁，以形成足够的破岩力。实现掘进功能的基本机构是滚刀、刀盘、刀盘支撑装置及刀盘旋转驱动系统。

2、出碴

出碴功能可细分为导碴、铲碴、溜碴和运碴功能，并与掘进功能一起实现连续作业。

(1)导碴。刀盘旋转时，滚刀在规定的贯入量和足够的破岩力的作用下挤碎岩盘，岩碴在洞底被旋转的刀盘舀起，顺铲口导碴条落入铲斗。2

(2)铲碴。刀盘周边设置若干个低边铲斗，将已经破碎的岩碴从洞底铲入铲斗，当铲斗随刀盘旋转到上部时，岩碴经溜槽卸入皮带机。为防止铲口边缘磨损，铲斗唇口装有可更换的抗磨刮板。

(3)溜碴。铲斗内岩碴随刀盘转动到掘进机上方，超过堆积的安息角后靠 自重随出碴斜道滑落到输送带上。出碴斜道设置橡胶挡护，以防岩碴洒落。

(4)运碴。皮带输送机将岩碴转运出洞。为清理干净洞底岩碴，减少滚刀的磨耗，降低侧翼铲斗扰动洞壁，在保证刀盘刚度的前提下，掘进机应配有足够的铲斗和足够大的容积，合适的铲斗进出口，合理的出碴斜道和刀盘转速，以确保排碴能力满足掘进要求。

3、导向

通过激光导向定位系统 (与陀螺仪配合使用)计算测定和预测机器的位置及偏转角，用于直线或曲线隧道掘进方向的确定、调整。掘进偏离预期的洞线方向时，激光源、感光靶将所测数据通过计算机系统处理，测出掘进机偏移量，同时输出指令，使支撑靴、液压油缸和平衡液压油缸调整水平方向和垂直方向的偏差；当掘进机受刀盘回转的反作用力矩作用，发生整体偏转时，则通过平衡液压油缸予以纠正。

4、支护

支护功能可体现在未掘进地质的预处理、掘进后洞壁的局部支护和全部洞壁的衬砌三种状态下。当已预报掘进机前方未掘进段将出现不良地质时(如山地、地下水)，主要采用混凝土灌浆、化学灌浆和冰冻固结进行预处理；掘进后出现局部不良地质时，主要采用喷混凝土、锚杆、挂网、设置钢拱架进行处理；掘进后 。隧道洞壁接触空气便全线水解、风化时，采用全洞壁混凝土预制块衬砌、密封和灌浆保护处理。

实现支护功能需要配置超前钻机、锚杆机、钢拱架安装机、?昆凝土管片安装机、喷混凝土机、混凝土灌浆机、化学注浆泵和冰冻机等设备。1

构造及应用特点1、支撑式全断面岩石掘进机

支撑式全断面岩石掘进机主要由刀盘、刀盘支承装置和刀盘驱动装置、机架、支撑及推进系统、前后下支承及调向机构等部分组成。

(1)刀盘。它是掘进机主要重型结构件，可分为平面、球面和锥面等三类。目前，大直径掘进机都趋向采用平面刀盘。

(2)刀盘支撑装置。又称支承壳体或导向壳体，为重型焊接结构件。刀盘轴承安在其上 ，轴承内圈与刀盘相连，外圈与刀盘支承壳体相接。

(3)机架。机架为机器的主体，可分内外机架。内机架是掘进过程中可移动的部分，即大梁或主梁；外机架在掘进过程中为不动的部分，与液压水平支撑或 x 支撑相连。机架用于连接主要部件及传递破岩的反扭矩 ，是掘进机 的主要结构件。

(4)支撑及推进系统。支撑和推进采用液压系统 ，水平支撑和 x 型支撑架设在内机架滑道上，可沿内机架前后滑动。

(5)前、后下支承及调向机构(以罗宾斯型为例)。掘进机前下支承与刀盘支承壳体连成一体，支承机器前部重量，后下支承装在内机架的后面，后下支承的伸缩由液压缸控制(前下支承为固定式)。采用安装 在外机架与大梁之 间的扭 矩油缸对机器进行垂直方向的调整，以前下支撑为垂直方向调整的支点，扭矩油缸伸长时，大梁相对于水平支撑升高，掘进机向下掘进；反之则向上掘进。

2、双护盾掘进机

双护盾掘进机与支撑式岩石掘进机的区别在于它没有主梁和后部支撑装置，其主体由前护盾、伸缩护盾、支撑护盾及尾盾等四部分构成。

(1)前护盾。前护盾是由厚钢板滚压、焊接而成的圆形壳体。其内装有刀盘、驱动组件、皮带输送机、稳定器和反扭矩油缸，推进油缸的前端也安装在其壳体内。

(2)伸缩护盾。伸缩护盾是连接前护盾和后护盾的内外两个筒状结构。它的功能是掘进机在掘进的同时可完成管片的安装 ，从而使掘进机实现较小曲线段掘进。

外伸缩护盾焊于前护盾体上，内伸缩护盾由伸缩油缸支承，可向前纵向移动；内伸缩护盾上开有窗口，以便检查和清洗两壳体的缝隙；内伸缩护盾在双护盾模式下工作 时与推进油缸一起纵 向移动 ，每结束一个掘进行程时，内伸缩护盾就伸入到外伸缩护盾内。

(3)支撑护盾。支撑护盾内装有支撑靴 、反扭矩油缸、推进油缸和辅助推进油缸。为了降低对隧洞边墙的压力，支撑靴的表面积应足够大；通过系统控制使支撑靴在隧洞边墙上施加的压力和刀盘的推力成正比，即根据刀盘所需 的推力来调整支撑靴的支撑压力。

(4 )尾盾。尾盾安装在支撑护盾的后部 ，其内部有管片安装器 ，盾尾 的型式有密封式和敞开式。在尾盾壳体的保护下，可进行管片的安装和仰拱管片底部灌注砂浆。

双护盾掘进机综合了支撑式掘进机与单护盾掘进机的特点，既有支撑靴板，又有护盾，使机器对不同地质条件的适应能力大大增加。因此，双护盾掘进机适用于硬岩、软岩及地层条件比较复杂的地层的掘进并采用预制管片衬砌。1

后配套设备后配套设备主要由三部分组成：主机所需配套设备、洞内出碴运输和运料设备及临时辅助设施。

(1)主机所需配套设备。包括掘进机 的液压系统、供电系统、胶带运输系统、润滑油泵系统和降温、防尘供水及安全等系统。

(2)洞内出碴和运料设备。主要包括矿车有轨出碴及进料设备、连续胶带机出碴及轻轨进料设备。

(3)临时辅助设施。主要有临时支护设备、通风系统和其他辅助设施。3

工作循环1、支撑式掘进机

以单 T 型支撑为例 ，如右图所示 。

(1)掘进行程。主支撑板处于主梁前位 ，涨紧靴向两侧伸出支撑靴撑紧洞壁，后部支撑靴向上提起后，设备主体处于浮动状态，激光调整定位。驱动装置驱动刀盘旋转的同时 ，推进机构液压缸活塞杆推进掘进机掘进。当推进液压缸活塞杆全部伸出后，刀盘装置停止驱动。此时，支撑鞍架处于主梁后部。

(2)换步行程。涨紧支撑靴回收离开洞壁，同时，后部支撑靴向下伸出至地面撑起掘进机，推进机构 液压缸活塞杆 回缩带动 主支撑板 回到主梁前部，准备进入下一个掘进工作循环 。

2、双护盾掘进机

1）自稳能支撑地质条件下的掘进自稳能支撑地质条件下的掘进，如右图所示。它是指洞壁能给掘进机支撑靴提供足够 的推进反力和滚刀破岩所需 的阻力矩 ，即岩壁无较大 的破碎带、断层和地下水的地质状况。

(1)掘进行程。后护盾水平支撑靴伸 出撑 紧洞壁，皮带输送机工作，同时，驱动刀盘旋转；推进机构液压缸活塞杆推进掘进机掘进，后护盾后部管片拼装机拼装管片，并与掘进同步工作。

(2)换步行程。刀盘停止旋转，后护盾水平支撑靴 回缩离开洞壁 ，推进活塞杆回缩拖动掘进机后护盾前移。

2）自稳不能支撑地质条件下的掘进

自稳不能支撑地质条件下的掘进，如右图所示。它是指洞壁不能给掘进机支撑靴提供推进反力和滚刀破 岩所需 的阻力矩 ，岩壁处 于较大 的破碎带、断层和地下水的地质状况。

(1)掘进行程。开始掘进前，辅助推进油缸必须伸出，顶到衬砌块表面，依靠衬砌块承受推进力的反力和部分反扭矩 (指壳体摩擦力之外的部分)；支撑靴后退到与后护盾一致位置，即支撑靴板并没有向洞壁施加压紧力；刀盘旋转，辅助推进油缸开始加压外伸，把前护盾和后护盾一起向前推，直至完成一个行程的推进 。

(2)换步行程。刀盘停止回转，辅助推进液压缸活塞杆回缩，为安装管片留出空间。管片拼装机安装管片，此时管片安装不能与掘进同时进行。因此，掘进速度比自稳能支撑地质状态的掘进速度慢。1

书籍内容简介《全断面岩石掘进机》全面系统地介绍了全断面岩石掘进机的国内外发展史、主要类型和工作原理、主机与后配套设备的构造；详细论述了掘进机类型、主要部件和后配套的选型，组织施工管理，并介绍了相应的施工技术。3

作者简介乔世珊，教授级高级工程师，武汉大学兼职教授。现为水利部综合事业局副局长，长期从事与水利水电工程有关的科研与技术管理，曾先后两次赴英国、加本大留学1992年被原国家教委人事部授予“有突出贡献的回国留学人员”称号，2002年获国务院政府特殊津贴。

茅承觉，教授，1955年毕业于华东水利学院（现河海大学)，曾任职于华北水利水电学院，华北电力大学(北京)。1978年获全国科学大会奖。编著出版4本专著与教材，发表论文30多篇，1992年获国务院政府特殊津贴。

刘春，教授级高级工程师，任铁道部基建总局、中国铁路工程总公司副处长。副总工程师，兼任秦沈铁路指挥部副指挥长，西合指挥部副指挥长，秦岭隧道北口TBM技术负资人。获铁道部科技大会奖《1978)，铁道部科技进步奖（1998)，2001）年获国务院政府特殊津贴。3

图书目录第一章 概论
第一节 引言
第二节 全断面岩石掘进机与盾构机
一、掘进机的广义概念
二、全断面岩石掘进机
三、盾构机
四、全断面岩石掘进机与盾构机结构的互通性
第三节 全断面岩石掘进机施工特点
第四节 国外全断面岩石掘进机发展概况
一、国外掘进机主要厂商概况
二、国外掘进机技术发展概况
第五节 我国全断面岩石掘进机发展概况
第二章 全断面岩石掘进机原理与构造
第一节 全断面岩石掘进机分类及使用
一、支撑式（敞开式或开敞式）全断面岩石掘进机
二、护盾式全断面岩石掘进机
三、扩孔式全断面岩石掘进机
四、摇臂式岩石掘进机
第二节 支撑式全断面岩石掘进机
一、支撑式全断面岩石掘进机工作原理
二、几种典型机型
三、支撑式掘进机构造
四、几种支撑式掘进机机型分析
第三节 护盾式全断面岩石掘进机
一、单护盾全断面岩石掘进机
二、双护盾全断面岩石掘进机
三、三护盾掘进机
四、护盾式掘进机的主要生产厂家
五、掘进进尺水平
第四节 扩孔式和摇臂式掘进机
一、扩孔式掘进机
二、摇臂式掘进机
第三章 掘进机后配套设备
第四章 选型
第五章 施工组织管理与技术
附录
参考文献3