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TBM类型及工作原理介绍
TBM就是一种集掘进、出碴、导向、支护与通风防尘等多功能为一体得大型高效隧道施工机械。TBM得分类网络图详见图1。
全断面岩石掘进机(TBM)
敞开式掘进机
护盾式掘进机
T型支撑
X型支撑
单护盾
双护盾
三护盾

图1 TBM分类网络图
以下就敞开式掘进机与护盾式掘进机进行详细比较分析。
1、敞开式掘进机
(1)敞开式掘进介绍
敞开式TBM主要适应于硬岩,能利用自身支撑机构撑紧洞壁以承受向前推进得反作用力及反扭矩得全断面岩石掘进机。在施工对应较完整、有一定自稳性得围岩时,能充分发挥出优势,特别就是在硬岩、中硬岩掘进中,强大得支撑系统为刀盘提供了足够得推力。
推进油缸
撑靴
后下支承
主机皮带机

刀盘
变频电机
盘型滚刀
驱动组件
设备桥
锚杆钻机
超前钻机
主梁
机头架
敞开式TBM掘进机得核心部分就是主机系统,主机系统主要由带刀具得刀盘、刀盘驱动与推进系统组成。其主要结构见图2、3。
图2 敞开式掘进机结构图
掘进机主机根据岩性不同可选择配置临时支护设备如钢架安装器、锚杆钻机、钢筋网安装机、超前钻、管棚钻机、喷混凝土机及注浆机等。
图3 敞开式掘进机图
如遇有局部破碎带及松软夹层岩石,则掘进机可由所附带得超前钻及注浆设备,预先固结周边岩石,然后再开挖。
敞开式掘进机适合洞径在φ2～9m之间,最优选择φ3～8m。
(2)敞开式全面断面岩石掘进机工作原理
1)盘形滚刀破岩机理
在推力作用下,安装在刀盘上得盘形滚刀紧压岩面,随着刀盘得旋转,盘形滚刀绕刀盘中心轴公转得同时绕自身轴线自转,在刀盘强大得推力、扭矩作用下,滚刀在掌子面固定得同心圆切缝上滚动,当推力超过岩石得抗压强度时,盘形滚刀下得岩石直接破碎,盘形滚刀贯入岩石,掌子面被盘形滚刀挤压碎裂而形成多道同心圆沟槽,随着沟槽深度得增加,岩体表面裂纹加深扩大,当超过岩石得剪切与拉伸强度时,相邻同心圆沟槽间得岩石成片剥落。刀具破岩原理示意见图4。

图4 刀具破岩原理示意图
2)掘进机工作原理
掘进机工作原理见图5。掘进机支撑板撑紧洞壁以承受刀盘掘进时传来得反作用、反扭矩;刀盘旋转,推进液压缸推压刀盘,一组盘形滚刀切入岩石,在岩面上作同心圆轨迹滚动破岩,岩碴靠自重掉入洞底,由铲斗铲起,岩碴靠岩碴自重经溜槽落入皮带机出碴,这样连续掘进成洞。

图5 掘进机(Jarva27)结构示意图
1－盘形滚刀;2－刀盘;3－扩刀孔;4－出碴皮带机;5－超前钻机;6－电动机;7－行星齿轮减速器;8－末级传动;9－推进液压缸;10－后下支承;12－操纵室;13－外机架;14－内机架;15－锚杆钻机;16－铲斗
图6 掘进机工作循环

3)掘进机工作循环支撑式掘进机得工作循环,如图6。
①掘进行程图
支撑板撑紧洞壁→前、后下支撑回缩→刀盘旋转→推进油缸推进刀盘。
②换步行程
前、后下支撑落地→刀盘停止旋转→支撑板回缩→推进油缸拉回支撑及外机架。
③准备下一次掘进行程。
(3)几种典型机型
国外生产全断面岩石掘进机得公司主要有罗宾斯、佳伐、德马克、维尔特等。

图7 罗宾斯机型
1－刀盘部件;2－顶护盾;3－刀盘支承壳体;4－刀盘回转转传动机构;5－超前钻机;6－推进液压缸;7－水平支撑;8－出碴皮带机;9－后下支承;10－锚杆钻机;11－仰供块安装机
图8 罗宾斯机型照片
图9 佳伐机型
1－刀盘部件;2－刀盘支承壳体;3－刀盘轴承;4－机架;5－推进液压缸;皮带机;
7－刀盘回转传动机构;8－后下支承;9—钢架梁;10－前X形支撑;11－支撑板;12－传动轴
图10 德马克机型
1－刀具;2－刀盘;3－前下支承;4－前支撑系统;5－刀盘回转传动机构;6－推进液压缸;后支撑系统;8－出碴皮带机;9－后下支承
图11 维尔特机型
1－刀盘部件;2－出碴皮带机;3－主轴承;4－顶护盾;5、10－锚杆钻机;6、16－推进液压缸;7－内机架;8－刀盘回转传动机构;9－超前钻;10－圈梁运输系统;12－仰供安装机;13－单轨吊机;14－可翻转清碴斗;15－后下支承;17－水泵;18－外机架;19－X形支撑系统;20－皮带机与可翻转清碴斗;21－圈梁安装机;22－前下支承;23－铲斗;24－刮板;25－割刀

图12维尔特机掘进机照片 图13维尔特TB880E掘进机刀盘
1－刀盘;2－铲斗刮刀;3－人孔;4－中心刀;5－正刀;6－割刀;7－边刀
几种敞开式掘进机型特征详见表1。
支撑式全断面岩石掘进机特征 表1
机型
项目
罗宾斯
佳伐
德马克
维尔特
刀盘结构
(1)球面
(2)平面
平面
锥面
(1)锥面
(2)平面
刀盘回转机构布置位置
单对
水平支撑,浮动
(1)双对X形支承(2)双对水平支承
(1)单对水平支承,浮动(2)双对水平支承,前铰接,后浮动
双对X形支承
刀盘轴承
三轴式双列圆锥滚子轴承
双列圆锥滚子轴承
径向滚子调心轴承+平面止推滚子轴承
三轴式
前支承
落洞底,掘进时承受掘进机前部重量
浮动,掘进时回缩不承受掘进机重量
浮动,掘进时回缩不承受掘进机重量
浮动,掘进时回缩不承受掘进机重量
推进系统
推进油缸支撑在水平支承靴板与内机架上水平面内有一夹角
推进油缸支撑在内、外机架上
推进油缸支撑在水平支承靴板与内机架上水平面内有一夹角
两组推进油缸支撑在外凯式机架与内凯式机架及导向壳体突缘上
支护设备
钢丝网安装机;锚杆钻机;圈梁安装机;超前钻;混凝土喷射系统
锚杆钻机;圈梁安装机;超前钻;混凝土喷射系统
锚杆钻机;圈梁安装机;超前钻;混凝土喷射系统
锚杆钻机;圈梁安装机;超前钻混凝土喷射系统
刀具
17in或19in盘形滚刀任选
盘形滚刀,扩孔刀
盘形滚刀,扩孔刀
盘形滚刀,扩孔刀,割刀;润滑油中装入1%异味剂
步进装置
掘进机前中部各装随机带步进滚轮小车,在预铺轨道上牵引步进

前后下支承。两对X形支撑下部两腿支撑各装随机带步进靴架
生产公司或工厂
罗宾斯公司,我国原研制掘进机产品工厂,德国海瑞克公司,日本小松、三菱,法国NFM公司等
原佳伐公司,现罗宾斯公司(MK型),日本川崎公司
原德马克公司,现奥钢联,由瑞典萨特维卡(Sandvik)控股
维尔特公司
(3)敞开式全面断面岩石掘进机构造
国内外得各种掘进机公司生产得敞开式掘进机,其结构型式虽有一些差别,但工作原理基本相同,整机主要可归纳由18个部分组成:刀盘部件、刀盘轴承及刀盘密封、刀盘支撑壳体、机架、支撑及推进系统、刀盘回转机构、前后下支撑及调向机构、出碴设备、激光导向装置、除尘装置、液压系统、润滑系统、电气系统、控制系统、监控系统、数据收集系统、通讯系统与支护设备等。
2 护盾式掘进机
(1)护盾式掘进介绍
护盾式全断面岩石掘进机就是在整机外围设置一个与机器直径相一致得圆筒形保护结构以利于掘进破碎或复杂岩层得全断面岩石掘进机。
护盾式掘进机可分为单护盾、双护盾与三护盾三类,由于三护盾掘进应用很少,以下只对单护盾与双护盾掘进进行介绍。
(2)单护盾全断面岩石掘进机
1)单护盾全面断面掘进机结构
单护盾掘进机主要由护盾、刀盘部件及驱动机构、刀盘支承壳体、刀盘轴承及密封、推进系统、激光导向机构、出碴系统、通风除尘系统与衬砌管片安装系统等组成。
图14 单护盾掘进机
1－刀盘;2－护盾;3－驱动装置;4－推进油缸;5－皮带运输机;6－主轴承及大齿圈
7－刀盘支承壳体;8－混凝土管片;9－混凝土管片铺架机
为避免在隧洞覆盖层较厚或围岩收缩挤压作用较大时护盾被挤住,护盾沿隧洞轴线方向得长度应尽可能短,这样可使机器得方向调整更为容易。
主要适应于比较破碎,围岩得抗压强度低,岩石仅仅能自稳、但不能为TBM得掘进提供反力得地层,由盾尾推进液压缸支撑在已拼装得预制衬砌块上或钢圈梁上以推进刀盘破岩前进。
2)单护盾掘进机得工作原理
单护盾掘进机只有一个护盾,大多用于软岩与破碎地层,由于没有撑靴支撑,掘进时掘进机得前推力就是靠护盾尾部得推进油缸支撑在管片上获得,即掘进机得前进要靠管片作为“后座”以获得前进得推力。机器得作业与管片得安装就是在护盾得保护下进行得。
由于单护盾得掘进需靠衬砌管片来承受后坐力,因此在安装管片时必须停止掘进,
掘进与管片安装不能同步进行,因而掘进速度受到了限制。以下为单护盾掘进机工作原理图。
辅助油缸收回
管片安装
掘进
再掘进

图15 单护盾模式掘进原理示意图
掘进工作原理:
a、掘进作业:回转刀盘→伸出辅助推进缸,撑在管片上掘进,将整个掘进机向前推进一个行程。
b、换步作业:刀盘停止回转→收缩辅助推进缸→安装混凝土管片。
图16 单护盾掘进机
单护盾掘进机与盾构机得区别:
盾构机有许多种,但就是与单护盾掘进机比较,相近得盾构只有土压平衡盾构(EPB)盾构。
共同点:都只有一个护盾;都有大刀盘,刀盘上都装有一些盘形滚刀与一些刮刀;推进力都靠尾部得一圈油缸顶推混凝土衬砌管片来获得。
区别点:土压平衡式盾构得开挖室或压力平衡室就是封闭得,能保持住一定得水压力与土压力,而单护盾掘进机没有压力平衡室;刀盘上得刀具也有差别,掘进机安装得盘形滚刀较多,辅之以刮刀,但盾构机则反之,一般安装割刀与刮刀,只在有可能遇到较硬地层时才安装盘形滚刀;土压平衡式盾构出碴就是螺旋输送机在压力平衡得条件下进行得,而掘进机出碴就是由皮带式输送机在常压下进行得。
(3)双护盾全断面掘进机
1)双护盾全面断面掘进机结构
双护盾掘进机得一般结构主要由装有刀盘及刀盘驱动装置得前护盾,装有支撑装置得后护盾(支撑护盾),连接前、后护盾得伸缩部分与安装预制混凝土管片得尾盾组成。
双护盾掘进机就是在整机外围设置与机器直径相一致得圆筒形护盾结构,以利于掘进松软破碎或复杂岩层得全断面岩石掘进机。双护盾掘进机在遇到软岩时软岩又不能承受支撑板得压应力,由盾尾推进液压缸支撑在已拼装得预制衬砌块上或钢圈梁上以推进刀盘破岩前进;遇到硬岩时,与敞开式掘进机得工作原理一样,靠支撑板撑紧洞壁,由主推进液压缸推进刀盘破岩前进。双护盾掘进机得一般结构如图17所示。
图17 双护盾掘进机结构图
① 双护盾掘进机与敞开式掘进机完全不同得就是,双护盾掘进机没有主梁与后支撑。其刀盘支承用高强度螺栓与上、下刀盘支撑体组成了掘进机机头。与机头相连得就是前护盾,紧随其后得就是伸缩套、后护盾、尾护盾等结构件。
前护盾:前护盾用厚度＞40mm得优质钢板卷制而成。前护盾既有防止隧洞岩碴掉落保护刀盘驱动系统、推进缸与人身安全得作用,也可以增大机头与隧洞底部接触面积而降低接地比压以利于掘进机通过软弱岩或破碎岩。
伸缩套:伸缩套用厚度＞30mm得优质钢板卷制而成。伸缩套得外径小于前护盾得内径,其四周设置有钢制得观察窗。伸缩套得作用就是在掘进时后护盾固定、前护盾伸出时,前后护盾之间有一伸缩套可以保护推进缸与人员安全。另外,通过伸缩套得观察窗口可对局部洞壁进行监察。伸缩套通过油缸与后护盾相连接,必要时可伸出油缸将伸缩套移入前护盾内腔以便直接露出洞壁空间,对洞壁进行处理。
后护盾:后护盾也就是用厚度＞40mm得优质钢板卷制而成,其结构比前护盾要复杂得多。后护盾前端主要与推进缸相连,同时还与伸缩套油缸相连接。其中部装有水平支撑机构,水平支撑靴板得外圆相一致,构成了一个完整得盾壳。后护盾四周有成对布置辅助推进缸得孔位;后护盾后部与混凝土管片安装机构相接。后护盾后部盾壳四周留有斜孔,以配合超前钻作业。
② 双护盾掘进与敞开式掘进机一样,在能构自稳得岩石中,双护盾掘进机使用得还就是推进缸与水平支撑。
V型推进缸:双护盾掘进机得推进缸按V型成对布置,V型夹角一般为60°。由于V型布置除有轴向推力外,还有垂直轴向得分力,此分力起抗扭纠偏得作用,同时通过对不同位置得V型油缸输入不同压力、流量得油流,可起到左右、仰头低头调向得作用,这样双护盾掘进机不单独设置调向、纠偏油缸与系统,而通过控制调节V型油缸来实现推进、调向、纠偏功能。V型推进缸通过球铰与机头及后护盾联结,传递机头得推力与扭矩。V型推进缸必须配置防转机构。
水平支撑:根据空间布置得可能,双护盾掘进机只有水平型式得支撑,没有X型支撑。水平支撑机构有上下各两只水平缸与左右各一块水平支撑靴板组成,而不设置敞开式掘进机得水平支撑架。水平支撑靴板侧板上有导向孔,两侧辅助油缸体从导向孔中通过,将水平支撑与后护盾连成一体,并将后护盾得推力、扭矩传递给水平支撑,最后传递给洞壁。
辅助推进缸:辅助推进缸只有在水平支撑不能撑紧洞壁进行作业时使用。此时,水平支撑缸缩回至水平支撑靴板外圆,与后护盾外圆一致。V型推进缸全部收缩到位,前后盾连成一体,完全处于单护盾掘进机工作状态。
辅助推进缸均就是成对布置,每两个缸配一块尼龙靴板,这样可以防止油缸回转。
尼龙靴板压在混凝土管片上实施软接触而避免管片得损坏。
图18 罗宾斯双护盾掘进机 图19 海瑞克双护盾掘进机
2)双护盾掘进机得工作原理
双护盾掘进机在良好地层与不良地层得工作方式就是不同得。
① 在良好地层中掘进机典型工作原理:
a、推进作业。伸出水平支撑缸,撑紧洞壁→起动胶带机→回转刀盘→伸出V型推进缸,将刀头及护盾向前推进一个行程实现掘进作业。
b、换步作业:当V型推进缸推满一行程后,就进行换步作业。刀盘停止回转→收缩水平支撑离开洞壁→收缩V型推进缸,将掘进机后护盾前移一个行程。
不断重复上述动作,则实现不断掘进。在此工况下,混凝土管片安装与掘进可同步进行,成洞速度很快。
② 能自稳不能支撑岩石中掘进
此时,V型缸处于全收缩状态,并将支撑靴板收缩到与后护盾外圆一致,前后护盾联成一体,就如单护盾掘进机一样掘进。掘进工作原理:
a、掘进作业:回转刀盘→伸出辅助推进缸,撑在管片上掘进,将整个掘进机向前推进一个行程。
b、换步作业:刀盘停止回转→收缩辅助推进缸→安装混凝土管片。
重复上述动作实现掘进。此时管片安装与掘进不能同时进行,成洞速度将变慢。
掘进与管片安装
撑靴收回换步
再支撑

再掘进与安装管片

图20 双护盾模式掘进原理示意
由此可见,在不良地层条件下掘进时,不使用支撑靴板,前护盾与后护盾之间没有相对运动,其工作与单护盾掘进机一样。机器得掘进与衬砌管片得铺设不能同时同时进行,因而总得掘进速度会有所下降。
在不良地层中还可以采用另一种工作方式:机器掘进时,副推进油缸闭锁,即后护盾得位置相对不动,用主推进油缸推动前护盾向前,此时机器得反推力与反扭矩由副推进油缸承受。
这种工作方式可能发生得问题就是:可伸缩护盾在松散地层条件下可能因碴石卡在接缝处而被卡死。为减少这种危险,可将伸缩范围限制在几厘米,并在每次伸缩后将护盾向前移。
这种工作方式可以减少护盾得移动长度,同时也减少了用以克服掘进机护盾滑动摩擦得推力。
3 复合式盾构
掘进机法施工与传统得地下工程一样,其最终目标就是完成一特色得地下工程,不同点就是“需量身定做”,由于地层得复杂性,为了适应地层变化,将掘进机进行改装,刀盘采用硬岩得刀盘,且电机及液压系统能够在硬岩地段掘进时驱动刀盘,并且可以根据地层情况进行换刀;后配套采用盾构机得出碴系统,且增加掌子面封闭系统;在整机外围设置一个与机器直径相一致得圆筒形保护结构以利于掘进破碎或复杂岩层得全断面岩石掘进机;配备管片安装系统及辅助施工设备,如超前钻机。
3、1 复合式盾构掘进原理
(1)掘进模式
在土层地段时,采用封闭掌子面得掘进模式,在岩石地段采用单护盾掘进模式,不封闭掌子面。在岩石地段施工时,通常要采用全断面面滚刀破岩模式,采用得刀盘开口率也会较小;当掘进机在软土地段施工时,通常都要将部分或全部滚刀换成适应于软土得瓜刀,此时得开口率也相应增大。
(2)掘进原理
液压马达驱动切削刀盘旋转,同时开启掘进机液压油缸(千斤顶),将刀盘向前推进。切削下来得碴土进入泥土仓。随着油缸得向前推进、刀盘得持续旋转,碴土充满泥土仓。根据地质情况决定就是否注入添加材料来改善碴土流动性。然后开动螺旋输送机,将切削下来得碴土排送至运输皮带上,通过输送皮带将碴土输送至运土轨道车上;对于含水量很大得碴土,还可以不通过皮带输送机,依靠附加得破碎装置及柱塞泵将螺旋输送机内得碴土破碎后通过管道泵送到运土轨道车上。
(3)控制排土量与排土速度
在软土地段掘进时,排土量与排土速度得控制,关系到开挖面得稳定。当泥土仓与螺旋输送机中得碴土积累到一定数量时,开挖面被切下得碴土经刀槽进入泥土仓得阻力增大,当这个阻力足以抵抗土层得土压力与地下水得水压力时,开挖面就能保持相对稳定而不致坍塌。这时只要保持从螺旋输送机与泥土仓中输送出去得碴土量与切削下来得流入泥土仓中得碴土量相平衡,开挖工作就能顺利进行。土压平衡盾构就就是通过土压管理来保持土压力或碴土量得相对平衡与稳定来进行工作得。
开挖面土压力与土仓内压力得相对平衡用三种方式来保证,一就是推进油缸速度不变,改变螺旋输送机转速与排土闸门得开口度;二就是改变推进油缸速度,螺旋输送机转速与排土闸门得开口度不变;三就是两个同时适当调整。通过第一种方法,即通过控制螺旋输送机排土闸门得开口度与螺旋输送机得旋转速度来控制土压平衡比较简便,也就是非常重要得。
3、2 复合式盾构地层适应性要求
(1)设计寿命
由于复合式盾构造价很高,并且组装、拆卸、运输移动较困难,施工准备与辅助施工得配套系统较复杂,加工制造工期长,掘进机设计寿命应满足距离掘进得要求,一般情况主轴承应满足10000h(掘进10km)得使用寿命。设计中应采用可靠得主轴承密封系统,充分保证刀盘在岩石掘进时得刚度与耐磨性。刀盘总推力、刀盘扭距及刀盘转速应满足在岩石中掘进得要求。
(2)刀盘开口与刀具得配置
选择刀具配置,应充分研究刀具得均衡性原理、各种刀具得破岩机理,除考虑各种刀具得轨迹覆盖整个刀盘面外,刀具得组合形式、刀具得高度及高度差等性能或指标也很重要。
刀具配备型式必须统筹兼顾全面断面软弱地层、全断面硬岩层、同断面局部软弱、局部硬岩层,灵活地变化刀具组合,并且也便于刀具得拆装与更换。