TBM類型及其工作基本原理介紹

1、TBM類型及工作原理介紹TBM是 一種集掘進、出碴、導向、支護和通風防塵等多功能為一體的大型高效隧道施工機械。TBM的分類網(wǎng)絡(luò)圖詳見圖1。T型支撐廣敞開式掘進機X型支撐全斷面巖石掘進機(TBMJ/I單護盾雙護盾圖1 TBM分類網(wǎng)絡(luò)圖三護盾以下就敞開式掘進機與護盾式掘進機進行詳細比較分析。1、敞開式掘進機(1) 敞開式掘進介紹敞開式TBM主要適應(yīng)于硬巖，能利用自身支撐機構(gòu)撐緊洞壁以承受向前推進 的反作用力及反扭矩的全斷面巖石掘進機。 在施工對應(yīng)較完整、有一定自穩(wěn)性的 圍巖時，能充分發(fā)揮出優(yōu)勢，特別是在硬巖、中硬巖掘進中，強大的支撐系統(tǒng)為 刀盤提供了足夠的推力。敞開式TBM掘進機的核心部分是主機系

2、統(tǒng)，主機系統(tǒng)主要由帶刀具的刀盤、刀盤驅(qū)動和推進系統(tǒng)組成。其主要結(jié)構(gòu)見圖2、3。盤型滾刀nnnrX / X y A變頻電機圖2敞開式掘進機結(jié)構(gòu)圖liilSrii .liilii驅(qū)動組件>+推進油缸撐靴F I刀盤機頭架錨桿鉆機I設(shè)備橋、八八W -主梁 k? X/X / X Z A> >主機皮帶機Illi!iriiD/后下支承3 F r掘進機主機根據(jù)巖性不同可選擇配置臨時支護設(shè)備如鋼架安裝器、錨桿鉆機、鋼筋網(wǎng)安裝機、超前鉆、管棚鉆機、噴混凝土機及注漿機等。gw."；J-iv * SL -LJ暮禮圖3敞開式掘進機圖如遇有局部破碎帶及松軟夾層巖石，則掘進機可由所附帶的超前鉆及

3、注漿設(shè) 備，預(yù)先固結(jié)周邊巖石，然后再開挖。敞開式掘進機適合洞徑在© 29m之間，最優(yōu)選擇© 38m(2) 敞開式全面斷面巖石掘進機工作原理1)盤形滾刀破巖機理在推力作用下，安裝在刀盤上的盤形滾刀緊壓巖面， 隨著刀盤的旋轉(zhuǎn)，盤形 滾刀繞刀盤中心軸公轉(zhuǎn)的同時繞自身軸線自轉(zhuǎn)， 在刀盤強大的推力、扭矩作用下, 滾刀在掌子面固定的同心圓切縫上滾動， 當推力超過巖石的抗壓強度時，盤形滾 刀下的巖石直接破碎，盤形滾刀貫入巖石，掌子面被盤形滾刀擠壓碎裂而形成多 道同心圓溝槽，隨著溝槽深度的增加，巖體表面裂紋加深擴大，當超過巖石的剪 切和拉伸強度時，相鄰同心圓溝槽間的巖石成片剝落。刀具破巖原

4、理示意見圖4。刀間距刀間距11、II:一A嚴7-*呦削區(qū)-f徑向裂紋J 一”盤形滾刀<_ J_L . LB-tnrV. -r-r-r.-.-. >>> -r -r 匚、> 話vmvAV；碎片二：二二：二“-2心廿、護Z r FVI,="破碎區(qū)刀具破巖原理示意圖2)掘進機工作原理掘進機工作原理見圖5。掘進機支撐板撐緊洞壁以承受刀盤掘進時傳來的反作用、反扭矩；刀盤旋轉(zhuǎn)，推進液壓缸推壓刀盤，一組盤形滾刀切入巖石，在巖面上作同心圓軌跡滾動破巖，巖碴靠自重掉入洞底,由鏟斗鏟起，巖碴靠巖碴自重經(jīng)溜槽落入皮帶機出碴，這樣連續(xù)掘進成洞。52i2In圖5掘進機（Jarva

5、27 ）結(jié)構(gòu)示意圖9Ifl=-7J Ip1盤形滾刀；2 刀盤；3 擴刀孔；4出碴皮帶機；5超前鉆機；6電動機;7行星齒輪減速器；8末級傳動；9 推進液壓缸；10 后下支承；12 操縱室；13外機架；14內(nèi)機架；15 錨桿鉆機；16-鏟斗3）掘進機工作循環(huán)支撐式掘進機的工作循環(huán)，如圖6。掘進行程圖支撐板撐緊洞壁-前、后下支撐回縮-刀盤旋轉(zhuǎn)-推進油缸推進刀盤。換步行程前、后下支撐落地-刀盤停止旋轉(zhuǎn)-支撐板回縮-推進油缸拉回支撐及外機架。準備下一次掘進行程。（3）幾種典型機型國外生產(chǎn)全斷面巖石掘進機的公司主要有羅賓斯、佳伐、德馬克、維爾特等。-亓.CH（）圖6掘進機工作循環(huán)45K'rH律D_

6、4ILII9i戸& r=r一 J5"-JUy 帀 .mi rtL_ rn in JTl m_ e mm _n¥-E7羅賓斯機型1刀盤部件；2頂護盾；3刀盤支承殼體;4刀盤回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)傳動機構(gòu)；5超前鉆機；6推進液壓缸;10 -錨桿鉆機；11 -仰供塊安裝機*4週_ 5- L 一 f水平支撐；8 出碴皮帶機；9后下支承;蕊？Tie*-,rSt .Th麗J上卞EV -圖8羅賓斯機型照片3tmt11!flflants貫r»n圖9佳伐機型I121刀盤部件；2刀盤支承殼體；3 刀盤軸承；4 機架；5推進液壓缸；皮帶機;7 刀盤回轉(zhuǎn)傳動機構(gòu)；8后下支承；9 鋼架梁;10 前

7、X形支撐；11-支撐板；12 傳動軸圈梁安裝機；22 前下支承；23鏟斗；24 刮板；25割刀勺松丁 s gI'0歲bCtjprj i'ijhh : J. J .J f '/ II _ _a I- 'L10德馬克機型1-刀具；2刀盤；3前下支承;4-前支撐系統(tǒng);5-刀盤回轉(zhuǎn)傳動機構(gòu)；6-推進液壓缸；后支撐系統(tǒng);8出碴皮帶機；9后下支承4X'22420IV 18首;23 如'13I14山門門 IB 19 1ftn 11 -bL7I'汀£； Q 2 hr7 內(nèi)機14 可翻圖11維爾特機型1刀盤部件；2 出碴皮帶機；3主軸承；4 頂護

8、盾；5、10錨桿鉆機；6、16 推進液壓缸;架；8 刀盤回轉(zhuǎn)傳動機構(gòu)；9超前鉆；10圈梁運輸系統(tǒng)；12仰供安裝機；13 單軌吊機;轉(zhuǎn)清碴斗；15 后下支承；17 水泵；18外機架；19 X形支撐系統(tǒng)；20皮帶機與可翻轉(zhuǎn)清碴斗；2111圖12維爾特機掘進機照片* e 贏«fi «/ *富*變.代.丁3、4=50圖13維爾特TB880E掘進機刀盤1刀盤；2鏟斗刮刀；3 人孔；4中心刀；5 正刀；6 割刀；7邊刀表1幾種敞開式掘進機型特征詳見表1。支撐式全斷面巖石掘進機特征項目、羅賓斯佳伐德馬克維爾特刀盤結(jié)構(gòu)(1) 球面(2) 平面平面錐面(1) 錐面(2) 平面刀盤回轉(zhuǎn) 機構(gòu)布

9、置 位置單對 水平支撐，浮動(1) 雙對X形支承(2) 雙對水平支承( 1)單對水平支 承，浮動(2 )雙 對水平支承，前鉸 接，后浮動雙對X形支承刀盤軸承三軸式雙列圓錐滾子軸承雙列圓錐滾子軸承徑冋滾子調(diào)心軸 承+平面止推滾子 軸承三軸式前支承落洞底，掘進時承受掘進機 前部重量浮動，掘進時回縮 不承受掘進機重量浮動，掘進時回縮 不承受掘進機重 量浮動，掘進時回縮不 承受掘進機重量推進系統(tǒng)推進油缸支撐在水平支承靴 板與內(nèi)機架上水平面內(nèi)有一 夾角推進油缸支撐在 內(nèi)、外機架上推進油缸支撐在 水平支承靴板與 內(nèi)機架上水平面 內(nèi)有一夾角兩組推進油缸支撐 在外凱式機架與內(nèi) 凱式機架及導向殼 體突緣上支護設(shè)

10、備鋼絲網(wǎng)安裝機；錨桿鉆機； 圈梁安裝機；超前鉆；混凝 土噴射系統(tǒng)錨桿鉆機；圈梁安 裝機；超前鉆；混 凝土噴射系統(tǒng)錨桿鉆機；圈梁安 裝機；超前鉆；混 凝土噴射系統(tǒng)錨桿鉆機；圈梁安裝 機；超前鉆混凝土噴 射系統(tǒng)刀具17in或19in盤形滾刀任選盤形滾刀，擴孔刀盤形滾刀，擴孔刀盤形滾刀，擴孔刀， 割刀；潤滑油中裝入1%異味劑步進裝置掘進機前中部各裝隨機帶步 進滾輪小車，在預(yù)鋪軌道上 牽引步進前后下支承。兩對 X 形支撐下部兩腿支 撐各裝隨機帶步進 靴架生產(chǎn)公司 或工廠羅賓斯公司，我國原研制掘 進機產(chǎn)品工廠，德國海瑞克 公司，日本小松、三菱，法 國NFM公司等原佳伐公司，現(xiàn)羅 賓斯公司(MK型)， 日

11、本川崎公司原德馬克公司，現(xiàn) 奧鋼聯(lián)，由瑞典薩 特維卡(Sandvik) 控股維爾特公司(3) 敞開式全面斷面巖石掘進機構(gòu)造國內(nèi)外的各種掘進機公司生產(chǎn)的敞開式掘進機，其結(jié)構(gòu)型式雖有一些差別,但工作原理基本相同，整機主要可歸納由18個部分組成：刀盤部件、刀盤軸承及刀盤密封、刀盤支撐殼體、機架、支撐及推進系統(tǒng)、刀盤回轉(zhuǎn)機構(gòu)、前后下支 撐及調(diào)向機構(gòu)、出碴設(shè)備、激光導向裝置、除塵裝置、液壓系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、電 氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)和支護設(shè)備等。2護盾式掘進機(1) 護盾式掘進介紹護盾式全斷面巖石掘進機是在整機外圍設(shè)置一個與機器直徑相一致的圓筒 形保護結(jié)構(gòu)以利于掘進破碎或復雜巖

12、層的全斷面巖石掘進機。護盾式掘進機可分為單護盾、雙護盾和三護盾三類，由于三護盾掘進應(yīng)用很 少，以下只對單護盾與雙護盾掘進進行介紹。(2) 單護盾全斷面巖石掘進機1)單護盾全面斷面掘進機結(jié)構(gòu)單護盾掘進機主要由護盾、刀盤部件及驅(qū)動機構(gòu)、刀盤支承殼體、刀盤軸承 及密封、推進系統(tǒng)、激光導向機構(gòu)、出碴系統(tǒng)、通風除塵系統(tǒng)和襯砌管片安裝系統(tǒng)等組成。圖14單護盾掘進機e 72343R91刀盤；2 護盾；3 驅(qū)動裝置;4推進油缸；5 皮帶運輸機;6-主軸承及大齒圈9-混凝土管片鋪架機7 刀盤支承殼體；8 混凝土管片；為避免在隧洞覆蓋層較厚或圍巖收縮擠壓作用較大時護盾被擠住，護盾沿隧 洞軸線方向的長度應(yīng)盡可能短，

13、這樣可使機器的方向調(diào)整更為容易。主要適應(yīng)于比較破碎，圍巖的抗壓強度低，巖石僅僅能自穩(wěn)、但不能為TBM 的掘進提供反力的地層，由盾尾推進液壓缸支撐在已拼裝的預(yù)制襯砌塊上或鋼圈 梁上以推進刀盤破巖前進。2）單護盾掘進機的工作原理單護盾掘進機只有一個護盾，大多用于軟巖和破碎地層，由于沒有撐靴支撐,掘進時掘進機的前推力是靠護盾尾部的推進油缸支撐在管片上獲得，即掘進機的 前進要靠管片作為“后座”以獲得前進的推力。機器的作業(yè)和管片的安裝是在護 盾的保護下進行的。由于單護盾的掘進需靠襯砌管片來承受后坐力，因此在安裝管片時必須停止掘進,掘進和管片安裝不能同步進行,因而掘進速度受到了限制。以下為單護盾掘進機工作

14、原理圖。掘進輔助油缸收回管片安裝再掘進掘進工作原理:a.掘進作業(yè)：回轉(zhuǎn)刀盤-伸出輔助推進缸，撐在管片上掘進，將整個掘進機向前推進一個行程。b.換步作業(yè):刀盤停止回轉(zhuǎn)-收縮輔助推進缸-安裝混凝土管片。*L.圖16單護盾掘進機單護盾掘進機與盾構(gòu)機的區(qū)別:盾構(gòu)機有許多種，但是與單護盾掘進機比較，相近的盾構(gòu)只有土壓平衡盾構(gòu)(EPB盾構(gòu)。共同點：都只有一個護盾；都有大刀盤，刀盤上都裝有一些盤形滾刀和一些 刮刀；推進力都靠尾部的一圈油缸頂推混凝土襯砌管片來獲得。區(qū)別點：土壓平衡式盾構(gòu)的開挖室或壓力平衡室是封閉的，能保持住一定的 水壓力和土壓力，而單護盾掘進機沒有壓力平衡室； 刀盤上的刀具也有差別，掘 進機

15、安裝的盤形滾刀較多，輔之以刮刀，但盾構(gòu)機則反之，一般安裝割刀和刮刀, 只在有可能遇到較硬地層時才安裝盤形滾刀；土壓平衡式盾構(gòu)出碴是螺旋輸送機 在壓力平衡的條件下進行的，而掘進機出碴是由皮帶式輸送機在常壓下進行的。(3) 雙護盾全斷面掘進機1)雙護盾全面斷面掘進機結(jié)構(gòu)雙護盾掘進機的一般結(jié)構(gòu)主要由裝有刀盤及刀盤驅(qū)動裝置的前護盾，裝有支 撐裝置的后護盾(支撐護盾)，連接前、后護盾的伸縮部分和安裝預(yù)制混凝土管 片的尾盾組成。雙護盾掘進機是在整機外圍設(shè)置與機器直徑相一致的圓筒形護盾結(jié)構(gòu)，以利于掘進松軟破碎或復雜巖層的全斷面巖石掘進機。雙護盾掘進機在遇到軟巖時軟 巖又不能承受支撐板的壓應(yīng)力，由盾尾推進液壓

16、缸支撐在已拼裝的預(yù)制襯砌塊上 或鋼圈梁上以推進刀盤破巖前進；遇到硬巖時，與敞開式掘進機的工作原理一樣, 靠支撐板撐緊洞壁，由主推進液壓缸推進刀盤破巖前進。雙護盾掘進機的一般結(jié)構(gòu)如圖17所示。圖17雙護盾掘進機結(jié)構(gòu)圖16豆售片盅肴落貳護虐刪1胃枉唯赴油B saw施眇宙£寶世髦片fiOil 謳a* 雙護盾掘進機與敞開式掘進機完全不同的是，雙護盾掘進機沒有主梁和 后支撐。其刀盤支承用高強度螺栓與上、下刀盤支撐體組成了掘進機機頭。與機 頭相連的是前護盾，緊隨其后的是伸縮套、后護盾、尾護盾等結(jié)構(gòu)件。前護盾：前護盾用厚度 40mm的優(yōu)質(zhì)鋼板卷制而成。前護盾既有防止隧洞 巖碴掉落保護刀盤驅(qū)動系統(tǒng)、

17、推進缸和人身安全的作用，也可以增大機頭與隧洞 底部接觸面積而降低接地比壓以利于掘進機通過軟弱巖或破碎巖。伸縮套：伸縮套用厚度30mm的優(yōu)質(zhì)鋼板卷制而成。伸縮套的外徑小于前 護盾的內(nèi)徑，其四周設(shè)置有鋼制的觀察窗。伸縮套的作用是在掘進時后護盾固定、前護盾伸出時，前后護盾之間有一伸縮套可以保護推進缸和人員安全。另外，通 過伸縮套的觀察窗口可對局部洞壁進行監(jiān)察。伸縮套通過油缸與后護盾相連接,必要時可伸出油缸將伸縮套移入前護盾內(nèi)腔以便直接露出洞壁空間，對洞壁進行 處理。后護盾：后護盾也是用厚度40mm的優(yōu)質(zhì)鋼板卷制而成，其結(jié)構(gòu)比前護盾 要復雜得多。后護盾前端主要與推進缸相連，同時還與伸縮套油缸相連接。其

18、中 部裝有水平支撐機構(gòu)，水平支撐靴板的外圓相一致，構(gòu)成了一個完整的盾殼。后 護盾四周有成對布置輔助推進缸的孔位；后護盾后部與混凝土管片安裝機構(gòu)相 接。后護盾后部盾殼四周留有斜孔，以配合超前鉆作業(yè)。 雙護盾掘進與敞開式掘進機一樣，在能構(gòu)自穩(wěn)的巖石中，雙護盾掘進機 使用的還是推進缸和水平支撐。V型推進缸：雙護盾掘進機的推進缸按 V型成對布置，V型夾角一般為60 °。 由于V型布置除有軸向推力外，還有垂直軸向的分力，此分力起抗扭糾偏的作用， 同時通過對不同位置的V型油缸輸入不同壓力、流量的油流，可起到左右、仰頭 低頭調(diào)向的作用，這樣雙護盾掘進機不單獨設(shè)置調(diào)向、 糾偏油缸和系統(tǒng)，而通過 控制

19、調(diào)節(jié)V型油缸來實現(xiàn)推進、調(diào)向、糾偏功能。V型推進缸通過球鉸與機頭及 后護盾聯(lián)結(jié)，傳遞機頭的推力和扭矩。 V型推進缸必須配置防轉(zhuǎn)機構(gòu)。水平支撐：根據(jù)空間布置的可能，雙護盾掘進機只有水平型式的支撐， 沒有X型支撐。水平支撐機構(gòu)有上下各兩只水平缸和左右各一塊水平支撐靴板組成, 而不設(shè)置敞開式掘進機的水平支撐架。水平支撐靴板側(cè)板上有導向孔，兩側(cè)輔助 油缸體從導向孔中通過，將水平支撐與后護盾連成一體，并將后護盾的推力、扭 矩傳遞給水平支撐，最后傳遞給洞壁。輔助推進缸：輔助推進缸只有在水平支撐不能撐緊洞壁進行作業(yè)時使用。此時，水平支撐缸縮回至水平支撐靴板外圓，與后護盾外圓一致。V型推進缸全 部收縮到位，前

20、后盾連成一體，完全處于單護盾掘進機工作狀態(tài)。輔助推進缸均是成對布置，每兩個缸配一塊尼龍靴板，這樣可以防止油缸回 轉(zhuǎn)。尼龍靴板壓在混凝土管片上實施軟接觸而避免管片的損壞。闔；!n中;圖19海瑞克雙護盾掘進機圖18羅賓斯雙護盾掘進機2）雙護盾掘進機的工作原理雙護盾掘進機在良好地層和不良地層的工作方式是不同的。 在良好地層中掘進機典型工作原理:a.推進作業(yè)。伸出水平支撐缸，撐緊洞壁-起動膠帶機-回轉(zhuǎn)刀盤-伸出V 型推進缸，將刀頭及護盾向前推進一個行程實現(xiàn)掘進作業(yè)。b.換步作業(yè)：當V型推進缸推滿一行程后，就進行換步作業(yè)。刀盤停止回轉(zhuǎn) -收縮水平支撐離開洞壁-收縮 V型推進缸，將掘進機后護盾前移一個行程

21、。不斷重復上述動作，則實現(xiàn)不斷掘進。在此工況下，混凝土管片安裝與掘進 可同步進行，成洞速度很快。 能自穩(wěn)不能支撐巖石中掘進此時，V型缸處于全收縮狀態(tài)，并將支撐靴板收縮到與后護盾外圓一致，前 后護盾聯(lián)成一體，就如單護盾掘進機一樣掘進。掘進工作原理：a.掘進作業(yè)：回轉(zhuǎn)刀盤-伸出輔助推進缸，撐在管片上掘進，將整個掘進機向前推進一個行程。b.換步作業(yè)：刀盤停止回轉(zhuǎn)-收縮輔助推進缸-安裝混凝土管片。重復上述動作實現(xiàn)掘進。此時管片安裝與掘進不能同時進行，成洞速度將變 慢。Good fiockL_U掘進與管片安裝撐靴收回換步再支撐再掘進與安裝 管片p-圖20雙護盾模式掘進原理示意由此可見，在不良地層條件下掘

22、進時，不使用支撐靴板，前護盾與后護盾之 間沒有相對運動，其工作和單護盾掘進機一樣。機器的掘進和襯砌管片的鋪設(shè)不 能同時同時進行，因而總的掘進速度會有所下降。在不良地層中還可以采用另一種工作方式：機器掘進時，副推進油缸閉鎖,即后護盾的位置相對不動，用主推進油缸推動前護盾向前，此時機器的反推力和 反扭矩由副推進油缸承受。這種工作方式可能發(fā)生的問題是：可伸縮護盾在松散地層條件下可能因碴石 卡在接縫處而被卡死。為減少這種危險，可將伸縮范圍限制在幾厘米，并在每次 伸縮后將護盾向前移。這種工作方式可以減少護盾的移動長度，同時也減少了用以克服掘進機護盾 滑動摩擦的推力。3復合式盾構(gòu)掘進機法施工與傳統(tǒng)的地下工

23、程一樣，其最終目標是完成一特色的地下工 程，不同點是“需量身定做”，由于地層的復雜性，為了適應(yīng)地層變化，將掘進 機進行改裝，刀盤采用硬巖的刀盤，且電機及液壓系統(tǒng)能夠在硬巖地段掘進時驅(qū) 動刀盤，并且可以根據(jù)地層情況進行換刀； 后配套采用盾構(gòu)機的出碴系統(tǒng)，且增 加掌子面封閉系統(tǒng)；在整機外圍設(shè)置一個與機器直徑相一致的圓筒形保護結(jié)構(gòu)以 利于掘進破碎或復雜巖層的全斷面巖石掘進機；配備管片安裝系統(tǒng)及輔助施工設(shè) 備，如超前鉆機。3.1復合式盾構(gòu)掘進原理(1) 掘進模式在土層地段時，采用封閉掌子面的掘進模式，在巖石地段采用單護盾掘進模 式，不封閉掌子面。在巖石地段施工時，通常要采用全斷面面滾刀破巖模式，采 用的刀盤開口率也會較小；當掘進機在軟土地段施工時，通常都要將部分或全部 滾刀換成適應(yīng)于軟土的瓜刀，此時的開口率也相應(yīng)增大。(2) 掘進原理液壓馬達驅(qū)動切削刀盤旋轉(zhuǎn)，同時開啟掘進機液壓油缸(千斤頂)，將刀盤 向前推進。切削下來的碴土進入泥土倉。隨著油缸的向前推進、刀盤的持續(xù)旋轉(zhuǎn),碴土充滿泥土倉。根據(jù)地質(zhì)情況決定是否注入添加材料來改善碴土流動性。然后 開動螺旋輸送機，將切削下來的碴土排送至運輸皮帶上， 通過輸送皮帶將碴土輸 送至運土軌道車上；對于含水量很大的碴土，還可以不通過