現(xiàn)代施工工程機(jī)械(第一篇)-第七章-隧道掘進(jìn)機(jī)械課件

第七章隧道掘進(jìn)機(jī)械第七章一、用途道掘進(jìn)技術(shù)是隨著現(xiàn)代交通運輸、地下工程、礦山開采、水利工程、市政建設(shè)以及電氣通訊設(shè)施的發(fā)展而發(fā)展起來的一種工程建設(shè)技術(shù)。隨著地下空間的開發(fā)，盾構(gòu)技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于軟土層的地鐵、隧道、市政管道等工程領(lǐng)域。二、分類目前，隧道掘進(jìn)有三種方法：鉆爆法、掘進(jìn)機(jī)法和盾構(gòu)法。隧道的掘進(jìn)方法不同，所采用的設(shè)備各異。

第一節(jié)概述一、用途第一節(jié)概述1、鉆爆法鉆爆法先需在工作面上鉆出炮眼，將炸藥裝入炮眼內(nèi)進(jìn)行爆破，然后用裝載機(jī)械把爆碎后的巖塊運走。鉆爆法開挖裝藥和爆破仍由人工操作為主。2、掘進(jìn)法掘進(jìn)法沒有鉆眼爆破工序，直接用掘進(jìn)機(jī)的刀具破落巖石形成所需形狀的隧道，并同時將破落下來的巖塊運走，實現(xiàn)落、裝、運一體化。當(dāng)隧道長度與隧道斷面直徑比超過600時，采用掘進(jìn)法開鑿隧道是經(jīng)濟(jì)的。3、盾構(gòu)法盾構(gòu)法是一種集開挖、支護(hù)、襯砌等多種作業(yè)于一體的大型隧道施工方法，也是現(xiàn)階段世界上修建隧道最先進(jìn)的施工方法之一。1、鉆爆法三、國內(nèi)外狀況及發(fā)展趨勢1、國內(nèi)外狀況我國1966年生產(chǎn)出第一臺直徑3.4m的掘進(jìn)機(jī)。20世紀(jì)70年代進(jìn)入工業(yè)性試驗階段。80年代進(jìn)入實用性階段。但是，我國目前仍然以鉆孔爆破法掘進(jìn)為主。世界上著名的巖石掘進(jìn)機(jī)制造廠商是美國的羅賓斯（Robbins）公司和賈瓦（Jarva）公司、德國的沃斯（Wirth）公司和德馬克（Demag）公司以及瑞典的阿特拉斯·科普柯（Atlas·Copco）公司。而軟土掘進(jìn)機(jī)則以日本川崎重工業(yè)公司生產(chǎn)的最為著名。

三、國內(nèi)外狀況及發(fā)展趨勢2、發(fā)展趨勢（1）隧道掘進(jìn)機(jī)的斷面尺寸具有向超大、微小兩個方向發(fā)展的趨勢。（2）隨著計算機(jī)硬件和軟件的迅速發(fā)展，計算機(jī)優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用和開發(fā)，全自動化的隧道掘進(jìn)機(jī)也是未來發(fā)展方向之一。3、盾構(gòu)機(jī)在我國的應(yīng)用前景目前，我國處于高速發(fā)展時期，鐵路、公路、水電、市政及有關(guān)管線等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的需求大，隧道及地下工程建設(shè)較以往無論在規(guī)模或數(shù)量上都有了大幅度的提高。相當(dāng)一部分隧道將會采用先進(jìn)的盾構(gòu)法施工。2、發(fā)展趨勢第二節(jié)鑿巖機(jī)一、鑿巖機(jī)的工作原理

鑿巖機(jī)是一種在巖壁上鉆鑿炮眼用的鉆眼機(jī)械，或稱鉆眼機(jī)具。它按沖擊破碎巖石的原理進(jìn)行工作，如圖7-1所示。

圖7-1鑿巖機(jī)的工作原理1-鑿巖機(jī)；2-釬子；a-活塞(沖擊錘)；b-缸體：c-釬桿；d-釬頭第二節(jié)鑿巖機(jī)一、鑿巖機(jī)的工作原理二、鑿巖機(jī)的種類

按鑿巖所用機(jī)動力可分：氣動、電動、內(nèi)燃和液壓四類。按鑿巖機(jī)支承和推進(jìn)方式可分：手持式、氣腿式、伸縮式和導(dǎo)軌式。二、鑿巖機(jī)的種類

三、液壓鑿巖機(jī)

1、概述是在氣動鑿巖機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種鑿巖機(jī)。它以高壓液體為動力，推動活塞在缸體內(nèi)往復(fù)運動，沖擊釬桿能克服氣動鑿巖機(jī)存在的問題和缺陷。與氣動鑿巖機(jī)相比，液壓鑿巖機(jī)具有以下優(yōu)點：

(1)動力消耗少，能量利用率高。

(2)鑿巖速度高，作業(yè)條件好。

(3)液壓鑿巖機(jī)的運動件都在油液中工作，潤滑條件好。

(4)操作方便，適應(yīng)性強。由于液壓鑿巖機(jī)制造和維護(hù)技術(shù)要求較高，目前還不能完全代替氣動鑿巖機(jī)。三、液壓鑿巖機(jī)2、液壓鑿巖機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理例：國產(chǎn)YYG-80型液壓鑿巖機(jī)的結(jié)構(gòu)（圖7-2）。該鑿巖機(jī)的沖擊機(jī)構(gòu)屬于前后腔交替進(jìn)回油式，采用滑閥配油。沖擊機(jī)構(gòu)由缸體4、活塞5和滑閥12等組成。轉(zhuǎn)釬機(jī)構(gòu)由擺線轉(zhuǎn)子液壓馬達(dá)11、減速齒輪10、7及沖擊桿8等組成。

圖7-2YYG-80型液壓鑿巖機(jī)結(jié)構(gòu)1-回程蓄能器殼體；2-活塞；3-銅套；4-缸體；5-活塞；6-銅套；7-齒輪；8-沖擊桿；9-水套；10-齒輪；11-液壓馬達(dá)；12-滑閥；13-進(jìn)油管2、液壓鑿巖機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理YYG-80型液壓鑿巖機(jī)沖擊配油機(jī)構(gòu)的工作原理（圖7-3）1-活塞；2-滑閥；3-回程蓄能器；4-釬尾；

5-主油路蓄能器

圖7-3a為活塞沖程開始時的油液經(jīng)孔e、滑閥K腔、Q腔流入回油管O回油箱。此時兩端E腔、F腔均通油箱，閥芯保持不動。當(dāng)活塞運動到一定位置時，A腔與b口接通，部分高壓油經(jīng)b孔到閥芯左端E腔，而閥芯右端F腔經(jīng)孔d、缸體B腔和c孔回油箱，在壓力差作用下，閥芯右移，同時活塞沖擊釬尾，完成沖擊行程，開始返回行程。YYG-80型液壓鑿巖機(jī)沖擊配油機(jī)構(gòu)的工作原理（圖7-3）1

圖7-3b為活塞返回行程開始時的情況。此時壓力油經(jīng)滑閥H腔、e孔進(jìn)入活塞右端M腔，活塞左端A腔經(jīng)a孔、滑閥N腔回油箱，活塞被推動左移。當(dāng)活塞移動到打開d孔時，M腔部分壓力油經(jīng)孔d作用在閥芯右端，推動閥芯左移油流換向，回程結(jié)束并開始下一個循環(huán)的沖程。在活塞左移過程中，當(dāng)活塞左端關(guān)閉f孔后，D腔內(nèi)油液被壓縮，使回程蓄能器3儲存能量，同時還可對活塞起緩沖作用。當(dāng)沖程開始時，該蓄能器就釋放能量，以加快活塞向前運動的速度，提高沖擊力。1-活塞；2-滑閥；3-回程蓄能器；4-釬尾；

5-主油路蓄能器圖7-3b為活塞返回行程開始時的情況。此時壓

鑿巖臺車是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種鉆孔設(shè)備。它將一臺或數(shù)臺高效能的鑿巖機(jī)連同推進(jìn)裝置一起安裝在鉆臂導(dǎo)軌上，并配以行走機(jī)構(gòu)實現(xiàn)鑿巖作業(yè)的機(jī)械化。

鑿巖臺車按鉆臂的多少分為雙臂、三臂和多臂式；按行走機(jī)構(gòu)分為軌輪式、輪胎式和履帶式。其控制方式有液壓控制、氣壓控制和液壓與氣壓聯(lián)合控制三種。

以CTJ-3型鑿巖臺車為例（圖7-4）說明鑿巖臺車的結(jié)構(gòu)。

第三節(jié)鑿巖臺車鑿巖臺車是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種鉆孔設(shè)

圖7-4CTJ-3型掘進(jìn)鑿巖臺車1-推進(jìn)器；2-側(cè)支臂；3-鑿巖機(jī)；4-中間支臂；5-前支撐液壓缸；6-行走機(jī)構(gòu)；7-支撐液壓缸；8-進(jìn)風(fēng)管；9-擺動機(jī)構(gòu)；10-操縱臺；11-司機(jī)座；12-配重結(jié)構(gòu)組成：推進(jìn)器1、兩側(cè)相同的兩個支臂2、一個中間支臂4、鑿巖機(jī)3、輪胎行走機(jī)構(gòu)6以及氣壓、液壓和供水系統(tǒng)。

一、推進(jìn)器（圖7-5）是導(dǎo)軌式鑿巖機(jī)的軌道，并提供鑿巖機(jī)工作所需的軸向推進(jìn)力。CTJ-3型鑿巖臺車采用氣動馬達(dá)—絲杠推進(jìn)器。

圖7-5CTJ-3型掘進(jìn)鑿巖臺車的推進(jìn)器l-風(fēng)馬達(dá)；2-絲母；3-絲杠；4-補償液壓缸；5-托盤；6-扶釬液壓缸；7-頂尖；8-扶釬器；9-導(dǎo)軌；10-鑿巖機(jī)底座；11-外回轉(zhuǎn)鑿巖機(jī)；12-釬子一、推進(jìn)器（圖7-5）二、鉆臂

鉆臂的作用是支承推進(jìn)器和鑿巖機(jī)，并調(diào)整推進(jìn)器的方位，使之可在全工作面范圍內(nèi)進(jìn)行鑿巖。CTJ-3型鑿巖臺車的兩個側(cè)鉆臂和中間鉆臂結(jié)構(gòu)基本相同，工作原理如圖7-6。

圖7-6CTJ-3型鑿巖臺車鉆臂l-推進(jìn)器托盤；2-液壓缸；3-鉆臂架；4-鉆臂液壓缸；5-引導(dǎo)液壓缸；6-鉆臂座；7-回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)二、鉆臂圖7-6CTJ-3型一、概述

掘進(jìn)機(jī)法使破落巖石、裝載運輸、噴霧滅塵等工序同時進(jìn)行。與鉆爆法相比，掘進(jìn)機(jī)法掘進(jìn)隧道有許多優(yōu)點：(1)速度快、成本低。(2)安全性好。(3)工程量小。(4)勞動條件好。按照工作機(jī)構(gòu)切割工作面的方式，掘進(jìn)機(jī)可分為部分?jǐn)嗝嫠淼谰蜻M(jìn)機(jī)和全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)兩大類。第四節(jié)掘進(jìn)機(jī)一、概述二、部分?jǐn)嗝嫠淼谰蜻M(jìn)機(jī)

以ELMB型隧道掘進(jìn)機(jī)為例，說明部分?jǐn)嗝嫠淼谰蜻M(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作方式。1、工作機(jī)構(gòu)ELMB隧道掘進(jìn)機(jī)采用懸臂式工作機(jī)構(gòu)，其優(yōu)點是：懸臂可以沿工作面的水平或垂直方向作左右或上下擺動，對復(fù)雜的地質(zhì)條件適應(yīng)性較好，能掘出各種形狀的斷面，結(jié)構(gòu)簡單，便于維修和更換截齒，也可及時支護(hù)隧道。但由于懸臂較長，影響機(jī)器的穩(wěn)定性。二、部分?jǐn)嗝嫠淼谰蜻M(jìn)機(jī)

圖7-10蟹爪工作機(jī)構(gòu)1-蟹爪；2-鏟板；3-曲柄圓盤；4-連桿；5-搖桿；6-刮板輸送機(jī)2、裝載與轉(zhuǎn)運機(jī)構(gòu)裝載與轉(zhuǎn)運機(jī)構(gòu)由蟹爪式裝載機(jī)構(gòu)和中間刮板輸送機(jī)組成。截割頭破碎下來的碎巖由裝載機(jī)鏟板上的兩個蟹爪扒入中間刮板輸送機(jī)。蟹爪工作機(jī)構(gòu)（圖7-10）由蟹爪1、曲柄圓盤3、連桿4和搖桿5等組成。圖7-10蟹爪工作機(jī)構(gòu)2、裝載與轉(zhuǎn)運機(jī)構(gòu)3、行走機(jī)構(gòu)ELMB型隧道掘進(jìn)機(jī)采用履帶行走機(jī)構(gòu)，左右履帶分別由一臺內(nèi)曲線大轉(zhuǎn)矩液壓馬達(dá)驅(qū)動。4、液壓系統(tǒng)ELMB型隧道掘進(jìn)機(jī)除截割頭為電動機(jī)單獨驅(qū)動外，其余部分均為液壓傳動。整個液壓系統(tǒng)由一臺45kW雙出軸電動機(jī)分別驅(qū)動兩臺雙聯(lián)齒輪泵，為各液壓馬達(dá)和液壓缸提供壓力油。ELMB型隧道掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)共設(shè)四個回路，即裝運回路、行走回路、工作機(jī)構(gòu)及鏟板回路和轉(zhuǎn)載及起重回路。3、行走機(jī)構(gòu)5、除塵裝置ELMB型隧道掘進(jìn)機(jī)的噴霧滅塵系統(tǒng)（圖7-11）設(shè)有內(nèi)噴霧、外噴霧和冷卻-引射噴霧三部分：(1)水→水門→三通→工作臂→內(nèi)噴霧裝置；(2)水→水門→三通→節(jié)流閥→外噴霧裝置；(3)水→水門→液壓系統(tǒng)冷卻器→水冷電動機(jī)→引射噴霧器。

圖7-11ELMB型掘進(jìn)機(jī)內(nèi)外噴霧滅塵系統(tǒng)5、除塵裝置圖7-11ELMB型掘進(jìn)機(jī)內(nèi)外噴霧滅塵系三、全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)

全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)是一種全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)械，主要用于水利工程、鐵路隧道、城市地下交通和礦山等部門。

(一)全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)的工作原理巖石掘進(jìn)機(jī)是在堅硬度系數(shù)8～12以上的條件下破碎巖石，巖石的抗壓強度高達(dá)200MPa，巖石掘進(jìn)機(jī)一般采用盤形滾刀破巖。在驅(qū)動刀盤運動時，安裝在刀盤心軸上的盤形滾刀沿巖壁表面滾動，液壓缸將刀盤壓向巖壁，使?jié)L刀刃面將巖石壓碎而切入巖體中。刀盤上的滾刀在巖壁表面擠壓出同心凹槽，凹槽達(dá)到一定深度時，相鄰兩凹槽間的巖石被滾刀剪切成片狀碎片剝落下來。在巖渣中，片狀碎片約占80％-90％，而巖粉的含量較少。三、全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(二)全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)TBM32型全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)的總體結(jié)構(gòu)（圖7-12）。

圖7-12TBM32型全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)的總體結(jié)構(gòu)1-刀盤；2-機(jī)頭架；3-傳動裝置；4-推進(jìn)液壓缸；5-水平支撐機(jī)構(gòu)；6-液壓傳動裝置；7-電氣設(shè)備；8-司機(jī)室；9-皮帶轉(zhuǎn)載機(jī)；10-除塵風(fēng)機(jī)；11-大梁(二)全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)1、刀盤刀盤工作機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖7-13所示。圖7-13刀盤工作機(jī)構(gòu)l-中心滾刀；2-正滾刀；3-邊滾刀；4-鏟斗；5-密封圈；6-組合軸承；7-內(nèi)齒圈；8-中心供水管；9-水泵；10-刀盤1、刀盤圖7-13刀盤工作機(jī)構(gòu)

刀盤10由高強度、耐磨損的錳鋼板焊接成箱形構(gòu)件。刀盤前盤呈球形，分別裝有雙刃中心滾刀1、正滾刀2、邊滾刀3。鏟斗裝在刀盤的外緣，鏟斗的側(cè)壁上分別裝有一個正滾刀和一個邊滾刀。刀盤通過組合軸承6支承在機(jī)頭架上，組合軸承的內(nèi)外圈分別與刀盤和機(jī)頭架相連接。2、刀盤的傳動系統(tǒng)TBM32型全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤的傳動系統(tǒng)如圖7-15所示。機(jī)頭架兩側(cè)的兩臺電機(jī)，經(jīng)兩級行星齒輪減速器和一級內(nèi)齒輪傳動驅(qū)動刀盤轉(zhuǎn)動，兩臺電動機(jī)中有一臺電機(jī)是兩端出軸的，右端出軸經(jīng)摩擦離合器和液壓馬達(dá)相連，點動液壓馬達(dá)可實現(xiàn)刀盤的微動，以調(diào)整刀盤入口處的位置，使司機(jī)由入口進(jìn)入刀盤前端檢查和更換刀具。刀盤10由高強度、耐磨損的錳鋼板焊接成箱形構(gòu)

圖7-15TBM32型全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤傳動系統(tǒng)圖7-15TBM32型全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤傳動3、行走機(jī)構(gòu)行走機(jī)構(gòu)由水平支撐和推進(jìn)液壓缸兩部分組成，實現(xiàn)巖石掘進(jìn)機(jī)的邁步行走并使刀盤獲得足夠大的推進(jìn)力，結(jié)構(gòu)如圖7-16。

圖7-16TBM3251全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)的行走機(jī)構(gòu)l-推進(jìn)缸；2-斜缸；3-支撐板；4-鞍座；5-復(fù)位彈簧；6-頭壓蓋；7-水平支撐缸3、行走機(jī)構(gòu)圖7-

第五節(jié)盾構(gòu)機(jī)

盾構(gòu)機(jī)是一種集開挖、支護(hù)、襯砌等多種作業(yè)于一體的大型隧道施工機(jī)械，使用盾構(gòu)機(jī)械來建筑隧道的方法稱為盾構(gòu)施工法。其施工程序是：在盾構(gòu)前部殼下挖土，在挖土的同時，用千斤頂向前頂進(jìn)盾體，頂?shù)揭欢ㄩL度后，再在盾尾拼裝預(yù)制好的襯砌塊，并以此作為下次頂進(jìn)的基礎(chǔ)，繼續(xù)挖土頂進(jìn)。當(dāng)然在挖土的同時，還須將土屑運出盾構(gòu)。第五節(jié)盾構(gòu)機(jī)盾構(gòu)機(jī)一、機(jī)械化盾構(gòu)的特點和幾種施工法的適用范圍1、機(jī)械化盾構(gòu)的特點

1)工效高，工期短。日掘進(jìn)能力與人工掘進(jìn)相比較，砂質(zhì)土壤時為2倍，砂和亞粘土為3-5倍，粘性土為5-8倍。2)減少塌方，生產(chǎn)安全。3)降低成本，經(jīng)濟(jì)性明顯。4)能隨土層地質(zhì)的變化，改變掘進(jìn)方法。5)造價高，其中任何一部分機(jī)械出現(xiàn)故障，即需全部停工。6)掌子面局部塌方，若發(fā)現(xiàn)不及會引起沉陷造成局部超挖和加固的難度。7)設(shè)計制造工期長，刀具磨損更換難。一、機(jī)械化盾構(gòu)的特點和幾種施工法的適用范圍

圖7-17盾構(gòu)施工法示意圖1-盾構(gòu)；2-管片臺車；3-土斗車；4-軌道；5-材料場；6-起重機(jī)；7-棄土倉2、盾構(gòu)法的適用范圍1）切削輪式盾構(gòu)（圖中7-17）用主軸旋轉(zhuǎn)驅(qū)動切削輪挖土，隨旋轉(zhuǎn)的周邊鏟斗將挖下的土屑傾落于皮帶輸送機(jī)上將土運到盾構(gòu)后部的土斗車?yán)铮儆蔂恳囘\往洞外。推進(jìn)千斤頂將盾構(gòu)不斷推進(jìn)，當(dāng)推進(jìn)到一個襯砌管片寬度后，立即進(jìn)行管片的拼裝，整圈襯砌拼裝完后再開始繼續(xù)挖土和盾構(gòu)頂進(jìn)。

2)氣壓式盾構(gòu)氣壓式盾構(gòu)施工如圖7-18。為防止掌子面坍塌，將工作面密封在具有一定氣壓下，可阻止地下水外流利于挖土。但不宜在較大的砂礫層地質(zhì)中使用該法。

圖7-18氣壓式盾構(gòu)施工1-盾構(gòu)卸土器；2、3-皮帶機(jī)；4-運土車；5-氣壓工作區(qū)；6-氣閘；7-壓氣機(jī)2)氣壓式盾構(gòu)3)泥水加壓式盾構(gòu)(圖7-19)盾構(gòu)前部設(shè)置一個密封區(qū)，注入一定壓力的泥漿水以平衡地下水壓力，阻止地下水流出防止塌方。泥水加壓式盾構(gòu)適用于軟弱的地層或地下水位高，帶水砂層、亞粘土、砂質(zhì)亞粘土及流動性高的土質(zhì)。沖擊層、洪積層使用該種施工法效果尤為顯著。

圖7-19泥水加壓式盾構(gòu)1-網(wǎng)格；2-切削輪；3-攪拌器；4-泥水腔；5-盾殼；6-盾構(gòu)千斤頂；7-拼裝器；8-管片臺車；9-后工作平臺3)泥水加壓式盾構(gòu)(圖7-19)4)土壓平衡式盾構(gòu)（圖7-20）在螺旋輸送機(jī)和切削輪架內(nèi)充滿著土砂，利用螺旋葉片的回轉(zhuǎn)力壓縮土壤，形成具有一定壓力的連續(xù)防水壁，抵抗地下水壓力阻止流水和塌方。該方法適用于亞粘土和粘性土地層。

圖7-20土壓平衡式盾構(gòu)1-切削輪；2-切削輪機(jī)架；3-驅(qū)動馬達(dá)；4-螺旋輸送機(jī)；5-盾尾密封；6-襯砌管片；7-輸送機(jī)馬達(dá)；8-土屑出口；9-拼裝器4)土壓平衡式盾構(gòu)（圖7-20）二、機(jī)械化盾構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)和功能機(jī)械化盾構(gòu)按切削機(jī)構(gòu)分有切削輪式、挖掘式、銑削臂式等；按切削方式分有旋轉(zhuǎn)切削式和網(wǎng)格切削式等。主要組成：切削機(jī)構(gòu)、盾殼、動力裝置、拼裝機(jī)、推進(jìn)裝置、出料裝置和控制設(shè)備等。1、切削部分切削刀有三角形、螺旋形、片式、楔形、水力切割等型式。螺旋形刀適用切削較硬的土壤，片式刀用于較軟土壤的切削，楔形刀用于切削砂礫或較硬的粘土，水力切割適用于硬土或土層穩(wěn)定性較好的土質(zhì)。刀刃工作條件惡劣，承受載荷復(fù)雜，要求刀刃具有高強度、高韌性、耐磨性，多用工具鋼、合金鋼制造。

二、機(jī)械化盾構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)和功能

圖7-22盾殼結(jié)構(gòu)簡圖1-切口環(huán)；2-支承環(huán)；3-鋼板束；4-立柱；5-橫梁；6-盾尾密封；7-蓋板2、盾殼（圖7-22）盾殼是盾構(gòu)的外殼（或叫盾體），是盾構(gòu)各機(jī)構(gòu)的骨架和基礎(chǔ)。盾殼由切口環(huán)、支承環(huán)及鋼板束鉚接或螺栓連接起來。

3、動力裝置盾構(gòu)機(jī)械的主要動力是電力和液壓動力，隨著液壓技術(shù)的發(fā)展，全液壓動力的盾構(gòu)越來越多。4、拼裝機(jī)構(gòu)將在地面上預(yù)制好的鋼筋混凝土管片運輸?shù)蕉軜?gòu)尾部，隨著盾構(gòu)的向前推進(jìn)，由拼裝機(jī)構(gòu)進(jìn)行逐片拼裝形成隧道的永久支護(hù)。隧道的永久支護(hù)多為圓形（圖7-23）。

圖7-23拱片拼裝圖

1、2、3、4、5、6-拼裝順序；A-標(biāo)準(zhǔn)塊；B-鄰接塊；C-封頂塊3、動力裝置圖7-23拱片拼裝圖5、推進(jìn)和調(diào)向裝置盾構(gòu)推進(jìn)裝置如圖7-24所示。在盾殼支承環(huán)部裝有四組八個推進(jìn)油缸6，若同時工作則盾構(gòu)直線前進(jìn)。

圖7-24盾構(gòu)的推進(jìn)裝置1、2、3、4-位推進(jìn)油缸組；5-盾殼；6-推進(jìn)油缸；7-切削輪；8-襯砌環(huán)5、推進(jìn)和調(diào)向裝置6、出料裝置盾構(gòu)掘進(jìn)的同時由出渣裝置將挖下來的土及時輸送出去。目前多數(shù)采用皮帶輸送機(jī)或刮板輸送機(jī)出渣，若是泥水加壓式盾構(gòu)必須采用真空管道輸送出渣。7、導(dǎo)向控制裝置用于控制掘進(jìn)方向的裝置。防止盾構(gòu)在掘進(jìn)中由于地層阻力、刀盤切削反作用力以及推進(jìn)千斤頂作用力等的不均，而產(chǎn)生偏離既定的中心。激光導(dǎo)向技術(shù)已經(jīng)用于隧道掘進(jìn)工程中。利用良好的直線性光束的激光投射到盾構(gòu)里，使操縱者及時了解盾構(gòu)的偏離情況，隨時糾正頂進(jìn)方向，提高施工速度和質(zhì)量。6、出料裝置EndofChapter

結(jié)束EndofChapter

第七章隧道掘進(jìn)機(jī)械第七章一、用途道掘進(jìn)技術(shù)是隨著現(xiàn)代交通運輸、地下工程、礦山開采、水利工程、市政建設(shè)以及電氣通訊設(shè)施的發(fā)展而發(fā)展起來的一種工程建設(shè)技術(shù)。隨著地下空間的開發(fā)，盾構(gòu)技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于軟土層的地鐵、隧道、市政管道等工程領(lǐng)域。二、分類目前，隧道掘進(jìn)有三種方法：鉆爆法、掘進(jìn)機(jī)法和盾構(gòu)法。隧道的掘進(jìn)方法不同，所采用的設(shè)備各異。

第一節(jié)概述一、用途第一節(jié)概述1、鉆爆法鉆爆法先需在工作面上鉆出炮眼，將炸藥裝入炮眼內(nèi)進(jìn)行爆破，然后用裝載機(jī)械把爆碎后的巖塊運走。鉆爆法開挖裝藥和爆破仍由人工操作為主。2、掘進(jìn)法掘進(jìn)法沒有鉆眼爆破工序，直接用掘進(jìn)機(jī)的刀具破落巖石形成所需形狀的隧道，并同時將破落下來的巖塊運走，實現(xiàn)落、裝、運一體化。當(dāng)隧道長度與隧道斷面直徑比超過600時，采用掘進(jìn)法開鑿隧道是經(jīng)濟(jì)的。3、盾構(gòu)法盾構(gòu)法是一種集開挖、支護(hù)、襯砌等多種作業(yè)于一體的大型隧道施工方法，也是現(xiàn)階段世界上修建隧道最先進(jìn)的施工方法之一。1、鉆爆法三、國內(nèi)外狀況及發(fā)展趨勢1、國內(nèi)外狀況我國1966年生產(chǎn)出第一臺直徑3.4m的掘進(jìn)機(jī)。20世紀(jì)70年代進(jìn)入工業(yè)性試驗階段。80年代進(jìn)入實用性階段。但是，我國目前仍然以鉆孔爆破法掘進(jìn)為主。世界上著名的巖石掘進(jìn)機(jī)制造廠商是美國的羅賓斯（Robbins）公司和賈瓦（Jarva）公司、德國的沃斯（Wirth）公司和德馬克（Demag）公司以及瑞典的阿特拉斯·科普柯（Atlas·Copco）公司。而軟土掘進(jìn)機(jī)則以日本川崎重工業(yè)公司生產(chǎn)的最為著名。

三、國內(nèi)外狀況及發(fā)展趨勢2、發(fā)展趨勢（1）隧道掘進(jìn)機(jī)的斷面尺寸具有向超大、微小兩個方向發(fā)展的趨勢。（2）隨著計算機(jī)硬件和軟件的迅速發(fā)展，計算機(jī)優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用和開發(fā)，全自動化的隧道掘進(jìn)機(jī)也是未來發(fā)展方向之一。3、盾構(gòu)機(jī)在我國的應(yīng)用前景目前，我國處于高速發(fā)展時期，鐵路、公路、水電、市政及有關(guān)管線等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的需求大，隧道及地下工程建設(shè)較以往無論在規(guī)?；驍?shù)量上都有了大幅度的提高。相當(dāng)一部分隧道將會采用先進(jìn)的盾構(gòu)法施工。2、發(fā)展趨勢第二節(jié)鑿巖機(jī)一、鑿巖機(jī)的工作原理

鑿巖機(jī)是一種在巖壁上鉆鑿炮眼用的鉆眼機(jī)械，或稱鉆眼機(jī)具。它按沖擊破碎巖石的原理進(jìn)行工作，如圖7-1所示。

圖7-1鑿巖機(jī)的工作原理1-鑿巖機(jī)；2-釬子；a-活塞(沖擊錘)；b-缸體：c-釬桿；d-釬頭第二節(jié)鑿巖機(jī)一、鑿巖機(jī)的工作原理二、鑿巖機(jī)的種類

按鑿巖所用機(jī)動力可分：氣動、電動、內(nèi)燃和液壓四類。按鑿巖機(jī)支承和推進(jìn)方式可分：手持式、氣腿式、伸縮式和導(dǎo)軌式。二、鑿巖機(jī)的種類

三、液壓鑿巖機(jī)

1、概述是在氣動鑿巖機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種鑿巖機(jī)。它以高壓液體為動力，推動活塞在缸體內(nèi)往復(fù)運動，沖擊釬桿能克服氣動鑿巖機(jī)存在的問題和缺陷。與氣動鑿巖機(jī)相比，液壓鑿巖機(jī)具有以下優(yōu)點：

(1)動力消耗少，能量利用率高。

(2)鑿巖速度高，作業(yè)條件好。

(3)液壓鑿巖機(jī)的運動件都在油液中工作，潤滑條件好。

(4)操作方便，適應(yīng)性強。由于液壓鑿巖機(jī)制造和維護(hù)技術(shù)要求較高，目前還不能完全代替氣動鑿巖機(jī)。三、液壓鑿巖機(jī)2、液壓鑿巖機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理例：國產(chǎn)YYG-80型液壓鑿巖機(jī)的結(jié)構(gòu)（圖7-2）。該鑿巖機(jī)的沖擊機(jī)構(gòu)屬于前后腔交替進(jìn)回油式，采用滑閥配油。沖擊機(jī)構(gòu)由缸體4、活塞5和滑閥12等組成。轉(zhuǎn)釬機(jī)構(gòu)由擺線轉(zhuǎn)子液壓馬達(dá)11、減速齒輪10、7及沖擊桿8等組成。

圖7-2YYG-80型液壓鑿巖機(jī)結(jié)構(gòu)1-回程蓄能器殼體；2-活塞；3-銅套；4-缸體；5-活塞；6-銅套；7-齒輪；8-沖擊桿；9-水套；10-齒輪；11-液壓馬達(dá)；12-滑閥；13-進(jìn)油管2、液壓鑿巖機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理YYG-80型液壓鑿巖機(jī)沖擊配油機(jī)構(gòu)的工作原理（圖7-3）1-活塞；2-滑閥；3-回程蓄能器；4-釬尾；

5-主油路蓄能器

圖7-3a為活塞沖程開始時的油液經(jīng)孔e、滑閥K腔、Q腔流入回油管O回油箱。此時兩端E腔、F腔均通油箱，閥芯保持不動。當(dāng)活塞運動到一定位置時，A腔與b口接通，部分高壓油經(jīng)b孔到閥芯左端E腔，而閥芯右端F腔經(jīng)孔d、缸體B腔和c孔回油箱，在壓力差作用下，閥芯右移，同時活塞沖擊釬尾，完成沖擊行程，開始返回行程。YYG-80型液壓鑿巖機(jī)沖擊配油機(jī)構(gòu)的工作原理（圖7-3）1

圖7-3b為活塞返回行程開始時的情況。此時壓力油經(jīng)滑閥H腔、e孔進(jìn)入活塞右端M腔，活塞左端A腔經(jīng)a孔、滑閥N腔回油箱，活塞被推動左移。當(dāng)活塞移動到打開d孔時，M腔部分壓力油經(jīng)孔d作用在閥芯右端，推動閥芯左移油流換向，回程結(jié)束并開始下一個循環(huán)的沖程。在活塞左移過程中，當(dāng)活塞左端關(guān)閉f孔后，D腔內(nèi)油液被壓縮，使回程蓄能器3儲存能量，同時還可對活塞起緩沖作用。當(dāng)沖程開始時，該蓄能器就釋放能量，以加快活塞向前運動的速度，提高沖擊力。1-活塞；2-滑閥；3-回程蓄能器；4-釬尾；

5-主油路蓄能器圖7-3b為活塞返回行程開始時的情況。此時壓

鑿巖臺車是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種鉆孔設(shè)備。它將一臺或數(shù)臺高效能的鑿巖機(jī)連同推進(jìn)裝置一起安裝在鉆臂導(dǎo)軌上，并配以行走機(jī)構(gòu)實現(xiàn)鑿巖作業(yè)的機(jī)械化。

鑿巖臺車按鉆臂的多少分為雙臂、三臂和多臂式；按行走機(jī)構(gòu)分為軌輪式、輪胎式和履帶式。其控制方式有液壓控制、氣壓控制和液壓與氣壓聯(lián)合控制三種。

以CTJ-3型鑿巖臺車為例（圖7-4）說明鑿巖臺車的結(jié)構(gòu)。

第三節(jié)鑿巖臺車鑿巖臺車是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種鉆孔設(shè)

圖7-4CTJ-3型掘進(jìn)鑿巖臺車1-推進(jìn)器；2-側(cè)支臂；3-鑿巖機(jī)；4-中間支臂；5-前支撐液壓缸；6-行走機(jī)構(gòu)；7-支撐液壓缸；8-進(jìn)風(fēng)管；9-擺動機(jī)構(gòu)；10-操縱臺；11-司機(jī)座；12-配重結(jié)構(gòu)組成：推進(jìn)器1、兩側(cè)相同的兩個支臂2、一個中間支臂4、鑿巖機(jī)3、輪胎行走機(jī)構(gòu)6以及氣壓、液壓和供水系統(tǒng)。

一、推進(jìn)器（圖7-5）是導(dǎo)軌式鑿巖機(jī)的軌道，并提供鑿巖機(jī)工作所需的軸向推進(jìn)力。CTJ-3型鑿巖臺車采用氣動馬達(dá)—絲杠推進(jìn)器。

圖7-5CTJ-3型掘進(jìn)鑿巖臺車的推進(jìn)器l-風(fēng)馬達(dá)；2-絲母；3-絲杠；4-補償液壓缸；5-托盤；6-扶釬液壓缸；7-頂尖；8-扶釬器；9-導(dǎo)軌；10-鑿巖機(jī)底座；11-外回轉(zhuǎn)鑿巖機(jī)；12-釬子一、推進(jìn)器（圖7-5）二、鉆臂

鉆臂的作用是支承推進(jìn)器和鑿巖機(jī)，并調(diào)整推進(jìn)器的方位，使之可在全工作面范圍內(nèi)進(jìn)行鑿巖。CTJ-3型鑿巖臺車的兩個側(cè)鉆臂和中間鉆臂結(jié)構(gòu)基本相同，工作原理如圖7-6。

圖7-6CTJ-3型鑿巖臺車鉆臂l-推進(jìn)器托盤；2-液壓缸；3-鉆臂架；4-鉆臂液壓缸；5-引導(dǎo)液壓缸；6-鉆臂座；7-回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)二、鉆臂圖7-6CTJ-3型一、概述

掘進(jìn)機(jī)法使破落巖石、裝載運輸、噴霧滅塵等工序同時進(jìn)行。與鉆爆法相比，掘進(jìn)機(jī)法掘進(jìn)隧道有許多優(yōu)點：(1)速度快、成本低。(2)安全性好。(3)工程量小。(4)勞動條件好。按照工作機(jī)構(gòu)切割工作面的方式，掘進(jìn)機(jī)可分為部分?jǐn)嗝嫠淼谰蜻M(jìn)機(jī)和全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)兩大類。第四節(jié)掘進(jìn)機(jī)一、概述二、部分?jǐn)嗝嫠淼谰蜻M(jìn)機(jī)

以ELMB型隧道掘進(jìn)機(jī)為例，說明部分?jǐn)嗝嫠淼谰蜻M(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作方式。1、工作機(jī)構(gòu)ELMB隧道掘進(jìn)機(jī)采用懸臂式工作機(jī)構(gòu)，其優(yōu)點是：懸臂可以沿工作面的水平或垂直方向作左右或上下擺動，對復(fù)雜的地質(zhì)條件適應(yīng)性較好，能掘出各種形狀的斷面，結(jié)構(gòu)簡單，便于維修和更換截齒，也可及時支護(hù)隧道。但由于懸臂較長，影響機(jī)器的穩(wěn)定性。二、部分?jǐn)嗝嫠淼谰蜻M(jìn)機(jī)

圖7-10蟹爪工作機(jī)構(gòu)1-蟹爪；2-鏟板；3-曲柄圓盤；4-連桿；5-搖桿；6-刮板輸送機(jī)2、裝載與轉(zhuǎn)運機(jī)構(gòu)裝載與轉(zhuǎn)運機(jī)構(gòu)由蟹爪式裝載機(jī)構(gòu)和中間刮板輸送機(jī)組成。截割頭破碎下來的碎巖由裝載機(jī)鏟板上的兩個蟹爪扒入中間刮板輸送機(jī)。蟹爪工作機(jī)構(gòu)（圖7-10）由蟹爪1、曲柄圓盤3、連桿4和搖桿5等組成。圖7-10蟹爪工作機(jī)構(gòu)2、裝載與轉(zhuǎn)運機(jī)構(gòu)3、行走機(jī)構(gòu)ELMB型隧道掘進(jìn)機(jī)采用履帶行走機(jī)構(gòu)，左右履帶分別由一臺內(nèi)曲線大轉(zhuǎn)矩液壓馬達(dá)驅(qū)動。4、液壓系統(tǒng)ELMB型隧道掘進(jìn)機(jī)除截割頭為電動機(jī)單獨驅(qū)動外，其余部分均為液壓傳動。整個液壓系統(tǒng)由一臺45kW雙出軸電動機(jī)分別驅(qū)動兩臺雙聯(lián)齒輪泵，為各液壓馬達(dá)和液壓缸提供壓力油。ELMB型隧道掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)共設(shè)四個回路，即裝運回路、行走回路、工作機(jī)構(gòu)及鏟板回路和轉(zhuǎn)載及起重回路。3、行走機(jī)構(gòu)5、除塵裝置ELMB型隧道掘進(jìn)機(jī)的噴霧滅塵系統(tǒng)（圖7-11）設(shè)有內(nèi)噴霧、外噴霧和冷卻-引射噴霧三部分：(1)水→水門→三通→工作臂→內(nèi)噴霧裝置；(2)水→水門→三通→節(jié)流閥→外噴霧裝置；(3)水→水門→液壓系統(tǒng)冷卻器→水冷電動機(jī)→引射噴霧器。

圖7-11ELMB型掘進(jìn)機(jī)內(nèi)外噴霧滅塵系統(tǒng)5、除塵裝置圖7-11ELMB型掘進(jìn)機(jī)內(nèi)外噴霧滅塵系三、全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)

全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)是一種全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)械，主要用于水利工程、鐵路隧道、城市地下交通和礦山等部門。

(一)全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)的工作原理巖石掘進(jìn)機(jī)是在堅硬度系數(shù)8～12以上的條件下破碎巖石，巖石的抗壓強度高達(dá)200MPa，巖石掘進(jìn)機(jī)一般采用盤形滾刀破巖。在驅(qū)動刀盤運動時，安裝在刀盤心軸上的盤形滾刀沿巖壁表面滾動，液壓缸將刀盤壓向巖壁，使?jié)L刀刃面將巖石壓碎而切入巖體中。刀盤上的滾刀在巖壁表面擠壓出同心凹槽，凹槽達(dá)到一定深度時，相鄰兩凹槽間的巖石被滾刀剪切成片狀碎片剝落下來。在巖渣中，片狀碎片約占80％-90％，而巖粉的含量較少。三、全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(二)全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)TBM32型全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)的總體結(jié)構(gòu)（圖7-12）。

圖7-12TBM32型全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)的總體結(jié)構(gòu)1-刀盤；2-機(jī)頭架；3-傳動裝置；4-推進(jìn)液壓缸；5-水平支撐機(jī)構(gòu)；6-液壓傳動裝置；7-電氣設(shè)備；8-司機(jī)室；9-皮帶轉(zhuǎn)載機(jī)；10-除塵風(fēng)機(jī)；11-大梁(二)全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)1、刀盤刀盤工作機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖7-13所示。圖7-13刀盤工作機(jī)構(gòu)l-中心滾刀；2-正滾刀；3-邊滾刀；4-鏟斗；5-密封圈；6-組合軸承；7-內(nèi)齒圈；8-中心供水管；9-水泵；10-刀盤1、刀盤圖7-13刀盤工作機(jī)構(gòu)

刀盤10由高強度、耐磨損的錳鋼板焊接成箱形構(gòu)件。刀盤前盤呈球形，分別裝有雙刃中心滾刀1、正滾刀2、邊滾刀3。鏟斗裝在刀盤的外緣，鏟斗的側(cè)壁上分別裝有一個正滾刀和一個邊滾刀。刀盤通過組合軸承6支承在機(jī)頭架上，組合軸承的內(nèi)外圈分別與刀盤和機(jī)頭架相連接。2、刀盤的傳動系統(tǒng)TBM32型全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤的傳動系統(tǒng)如圖7-15所示。機(jī)頭架兩側(cè)的兩臺電機(jī)，經(jīng)兩級行星齒輪減速器和一級內(nèi)齒輪傳動驅(qū)動刀盤轉(zhuǎn)動，兩臺電動機(jī)中有一臺電機(jī)是兩端出軸的，右端出軸經(jīng)摩擦離合器和液壓馬達(dá)相連，點動液壓馬達(dá)可實現(xiàn)刀盤的微動，以調(diào)整刀盤入口處的位置，使司機(jī)由入口進(jìn)入刀盤前端檢查和更換刀具。刀盤10由高強度、耐磨損的錳鋼板焊接成箱形構(gòu)

圖7-15TBM32型全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤傳動系統(tǒng)圖7-15TBM32型全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤傳動3、行走機(jī)構(gòu)行走機(jī)構(gòu)由水平支撐和推進(jìn)液壓缸兩部分組成，實現(xiàn)巖石掘進(jìn)機(jī)的邁步行走并使刀盤獲得足夠大的推進(jìn)力，結(jié)構(gòu)如圖7-16。

圖7-16TBM3251全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)的行走機(jī)構(gòu)l-推進(jìn)缸；2-斜缸；3-支撐板；4-鞍座；5-復(fù)位彈簧；6-頭壓蓋；7-水平支撐缸3、行走機(jī)構(gòu)圖7-

第五節(jié)盾構(gòu)機(jī)

盾構(gòu)機(jī)是一種集開挖、支護(hù)、襯砌等多種作業(yè)于一體的大型隧道施工機(jī)械，使用盾構(gòu)機(jī)械來建筑隧道的方法稱為盾構(gòu)施工法。其施工程序是：在盾構(gòu)前部殼下挖土，在挖土的同時，用千斤頂向前頂進(jìn)盾體，頂?shù)揭欢ㄩL度后，再在盾尾拼裝預(yù)制好的襯砌塊，并以此作為下次頂進(jìn)的基礎(chǔ)，繼續(xù)挖土頂進(jìn)。當(dāng)然在挖土的同時，還須將土屑運出盾構(gòu)。第五節(jié)盾構(gòu)機(jī)盾構(gòu)機(jī)一、機(jī)械化盾構(gòu)的特點和幾種施工法的適用范圍1、機(jī)械化盾構(gòu)的特點

1)工效高，工期短。日掘進(jìn)能力與人工掘進(jìn)相比較，砂質(zhì)土壤時為2倍，砂和亞粘土為3-5倍，粘性土為5-8倍。2)減少塌方，生產(chǎn)安全。3)降低成本，經(jīng)濟(jì)性明顯。4)能隨土層地質(zhì)的變化，改變掘進(jìn)方法。5)造價高，其中任何一部分機(jī)械出現(xiàn)故障，即需全部停工。6)掌子面局部塌方，若發(fā)現(xiàn)不及會引起沉陷造成局部超挖和加固的難度。7)設(shè)計制造工期長，刀具磨損更換難。一、機(jī)械化盾構(gòu)的特點和幾種施工法的適用范圍

圖7-17盾構(gòu)施工法示意圖1-盾構(gòu)；2-管片臺車；3-土斗車；4-軌道；5-材料場；6-起重機(jī)；7-棄土倉2、盾構(gòu)法的適用范圍1）切削輪式盾構(gòu)（圖中7-17）用主軸旋轉(zhuǎn)驅(qū)動切削輪挖土，隨旋轉(zhuǎn)的周邊鏟斗將挖下的土屑傾落于皮帶輸送機(jī)上將土運到盾構(gòu)后部的土斗車?yán)?，再由牽引車運往洞外。推進(jìn)千斤頂將盾構(gòu)不斷推進(jìn)，當(dāng)推進(jìn)到一個襯砌管片寬度后，立即進(jìn)行管片的拼裝，整圈襯砌拼裝完后再開始繼續(xù)挖土和盾構(gòu)頂進(jìn)。

2)氣壓式盾構(gòu)氣壓式盾構(gòu)施工如圖7-18。為防止掌子面坍塌，將工作面密封在具有一定氣壓下，可阻止地下水外流利于挖土。但不宜在較大的砂礫層地質(zhì)中使用該法。

圖7-18氣壓式盾構(gòu)施工1-盾構(gòu)卸土器；2、3-皮帶機(jī)；4-運土車；5-氣壓工作區(qū)；6-氣閘；7-壓氣機(jī)2)氣壓式盾構(gòu)3)泥水加壓式盾構(gòu)(圖7-19)盾構(gòu)前部設(shè)置一個密封區(qū)，注入一定壓力的