第四章 全斷面隧道

第四章全斷面隧道掘進設備所謂全斷面隧道掘進設備是指那些針對確定的地質(zhì)條件和工況，能一次性完成不同斷面形狀的隧道所采用的專用工程施工設備。為此它必須具備穩(wěn)定的開挖面，對巖層或土質(zhì)進行有效挖掘，同時要有相應的排碴（巖石或砂土泥漿）和洞體支護（襯砌或灌漿）措施。這類設備主要包括適于軟基地層的各類盾構(gòu)機和硬基地層的巖石掘進機（簡稱TBM）。它們具有自動化程度高、施工速度快、節(jié)省人力、一次成洞、不受外界氣候影響、開挖時可以控制地面沉降、減少對地面建筑物的影響和水下施工不影響水面交通等優(yōu)點。第一節(jié)全斷面巖石掘進機

1、概述巖石掘進機（TBM）的掘進機理是通過安裝在刀盤上的不同作用的盤形滾刀或球齒滾刀，靠刀盤的旋轉(zhuǎn)和滾刀的自轉(zhuǎn)，在掘進中形成鉆壓，使巖石受擠壓而破碎。對用于硬基地層的TBM來說，由于大多數(shù)巖體自穩(wěn)性較好，不存在開挖面穩(wěn)定問題，所以TBM一般為敞開式，無密封護盾。如遇復雜地層，亦可采用帶護盾的TBM，同時配置多功能鉆機，可用來探測作業(yè)面前方的地質(zhì)情況，以便及時采取相應的施工技術(shù)措施，保持開挖面的穩(wěn)定。

軟土盾構(gòu)機

硬巖盾構(gòu)機

混合盾構(gòu)機

異形多頭盾構(gòu)機

第一節(jié)全斷面巖石掘進機

第一節(jié)全斷面巖石掘進機

第一節(jié)全斷面巖石掘進機

1.1用途及工作對象TBM是一種在巖層中挖隧道的機械。其特點是用機械法破碎切削巖石（刀頭直徑與開挖隧道的直徑大小一致，故稱全斷面開挖），挖掘與出渣同時進行。掘進機的直徑一般為2～11m，最大可達15m，可挖掘的巖石硬度為巖石單軸抗壓強度20～200MPa，最大近300MPa。TBM適用于公路工程、鐵路工程、水電工程、排污工程、軍事工程及其它地下工程中開挖巖石隧道。因此，在公路山嶺隧道和海底水下隧道工程中被廣泛采用。第一節(jié)全斷面巖石掘進機

1.2國外水平及發(fā)展趨勢全斷面隧道掘進機技術(shù)經(jīng)過了40多年的發(fā)展，其過程大致分為三個階段，20世紀50年代以前為探索階段，到60年代中期為試驗研究階段，70年代達到實用階段。目前已成為當今世界長大隧道和地下工程中最先進、最有效的技術(shù)之一。與鉆爆法相比它具有速度快、質(zhì)量高、節(jié)約資金和人力、安全、可靠幾大特點，已廣泛為世界各國采用。第一節(jié)全斷面巖石掘進機

國外全斷面隧道掘進機生產(chǎn)廠家有美國羅賓斯公司、德馬格公司、日本石川島播磨公司等，生產(chǎn)刀盤直徑從1.8m到11m的各種用途、各種規(guī)格的掘進機近100種。目前國外刀具壽命一般為開挖204m隧道，一個刀具的滾動行走距離是640km。國外全斷面掘進機技術(shù)仍在不斷地發(fā)展中，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：第一節(jié)全斷面巖石掘進機

（1）整機結(jié)構(gòu)更加緊湊，性能更加完善，自動化程度更高，對巖層的適應范圍不斷擴大，先進的掘進機已經(jīng)可以適應絕大多數(shù)的巖石條件。掘進機的整機質(zhì)量和刀盤功率均向大型化方向發(fā)展。（2）改進刀具結(jié)構(gòu)及材料，提高刀具壽命，使之能夠用于堅硬的巖石，并根據(jù)巖石條件，決定最佳刀具類型及刀具在刀盤上的最佳排列方式。第一節(jié)全斷面巖石掘進機

（3）研究輔助破巖技術(shù)。碳化鎢硬質(zhì)合金刀用于切削巖石己經(jīng)是最好的材料，很難指望在冶金技術(shù)上有更大的改進。對于抗壓強度大于170MPa以上的硬巖及超硬巖，刀具損耗增大，經(jīng)濟性和生產(chǎn)能力隨之降低，因此技術(shù)人員希望在機械切巖刀具前方預先輸入一種能量，弱化或破裂巖石。在諸多方法中，用火焰、激光、電熱器輻射在經(jīng)濟上都不適用；而噴水射流及微波輔助破巖技術(shù)表現(xiàn)出較好的前景。第一節(jié)全斷面巖石掘進機

（4）非圓斷面掘進機的開發(fā)。由于全斷面掘進機只能開挖圓形斷面的隧道，在使用上有一定的局限性。相對于馬蹄狀斷面的扁平形公路隧道，圓形斷面實際上是多開挖了巖石，是不經(jīng)濟的。1992年日本先端建設技術(shù)中心把傳統(tǒng)掘進機的刀盤改成向前傾斜的刀盤，從而開發(fā)出新的橢圓斷面掘進機。德國維爾特公司和加拿大HDRK采礦研究有限公司聯(lián)合研制了一種新型的CMM巖石掘進機，可開挖斷面尺寸為4.54m×4.54m帶圓角的矩形隧道。第一節(jié)全斷面巖石掘進機

（5）努力改進提高掘進機后援系統(tǒng)的能力。后援系統(tǒng)包括渣石清運和消耗品的運輸設備，混凝土管片安裝及回填灌漿設備，支護及除塵設備，供電、供水和通風設施等。后援系統(tǒng)極大地影響著掘進機的利用率，從而對工程進度和經(jīng)濟效益造成重大影響，一般來說，非掘進時間占正常工作時間的70％～80％，要想提高掘進速度，就必須減少停機時間。第一節(jié)全斷面巖石掘進機

2分類、特點及適用范圍2.1按破碎巖石方式分按破碎巖石的方式不同，全斷面隧道掘進機可分為以下四種型式：（1）切削式刀盤上安裝割刀，像金屬切削割刀一樣將工作物切割下來，適用于軟巖、土質(zhì)，如抗壓強度小于42MPa的地質(zhì)。（2）銑削式切削過程靠滾刀的旋轉(zhuǎn)和推進及銑刀的自轉(zhuǎn)完成，如銑削金屬的銑床一樣，適用于軟巖地質(zhì)。第一節(jié)全斷面巖石掘進機

（3）擠壓剪切式用圓盤形滾刀使巖石受擠壓和剪切而破碎（以剪切為主）。刀具有硬質(zhì)鵂的刀圈或中碳合金鋼堆焊碳化鎢、鈷等，適用于中硬巖石，如抗壓強度42～175MPa的巖石。（4）滾壓式是以擠碎巖石來切削，刀具為圓盤式，牙輪式和錐形帶小球狀刀具。用于硬巖，即抗壓強度大于175MPa的巖石。第一節(jié)全斷面巖石掘進機

2.2按切削頭回轉(zhuǎn)方式分按切削頭回轉(zhuǎn)方式的不同，可分為以下二種型式：（1）單軸回轉(zhuǎn)式切削頭的回轉(zhuǎn)軸只有一根。由于在大直徑的切削頭上，不同半徑上的刀具線速度不同，實際上不是真正的同軸回轉(zhuǎn)。因此，它只用于小直徑的掘進機。（2）多軸回轉(zhuǎn)式切削盤上有幾個小切削輪組合而成，小切削輪可獨自旋轉(zhuǎn)，各自有回轉(zhuǎn)軸。2.3按掘進方式分按掘進方式的不同，可分為推進式和牽引式二種。推進式又分為抓爪式和支撐反力式。第一節(jié)全斷面巖石掘進機

2.4按排渣方式按排渣方式的不同，可分為鏟斗式、旋轉(zhuǎn)刮板式和泥漿輸送式等。常用的是前兩種。2.5按外形特征分按外形特征，可分為以下二種型式：（1）敞開式掘進機其特點為結(jié)構(gòu)簡單，靠撐踏裝置，支持機身，適用于巖層比較穩(wěn)定的隧道。（2）護盾式掘進機此種堀進機有單護盾和雙護盾之分。單護盾掘進機前部用護盾掩護，雙護盾機機體被前后二節(jié)護盾掩護著，適用于易破碎的硬巖或軟巖，及地質(zhì)條件較復雜的巖層。第一節(jié)全斷面巖石掘進機

3主要結(jié)構(gòu)及工作原理全斷面隧道掘進機的結(jié)構(gòu)一般由以下幾部分組成：切削頭工作機構(gòu)、切削頭驅(qū)動機構(gòu)、推進及支撐裝置、排渣裝置、液壓系統(tǒng)、除塵裝置以及電氣和操縱等裝置。第一節(jié)全斷面巖石掘進機

第一節(jié)全斷面巖石掘進機

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掘進機開挖隧道的工作原理參看圖5-5-2。將水平支撐靴10、11頂緊洞壁，前后支撐靴9、12縮回，開動切削頭旋轉(zhuǎn)，后推進油缸6收縮，前推進油缸5施壓，開動排渣用的輸送機，如圖5-5-2a）所示；當切削頭掘進一定深度時（一般為推進油缸的一次行程），如圖5-5-2b）；將前后支撐靴9、12頂緊洞壁，水平支撐靴縮回，后推進油缸伸出、前推進油缸縮回，如圖5-5-2c）所示，這樣掘進機外機架前移一段距離，如圖5-5-2d）所示。如上述程序機器不斷旋轉(zhuǎn)掘進，不斷換位前移，完成隧道開挖工作。第一節(jié)全斷面巖石掘進機

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3.1切削頭工作機構(gòu)切削頭工作機構(gòu)是掘進機最重要的部分。根據(jù)機械形式和破碎巖右的方法，切削頭工作機構(gòu)有不同的形狀、尺寸及材質(zhì)，但就使用性和經(jīng)濟性而言，耐用和易于更換是決定切削頭使用價值的重要因素。切削頭由以下幾個部分組成：刀具、刀盤、鏟斗（或刮板）、主軸承、切削頭支架及驅(qū)動裝置等。此外，切削頭大都設有不同形式的前支撐靴或支承座。如圖5-5-3所示為LJ－30B切削頭結(jié)構(gòu)圖。第一節(jié)全斷面巖石掘進機

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3.1.1刀具形狀及材質(zhì)1）刀具的形狀刀具的形狀、材質(zhì)根據(jù)開挖的巖石類型和破碎方法不同而各異。一般有割刃（圖5-5-4a））、盤形刀（圖5-5-4b））、滾刀（圖5-5-4c））、和球形刀（圖5-5-4d））四種。同種刀具因在刀盤上排列位置不同，又分為中心刀、正刀和邊刀三種。第一節(jié)全斷面巖石掘進機

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（1）割刀如圖5-5-4a）所示為割刀。這是一種普通單刃形刀具，常配置在刀盤表面的周邊上或者是帶幅條的刀盤上。這種刀具多用于煤層或較軟的頁巖隧道開挖。割刀有整體型和鑲合金片型兩種，合金片型又分為組合式和焊接式兩種，如圖5-5-5所示。這種刀型與金屬切削用的刨刀相似，材質(zhì)為鎢合金鋼和硬質(zhì)合金鋼，硬質(zhì)合金刀片可用螺栓連接，或用銅焊焊接。割刀型的切削方式，可以垂直于巖面，也可以傾斜一定角度形成適度的切削前角。第一節(jié)全斷面巖石掘進機

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（2）盤形滾刀如圖5-5-6所示，為單刃盤形滾刀，作為正刀使用。刀圈10用壓配合、熱套或其它方法裝配在滾刀體7上，滾刀體通過滾柱軸承8安裝在固定的心軸9上，心軸兩端有定位銷1與刀架連接，再用螺栓將刀架固定在旋轉(zhuǎn)的刀盤上，也可將滾刀組合體用壓蓋螺栓固定在刀架上，而刀架則是焊接在刀盤上。為防止漏油和巖粉塵埃進入軸承內(nèi)，采用端面油封組件2、3、4、5、6，并以455N左右的力均勻地使O形密封圈4壓緊在斷面密封環(huán)5上，讓密封面貼緊。第一節(jié)全斷面巖石掘進機

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盤形滾刀用作中心刀和邊刀時，常做成雙刃的盤形滾刀。無論那一種形式的盤形滾刀，其刀圈材質(zhì)必需具有強度高、耐磨性好而且也要有一定的韌性，一般都采用合金鋼鍛造而成。鍛造后退火消除內(nèi)應力，加工成型后還需經(jīng)淬火、回火熱處理，最后要求達到HRC60～HRC62的硬度。盤形滾刀破碎巖石的范圍雖然比較廣，但從經(jīng)濟性上來看，切削巖石的抗壓強度在10MPa以上時，以采用盤形滾刀有利；小于10MPa時，采用割刀有利。第一節(jié)全斷面巖石掘進機

（3）楔齒滾刀楔齒滾刀結(jié)構(gòu)及外形如圖5-5-7所示，它與盤形滾刀大體相同，適用于硬巖的切割。不同點是，將楔形連續(xù)刀圈換成齒輪形的刀圈4。在推力作用下，齒尖先貫入巖石，隨著刀盤的旋轉(zhuǎn)，由于巖石的反作用力（阻力）使齒形刀圈在軸承3的支承下滾動。每滾動一個齒尖，同時產(chǎn)生壓力及沖擊作用而破壞巖石。楔齒滾刀刀圈、刀體所用材質(zhì)與盤形滾刀基本相同。刀體多采用Ni－Cr－Mo合金鋼，刀圈采用鑲有碳化鎢的刀齒。在巖石抗壓強度為19MPa的砂巖中使用，獲得良好效果。第一節(jié)全斷面巖石掘進機

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（4）球齒滾刀如圖5-5-8所示，為球齒滾刀的外貌。它的切削巖石工具是許多碳化鎢的硬合金球。在掘進機的推力下，小球被壓入巖石。硬合金球齒在刀體上的布置是一排接一排地排列的，其割軌跡是一圈接一圈，把沿整個滾刀的全長的巖石破碎下來。球齒滾刀也可做成單刃盤、V型雙刃盤和X型雙刃盤中心滾刀，如圖5-5-9所示。碳化鎢球齒滾刀多用于掘進最硬的磨蝕性巖層，如鐵燧石、黑硅石。巖石抗壓強度在220MPa以上時，此種刀具最為有效。第一節(jié)全斷面巖石掘進機

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2）刀具的材質(zhì)及選用（1）刀具的材質(zhì)無論哪一種刀具，都是硬巖掘進機中一個關(guān)鍵部分，它不僅要承受很大的載荷，而且還要承受連續(xù)運轉(zhuǎn)高循環(huán)次數(shù)，如一臺直徑2.25m刀盤上的盤形滾刀平均每小時要滾動4000m路程。目前國內(nèi)刀具的平均壽命只有100h，而國外最高的可達1000h。掘進機刀具材料一般有整體合金鋼、合金鋼基體上堆焊耐磨材料（如40Cr基體上膠焊WC）、合金鋼基體上鑲（嵌）硬質(zhì)合金（如球齒形滾刀）以及采用整體硬質(zhì)合金為刀刃等幾種形式。由于WC-Co（碳化鎢-鈷）硬質(zhì)合金是一種堅韌又堅固的優(yōu)良材料，因此，目前廣泛采用于硬巖的刀具上。第一節(jié)全斷面巖石掘進機

（2）刀具的選用選用的刀具首先根據(jù)巖石的類別，再視刀具在刀盤上的布置而定。其目的是為了取得較高的掘進效率和較好的經(jīng)濟指標。粘土、紅土及頁巖等，一般選用割刀、銑刀；中硬巖石，如白云石、砂巖、石灰?guī)r、大理石、花崗巖等，選用盤形滾刀或硬質(zhì)合金楔齒滾刀；硬巖，如閃長巖、石英巖、角閃巖等，選用硬質(zhì)合金球齒滾刀。第一節(jié)全斷面巖石掘進機

3.1.2切削頭刀盤1）刀盤的構(gòu)造刀盤大都是用鋼板焊接而成。為了能承受強大的推進力和切削巖石的反作用力矩，刀盤多數(shù)制成框型結(jié)構(gòu)。在更換刀具時，機修人員要進入掌子面，所以刀盤上必須設出入口。刀盤周圍裝有均布的鏟斗或刮板，以便及時地將切削下來的巖粉收集、提升送到排渣輸送機上。刀盤面上固定有刀架。后面有圓筒形轉(zhuǎn)動鼓，后者端部周圍用螺栓與大齒圈連接。第一節(jié)全斷面巖石掘進機

2）刀盤的形狀刀盤面的形狀有平面刀盤、球面刀盤和截錐面刀盤三種如圖5-5-10所示。近年來又出現(xiàn)了行星式刀盤。平面刀盤又分為幅條、幅板和三角盤兩種，目前采用最多的是幅板平面刀盤和球面刀盤兩種。

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3）刀盤上刀具配置和布置從運動情況看，在每轉(zhuǎn)中外側(cè)刀具比內(nèi)側(cè)刀具的運行距離長，工作量大，所以在外側(cè)同一軌跡上安裝2～3把刀。此外，內(nèi)側(cè)刀的旋轉(zhuǎn)半徑（刀具安裝位置距旋轉(zhuǎn)中心的距離）較外側(cè)刀具小，為使內(nèi)外刀具在切割過程中與工作面間盡量達到純滾動（割刀除外），減少滑動磨損，內(nèi)側(cè)刀具的外徑亦應比外側(cè)刀具小。如直徑3.0m的掘進機，其最內(nèi)側(cè)刀具外徑為167mm，最外側(cè)刀徑250mm。一般情況下，每個同心圓的軌跡上安置中心刀一把，正刀兩把，邊刀4～8把，根據(jù)巖石情況可酌情增減。第一節(jié)全斷面巖石掘進機

3.1.3刀盤的支承方式和驅(qū)動裝置1）刀盤的支承方式刀盤的支承方式大致有兩種，即支承軸式和轉(zhuǎn)鼓支承式，如圖5-5-12所示。支承軸式如圖5-5-12a）所示，由軸上的滾珠軸承6（三排）承受切削頭的自重力和切削徑向載荷，由刀盤后端周圍均布的推力滾子軸承承受軸向推力，而各自是獨立組合體。轉(zhuǎn)鼓支承式（如圖5-5-12b））所示，轉(zhuǎn)鼓支承式切削頭中心空位大，便于出渣及布置排渣機構(gòu)，徑向推力載荷也較均勻。但都存在大直徑軸承的制造及運輸較難的問題。支承軸式只適用于小直徑掘進機，目前采用較少。轉(zhuǎn)鼓式支承方式得到廣泛應用。

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2）刀盤的動力裝置和傳動裝置刀盤旋轉(zhuǎn)用的動力有電和液壓兩種。電動機驅(qū)動又有固定轉(zhuǎn)速和變速兩種。為適應地質(zhì)的變化，刀盤需要調(diào)整轉(zhuǎn)速。此外，為適應刀具的類型而維持一定的切削性能，也必需有兩檔以上的變換轉(zhuǎn)速。目前有機械變速和多速電動機變速兩種變速方式。掘進機刀盤一般都采用多電機驅(qū)動，尤其是大直徑的掘進機，常采用2、4或6臺電動機同步驅(qū)動。液壓驅(qū)動可以無級調(diào)速，因而結(jié)構(gòu)可以得到簡化。隨著液壓技術(shù)的發(fā)展，液壓馬達已被廣泛應用于刀盤的動力裝置中。第一節(jié)全斷面巖石掘進機

3.2導向推進利調(diào)向裝置3.2.1掘進機的導向裝置隧道掘進機切削部分的質(zhì)量，占全機總質(zhì)量的一半以上，所以掘進的方向性能主要取決于這部分的運動穩(wěn)定情況。如果要維持切削頭部成直線或者按隧道設計的中心線蠕動，就需要有能控制切削部分在上下、左右方向移動的導向裝置。導向裝置布置在機器的前部，緊接刀盤之后。它由切削頭支承架、支撐靴板、支撐油缸及支撐座等組成。在同一橫斷面上共有四組，其中水平中線上兩組，線下兩組。線上兩組各自與水平線成30°角，線下兩組各自與水平線成45°角。第一節(jié)全斷面巖石掘進機

3.2.2推進裝置機器掘進時，需要給予切削頭一定的軸向推力和轉(zhuǎn)矩，推力使刀刃壓入巖石，轉(zhuǎn)矩牽引刀刃在此深度下連續(xù)破壞巖石。如圖5-5-14所示為硬巖掘進機推進裝置示意圖，切削頭支承架2，其周圍設有前支撐靴3，內(nèi)有液壓干斤頂，可控制其伸縮動作。支撐中央套在機器主機架6上，可作軸向滑動，支承架后端面有鉸接的推進千斤頂4（常常是一對或一對以上）。千斤頂活塞桿端與后支撐靴5鉸接。后支撐靴固定在主機架兩側(cè)，內(nèi)有液壓千斤頂，可控1制其伸縮。

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3.2.3掘進機的調(diào)向裝置調(diào)向裝置包括下列幾個部分：前側(cè)向支撐、前垂直支承、后垂直支承、頂部護盾和后水平支撐等?，F(xiàn)有的調(diào)向裝置，從調(diào)向的方式看，有水平支撐靴中心控制式和有專用調(diào)向機構(gòu)兩種形式。

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3.3出渣輸送裝置3.3.1收集和裝卸如圖5-5-18所示為鏟斗式收集和裝卸機構(gòu)。刀盤2周圈安裝若干個鏟斗1（視開挖直徑而定鏟斗數(shù)），刀盤后端切削頭支架4前端裝有卸渣漏斗3，漏斗下面有穿過切削頭支架中心的皮帶輸送機5。收集裝卸裝置類型有：機械式，又分鏟斗、刮板和滾子刮板裝載頭、水平螺旋收集機等；非機械式，利用噴水冷卻刀具，滅塵，隨