硬巖掘進(jìn)機(jī)TBM

1、全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)第1節(jié)全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)概述1.1全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)的定義和研究現(xiàn)狀全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)(Full Face Rock Tunnel Boring Machine,以下簡(jiǎn)稱(chēng) TBM), TBM是集機(jī)械、電子、液壓、激光、控制等技術(shù)丁一體的高度機(jī)械化和自動(dòng)化 的大型隧道開(kāi)挖襯砌成套設(shè)備，是一種由電動(dòng)機(jī)(或電動(dòng)機(jī)一一液壓馬達(dá)) 驅(qū)動(dòng) 刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)、液壓缸推進(jìn)，使刀盤(pán)在一定推力作用下貼緊巖石壁面，通過(guò)安裝在刀盤(pán)上的刀具破碎巖石，使隧道斷面一次成型的大型工程機(jī)械。TBM施工具有自動(dòng)化程度高、施工速度快、節(jié)約人力、安全經(jīng)濟(jì)、一次成型，不受外界氣候影響， 開(kāi)挖時(shí)可以控制地面沉陷，減少對(duì)地面建筑物得影響

2、，水下地下施工不影響水中 地面交通等優(yōu)點(diǎn)，是目前巖石隧道掘進(jìn)最有發(fā)展?jié)摿Φ臋C(jī)械設(shè)備。如下圖所示。生產(chǎn)TBM最早的廠家是美國(guó)的羅賓斯(Robbins)公司。羅賓斯公司丁 1951 年由James Robbins創(chuàng)建，1952年James Robbins研制出世界第一套全斷面掘進(jìn) 機(jī)而聞名丁世界。1956年，羅賓斯發(fā)明了硬巖掘進(jìn)機(jī)用的盤(pán)形滾刀，使硬巖掘 進(jìn)機(jī)的研制實(shí)現(xiàn)了真正意義上的成功。羅賓斯初期產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、作業(yè)快速靈活， 經(jīng)過(guò)50年得發(fā)展，羅賓斯公司已經(jīng)成功研制出了應(yīng)用丁地質(zhì)條件較好的中硬巖 全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)、硬巖全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)和軟巖全斷面掘進(jìn)機(jī)，適用丁復(fù)雜地 質(zhì)條件的單護(hù)盾全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)

3、、雙護(hù)盾全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)和高性能能硬巖全 斷面巖石掘進(jìn)機(jī)等。另外還有美國(guó)的佳伐公司(Jarva Inc.)、德國(guó)的德馬克公司(Mannesmann Demag AG)和維爾特(Wirth Maschinen-und Bohrgeraetefabrik GmbH）,四家公司是20世紀(jì)7080年代的世界四大硬巖掘進(jìn)機(jī)制造商?，F(xiàn)階段 生產(chǎn)TBM的較著名廠商有美國(guó)的羅賓斯公司 （Robbins）、德國(guó)的維爾特（Wirth） 和海瑞克公司（Herrenkneeht等?！笆晃濉逼陂g863計(jì)劃先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域“全斷面掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)”重點(diǎn) 項(xiàng)目在用于軟土掘進(jìn)的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)技術(shù)上取得了一定的成就?！笆濉?/p>

4、期間863計(jì)劃先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域必將對(duì)全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)做更深入的研究。1.2 TBM的分類(lèi)1. 按刀盤(pán)形狀的不同分類(lèi)根據(jù)刀盤(pán)形狀的不同，TBM分為平面刀盤(pán)TBM、球面刀盤(pán)TBM、錐面刀盤(pán) TBM。平面刀盤(pán)TBM最為常用。2. 按作業(yè)巖石硬度的不同分類(lèi)根據(jù)全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)作業(yè)巖石硬度的不同分為：軟巖全斷面掘進(jìn)機(jī)（作業(yè) 巖石單軸抗壓強(qiáng)度100MPa）,中硬巖全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)（作業(yè)巖石單軸抗壓強(qiáng) 度150MPa）和硬巖全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)（作業(yè)巖石單軸抗壓強(qiáng)度可達(dá)350MPa）.3. 按開(kāi)挖斷面形狀的不同分類(lèi)根據(jù)全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖斷面形狀的不同分為圓形斷面全斷面巖石掘進(jìn) 機(jī)和非圓形斷面全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)。

5、4. 按全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)與洞壁之間的關(guān)系分類(lèi)根據(jù)全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)與開(kāi)挖隧洞洞壁之間的關(guān)系分為敞開(kāi)（開(kāi)敞）式全面 斷面巖石掘進(jìn)機(jī)、護(hù)盾式全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)和其他類(lèi)型全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)。護(hù)盾式全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)又可以根據(jù)護(hù)盾的多少分為單護(hù)盾、雙護(hù)盾和三護(hù)盾全斷面巖石掘 進(jìn)機(jī)。1.3 TBM的基本機(jī)型1.敞開(kāi)式TBM敞開(kāi)式全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)（Open Type Full Face Rock Tunnel Boring Machine 也稱(chēng)支撐是全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)，是 TBM最早的機(jī)型，也是最基本的機(jī)型。這種 機(jī)型的支撐機(jī)構(gòu)撐緊洞壁，刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)，刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)，推進(jìn)液壓缸推進(jìn)，盤(pán)形滾刀破 碎巖石，出渣系統(tǒng)出渣而實(shí)現(xiàn)隧洞

6、的連續(xù)循環(huán)開(kāi)挖作業(yè)。適用于巖石整體性能較 好的隧道。2.護(hù)盾式TBM1.4 TBM的基本結(jié)構(gòu)全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)的基本機(jī)構(gòu)如下圖所示1刀盤(pán)2刀盤(pán)護(hù)盾3主軸承4清渣皮帶機(jī) 5清渣斗6推進(jìn)液壓缸7前外機(jī)架8傳動(dòng)軸 9刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)電機(jī) 10后外機(jī)架11后支撐12后部錨桿鉆機(jī) 13內(nèi)機(jī)架14鋼拱架安裝器 15前部錨桿鉆機(jī)16超前鉆機(jī)17鋼拱架運(yùn)輸車(chē) 18皮帶輸送機(jī)1.4.1刀盤(pán)刀盤(pán)針對(duì)工程地質(zhì)條件設(shè)計(jì)，為封閉面板式箱型結(jié)構(gòu)，盤(pán)型滾刀采用背裝式， 刀具更換在刀盤(pán)里進(jìn)行，保證了換刀的安全。刀盤(pán)與刀具均采用很好的耐磨設(shè)計(jì)， 以保證刀盤(pán)在硬巖掘進(jìn)時(shí)的耐磨性能。刀盤(pán)開(kāi)挖直徑應(yīng)滿足TBM最小標(biāo)定掘進(jìn)直徑的要求，刀盤(pán)上安裝

7、中心刀、正滾刀、超挖刀等各類(lèi)型刀具，刀具根據(jù)地質(zhì) 條件進(jìn)行合理的選型和配置.刀盤(pán)偏心布置，增大了隧洞拱頂?shù)拈_(kāi)挖直徑，為T(mén)BM 快速通過(guò)圍巖變形區(qū)預(yù)留了變形量。刀盤(pán)設(shè)計(jì)了液壓式刀具磨損自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)， 使刀具磨損量能被監(jiān)控，以保證 刀盤(pán)不因刀具超量磨損、損壞而遭到嚴(yán)重磨損或損壞。1.4.2刀盤(pán)護(hù)盾刀盤(pán)護(hù)盾由頂護(hù)盾，側(cè)護(hù)盾和底護(hù)盾組成。用丁支承和保護(hù)刀盤(pán)，防止洞頂 碎石砸壞刀盤(pán)或者落入主軸承。1.4.3王軸承主軸承采用大直徑、高承載力、長(zhǎng)壽命的三軸式設(shè)計(jì)，軸承內(nèi)圈帶有內(nèi)齒圈。 雙軸承支座驅(qū)動(dòng)小齒輪與內(nèi)齒圈嚙合，支承穩(wěn)固的驅(qū)動(dòng)齒輪可最大限度地減小齒 輪的磨損。1.4.4內(nèi)外機(jī)架內(nèi)外機(jī)架為T(mén)BM的主要支

8、承部件，刀盤(pán)通過(guò)主軸承安裝在內(nèi)機(jī)架的前端， 內(nèi)機(jī)架與外機(jī)架之間為浮動(dòng)連接，內(nèi)機(jī)架可在外機(jī)架內(nèi)作軸向運(yùn)動(dòng)，外機(jī)架通過(guò) 支撐液壓缸和撐靴板撐緊在洞壁上，在 TBM掘進(jìn)時(shí)支承TBM主機(jī)的重量，并 平衡開(kāi)挖面對(duì)TBM的反向推力。1.4.5后支承后支承位丁內(nèi)機(jī)架的后端，在 TBM換步時(shí)支撐油缶工伸出，撐靴撐緊洞壁， 刀盤(pán)護(hù)盾共同承擔(dān)TBM主機(jī)的重量，并能對(duì)TBM的掘進(jìn)姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整。1.4.6推進(jìn)液壓缶工推進(jìn)液壓缸一端固定在外機(jī)架上，另一端皎接在內(nèi)機(jī)架上。當(dāng)外機(jī)架撐緊在 洞壁上時(shí)，高壓油進(jìn)入推進(jìn)缸無(wú)桿腔，將活塞桿推出，推動(dòng)內(nèi)機(jī)架向前移動(dòng)，使 刀盤(pán)壓緊在開(kāi)挖面上，配合刀盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)將巖石壓裂破碎。1.4.7鋼拱

9、架安裝器鋼拱架安裝器位于主機(jī)前端，不工作時(shí)收回在刀盤(pán)護(hù)盾下面。當(dāng)遇到圍巖不 穩(wěn)定時(shí)可緊貼洞壁安裝一圈鋼拱架作為初期支護(hù)，保證護(hù)盾后面作業(yè)區(qū)的安全， 如有需要可再進(jìn)行后續(xù)的加固支護(hù)。1.4.8錨桿鉆機(jī)TBM上配有兩臺(tái)錨桿鉆機(jī)，一臺(tái)安裝在前外機(jī)架前部，另一臺(tái)安裝在后外 機(jī)架后部。當(dāng)安裝了鋼拱架后仍不能保證圍巖穩(wěn)定的情況下，可用錨桿鉆機(jī)在洞 壁鉆孔，然后裝填錨固劑并打入錨桿進(jìn)行加固，必要時(shí)還可加掛鋼絲網(wǎng)。1.4.9超前鉆機(jī)超前鉆探和超前地質(zhì)加固是 TBM必備的輔助施工手段，TBM配置超前鉆機(jī) 用于地質(zhì)超前探測(cè)和不良地質(zhì)的處理。超前鉆機(jī)由獨(dú)立的液壓裝置操作，TBM配置一臺(tái)多功能鉆機(jī)，可以通過(guò)穿過(guò)前盾殼

10、體和刀盤(pán)上具有足夠大直徑的一個(gè)導(dǎo) 管來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆取巖芯和鉆孔，進(jìn)行地層加固的功能。1.4.10皮帶輸送機(jī)皮帶輸送機(jī)安裝在中空內(nèi)機(jī)架的內(nèi)部，可前后移動(dòng)，掘進(jìn)時(shí)前伸到刀盤(pán)中部， 刀盤(pán)邊緣鏟斗鏟起的石渣通過(guò)刀盤(pán)內(nèi)部的通道送到皮帶輸送機(jī)前端，石渣通過(guò)皮帶運(yùn)輸機(jī)向后傳輸。第2節(jié) TBM刀盤(pán)系統(tǒng)2.1 TBM刀盤(pán)刀盤(pán)是用丁安裝滾刀的機(jī)座，為剛結(jié)構(gòu)焊接件，是巖石掘進(jìn)機(jī)的重要部件之 一。其前端是加強(qiáng)的雙層鋼板，通過(guò)溜槽與后隔板相接，刀盤(pán)后隔板用螺栓與刀 盤(pán)軸承連接。盤(pán)形滾刀裝在刀盤(pán)上來(lái)擠壓破碎巖石，刀盤(pán)的前端裝有徑向帶齒的 碎石鏟斗，刀座是刀盤(pán)的一部分，由丁刀盤(pán)上的刀座呈凹形，且盤(pán)形刀的刀圈凸 出刀盤(pán)，所以能有效

11、破碎巖石并防止出現(xiàn)大塊巖石阻塞、卡刀的現(xiàn)象發(fā)生。（時(shí)中心對(duì)分式（b）偏心對(duì)分式。中方五分式3）中六的七分式根據(jù)正滾刀的刃口包絡(luò)面的形狀，全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)的刀盤(pán)分為：錐面刀盤(pán)、 平面刀盤(pán)、球面刀盤(pán)。各自的特點(diǎn)如下表所示。平面刀盤(pán)最為常用。刀盤(pán)形式錐面刀盤(pán)平面刀盤(pán)球面刀盤(pán)特點(diǎn)大錐角刀盤(pán)可以 充分形成破巖的 自由面，破巖效率 高，工作穩(wěn)定1. 機(jī)身支撐穩(wěn)定性 好；2. 刀盤(pán)徑向力平衡性 好，巖右工作面穩(wěn) 定；3. 刀盤(pán)容易制造，其 上刀盤(pán)的軸向力?。?. 刀盤(pán)推力的利用率 高硬巖采用。原因 為：刀盤(pán)工作穩(wěn) 定全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)的刀盤(pán)按結(jié)構(gòu)分可分為：中心對(duì)稱(chēng)式、偏心對(duì)分式、中方五分式及中六角七分式四種形

12、式。如下圖所示2.2 TBM滾刀滾刀是刀盤(pán)上用丁破碎巖石的工具，根據(jù)形狀的不同，滾刀分為盤(pán)形滾刀、 球形滾刀、楔齒滾刀等。盤(pán)形滾刀最為常用。盤(pán)形滾刀簡(jiǎn)稱(chēng)盤(pán)刀，根據(jù)刀刃的多少分為單刃滾刀、雙刃滾刀和多刃滾刀。 如下圖所示。TBM上普遍采用單刃盤(pán)形滾刀。單刃盤(pán)形滾刀由刀圈、刀體、刀 軸、心軸組成。刀圈是可以拆卸的，磨損后可以更換。3）單刃槌刀b）雙刃潘刀G多刃液刀刀圈的刀刃角一般有60°、75°、90°、120°或平刃等多種。掘進(jìn)硬巖時(shí) 一般用較大的刀刃角，而掘進(jìn)較軟的巖石時(shí)用的刀刃角較小。對(duì)丁特別軟的巖層, 刀刃角小容易嵌入巖層中，增大刀刃角甚至做成平刃可

13、改善掘進(jìn)效果。盤(pán)形滾刀的直徑和承受載荷的額定推力的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表所示直徑(in)121314115 21638171921(mm)305330356394416432483534額定推5勺(kN)100100150200200 1200260300最大推力(kN)130190250250250310增大刀具的直徑可以增大每把刀的額定推力。在一定的巖石條件下，刀盤(pán)每 轉(zhuǎn)一圈，刀具的切深隨之增加，從而提高了掘進(jìn)速度。此外，刀具直徑增加，允 許磨損體積也增加因而壽命延長(zhǎng)。但刀具直徑增大使重量增加，引起換刀困難， 增加了換刀停機(jī)時(shí)間；允許磨損量的增加使剛換上的新刀具和已磨損刀具的直徑 差值增大，使新刀

14、刀刃超前引起載荷增大。刀具直徑增大，還受軸承和刀圈失效 因素的限制。滾刀按其在刀盤(pán)上的位置乂可以分為中心滾刀、正滾刀、過(guò)度滾刀和邊滾刀。中心滾刀是布置在刀盤(pán)中心區(qū) 的滾刀；正滾刀是布置在中心滾刀與過(guò)度滾刀之 間的滾刀；過(guò)度滾刀是布置在刀盤(pán)外圓過(guò)度曲面上的滾刀；邊滾刀是位丁刀盤(pán)外緣區(qū)，其切削刀布置成圓弧部分的滾刀。2.3盤(pán)形滾刀在刀盤(pán)上布置規(guī)律全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)盤(pán)形滾刀在刀盤(pán)上的布置規(guī)律有多種，有單螺旋線布置、 雙螺旋線布置、同心圓布置等。無(wú)論采用那一種布置方式，刀問(wèn)距都是要考慮的 技術(shù)參數(shù)。刀間距是指相鄰刀刃刃口相對(duì)刀盤(pán)中心的距離之差。1. 滾刀在到盤(pán)上布置的基本原則(1) 刀間距的布置方式：在

15、同一臺(tái)掘進(jìn)機(jī)上刀間距不變，改變刀盤(pán)推力 來(lái)適應(yīng)巖石強(qiáng)度；在同一臺(tái)掘進(jìn)機(jī)上增減刀具數(shù)量或者改變每把盤(pán)形滾刀得刀圈數(shù)來(lái)改變刀間距，來(lái)適應(yīng)巖石強(qiáng)度。第一種布置方式簡(jiǎn)單且可用性強(qiáng)， 被普遍 米用。(2) 盤(pán)形滾刀在刀盤(pán)上的布置模式應(yīng)盡可能滿足以下兩個(gè)要求：每把盤(pán) 形滾刀在破巖時(shí)所受到的負(fù)荷相等， 即每把刀的破巖量相等，刀刃兩側(cè)的側(cè)面反 力能相互抵消；作用在刀盤(pán)體上各點(diǎn)外力相互平衡， 其合力通過(guò)刀盤(pán)中心，不 產(chǎn)生傾翻力矩。2. 平面刀盤(pán)上等刀間距布置盤(pán)形滾刀平面刀盤(pán)上等刀間距布置盤(pán)形滾刀是在全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)上廣泛使用的一 種布置形式。設(shè)全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)上第i和第i +1把盤(pán)形滾刀在刀盤(pán)推力作用下切入巖石

16、 深度為h。如下圖所示。S一刀間距；h盤(pán)形滾刀切深；2Q 巖石剝落角L = 2h tan n要使同一安裝半徑上的盤(pán)形滾刀在刀盤(pán)沒(méi)轉(zhuǎn)一周的切深相等，且破巖量乂相同， 在兩盤(pán)形滾刀之間就不應(yīng)該存在累積巖脊,則刀間距必須滿足：S _ 2htan3. 不同安裝半徑的盤(pán)形滾刀破巖分析設(shè)剝落的巖石為三棱柱，高度為2ids，底面積為A,則：2-A = h tan -2V = 2二 ish tan可見(jiàn)平面刀盤(pán)上等刀間距布置盤(pán)形滾刀時(shí)，各盤(pán)形滾刀的破巖量是不等的。若設(shè)第一把盤(pán)形滾刀的破巖量為W,則第i把的破巖量為iW o不同安裝半徑的盤(pán)形滾刀破巖量得不同， 將造成不同安裝半徑的盤(pán)形滾刀的 受力不同，從而造成全刀

17、盤(pán)上的盤(pán)形滾刀的磨損不均勻。較先磨損的盤(pán)形滾刀的載荷由其他磨損程度較輕的盤(pán)形滾刀來(lái)承擔(dān)，乂加大這些盤(pán)形滾刀的磨損，形成惡性循環(huán)，因此這種情況應(yīng)盡可能避免。實(shí)際設(shè)計(jì)中采用的措施在實(shí)際設(shè)計(jì)中，盤(pán)形滾刀在刀盤(pán)上的布置無(wú)論采用單螺旋線還是雙螺旋線布 置，為增加安裝半徑較小的盤(pán)形滾刀的破巖量， 減少安裝半徑相對(duì)較大的盤(pán)形滾 刀的破巖量，螺旋線的旋轉(zhuǎn)方應(yīng)與刀盤(pán)實(shí)際工作時(shí)的旋轉(zhuǎn)方向相反。刀盤(pán)實(shí)際工 作一般是順時(shí)鐘方向，所以螺旋線的方向一般為逆時(shí)鐘布置。位丁安裝半徑較大 的盤(pán)形滾刀軌跡圓上應(yīng)該適當(dāng)?shù)卦黾颖P(pán)形滾刀的數(shù)量或考慮不同安裝半徑的盤(pán) 形滾刀的尺寸或者承載能力應(yīng)有所區(qū)別。 盡可能實(shí)現(xiàn)在全刀盤(pán)上的盤(pán)形滾刀在

18、實(shí) 際工作中的等壽命，即到一定程度，全刀盤(pán)上的盤(pán)形滾刀一起換刀，從而減少換 刀次數(shù)，提高掘進(jìn)生產(chǎn)率。第3節(jié) TBM的刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)3.1 TBM刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)的方式TBM刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有功率大、功率變化范圍寬的特點(diǎn)。目前TBM驅(qū)動(dòng)方 式有三種：一是定速電機(jī)驅(qū)動(dòng)；二是液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)；三是變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)。在影響 TBM貫人度的指標(biāo)中，很大程度上取決丁刀盤(pán)的轉(zhuǎn)速和推力，刀盤(pán)采用無(wú)級(jí)調(diào) 速方式可以有效地適應(yīng)掘進(jìn)中巖石的不斷變化，最大限度地控制刀盤(pán)載荷處丁最 佳狀態(tài)，即當(dāng)圍巖較硬時(shí)，需加快刀盤(pán)轉(zhuǎn)速，增加推力，以提高瞬時(shí)貫人度，減 少刀具的磨損。當(dāng)在軟弱圍巖中掘進(jìn)時(shí)，因貫人度大，滾動(dòng)阻力增大，需要提高 扭矩、減慢刀盤(pán)轉(zhuǎn)速。鑒丁定速電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速不能調(diào)節(jié)，一般不采用。 變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有調(diào)速范圍廣，較高的傳動(dòng)效率，較低的能源消耗，可節(jié)省電力 費(fèi)用。液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)具有良好的抗沖擊能力和過(guò)載保護(hù)性能， 維修保養(yǎng)相對(duì)簡(jiǎn)單， 可靠性高。目前變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)與液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)兩種方式在TBM上都得到廣泛應(yīng)3.1.1變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由變頻電