（机械设计及理论专业论文）敞开式全断面岩石掘进机连续掘进原理的研究.pdf

毕北电力大学硕士学位论文 摘要 全断面岩石掘进机是目前使用最为广泛的掘进机，本论文在对敞开式全断面 岩石掘进机循环换步掘进原理进行分析研究的基础上，提出了连续掘进原理：通 过增加一组推进和支撑装置来改变换步方式，换步方式的改变使得推进装置能为 刀盘提供连续不断的推进力。从而实现连续掘进，重点对连续掘进进行运动分析 和力的分析。选择t b 8 8 0 e 做为典型机型，先分析了它的总体结构，然后对其推进 和支撵机构进行总体设计，主要完成对推进液压缸、支撑液压缸的设计。论文最 后分析了采用连续掘进的利用率和经济性，提出了连续掘进机的成本估算法，连 续掘进原理为掘进机提出了一种新的掘进模式，是一种理论创新。 关键词：全断面岩石掘进机，凯式方架，循环掘进，连续掘进 a b s t r a c t f u l lf a c er o c kt u n n e lb o r i n gm a c h i n e ( t b m ) i su s e de x t e n s i v e l yi nt u n n e lp r o j e c ta t p r e s e n t ，t h ep a p e rp u t sf o r w a r dc o n s e c u t i v eb o r i n gp r i n c i p l eo nt h eb a s i so fa n a l y z i n ga n d s t u d y i n gt h eo p e nt y p et b m c i r c u l a t i v eb o r i n gp r i n c i p l e t r a n s f o r m i n gt h em o d eo f c h a n g i n gs t e pb ya d d i n gas e to f t h ep r o p e la n dg r i p p e ru n i t ，t h em o d eo f c h a n g i n gs t e pm a k e s t h ec u t t e r1 1 e a db ep r o v i d e dp e r s i s t e n tp u s h i n gf o r c e t h e r e b y , c o n s e c u t i v eb o d n gw i l lb e c o m et r u e ，t h ek e yp o i n ti sm o m e ma n df o r c ea n a l y s i s c h o o s i n gt b 8 8 0 ea sat y p i c a l m a c h i n e ，f i r s ti n t r o d u c i n gt h ew h o l es t r u c t u r e ，t h e nd e s i g n i n gt h ep r o p e la n dg r i p p e ru n i t ，a n d f i n i s h i n gt h ed e s i g nh y d r a u l i cp r o p u l s i o nj a c k sa n dg r i p p e rj a c k s a tl a s tt h ep a p e ra n a l y z i n g t h eu t i l i z er a t i oa n de c o n o m y , b r i n g i n gf o r w a r dt h em e t h o do fr e c k o n i n ga b o u tc o n s e c u t i v e b o r i n gm a c h i n e sc o s t t h ec o n s e c u t i v eb o r i n gp r i n c i p l ea san e wt h e o r yp r o v i d e sn e w b o r i n gm o d ef o rb o r i n gm a c h i n e s w a n gh a o ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rz h a n gz h a o h u a n g k e y w o r d s ：t b m ，k e l l yq u a d r a t es h e l f , c i r c u l a t i v eb o r i n g ，c o n s e c u t i v eb o r i n g 毕北电力大学硕士学位论文 摘要 全断面岩石掘进机是目前使用最为广泛的掘进机，本论文在对敞开式全断面 岩石掘进机循环换步掘进原理进行分析研究的基础上，提出了连续掘进原理：通 过增加一组推进和支撑装置来改变换步方式，换步方式的改变使得推进装置能为 刀盘提供连续不断的推进力。从而实现连续掘进，重点对连续掘进进行运动分析 和力的分析。选择t b 8 8 0 e 做为典型机型，先分析了它的总体结构，然后对其推进 和支撵机构进行总体设计，主要完成对推进液压缸、支撑液压缸的设计。论文最 后分析了采用连续掘进的利用率和经济性，提出了连续掘进机的成本估算法，连 续掘进原理为掘进机提出了一种新的掘进模式，是一种理论创新。 关键词：全断面岩石掘进机，凯式方架，循环掘进，连续掘进 a b s t r a c t f u l lf a c er o c kt u n n e lb o r i n gm a c h i n e ( t b m ) i su s e de x t e n s i v e l yi nt u n n e lp r o j e c ta t p r e s e n t ，t h ep a p e rp u t sf o r w a r dc o n s e c u t i v eb o r i n gp r i n c i p l eo nt h eb a s i so fa n a l y z i n ga n d s t u d y i n gt h eo p e nt y p et b m c i r c u l a t i v eb o r i n gp r i n c i p l e t r a n s f o r m i n gt h em o d eo f c h a n g i n gs t e pb ya d d i n gas e to f t h ep r o p e la n dg r i p p e ru n i t ，t h em o d eo f c h a n g i n gs t e pm a k e s t h ec u t t e r1 1 e a db ep r o v i d e dp e r s i s t e n tp u s h i n gf o r c e t h e r e b y , c o n s e c u t i v eb o d n gw i l lb e c o m et r u e ，t h ek e yp o i n ti sm o m e ma n df o r c ea n a l y s i s c h o o s i n gt b 8 8 0 ea sat y p i c a l m a c h i n e ，f i r s ti n t r o d u c i n gt h ew h o l es t r u c t u r e ，t h e nd e s i g n i n gt h ep r o p e la n dg r i p p e ru n i t ，a n d f i n i s h i n gt h ed e s i g nh y d r a u l i cp r o p u l s i o nj a c k sa n dg r i p p e rj a c k s a tl a s tt h ep a p e ra n a l y z i n g t h eu t i l i z er a t i oa n de c o n o m y , b r i n g i n gf o r w a r dt h em e t h o do fr e c k o n i n ga b o u tc o n s e c u t i v e b o r i n gm a c h i n e sc o s t t h ec o n s e c u t i v eb o r i n gp r i n c i p l ea san e wt h e o r yp r o v i d e sn e w b o r i n gm o d ef o rb o r i n gm a c h i n e s w a n gh a o ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rz h a n gz h a o h u a n g k e y w o r d s ：t b m ，k e l l yq u a d r a t es h e l f , c i r c u l a t i v eb o r i n g ，c o n s e c u t i v eb o r i n g 声明 y8 s 7 9 蠡s 本人郑重声明：所呈交的学位论文敞开式全断面岩石掘进机连续掘进原理 的研究是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知， 除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作 权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。 特此申明。 签名： 夏改 日期：垫监j 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、并 向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段 复制并保存学位论文： 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目 的。复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：显笺 日 期：丝鲢：；：b ， 导师签名：型叁塑尘噻 日期：立! ：孓 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题的背景和意义 我国是一个多山的国家，山体是由不同软、硬，不同层理的岩石组成。随着铁 路、公路、水电等工程建设的发展，为了满足快速、舒适、重载、车辆运行间距加 密、以人为本的运营条件的要求，必然会出现许多长度大于6 千米的隧道，出现许 多横截面大于8 0m t 的隧道；尤其是以南水北调工程为代表的水利水电工程，将会如 现一批长的隧洞工程。在我国隧道施工的历史上，多采用以人力为主的钻爆法进行 开挖；2 0 世纪8 0 年代以来，曾采用无轨设备进行装碴、运输。这些施工方法己不能 适应特长隧道的快速建成。因此，岩石掘进机的开发应用就提到日程上来。当隧道 长度过长时，用常规钻爆法进行隧道施工将需要相当长的工期，岩石掘进机法施工 则适合长隧道施工的需要。 岩石掘进机( t u n n e lb o r i n gm a c h i n e ，简称t b m ) 是集机、电、液、光于一体的 大型复杂地下施工设备。它的发展至今已有4 0 多年的发展历史。岩石掘进机最大的 优势是快速，其掘进速度为常规钻爆法的3 1 0 倍。此外，采用岩石掘进机旌工还 有优质、安全、有利于环境保护和节省劳动力等优点。由于t b m 提高了掘进速率， 工期可大大缩短，因此在整体上是经济的。t b m 的缺点主要是对地质条件的适应性 不如常规的钻爆法灵活；主机重量大：前期投入费用多；对施工人员技术水平和管 理水平要求高；对短隧道不能发挥其优越性。t b m 的设计制造在一定程度上反映了 一个国家的综合科学技术和工业水平。 掘进机的针对性很强，不同的地质条件需要不同的掘进机，也就产生了不同的 掘进机。有的适用于软土，称为盾构：有的适用于岩石，岩石掘进机可分为敞开 式、单护盾式和双护盾式，现在又有了三护盾式。全断面岩石掘进机是指在常压情 况下全断面开挖岩石的岩石掘进机，它是目前使用最为广泛的掘进机。敞开式全断 面岩石掘进机是其一种，敞开式就是指没有护盾，内部结构都显露在外。岩石掘进 机的结构及作业环境特点决定了它的作业方式，其作业方式是循环作业，即在每个 作业循环中存在换步，换步过程不切削岩石。因此，敞开式全断面岩石掘进机是间 歇式循环作业机械。在通过对岩石掘进机利用率的分析研究中，发现由于各种停机 原因造成它的利用率不是很高，为了提高其利用率，除了从外部施工中找原医，也 要从其自身作业方式寻找原因。从过去的很多工程实例中可以发现岩石掘进机在施 工过程中，有一部分时间在换步过程中不掘进，而这部分时间占相当一部分比例， 华北电力大学硕士学位论文 如果能实现掘进机连续掘进，使其在换步的同时掘进，就会大大提高掘进机的利用 率。因此，进一步研究岩石掘进机的连续掘进具有很重要的意义。 1 2 国内外发展现状 全断面岩石掘进机生产于2 0 世纪中叶，由于其在岩质地层施工中表现出来的优 越性能，在国外受到了从事这种地层施工的工程承包商的重视，因此发展相对较 快，并且基本上已成定型的系列化产品。但全断面岩石掘进机的专业性很强，应用 条件的限制较多，加上设备的设计制造周期较长，生产成本相对昂贵。从掘进机技 术的本身来说，在过去3 0 年里，面临着拓宽掘进机的应用范围和改善掘进机对各种 地质条件的适应性的课题。所以，擅长硬岩掘进机技术的厂家要设法改善掘进机对 软岩、不良地层的适应性；而擅长盾构技术的厂家则设法增加盾构机对硬岩的适应 性。我国掘进机与国外掘进机相比较，在技术性能和可靠性等方面还有相当大的差 距，需要加快掘进机的整机研究、设计和生产，才能缩短与国际先进水平的差距。 1 2 1 国外岩石掘进机的发展 世界上著名的岩石掘进机制造厂商是美国的罗宾斯( r o b b i n s ) 公司和佳瓦 ( j a r v a ) 公司、德国的维尔特( w i r t h ) 公司和德马克( d e m a g ) 公司以及瑞典的阿 拉斯科普柯( a t l a s c o p e o ) 公司。而软土掘进机则以日本川崎重工业公司生产的 最为著名。国外掘进机直径己达1 4 1 4 m ( 用于日本东京湾跨海公路隧道) 。 1 罗宾斯 罗宾斯公司于1 9 5 1 年由j a m e ss r o b b i n s 创建，1 9 5 2 年研制出世界第一台全断 面岩石掘进机而使公司闻名于世界。1 9 5 6 年，罗宾斯发朗了硬岩掘进用的盘型滚 刀，用来破碎单轴抗压强度1 4 0 m p a 的岩石。盘型滚刀的应用是全断面岩石掘进机的 重要标志。从那时起，罗宾斯公司一直发展浮式，一对水平支撑为特色的凯式硬岩 掘进机，为世界各地7 0 0 多个隧道工程提供了4 0 0 多台掘进机。同时罗宾斯公司又 是发展双护盾岩石掘进机的。共为5 2 个隧道提供了3 5 台双护盾式岩石掘进机。罗 宾斯公司是世界上生产岩石掘进机最早，生产台数，参加大直径隧道开挖最多的掘 进机供应商。 2 佳瓦公司 佳瓦公司在1 9 6 6 年由v i c t o rs c a r a v i l l i 创建。该公司专长于凯式梁式的敞开式 岩石掘进机的设计和制造。起初，该公司生产的掘进机是为自己使用的，后投入市 场。佳瓦很快成为七八十年代的世界四大硬岩掘进机制造商之一。1 9 8 0 年阿特拉 斯科普柯公司买下了佳瓦。1 9 8 5 年阿特拉斯科普柯决定将佳瓦公司迁到瑞典。 2 华北电力大学硕士学位论文 3 维尔特公司 维尔特公司最早建于1 8 9 5 年，是由当时的富有革新思想的钻机工程师a n i o n r a k y 创办。当时的目标是为欧洲的矿井和石油钻探提供生产设备。维尔特公司生产 岩石掘进机有近4 0 年的经验。1 9 6 7 年制造出第一台掘进机，直径为2 1 4 m ，用于奥 地利2 6 3 m 长的g i n z l i n g 隧道。它生产的开式硬岩掘进机采用凯式梁式，x 型支撑系 统，且在大刀盘上安装盘型滚刀。1 9 9 4 年中国的秦岭隧道就是采用维尔特公司提供 的直径8 8 m 的掘进机。 4 德马克公司 原德马克公司于1 9 6 6 年开始生产t v m 型掘进机，直径范围从2 4 8 7 8 0 m ，为 双支撑型掘进机。重要适用于中到硬的地层。德马克自己制造硬岩用盘型滚刀。许 多德马克德掘进机长度都超过1 5 k m ，工作年限在1 0 年以上。德马克曾是世界著名的 4 家岩石掘进机厂家之一。2 0 世纪9 0 年代初因经营不善，德马克公司掘进机分厂被 奥钢联收购。奥钢联是奥地利德大型的综合企业。 1 2 2 国内岩石掘进机的发展 我国1 9 6 6 年生产出第一台直径3 4 m 的掘进枫，在杭州人防工程中进行过试验。 7 0 年代进入工业性试验阶段，试制出s j 5 5 、s j 5 8 、s j 6 4 、e j 3 0 型掘进机。8 0 年代进 入实用性阶段，研制出s j 5 8 a 、s j 6 8 b 、s j 4 0 4 5 、e j 3 0 3 2 、e j 5 0 型掘进机，在河北引 滦、福建龙门滩、青岛引黄济青、云南羊场煤矿、贵阳煤矿、山西古交和怀仁煤矿 等工程中使用。9 0 年代开始引进欧美先进掘进机和管理方法用于国内施工。但是，我 国掘进机与国外掘进机相比较，在技术性能和可靠性等方面还有相当大的差距，需要 加快掘进机的整机研究、设计和生产，迎头赶上国际先进水平。 自1 9 7 8 年我国实行改革开放以来，已有甘肃省引大入秦工程、山西省万家寨引 黄工程和陕西省秦岭铁路隧道工程等项目引入国外大型t b m 进行隧道旖工，取得了 成功。其中山西省万家寨引黄工程创造最高日掘进1 1 3 m 和最高月掘进1 6 5 0 m 以上的 记录。 国外对岩石掘进机的研究要比国内早，而且在各个方面都研究的深入，对掘进 机的研究主要是在刀盘、刀具、材料。掘进机的主机架结构基本上已经定型，在这 种结构基础上，循环掘进作业的方式已经非常成熟，而现在对连续推进作业方式的 主推进机构所作的工作还很少。国内对掘进机的研究主要是还停留在对国外技术的 学习和引进阶段。 3 兰苎皇查查兰堡兰堂竺堡兰 国内对岩石掘进机的需求还是很大的，未来1 0 年内，国内市场t b m 的年需求 量是1 8 0 台，如全部引进需1 5 亿美元资金。为此，该项目的技术引进和国产化被列 入国家”十一五”重大项目，国家发改委还将其列为振兴东北老工业基地的第二批国 债项目，并将大连重工起重集团作为中国实现隧道掘进机国产化的研发基地。目 前，国内隧道( 包括微型隧道) 掘进机生产厂家主要有中国第二重型机械集团公 司，大连重工起重集团有限公司，上海重型机器厂等。 1 3 论文的主要工作 1 连续掘进原理的研究。首先对敞开式全断面岩石掘进机的循环作业原理进行 分析研究：根据其掘进和结构特点，通过对其循环换步方式的深入研究提出连续掘 进的原理。通过示意图来描述循环和连续的掘进过程，还重点分析了运用连续掘进 原理后，机构的运动和受力情况，在实现连续掘进过程中，对推进和支撑机构的液 压系统进行分析研究。 2 选择t b 8 8 0 e 型掘进机，通过对它结构尺寸、作业方式的深入研究，主要对 它的顶推装置进行重新设计，把它改进成连续掘进机型。主要完成对内外机架、推 进系统、支撑系统、其它机构在机架上布置的设计。 3 掘进的利用率和经济性的研究。对改进后的t b 8 8 0 e 进行利用率的分析：提 出了连续掘进机成本的估算公式，分析改进后的机型成本增加情况；最后分析了连 续掘进原理的适用范围。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章连续掘进原理的研究 敞开式全断面岩石掘进机( o p e nt y p ef u l lf a c er o c kt u n n e lb o r i n gm a c h i n e ) 又称支撑式全断面岩石掘进机，是全断面岩石掘进机的最早机型，也是最基本的机 型。这种机型利用支撑机构撑紧洞壁，刀盘旋转，推进液压缸推进，盘形滚刀破碎 岩石，出碴系统出碴而实现隧洞的连续循环开挖作业。适用于岩石整体性能较好的 隧洞。 2 1 循环掘进原理及分析 2 1 1 敞开式全断面岩石掘进机的结构及特点 敞开式全断面岩石掘进机从结构上分为主梁式和凯氏梁式两种。( 1 ) 主粱式全 断面岩石掘进机。它是全断面岩石掘进机的最早设计模式，为全断面岩石掘进机设 计概念的发展奠定了基础。主梁式全断面岩石掘进机的结构特点是：1 采用一对水平 支撑( 又称水平支撑掘进机) ；2 水平支撑位于主梁的后部，它支撑着掘进机的后部 重量，同时承受扭矩和推力的反力；3 梁体长，但电动机减速箱等传动系统都靠近大 刀盘布置；4 主梁后端相对水平支撑可上可下和侧向移动。因此在掘进过程中的任何 时候都可以进行连续调向。( 2 ) 凯氏梁式全断面岩石掘进机。其主体结构是内外机 架均采用凯氏方机架。其特点是：1 采用两套x 型支撑( 又称双x 型支撑掘进 机) ，它的支撑力一方面给予整机稳定的支撑，同时承受扭矩和推力的反力，掘进 作业过程中不能调向：2 电机、减速箱布置在机器的后部，由一个较长的传动轴将扭 矩传给大刀盘；3 支撑较稳定。在凯式梁式是主体结构的基础上，各公司所生产的产 品又各有特点，但工作原理是一样的。 2 1 2 循环掘进工作原理及分析 现有的敞开式全断面岩石掘进机的主要作业方式是循环作业，其原理是支撑机 构撑紧洞壁，刀盘旋转，推进液压缸推进，盘形滚刀破碎岩石，出碴系统出碴而实 现隧洞的连续循环开挖作业。掘进机的作业包括掘进作业和换步作业两个部分。 掘进作业：伸出水平或( x 型) 支撑，撑紧洞壁，收起后支撑，启动皮带出碴机， 刀盘旋转，推进液压缸推进，刀盘上的滚刀开始破岩剥落的岩石落到洞底，由刀盘 边沿的铲斗将剥落的岩石铲起并随刀盘将铲起的岩石输送给皮带出碴机而将岩碴输 出洞外；当推进液压缸伸到最大长度时，将掘进机机头、主梁、后支撑向前推进了 一个行程。 华北电力大学硕士学位论文 换步作业：刀盘停止回转，伸出后支撑撑紧洞壁，收缩水平( 或x 型) 支撑使 靴板离开洞壁，收缩推进缸，将水平支撑向前移一个行程。对于双水平( 或双x 型) 支撑掘进机，除双套支撑可以有较多的支撑位置选择外，其余和单t 型或( x 型) 支撑的掘进机一样。双支撑中每一支撑靴都必须能独立完成支撑的作用，也即 双支撑中任一支撑不能工作时，另一支撑都可以承担完成掘进作业的功能。 掘进工况：水平支撑6 撑紧洞壁一收起后支撑7 一回转刀盘l 一伸出推进油缸5 换步工况：停止回转刀盘1 一伸出后支撑7 着地一收缩水平支撑6 - - 收缩推进油缸5 再掘进工况：再伸出水平支撑6 撑紧洞壁一收起后支撑7 一回转刀盘1 一伸出推进油 缸5 图2 1 ：敞开式主梁式掘进机循环作业示意图 主梁式全断面岩石掘进机的结构如图，其掘进过程如图2 1 表示 6 华北电力太学硕士学位论文 1 刀盘己护盾 3 内机架 4 外机架 5 支撑靴 6 后支撑 名 7 、 张盯 i、菏| ，。 j ir _ 一 f 一一 - l l ll _ 1 一j 心 1 一 厂l li i彗l l l j 广l广_ l 1 支撑靴5 撑紧洞壁一收起后支撑6 一回转刀盘1 一开始推进 夕 t1 jl r 下 _ _ li 爿h - - 卜一 e 一 i i 心 丑 厂l止j _ - 停止回转刀盘1 一伸出后支撑6 着地一收缩支撑靴5 ii 帘帘 1 - - i 爿 _ -_ _ _ 1 - - 1 三j 心 学学- l - - 收缩推进油缸 夕l r下l 厂下 i | r _ _ l 一 l _ _ _ l he = 爿 凸 广l li j - 凸一 j 1广l 再伸出支撑靴5 撑紧洞壁一收起后支撑6 一回转刀盘1 一开始推进 图2 2 ：敞开式凯氏机架式循环作业示意图 敞开式凯氏机架式全断面岩石掘进机结构如图。其掘进过程如图2 - - 2 表示。 华北电力大学硕士学位论文 虽然全断面岩石掘进机在结构上有所不同，但它们的工作原理都是一样的。上 面分别从主梁式和凯氏梁式两种结构形式对敞开式全断面岩石掘进机的掘进过程进 行分析。 2 1 3 全断面岩石掘进机的特点 ( 1 ) 全断面岩石掘进机与传统的钻爆法相比有很大的优势，优点如下： 1 、快速 掘进机可以实现连续掘进，能同时完成破岩、出碴、支护等作业，并次成 洞，掘进速度快、效率高。用钻爆法，则钻孔、装药、放炮、通风、照明、排水、 出碴等作业是间断进行，又分块开挖，不能一次成洞，掘进速度慢，效率低。掘进 机施工的核心优点就是快速，其开挖速度一般是钻爆法的3 5 倍。 2 、优质 掘进机实行机械破岩，避免了爆破作业，成洞周围岩层不受爆破振动而破坏， 洞壁完整光滑，超挖量少，一般小于开挖隧洞断面积的5 ，减少了衬砌量。而钻爆 法爆破成洞，围岩震裂，洞壁粗糙且凹凸不平，超挖量大于开挖隧洞面积的2 0 ， 衬砌厚。 3 、经济 掘进施工速度快，缩短了工期，大大提高了经济效益与社会效益，由于超挖量 小，节省了大量衬砌费用。掘进机施工的综合成本甚至可与钻爆法相比。 4 、安全 掘进机施工对洞壁外的围岩扰动少，容易保持原围岩的稳定性，改善了工人的 劳动条件，减轻了体力劳动量，避免了爆破施工可能造成的人员伤亡，事故大大减 少。 5 、环保 掘进机施工不用炸药爆破，施工现场环境不被污染，有利于环境保护。 两种施工方法的适用范围、掘进速度的技术比较见表2 1 。对于长度超过3 k m 的长隧道，掘进机是首选的方案。 8 华北电力大学硕士学位论文 表2 一l 钻爆法与掘进机技术的比较 钻爆法掘进机 项目 国外国内进口 国产 形状圆形及门洞形圆形 1 8 1 2 m 以3 隧 直径 3 5 8 m 1 0 m 为佳 道1 k m 以上，以3 长度一般均适用 1 5 k i n 6 k i n 为佳 适坡度 1 0 0 l 用 _ 2 5 0 m p a 以5 0 1 5 0 m p a 以5 0 范 岩石抗压强度 1 5 0 为佳1 0 0 为佳 围 通过长破碎带，大 地层情况 对复杂地层须作对复杂地层有专门 预处理处理办法 断层，溶洞涌水段 较困难 名胜区城市地下 环境情况河道水库底下不要考虑最重件运输的交通问题 宜采用 掘平均破碎围岩 1 0 0 8 01 0 0 2 0 0 1 0 0 进 ( m 一般2 0 0l o o3 5 0 5 0 01 0 0 2 0 0 速 月) 良好地段 3 0 0 2 0 06 0 01 0 0 02 0 0 2 5 0 度 最高( m 月) 1 2 3 7 。61 4 0 3 6 2 0 8 8 7 53 0 l 从上面我们看到全断面岩石掘进机施工比钻爆法先进了很多，它是当今隧道施 工发展的主要方向。 ( 2 ) 全断面岩石掘进机循环掘进的特点 敞开式全断面岩石掘进机除了相对于传统的作业方式有很多优点外，且相对于 自身结构在掘进过程中也有其特点。敞开式全断面岩石掘进机的工作原理都是循环 换步方式，其特点是掘进间断性。推进装置( 推进液压缸) 推进到最大行程时，刀 具就需要停止掘进作业，等支撑装置收缩、推进油缸收缩及支撑靴再撑紧洞壁后， 再进行下一个循环掘进。敞开式t b m 掘进的间断性使换步时间在整个作业中占有很 大的比例。图2 3 为我国“引大入秦”水利工程3 0 a # 引水隧道采用罗宾斯1 1 8 1 - - 2 5 6 型t b m 施工作业的饼状图，图2 3 中百分数据的含义见表2 2 所示。从中 9 华北电力大学硕士学位论文 可以看出，换步作业占去了t b m 有效作业时间的l l 。因此，改进这种循环作业 方式，实现t b m 的连续掘进，其效率的提高将是非常明显的。 图2 3 “引大入秦”工程t b m 施工饼状图 表2 2 图2 3 中百分数据含义 数据含义 3 5 掘进时间占t b m 有效作业时间的百分比 1 1 换步时间占t b m 有效作业时间的百分比 9 衬砌吊装时间占t b m 有效作业时间的百分比 2 0 刀盘及维修作业时间占t b m 有效作业时间的百分比 3 测量时间占t b m 有效作业时间的百分比 1 2 故障停机时间占t b m 有效作业时间的百分比 1 0 地质处理时间占t b m 有效作业时间的百分比 2 2 连续掘进原理的提出及分析 2 2 1 连续掘进的提出 我们从上节循环掘进的过程可以看到无论是主梁式还是凯氏机架式掘进机，它 们在工作过程中每掘进一个行程后，刀盘就会停止转动，然后等推进装置收缩回 后，再进行下一次的掘进。整个过程就是：支撑装置撑紧一刀盘转动一推进油缸推 进一刀盘停止转动一前后支撑装置撑紧一支撑装置退出、回缩一支撑装雹再撑紧一 后支撑装置退出、回缩一刀盘转动继续掘进。这就是掘进的过程，从中可以看到， 刀盘总是在霞复启动、旋转、停止转动这个循环，其中的主要原因就是推进装置的 行程是有限的，每次达到最大行程后，就需要重新收缩，收缩完后，才能投入下一 次的推进掘进中。如果设法让推进装置能提供持续不断的推进力，这样刀盘就不用 停下来，而可以一直保持转动，从而实现连续掘进。 l o 坐韭皇查查兰婴主堂焦笙苎一一 连续掘进的关键是设计一套连续推进的装置来取代原来的推进装置。岩石掘进 机的推进机构就是一般工程机械的行走机构，作用都是使机械向前运动。工程机械 的行走机构有四种基本类型：轮式行走机构、履带式机构、轨行式和步行式行走机 构。若要实现真正意义上的连续行走，主要还得靠轮式行走机构和履带式机构。由 于岩石掘进机特殊的作业环境的，大都选用的是步行式行走机构。如果采用液压缸 推进行走，无论如何设计也还得需要换步，对凯式方架推进机构的改进只能朝着换 步形式方向研究，此类行走机构若要实现真正意义上的连续行走，需解决的关键问 题是在换步过程中不出现间歇期。分析一般掘进机都采用一组推进机构，如果掘进 机上采用两组推进机构，每组推进机构对刀盘所起的作用效果相同，且在岩石掘进 机工作循环中交替工作，即：一组推进油缸在换步的同时，另一组推进油缸在推 进，这样不仅实现岩石掘进机换步的连续性，也实现了刀盘在整个工作过程中所受 推力持续性，从而实现了刀具连续破岩。从而，采用两组推进机构在理论上能实现 掘进机连续掘进。 2 2 2 连续掘进方案的分析 全断面岩石掘进机连续掘进方案的实现取决于其连续推进装置。根据对现有敞 开式全断面岩石掘进机推进装置的深入研究，我们所给出的连续推进机构见图2 3 所示，该机构就是在原来推进机构的基础上增加了一倍的推进和支撑装置。 l 对推进和 拿对推进和 3 对推进和4 对推进和 支撑境置支撑装置支蓐装置劐掌装置 t _ 图2 3 连续掘进机构结构示意图 图2 3 共给出了4 对推进和支撑装置，4 对推进和支撑装置分为2 组推进机 构。根据排列组合可产生3 种连续掘进方案：1 、2 对和3 、4 对组合方案，l 、3 对 和2 、4 对组合方案，1 、4 对和2 、3 对组合方案。理论上这3 种方案都可实现t b m 连续掘进，但从整机的受力均衡性考虑，却有着较大差异，分析如下： 1 ) 1 、2 对与3 、4 对组合方案 华北电力大学硕士学位论文 采用此种组合可以看出，若将全断面岩石掘进机整机重量重心设计为位于l 、2 对支撑之间，则当3 、4 对支撑工作时，在此重力作用下，机头将会出现下沉趋势； 反之，若将t b m 整机重量的重心设计为位于3 、4 对支撑之间，则当1 、2 对支撑作 业时，机头将会出现上仰趋势；若将t b m 整机重量重心设计为位于2 、3 对支撑之 间，则当1 、2 对支撑工作时，机头将出现上仰趋势：当3 、4 对支撑工作时，机头 将出现下沉趋势。以上这些情况不仅给设计带来一定难题，同时也会给t b m 的具体 操作人员增加不必要的劳动强度。所以不宜采用此种组合方案。 2 ) l 、3 对与2 、4 对组合方案 采用上述分析方法，结合图2 3 不难看出，这种组合方案也很难甚至不可能设 计成为整机重量的作用效果( 所谓重量作用效果是指其对机头产生的上仰或下沉趋 势) ，在1 、3 对支撑推进机构工作时与2 、4 对支撑推进机构工作时等同。因此， 也不宜采用。 3 ) l 、4 对与2 、3 对组合方案 由图2 3 可以看出，采用此方案，只要将整机重量之重心设计成位于2 、3 对 支撑之间，在全断面岩石掘进机的连续掘进过程中无论是1 、3 对还是2 、4 对支撑 推进，则整机重量的作用效果基本保持不变。因此，此方案是可行的。 2 2 3 连续掘进过程的分析 根据上述分析，采用的t b m 连续掘进装置的方案如图2 4 所示。 刀盘护盾蛆推进液压缸外机架 f 盔盘盅_ 、b 。工王 _ 一 i 尸i 尸 ip ， l 0 一 l l 一 _ 壶1 崔芦 g 型 、。么 d b lt 塑二蛆椎讲浠雁缶t 釜乱 图2 4 连续掘进机构布置示意图 图2 4 为实现连续掘进机构的原理示意图。该机构采用两组推进机构：一组、 二组推进液压缸，通过两组推进液压缸的循环交替作用使刀盘在内机架的推动下实 现连续掘进。即刀盘持续转动，在一、二组推进液压缸的交替作用下，保持刀盘连 续掘进。 华北电力太学硕十学位论文 由于推进液压缸伸长到一定程度，就需要收缩然后才能再次伸长，两组推进液 压缸都有一个换步的过程，要实现不问断连续作业，两组推进液压缸就要有一个衔 接过渡的阶段，这个过渡区应该是这样的：当一组推进液压缸将要结束本次推进之 前，另一组推进液压缸就要先处于收缩状态且支撑靴撑好洞壁，与第一组液压缸共 同作用一段距离，然后第一组液压缸退出推进作业，完全由第二组液压缸撑紧推 进。从第二组液压缸撑紧洞壁时到由第一组液压缸的支撑液压缸开始退出时，推进 液压缸推进的距离，这个区称为过渡区，这段距离定义为l ，在过渡区之前第二组推 进液压缸有个提前运动的时间，把这段时间以掘进速度运动的距离定义为l 1 ，这 个过程的作用是使第二组液压缸的支撑液压缸在撑紧洞壁的同时，推进液压缸就能 以第一组液压缸的速度运动，使两组液压缸运动能很好的协调起来。在过渡区即将 结束时，第一组液压缸在支撑液压缸退出支撑时还要保持掘进速度运动一小段时 间，其目的是不与推进液压缸的运动发生干涉，运动的距离定义为l 2 。 两组液压缸的循环衔接过程可用线条图2 5 表示： 第绸液压 缸运动行程 l 2 一 x 一 一l 一_ ! _ _ _ _ 缸运动行程出 l 一一 x 一一l 1 x ：单独作用区l ：过渡区l l ：起速区l 2 ：退出区 图2 5 两组推进装置交替循环过程 在这个过程中，两组推进液压缸的作用力可用图2 5 表示，两组推进液压缸在 共同作用是要保证提供给刀盘持续、恒定的推力。 刀盘上 刀盘上 o 一第二组油 缸行程 图2 6 两组推进装置交替工作对刀盘上推力的变化 华北电力大学硕士学位论文 至王 皇i一 卑r h 皿 习 广1 l 尸 l 习 - l l _ 目一一 j臣 f一。i 虫l_ 血 图2 7 1 噩噩豆互 1 f 卜j 卜 r “一 直甚甚直 图2 7 一l 翠 罾噩互 r - - llli 一 4 扫 ik , - - mllr i 壶j fi 盅j芒 图2 7 3 图2 7 4 至宝ie1臣 1 是呈 l j p _ 一一 li h 辜斑贾窜 图2 7 5 图2 7 连续掘进示意图 换步连续掘进的步骤如图2 7 所示。连续掘进换步的循环过程： 华北电力大学硕士学位论文 1 、第一组液压缸在推进( l 1 + l ) 时，第二组液压缸此时就退出了推进，如图2 7 1 所示。然后由第一组液压缸单独推进作用x 。在第组液压缸单独作用x 的过 程中，第二组的支撑液压缸收缩使推进液压缸退出推进但仍要运动l 2 然后收缩至4 回 缩状态，准备进入下一轮的推进。在第一组推进到( l i + l + x ) 处时，第二组液压 缸已经以和第一组液压刚相同的推进速度运动了l 1 ，第二组液压缸要和第一组液压 缸保持相同的速度，是为了能实现两组平稳过渡。如图2 7 2 所示。接下来，由 第一、二组液压缸共同作用l ，在作用的l 的过程中第一组液压缸的推力递减。而 第二组液压缸的推力递增，但合力保持不变，最后完成交替。如图2 7 3 。 2 、在将要运动的l 2 这段距离里，第一、二液压缸扔保持相同的推进速度，而 第一组的支撑液压缸收缩，第一组液压缸就退出了推进，但仍要以相同的速度运动 l 2 ，如图2 7 4 所示。 在整个掘进推进过程中，一、二组液压缸总是交替循环的投入作业中，两组液 压缸的循环过程中，其中两组液压缸的推进液压缸和支撑液压缸在运动过程中的动 作顺序对能否实现掘进机连续掘进非常重要，对液压系统的设计和控制要求都很 高。 2 2 4 运动过程分析 在t b m 的推进和支撑机构中，所使用液压缸都是单活塞杆液压缸。单杆活塞缸 左右两腔的有效工作面积不等。在t b m 推进和撑紧的过程中，压力油进入无杆腔； 在回缩的过程中，压力油进入有杆腔。 1 、推进液压缸的运动分析 整个推进和支撑机构的运动过程就是个循环换步的过程，针对这个循环过程 进行运动分析。为了便于分析，从第一组推进液压缸单独作用开始分析：当第一组 推进液压缸单独作用x 时，第二组的支撑液压缸就要使支撑靴完成支撑撑紧的动 作，需要的时间为： s r 12 吾。 ( 2 一1 ) r 上 其中：s 支撑液压缸的运动行程( m m ) ： 压力油进入支撑液压缸无杆腔时活塞运动速度( m m s ) 。 然后两组推进液压缸共同作用了l ( 在这个过程中完成了力的交替，第一组推力 递减为零，第二组递增为f ) ，接着第一组推进液压缸退出：第一组的支撑液压缸快 速回缩( 收缩的时间很短，只要支撑靴离开洞壁，整个推进机构就退出了推进，然 华北电力大学硕士学位论文 后一起随内机架以掘进速度先前运动) 。从整个运动过程中可以看到，每一组推进 液压缸的运动过程( 即一个行程s ) 包括： s = l l + 2 l + x + l 2( 2 2 ) 其中：s 推进液压缸的行程( r a m ) ； l 1 推进液压缸加入推进的距离( i 啪) ，这个距离不提供推力； l 两组推进液压缸过渡区的距离( m m ) ； x 推进液压缸单独作用的距离( m m ) ： l 2 推进液压缸退出推进的距离( r a m ) 。 l l 是加入区，l 1 的距离是水平上，作用是当支撑靴与洞壁接触时，撑靴与洞擘 相对静止，所以运动速度为掘进速度，从实际情况考虑运动时间应该小于支撑液压 缸运动撑紧的时间1 ，则得到： l 1 = v j u e x f l ( 2 3 ) 其中： 应该满足t l t l ； y 。掘进机实际的掘进速度( m m s ) 。 l 是两组推进液压缸推进时的过渡区： l = t 4 。 其中： 推进液压缸推进l 所用的时间( s ) 。 这个过程中，作用时间要涉及到推力的变化： 增到f 和另一组推进液压缸从f 递减到零。 ( 2 - 4 ) 一组推进液压缸的推力从零递 x 为每组推进液压缸单独作用的距离，在这里推进的速度还是正常的掘进速 度，其作业时间3 ： x f 32 ：一( 2 5 ) y i l 2 作用是保证支撑液压缸收缩过程不与洞壁发生摩擦，推进液压缸以掘进速度 运动的距离。考虑到支撑靴离开洞壁的时间很短，推进液压缸的运动时间应该小于 支撑液压缸完全收缩的时间，故l 2 应该很小。 综合上面的分析，推进液压缸的一个推进行程s ，由公式( 2 2 ) 得 s = 上1 + 2 三+ x + 三2 = 0 坩+ 2 t 4 _ 埘+ _ 瓣f 3 + 巧肿f 2 = y 船( + 2 f 4 + 岛+ t 2 )( 2 6 ) 在上面的方程中，s 为定值，从t b m 掘进的稳定性考虑，在保证两组推进液压 缸平稳交替的前提下，希望每组推进液压缸单独作用的时间越长越好，即x 的值要 尽可能的大：从液压传动的角度考虑，力的变化应该是很快的，所以l 的值相对于 1 6 华北电力大学硕士学位论文 s 要很小。掘进机的行程s 一般有0 6 m 、0 8 m 、l m 、1 2 m 、1 4 m 、1 5 m 、1 8 m 和 2 1 m 。在实际工程中，根据地质条件的不同，掘进速度也不定，选用不同行程的掘 进机，然后对l 1 、l 2 、x 、l 分别进行设定。 当推进液压缸推进到最大行程s 后，活塞杆就需要回缩了，其回缩的速度要比 伸出的速度要快。对于双作用单边活塞杆液压缸，活塞往复运动时的速度比有如下 关系： 妒：堡：互：冬( 2 - - 7 )舻= 2 = o = j k a 2 d 一d 其中：妒速度比； k 活塞杆伸出速度，是理想状态下的推进速度，与矿。有差别： k 活塞杆回缩速度。 当选用的推进液压缸活塞杆的伸出速度确定后，它的回缩速度也就能算出来 了。在推进液压缸的作业中，由于承受的压力很大，一般大于2 0 m p a ，根据机械设 计手册中的规定，此时速度比p 应该取2 ，所以k = 2 k ，即活塞杆回缩速度是伸出 速度的2 倍。 2 、支撑液压缸的运动分析 支撑液压缸在掘进过程中，主要有三个动作：支撑运动，撑紧和回缩运动。支 撑运动指支撑靴上的液压缸从收缩位置到撑到澜壁的过程。由于液压缸的运动液压 泵的供油流量决定，活塞的移动速度v 只取决于进入液压缸的流量q 。进入液压缸 无杆腔的流量越多，活塞伸