第四章 全断面隧道

第四章全断面隧道掘进设备所谓全断面隧道掘进设备是指那些针对确定的地质条件和工况，能一次性完成不同断面形状的隧道所采用的专用工程施工设备。为此它必须具备稳定的开挖面，对岩层或土质进行有效挖掘，同时要有相应的排碴（岩石或砂土泥浆）和洞体支护（衬砌或灌浆）措施。这类设备主要包括适于软基地层的各类盾构机和硬基地层的岩石掘进机（简称TBM）。它们具有自动化程度高、施工速度快、节省人力、一次成洞、不受外界气候影响、开挖时可以控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和水下施工不影响水面交通等优点。第一节全断面岩石掘进机

1、概述岩石掘进机（TBM）的掘进机理是通过安装在刀盘上的不同作用的盘形滚刀或球齿滚刀，靠刀盘的旋转和滚刀的自转，在掘进中形成钻压，使岩石受挤压而破碎。对用于硬基地层的TBM来说，由于大多数岩体自稳性较好，不存在开挖面稳定问题，所以TBM一般为敞开式，无密封护盾。如遇复杂地层，亦可采用带护盾的TBM，同时配置多功能钻机，可用来探测作业面前方的地质情况，以便及时采取相应的施工技术措施，保持开挖面的稳定。

软土盾构机

硬岩盾构机

混合盾构机

异形多头盾构机

第一节全断面岩石掘进机

第一节全断面岩石掘进机

第一节全断面岩石掘进机

1.1用途及工作对象TBM是一种在岩层中挖隧道的机械。其特点是用机械法破碎切削岩石（刀头直径与开挖隧道的直径大小一致，故称全断面开挖），挖掘与出渣同时进行。掘进机的直径一般为2～11m，最大可达15m，可挖掘的岩石硬度为岩石单轴抗压强度20～200MPa，最大近300MPa。TBM适用于公路工程、铁路工程、水电工程、排污工程、军事工程及其它地下工程中开挖岩石隧道。因此，在公路山岭隧道和海底水下隧道工程中被广泛采用。第一节全断面岩石掘进机

1.2国外水平及发展趋势全断面隧道掘进机技术经过了40多年的发展，其过程大致分为三个阶段，20世纪50年代以前为探索阶段，到60年代中期为试验研究阶段，70年代达到实用阶段。目前已成为当今世界长大隧道和地下工程中最先进、最有效的技术之一。与钻爆法相比它具有速度快、质量高、节约资金和人力、安全、可靠几大特点，已广泛为世界各国采用。第一节全断面岩石掘进机

国外全断面隧道掘进机生产厂家有美国罗宾斯公司、德马格公司、日本石川岛播磨公司等，生产刀盘直径从1.8m到11m的各种用途、各种规格的掘进机近100种。目前国外刀具寿命一般为开挖204m隧道，一个刀具的滚动行走距离是640km。国外全断面掘进机技术仍在不断地发展中，主要表现在以下几个方面：第一节全断面岩石掘进机

（1）整机结构更加紧凑，性能更加完善，自动化程度更高，对岩层的适应范围不断扩大，先进的掘进机已经可以适应绝大多数的岩石条件。掘进机的整机质量和刀盘功率均向大型化方向发展。（2）改进刀具结构及材料，提高刀具寿命，使之能够用于坚硬的岩石，并根据岩石条件，决定最佳刀具类型及刀具在刀盘上的最佳排列方式。第一节全断面岩石掘进机

（3）研究辅助破岩技术。碳化钨硬质合金刀用于切削岩石己经是最好的材料，很难指望在冶金技术上有更大的改进。对于抗压强度大于170MPa以上的硬岩及超硬岩，刀具损耗增大，经济性和生产能力随之降低，因此技术人员希望在机械切岩刀具前方预先输入一种能量，弱化或破裂岩石。在诸多方法中，用火焰、激光、电热器辐射在经济上都不适用；而喷水射流及微波辅助破岩技术表现出较好的前景。第一节全断面岩石掘进机

（4）非圆断面掘进机的开发。由于全断面掘进机只能开挖圆形断面的隧道，在使用上有一定的局限性。相对于马蹄状断面的扁平形公路隧道，圆形断面实际上是多开挖了岩石，是不经济的。1992年日本先端建设技术中心把传统掘进机的刀盘改成向前倾斜的刀盘，从而开发出新的椭圆断面掘进机。德国维尔特公司和加拿大HDRK采矿研究有限公司联合研制了一种新型的CMM岩石掘进机，可开挖断面尺寸为4.54m×4.54m带圆角的矩形隧道。第一节全断面岩石掘进机

（5）努力改进提高掘进机后援系统的能力。后援系统包括渣石清运和消耗品的运输设备，混凝土管片安装及回填灌浆设备，支护及除尘设备，供电、供水和通风设施等。后援系统极大地影响着掘进机的利用率，从而对工程进度和经济效益造成重大影响，一般来说，非掘进时间占正常工作时间的70％～80％，要想提高掘进速度，就必须减少停机时间。第一节全断面岩石掘进机

2分类、特点及适用范围2.1按破碎岩石方式分按破碎岩石的方式不同，全断面隧道掘进机可分为以下四种型式：（1）切削式刀盘上安装割刀，像金属切削割刀一样将工作物切割下来，适用于软岩、土质，如抗压强度小于42MPa的地质。（2）铣削式切削过程靠滚刀的旋转和推进及铣刀的自转完成，如铣削金属的铣床一样，适用于软岩地质。第一节全断面岩石掘进机

（3）挤压剪切式用圆盘形滚刀使岩石受挤压和剪切而破碎（以剪切为主）。刀具有硬质鸺的刀圈或中碳合金钢堆焊碳化钨、钴等，适用于中硬岩石，如抗压强度42～175MPa的岩石。（4）滚压式是以挤碎岩石来切削，刀具为圆盘式，牙轮式和锥形带小球状刀具。用于硬岩，即抗压强度大于175MPa的岩石。第一节全断面岩石掘进机

2.2按切削头回转方式分按切削头回转方式的不同，可分为以下二种型式：（1）单轴回转式切削头的回转轴只有一根。由于在大直径的切削头上，不同半径上的刀具线速度不同，实际上不是真正的同轴回转。因此，它只用于小直径的掘进机。（2）多轴回转式切削盘上有几个小切削轮组合而成，小切削轮可独自旋转，各自有回转轴。2.3按掘进方式分按掘进方式的不同，可分为推进式和牵引式二种。推进式又分为抓爪式和支撑反力式。第一节全断面岩石掘进机

2.4按排渣方式按排渣方式的不同，可分为铲斗式、旋转刮板式和泥浆输送式等。常用的是前两种。2.5按外形特征分按外形特征，可分为以下二种型式：（1）敞开式掘进机其特点为结构简单，靠撑踏装置，支持机身，适用于岩层比较稳定的隧道。（2）护盾式掘进机此种堀进机有单护盾和双护盾之分。单护盾掘进机前部用护盾掩护，双护盾机机体被前后二节护盾掩护着，适用于易破碎的硬岩或软岩，及地质条件较复杂的岩层。第一节全断面岩石掘进机

3主要结构及工作原理全断面隧道掘进机的结构一般由以下几部分组成：切削头工作机构、切削头驱动机构、推进及支撑装置、排渣装置、液压系统、除尘装置以及电气和操纵等装置。第一节全断面岩石掘进机

第一节全断面岩石掘进机

第一节全断面岩石掘进机

掘进机开挖隧道的工作原理参看图5-5-2。将水平支撑靴10、11顶紧洞壁，前后支撑靴9、12缩回，开动切削头旋转，后推进油缸6收缩，前推进油缸5施压，开动排渣用的输送机，如图5-5-2a）所示；当切削头掘进一定深度时（一般为推进油缸的一次行程），如图5-5-2b）；将前后支撑靴9、12顶紧洞壁，水平支撑靴缩回，后推进油缸伸出、前推进油缸缩回，如图5-5-2c）所示，这样掘进机外机架前移一段距离，如图5-5-2d）所示。如上述程序机器不断旋转掘进，不断换位前移，完成隧道开挖工作。第一节全断面岩石掘进机

第一节全断面岩石掘进机

3.1切削头工作机构切削头工作机构是掘进机最重要的部分。根据机械形式和破碎岩右的方法，切削头工作机构有不同的形状、尺寸及材质，但就使用性和经济性而言，耐用和易于更换是决定切削头使用价值的重要因素。切削头由以下几个部分组成：刀具、刀盘、铲斗（或刮板）、主轴承、切削头支架及驱动装置等。此外，切削头大都设有不同形式的前支撑靴或支承座。如图5-5-3所示为LJ－30B切削头结构图。第一节全断面岩石掘进机

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3.1.1刀具形状及材质1）刀具的形状刀具的形状、材质根据开挖的岩石类型和破碎方法不同而各异。一般有割刃（图5-5-4a））、盘形刀（图5-5-4b））、滚刀（图5-5-4c））、和球形刀（图5-5-4d））四种。同种刀具因在刀盘上排列位置不同，又分为中心刀、正刀和边刀三种。第一节全断面岩石掘进机

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（1）割刀如图5-5-4a）所示为割刀。这是一种普通单刃形刀具，常配置在刀盘表面的周边上或者是带幅条的刀盘上。这种刀具多用于煤层或较软的页岩隧道开挖。割刀有整体型和镶合金片型两种，合金片型又分为组合式和焊接式两种，如图5-5-5所示。这种刀型与金属切削用的刨刀相似，材质为钨合金钢和硬质合金钢，硬质合金刀片可用螺栓连接，或用铜焊焊接。割刀型的切削方式，可以垂直于岩面，也可以倾斜一定角度形成适度的切削前角。第一节全断面岩石掘进机

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（2）盘形滚刀如图5-5-6所示，为单刃盘形滚刀，作为正刀使用。刀圈10用压配合、热套或其它方法装配在滚刀体7上，滚刀体通过滚柱轴承8安装在固定的心轴9上，心轴两端有定位销1与刀架连接，再用螺栓将刀架固定在旋转的刀盘上，也可将滚刀组合体用压盖螺栓固定在刀架上，而刀架则是焊接在刀盘上。为防止漏油和岩粉尘埃进入轴承内，采用端面油封组件2、3、4、5、6，并以455N左右的力均匀地使O形密封圈4压紧在断面密封环5上，让密封面贴紧。第一节全断面岩石掘进机

第一节全断面岩石掘进机

盘形滚刀用作中心刀和边刀时，常做成双刃的盘形滚刀。无论那一种形式的盘形滚刀，其刀圈材质必需具有强度高、耐磨性好而且也要有一定的韧性，一般都采用合金钢锻造而成。锻造后退火消除内应力，加工成型后还需经淬火、回火热处理，最后要求达到HRC60～HRC62的硬度。盘形滚刀破碎岩石的范围虽然比较广，但从经济性上来看，切削岩石的抗压强度在10MPa以上时，以采用盘形滚刀有利；小于10MPa时，采用割刀有利。第一节全断面岩石掘进机

（3）楔齿滚刀楔齿滚刀结构及外形如图5-5-7所示，它与盘形滚刀大体相同，适用于硬岩的切割。不同点是，将楔形连续刀圈换成齿轮形的刀圈4。在推力作用下，齿尖先贯入岩石，随着刀盘的旋转，由于岩石的反作用力（阻力）使齿形刀圈在轴承3的支承下滚动。每滚动一个齿尖，同时产生压力及冲击作用而破坏岩石。楔齿滚刀刀圈、刀体所用材质与盘形滚刀基本相同。刀体多采用Ni－Cr－Mo合金钢，刀圈采用镶有碳化钨的刀齿。在岩石抗压强度为19MPa的砂岩中使用，获得良好效果。第一节全断面岩石掘进机

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（4）球齿滚刀如图5-5-8所示，为球齿滚刀的外貌。它的切削岩石工具是许多碳化钨的硬合金球。在掘进机的推力下，小球被压入岩石。硬合金球齿在刀体上的布置是一排接一排地排列的，其割轨迹是一圈接一圈，把沿整个滚刀的全长的岩石破碎下来。球齿滚刀也可做成单刃盘、V型双刃盘和X型双刃盘中心滚刀，如图5-5-9所示。碳化钨球齿滚刀多用于掘进最硬的磨蚀性岩层，如铁燧石、黑硅石。岩石抗压强度在220MPa以上时，此种刀具最为有效。第一节全断面岩石掘进机

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2）刀具的材质及选用（1）刀具的材质无论哪一种刀具，都是硬岩掘进机中一个关键部分，它不仅要承受很大的载荷，而且还要承受连续运转高循环次数，如一台直径2.25m刀盘上的盘形滚刀平均每小时要滚动4000m路程。目前国内刀具的平均寿命只有100h，而国外最高的可达1000h。掘进机刀具材料一般有整体合金钢、合金钢基体上堆焊耐磨材料（如40Cr基体上胶焊WC）、合金钢基体上镶（嵌）硬质合金（如球齿形滚刀）以及采用整体硬质合金为刀刃等几种形式。由于WC-Co（碳化钨-钴）硬质合金是一种坚韧又坚固的优良材料，因此，目前广泛采用于硬岩的刀具上。第一节全断面岩石掘进机

（2）刀具的选用选用的刀具首先根据岩石的类别，再视刀具在刀盘上的布置而定。其目的是为了取得较高的掘进效率和较好的经济指标。粘土、红土及页岩等，一般选用割刀、铣刀；中硬岩石，如白云石、砂岩、石灰岩、大理石、花岗岩等，选用盘形滚刀或硬质合金楔齿滚刀；硬岩，如闪长岩、石英岩、角闪岩等，选用硬质合金球齿滚刀。第一节全断面岩石掘进机

3.1.2切削头刀盘1）刀盘的构造刀盘大都是用钢板焊接而成。为了能承受强大的推进力和切削岩石的反作用力矩，刀盘多数制成框型结构。在更换刀具时，机修人员要进入掌子面，所以刀盘上必须设出入口。刀盘周围装有均布的铲斗或刮板，以便及时地将切削下来的岩粉收集、提升送到排渣输送机上。刀盘面上固定有刀架。后面有圆筒形转动鼓，后者端部周围用螺栓与大齿圈连接。第一节全断面岩石掘进机

2）刀盘的形状刀盘面的形状有平面刀盘、球面刀盘和截锥面刀盘三种如图5-5-10所示。近年来又出现了行星式刀盘。平面刀盘又分为幅条、幅板和三角盘两种，目前采用最多的是幅板平面刀盘和球面刀盘两种。

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3）刀盘上刀具配置和布置从运动情况看，在每转中外侧刀具比内侧刀具的运行距离长，工作量大，所以在外侧同一轨迹上安装2～3把刀。此外，内侧刀的旋转半径（刀具安装位置距旋转中心的距离）较外侧刀具小，为使内外刀具在切割过程中与工作面间尽量达到纯滚动（割刀除外），减少滑动磨损，内侧刀具的外径亦应比外侧刀具小。如直径3.0m的掘进机，其最内侧刀具外径为167mm，最外侧刀径250mm。一般情况下，每个同心圆的轨迹上安置中心刀一把，正刀两把，边刀4～8把，根据岩石情况可酌情增减。第一节全断面岩石掘进机

3.1.3刀盘的支承方式和驱动装置1）刀盘的支承方式刀盘的支承方式大致有两种，即支承轴式和转鼓支承式，如图5-5-12所示。支承轴式如图5-5-12a）所示，由轴上的滚珠轴承6（三排）承受切削头的自重力和切削径向载荷，由刀盘后端周围均布的推力滚子轴承承受轴向推力，而各自是独立组合体。转鼓支承式（如图5-5-12b））所示，转鼓支承式切削头中心空位大，便于出渣及布置排渣机构，径向推力载荷也较均匀。但都存在大直径轴承的制造及运输较难的问题。支承轴式只适用于小直径掘进机，目前采用较少。转鼓式支承方式得到广泛应用。

第一节全断面岩石掘进机

2）刀盘的动力装置和传动装置刀盘旋转用的动力有电和液压两种。电动机驱动又有固定转速和变速两种。为适应地质的变化，刀盘需要调整转速。此外，为适应刀具的类型而维持一定的切削性能，也必需有两档以上的变换转速。目前有机械变速和多速电动机变速两种变速方式。掘进机刀盘一般都采用多电机驱动，尤其是大直径的掘进机，常采用2、4或6台电动机同步驱动。液压驱动可以无级调速，因而结构可以得到简化。随着液压技术的发展，液压马达已被广泛应用于刀盘的动力装置中。第一节全断面岩石掘进机

3.2导向推进利调向装置3.2.1掘进机的导向装置隧道掘进机切削部分的质量，占全机总质量的一半以上，所以掘进的方向性能主要取决于这部分的运动稳定情况。如果要维持切削头部成直线或者按隧道设计的中心线蠕动，就需要有能控制切削部分在上下、左右方向移动的导向装置。导向装置布置在机器的前部，紧接刀盘之后。它由切削头支承架、支撑靴板、支撑油缸及支撑座等组成。在同一横断面上共有四组，其中水平中线上两组，线下两组。线上两组各自与水平线成30°角，线下两组各自与水平线成45°角。第一节全断面岩石掘进机

3.2.2推进装置机器掘进时，需要给予切削头一定的轴向推力和转矩，推力使刀刃压入岩石，转矩牵引刀刃在此深度下连续破坏岩石。如图5-5-14所示为硬岩掘进机推进装置示意图，切削头支承架2，其周围设有前支撑靴3，内有液压干斤顶，可控制其伸缩动作。支撑中央套在机器主机架6上，可作轴向滑动，支承架后端面有铰接的推进千斤顶4（常常是一对或一对以上）。千斤顶活塞杆端与后支撑靴5铰接。后支撑靴固定在主机架两侧，内有液压千斤顶，可控1制其伸缩。

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3.2.3掘进机的调向装置调向装置包括下列几个部分：前侧向支撑、前垂直支承、后垂直支承、顶部护盾和后水平支撑等。现有的调向装置，从调向的方式看，有水平支撑靴中心控制式和有专用调向机构两种形式。

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3.3出渣输送装置3.3.1收集和装卸如图5-5-18所示为铲斗式收集和装卸机构。刀盘2周圈安装若干个铲斗1（视开挖直径而定铲斗数），刀盘后端切削头支架4前端装有卸渣漏斗3，漏斗下面有穿过切削头支架中心的皮带输送机5。收集装卸装置类型有：机械式，又分铲斗、刮板和滚子刮板装载头、水平螺旋收集机等；非机械式，利用喷水冷却刀具，灭尘，随