开敞式及双护盾TBM机构和原理-董天鸿

中铁八局集团有限公司开敞式及双护盾TBM机构和原理KAICHANGSHIJISHUANGHUDUNTBMJIGOUHEYUANLI第一部分开敞式TBM的机构组成第二部分开敞式TBM的工作原理第三部分双护盾TBM的机构组成第四部分双护盾TBM的工作原理第一部分开敞式TBM双X支撑连接桥喷浆机械手OPENROCKMACHINE后支撑推进油缸护盾外机架及水平支撑喷浆机械手刀盘刀具指形护盾开敞式TBM的定义利用岩壁的反作用力，实现掘进功能所需的反推力和反扭矩，在常温常压下，实现隧道掘进一次成型、初期支护、出碴运输功能，集机、电、液、气为一体，实现隧道施工自动化、工厂化的大型综合性施工设备。全断面开敞式硬岩掘进机机构组成全断面开敞式硬岩掘进机主要由主机、连接桥、后配套组成；主机部分主要有刀盘、护盾、内外凯(或内机架、水平支撑)、主驱动、前后支撑（机头架、后支撑）等组成；后配套主要有拖车、供电、通讯、供水排水、通风除尘、供气、控制系统、激光导向系统、出碴运输设备系统组成。TBM刀盘及刀具铲斗前刮碴板后刮碴板刀具TBM楔块卡装式刀具剖视19inch(483mm)and20inch(508mm)15.5inch(394mm)17inch(432mm)(SameBearingas17”)TBM楔块卡装式刀具及刀箱TBM楔块卡装式刀具TBM栓接式刀具TBM栓接式刀具解剖图掌子面网片安装作业开敞式TBM开挖出的隧道表面锚杆钻机钻孔作业Ringbeamsandmesh.Fingersmovingforward,overtheringbeamKarahnjukar,Iceland超前喷浆作业喷浆作业翻碴作业渣车翻车机主驱动电机超前钻孔作业TBM皮带机出渣运输TBM的导向系统PPS终端开敞式TBM矿车出渣开敞式TBM连续皮带机出渣第二部分开敞式TBM的工作原理在推进油缸的推力作用下，主驱动带动刀盘刀具对岩石进行滚压，岩石达到破裂极限，逐步开裂剥落成片装岩渣，掉落到刀盘下部，再有刀盘铲斗将岩渣产起装入皮带机中，转运到碴车列车或连续皮带机运送到洞外；同时，TBM的支护系统完成隧道的初期支护工作，有后续模板台车完成隧道二衬工作。此工作步骤循环往复，连续不断，完成隧道的工厂化施工作业。开敞式及双护盾TBM破岩TBM刀具破岩机理刀具Chipping锚干作业挂网作业钢拱架安装换步状态换步结束开始下一循环推进左转弯右转弯喷浆作业第三部分双护盾TBM刀盘及刀具前盾支撑盾伸缩盾前护盾前护盾包含并支承着驱动装置和刀盘。前护盾通过伸缩油缸与后护盾相连接。伸缩油缸分成上下左右四组，使前护盾带着刀盘可以朝任何想要的方向转向。前护盾相对于后护盾的位置，由4个线性传感器测出，并从司机室的数字显示装置读出。在前护盾顶部1/4的地方有两个液压操纵的稳定器，在硬岩中掘进时用来稳定前护盾。WIRTH掘进机的设计不需要额外的前支撑，其他公司设计的掘进机可能需要它用于换步时起支撑作用。如同我们关于这种掘进机工作循环的解释中所叙述的，换步过程将借助尾盾的推进油缸推压管片，同时伸缩油缸向前拔拉支撑护盾。由于推进油缸推压着已衬砌的管片环，因此支撑护盾将总是被推向前，而不会将前护盾向后拉。伸缩护盾伸缩护盾掘进机的伸缩部分连接着前护盾和后护盾。其功能是使掘进机的开挖与预制混凝土管片的安装能同时进行。伸缩油缸连接着前、后盾，既传递推力又传递拉力。这一性能在遇到不稳定的地层条件，而覆盖层负荷又大时，可用以防止前护盾向下倾斜。两个力矩装置将刀盘的扭矩从前护盾传给后护盾或称支撑护盾。前、后护盾间的滚动的调整，用力矩油缸实现，不需要伸缩油缸来纠正滚动。这种纠正滚动方式与独立的推进力的方式是双护盾设计的一个非常重要的特点。伸缩部分两个壳体之间的间隙可以检查，可以清洁。为了检查和清洁的目的，提供了若干开口。后护盾（支撑护盾）后护盾（支撑护盾）内设有推进油缸和支撑装置。支撑布置的形状使得支撑力作用到两侧和底部。这使得后护盾以左、右、底三点固定在隧道内。支撑护盾承受着全部掘进反力，在更换滚刀时也可将前护盾回拉。支撑护盾尺寸宽大，以减小对围岩的压力。这一点在软弱围岩掘进时尤其重要。由支撑护盾产生的对围岩的接触压力是与施加到刀盘的推进力成正比的。当在硬岩地层开挖时，刀盘必需有很大的推进力，支撑系统必须产生很大的夹持力以支持这个推进力。因此对围岩的接触压力将达到较高水平。当在软弱地层开挖时，刀盘只需要较小的推进力。夹持力将成正比减少，因此对围岩的接触压力将比较小。这种系统的特点不是属于硬性的、不可改变的，即具有恒定不变的高夹持力和相应的高的接触压力，而是能根据刀盘对推进力的需要来提供相应的接触压力。推进油缸分成四组作用在四个压力区，以利于当在软弱围岩中掘进不能用支撑时掘进机进行转向。每组的推进油缸连到一个推力靴板上。推力靴板上覆盖的聚氨酯的靴面以保护衬砌块。后护盾的总推力相当大，以便施加需要的力于刀盘，并用于克服全部护盾的摩擦阻力。(单护盾模式时)。推进油缸有一共用的液压动力装置。四组液压缸的每一组均有共同的供油量控制，由掘进机操纵手监控。在正常掘进模式时，即用支撑靴提供反力来推进前护盾与刀盘。推进液压缸可由一个共用的油流来操作。每一液压缸装有测量装置或者线性传感器，使操作者能监控其位置。双护盾TBM主机主要机构图双护盾TBM连续皮带机出渣双护盾掘进机主机主要机构图2双护盾TBM双护盾TBM的刀盘及主驱动双护盾TBM的主推进机构支撑盾及撑靴机构装碴及输送机构辅助推进及管片安装机构管片安装机双护盾TBM整机全貌管片生产管片养护双护盾TBM管片存放第四部分双护盾TBM工作原理工作原理在常温常压下，利用盾体或撑靴的支撑岩壁，克服开挖岩渣所需的推力和扭矩，主推进或辅助推进系统提供开挖岩渣所需的推力，同时主驱动带动刀盘刀具滚压破岩，连续皮带机或矿车列车将岩渣运出洞外，管片安装机与辅助推进系统实现衬砌与开挖同步，伸缩护盾和主、辅助推进系统实现换步和连续隧道施工作业。（1）围岩破碎，采用单护盾模式掘进（类似于盾构）；（2）围岩自稳性好，采用双护盾模式掘进，开挖与衬砌同步。双护盾工作模式图双护盾模式工作循环结束状态双护盾TBM换步状态图双护盾TBM换步结束状态单护盾模式管片安装状态单护盾模式掘进状态双护盾TBM的特点特点（1）开挖与衬砌同步，采用管片支护，支护速度快，隧道一次成型；（2）硬岩掘进的适应性同敞开式，软弱围岩能采用单护盾模式掘进，比敞开式有更好的适应性。与敞开式TBM相比，对地质变化的适应能力更强。（3）设备与人员处于TBM壳体的保护下，安全性好。