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中国水利水电第三工程局有限公司副总工程师许金林电话:18292670219开敞式及护盾式TBM的结构原理、TBM设计与施工技术、特殊地质条件下的处理目录第一部分开敞式TBM的结构组成第二部分开敞式TBM的工作原理第三部分双护盾TBM的结构组成第四部分双护盾TBM的工作原理第五部分TBM的施工技术第六部分TBM的选型及不同地质的处理全断面岩石掘进机（TBM）敞开式掘进机护盾式掘进机X型支撑T型支撑单护盾双护盾三护盾TBM分类网络图第一部分开敞式TBMOPENROCKMACHINE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、机头架、护盾、主驱动、主梁前段、主梁后段、撑靴系统、推进系统、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掌子面单刃刀的结构TBM楔块卡装式刀具剖视单刃滚刀的安装图单刃滚刀的安装双刃刀的结构形式主轴承的安装形式转接座刀盘支承架主轴承外密封内密封大齿圈转接座外密封大齿圈安装位置内密封TBM主轴承大齿圈驱动座转接座撑靴的安装鞍架撑靴推进系统拱架、网片的安装作业开敞式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，再由刀盘铲斗将岩渣铲起装入皮带机中，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锚杆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。新型双护盾此种类型的双护盾运用于地质条件相对较好的地层，后面配有锚杆钻机、网片安装机及喷混系统，在较好的地质条件下管片拼装机并没有装在设备上，所以正常掘进时不需要装管片。如遇到较差的地层，则取下锚杆钻机和网片安装机，装上管片安装机，管片安装机与锚杆钻机轴向轨道相同。控制机头架旋转网片安装机和锚杆钻机在较差的地层掘进时取下锚杆钻机和网片按装机，更换成管片安装机进行管片的安装。第五部分TBM的施工技术TBM的组装组机连接桥后配套主机的主装弧形钢板定位---吊装前支撑---吊装机头架及主轴承总成---安装前主梁---安装中间主梁及鞍架---安装后支撑及门架---安装主机拖动系统---吊装侧支撑---安装主驱动---安装刀盘中心块---安装刀盘边块并焊接---安装顶侧护盾---安装顶护盾---安装连接桥部件等主机的安装刀盘的安装安装后支承TBM的步进步进原理西秦岭隧道长大距离空载步进采用油缸推进、弧形滑道步进方案。该方案步进原理是：弧形钢板和弧形滑道的摩擦力大于TBM刀盘及总成与弧形钢板间的摩擦力，且弧形钢板与混凝土弧形滑道的接触面积大于弧形钢板与刀盘及总成的接触面积。TBM的生产管理调度协调管理优化轨道布置，提高运输效率有轨运输的信息化管理架子队管理全员培训例行强制保养调度协调管理为实现工区之间、隧道工作面与洞外、掘进施工与材料运输等区域之间的全方位、信息化的协同调度管理，在隧道洞口设置调度控制中心，通过程控电话、远程视频监控、无线通信相结合的调度体统，由调度人员整体把握整个施工系统的协同运行，提高施工效率。有轨运输优化轨道布置，提高运输效率通过对洞外场地进行有效的规划，形成运输车辆编组、重车始发轨道、空车等待轨道。行车有规律的车辆运行策略，利用洞外车场视频监控和对讲机的实时调度，提高行车密度，减少堵车时间，最大限度的保证TBM施工所需的物资供应。洞内有轨运输坚持“重车左道进洞、轻车右道出洞”的原则，每1000m设置一处渡线道岔。调度室视频监控系统有轨运输有轨运输的信息化管理——视频监控系统在TBM重点施工部位和场地外重要部位安装了摄像头，摄像头视频信号通过光缆汇总到调度室，调度室根据视频了解洞外场地内和TBM施工状况，并根据施工需要对机车和材料供应及机车行走轨线进行合理调配，确保隧道内所需施工物资的及时供应。安装的监控摄像头有轨运输有轨运输的信息化管理——对讲机系统为使调车员的指令能迅速反馈给机车司机，每台机车的司机和调车员都配备有一对对讲机，每台机车对讲机单独使用对应机车号的通话频率（如4号机车，机车通话采用4频道）。为使调度室与每号机车之间、机车与机车之间联系方便，机车使用的对讲机频道可调，调度室可直接将联系到每辆车。此外，所有调车员配置强光电筒、口哨各1支，以备急需。有轨运输有轨运输的信息化管理——车载系统利用车载系统在不影响对讲机通话的情况下调度室可以同时向所有运行的、停止的机车发布指令，各号机车也可通过利用车载系统向其他机车和调度室传递消息，避免干扰对讲机造成调车员与机车司机指令不畅通。有轨运输有轨运输的信息化管理——移动通信系统在隧道内安装移动通信发射器，使整条隧道都有移动通信信号，隧道内外作业人员与调度室、调度室与机车、作业人员与机车之间可以通过移动手机进行联系，保证了施工顺利进展。洞口的移动通信信号基站和发射器TBM上的移动通信信号发射器有轨运输有轨运输的信息化管理——有线电话系统若隧道内停电，隧道内外的通信将中断。为保证隧道内外通讯畅通，在调度室、TBM重要的施工部位、衬砌工区台车处、拌合站等处安装了有线电话，保障了隧道施工的正常进行。架子队管理实行架子队管理，提高施工人员的积极性。掘进队实行架子队管理,实行人员定员、责任到人的内部承包管理模式。施工人员的收入与施工进度、工序质量、现场安全和文明施工直接挂钩全员培训提高全员“质量保安全、安全促生产、设备保进度”意识。提高全员质量意识，每班安排专职值班工程师全过程参与工序质量控制,严控支护质量，使掘进施工顺利开展。通过提高工序质量，有效的控制了围岩变形、塌方掉块等安全隐患的发生，并对施工人员进行“TBM掘进施工三级技术交底”，“TBM掘进塌方防止技术交底”的培训。↓技术交底培训↑三级技术交底强制保养每班例行保养1）查看液压（润滑）油箱的油量和油温。2）检查泵、马达和阀是否有噪音，否则停机，找出原因并修复3）检查液压系统油温达到操作温度后有无泄漏，禁止徒手检查。4）检查液压油过滤器，确保过滤器指示在绿色范围。5）检查润滑油过滤器，确保过滤器指示在绿色范围。在TBM运行初期，每500h更换过滤器，并检查油温是否正常。6）查看各类仪表是否指示正常。7）查看液压油箱、润滑油箱和减速器油箱的呼吸器是否干净和正常。每500h更换一次。8）刀具检查：查看刀圈、刀体、刀座的磨损和损坏情况；检查刀具安装螺栓紧固扭矩；刀具拆卸后，观察螺纹孔是否损坏，改进锁定状况。9）操作期间检查润滑系统的流量和压力是否正常。10）齿轮减速器：通过油量指示器检查油量。11）护盾机构：观察运行是否无阻碍，清除堆积的岩屑。12）密封润滑系统：检查系统运行是否正常，确保系统有足够的油供应内外密封，否则调整流量阀。新技术革新弧形步进滑道滑模施工技术连续皮带机出碴技术连续皮带机出碴下的同步衬砌技术连续分碴