(第一篇)第七章--隧道掘进机械

第七章隧道掘进机械第七章隧道掘进机械一、用途道掘进技术是随着现代交通运输、地下工程、矿山开采、水利工程、市政建设以及电气通讯设施的发展而发展起来的一种工程建设技术。随着地下空间的开发，盾构技术已广泛地应用于软土层的地铁、隧道、市政管道等工程领域。二、分类目前，隧道掘进有三种方法：钻爆法、掘进机法和盾构法。隧道的掘进方法不同，所采用的设备各异。第一节概述第七章隧道掘进机械1、钻爆法钻爆法先需在工作面上钻出炮眼，将炸药装入炮眼内进行爆破，然后用装载机械把爆碎后的岩块运走。钻爆法开挖装药和爆破仍由人工操作为主。2、掘进法掘进法没有钻眼爆破工序，直接用掘进机的刀具破落岩石形成所需形状的隧道，并同时将破落下来的岩块运走，实现落、装、运一体化。当隧道长度与隧道断面直径比超过600时，采用掘进法开凿隧道是经济的。3、盾构法盾构法是一种集开挖、支护、衬砌等多种作业于一体的大型隧道施工方法，也是现阶段世界上修建隧道最先进的施工方法之一。第七章隧道掘进机械三、国内外状况及发展趋势1、国内外状况我国1966年生产出第一台直径3.4m的掘进机。20世纪70年代进入工业性试验阶段。80年代进入实用性阶段。但是，我国目前仍然以钻孔爆破法掘进为主。世界上著名的岩石掘进机制造厂商是美国的罗宾斯（Robbins）公司和贾瓦（Jarva）公司、德国的沃斯（Wirth）公司和德马克（Demag）公司以及瑞典的阿特拉斯·科普柯（Atlas·Copco）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。第七章隧道掘进机械2、发展趋势（1）隧道掘进机的断面尺寸具有向超大、微小两个方向发展的趋势。（2）随着计算机硬件和软件的迅速发展，计算机优化设计的应用和开发，全自动化的隧道掘进机也是未来发展方向之一。3、盾构机在我国的应用前景目前，我国处于高速发展时期，铁路、公路、水电、市政及有关管线等基础设施建设的需求大，隧道及地下工程建设较以往无论在规模或数量上都有了大幅度的提高。相当一部分隧道将会采用先进的盾构法施工。第七章隧道掘进机械第二节凿岩机一、凿岩机的工作原理凿岩机是一种在岩壁上钻凿炮眼用的钻眼机械，或称钻眼机具。它按冲击破碎岩石的原理进行工作，如图7-1所示。图7-1凿岩机的工作原理1-凿岩机；2-钎子；a-活塞(冲击锤)；b-缸体：c-钎杆；d-钎头第七章隧道掘进机械二、凿岩机的种类按凿岩所用机动力可分：气动、电动、内燃和液压四类。按凿岩机支承和推进方式可分：手持式、气腿式、伸缩式和导轨式。第七章隧道掘进机械三、液压凿岩机1、概述是在气动凿岩机的基础上发展起来的一种凿岩机。它以高压液体为动力，推动活塞在缸体内往复运动，冲击钎杆能克服气动凿岩机存在的问题和缺陷。与气动凿岩机相比，液压凿岩机具有以下优点：(1)动力消耗少，能量利用率高。(2)凿岩速度高，作业条件好。(3)液压凿岩机的运动件都在油液中工作，润滑条件好。(4)操作方便，适应性强。由于液压凿岩机制造和维护技术要求较高，目前还不能完全代替气动凿岩机。第七章隧道掘进机械2、液压凿岩机的结构和工作原理例：国产YYG-80型液压凿岩机的结构（图7-2）。该凿岩机的冲击机构属于前后腔交替进回油式，采用滑阀配油。冲击机构由缸体4、活塞5和滑阀12等组成。转钎机构由摆线转子液压马达11、减速齿轮10、7及冲击杆8等组成。图7-2YYG-80型液压凿岩机结构1-回程蓄能器壳体；2-活塞；3-铜套；4-缸体；5-活塞；6-銅套；7-齿轮；8-冲击杆；9-水套；10-齿轮；11-液压马达；12-滑阀；13-进油管第七章隧道掘进机械YYG-80型液压凿岩机冲击配油机构的工作原理（图7-3）1-活塞；2-滑阀；3-回程蓄能器；4-钎尾；5-主油路蓄能器图7-3a为活塞冲程开始时的油液经孔e、滑阀K腔、Q腔流入回油管O回油箱。此时两端E腔、F腔均通油箱，阀芯保持不动。当活塞运动到一定位置时，A腔与b口接通，部分高压油经b孔到阀芯左端E腔，而阀芯右端F腔经孔d、缸体B腔和c孔回油箱，在压力差作用下，阀芯右移，同时活塞冲击钎尾，完成冲击行程，开始返回行程。第七章隧道掘进机械图7-3b为活塞返回行程开始时的情况。此时压力油经滑阀H腔、e孔进入活塞右端M腔，活塞左端A腔经a孔、滑阀N腔回油箱，活塞被推动左移。当活塞移动到打开d孔时，M腔部分压力油经孔d作用在阀芯右端，推动阀芯左移油流换向，回程结束并开始下一个循环的冲程。在活塞左移过程中，当活塞左端关闭f孔后，D腔内油液被压缩，使回程蓄能器3储存能量，同时还可对活塞起缓冲作用。当冲程开始时，该蓄能器就释放能量，以加快活塞向前运动的速度，提高冲击力。1-活塞；2-滑阀；3-回程蓄能器；4-钎尾；5-主油路蓄能器第七章隧道掘进机械凿岩台车是20世纪70年代发展起来的一种钻孔设备。它将一台或数台高效能的凿岩机连同推进装置一起安装在钻臂导轨上，并配以行走机构实现凿岩作业的机械化。凿岩台车按钻臂的多少分为双臂、三臂和多臂式；按行走机构分为轨轮式、轮胎式和履带式。其控制方式有液压控制、气压控制和液压与气压联合控制三种。以CTJ-3型凿岩台车为例（图7-4）说明凿岩台车的结构。第三节凿岩台车第七章隧道掘进机械图7-4CTJ-3型掘进凿岩台车1-推进器；2-侧支臂；3-凿岩机；4-中间支臂；5-前支撑液压缸；6-行走机构；7-支撑液压缸；8-进风管；9-摆动机构；10-操纵台；11-司机座；12-配重结构组成：推进器1、两侧相同的两个支臂2、一个中间支臂4、凿岩机3、轮胎行走机构6以及气压、液压和供水系统。第七章隧道掘进机械一、推进器（图7-5）是导轨式凿岩机的轨道，并提供凿岩机工作所需的轴向推进力。CTJ-3型凿岩台车采用气动马达—丝杠推进器。图7-5CTJ-3型掘进凿岩台车的推进器l-风马达；2-丝母；3-丝杠；4-补偿液压缸；5-托盘；6-扶钎液压缸；7-顶尖；8-扶钎器；9-导轨；10-凿岩机底座；11-外回转凿岩机；12-钎子第七章隧道掘进机械二、钻臂钻臂的作用是支承推进器和凿岩机，并调整推进器的方位，使之可在全工作面范围内进行凿岩。CTJ-3型凿岩台车的两个侧钻臂和中间钻臂结构基本相同，工作原理如图7-6。图7-6CTJ-3型凿岩台车钻臂l-推进器托盘；2-液压缸；3-钻臂架；4-钻臂液压缸；5-引导液压缸；6-钻臂座；7-回转机构第七章隧道掘进机械一、概述掘进机法使破落岩石、装载运输、喷雾灭尘等工序同时进行。与钻爆法相比，掘进机法掘进隧道有许多优点：(1)速度快、成本低。(2)安全性好。(3)工程量小。(4)劳动条件好。按照工作机构切割工作面的方式，掘进机可分为部分断面隧道掘进机和全断面隧道掘进机两大类。第四节掘进机第七章隧道掘进机械二、部分断面隧道掘进机以ELMB型隧道掘进机为例，说明部分断面隧道掘进机的结构和工作方式。1、工作机构ELMB隧道掘进机采用悬臂式工作机构，其优点是：悬臂可以沿工作面的水平或垂直方向作左右或上下摆动，对复杂的地质条件适应性较好，能掘出各种形状的断面，结构简单，便于维修和更换截齿，也可及时支护隧道。但由于悬臂较长，影响机器的稳定性。第七章隧道掘进机械图7-10蟹爪工作机构1-蟹爪；2-铲板；3-曲柄圆盘；4-连杆；5-摇杆；6-刮板输送机2、装载与转运机构装载与转运机构由蟹爪式装载机构和中间刮板输送机组成。截割头破碎下来的碎岩由装载机铲板上的两个蟹爪扒入中间刮板输送机。蟹爪工作机构（图7-10）由蟹爪1、曲柄圆盘3、连杆4和摇杆5等组成。第七章隧道掘进机械3、行走机构ELMB型隧道掘进机采用履带行走机构，左右履带分别由一台内曲线大转矩液压马达驱动。4、液压系统ELMB型隧道掘进机除截割头为电动机单独驱动外，其余部分均为液压传动。整个液压系统由一台45kW双出轴电动机分别驱动两台双联齿轮泵，为各液压马达和液压缸提供压力油。ELMB型隧道掘进机液压系统共设四个回路，即装运回路、行走回路、工作机构及铲板回路和转载及起重回路。第七章隧道掘进机械5、除尘装置ELMB型隧道掘进机的喷雾灭尘系统（图7-11）设有内喷雾、外喷雾和冷却-引射喷雾三部分：(1)水→水门→三通→工作臂→内喷雾装置；(2)水→水门→三通→节流阀→外喷雾装置；(3)水→水门→液压系统冷却器→水冷电动机→引射喷雾器。图7-11ELMB型掘进机内外喷雾灭尘系统第七章隧道掘进机械三、全断面隧道掘进机全断面隧道掘进机是一种全断面岩石掘进机械，主要用于水利工程、铁路隧道、城市地下交通和矿山等部门。(一)全断面隧道掘进机的工作原理岩石掘进机是在坚硬度系数8～12以上的条件下破碎岩石，岩石的抗压强度高达200MPa，岩石掘进机一般采用盘形滚刀破岩。在驱动刀盘运动时，安装在刀盘心轴上的盘形滚刀沿岩壁表面滚动，液压缸将刀盘压向岩壁，使滚刀刃面将岩石压碎而切入岩体中。刀盘上的滚刀在岩壁表面挤压出同心凹槽，凹槽达到一定深度时，相邻两凹槽间的岩石被滚刀剪切成片状碎片剥落下来。在岩渣中，片状碎片约占80％-90％，而岩粉的含量较少。第七章隧道掘进机械(二)全断面隧道掘进机的结构TBM32型全断面隧道掘进机的总体结构（图7-12）。图7-12TBM32型全断面隧道掘进机的总体结构1-刀盘；2-机头架；3-传动装置；4-推进液压缸；5-水平支撑机构；6-液压传动装置；7-电气设备；8-司机室；9-皮带转载机；10-除尘风机；11-大梁第七章隧道掘进机械1、刀盘刀盘工作机构的结构如图7-13所示。图7-13刀盘工作机构l-中心滚刀；2-正滚刀；3-边滚刀；4-铲斗；5-密封圈；6-组合轴承；7-内齿圈；8-中心供水管；9-水泵；10-刀盘第七章隧道掘进机械刀盘10由高强度、耐磨损的锰钢板焊接成箱形构件。刀盘前盘呈球形，分别装有双刃中心滚刀1、正滚刀2、边滚刀3。铲斗装在刀盘的外缘，铲斗的侧壁上分别装有一个正滚刀和一个边滚刀。刀盘通过组合轴承6支承在机头架上，组合轴承的内外圈分别与刀盘和机头架相连接。2、刀盘的传动系统TBM32型全断面隧道掘进机刀盘的传动系统如图7-15所示。机头架两侧的两台电机，经两级行星齿轮减速器和一级内齿轮传动驱动刀盘转动，两台电动机中有一台电机是两端出轴的，右端出轴经摩擦离合器和液压马达相连，点动液压马达可实现刀盘的微动，以调整刀盘入口处的位置，使司机由入口进入刀盘前端检查和更换刀具。第七章隧道掘进机械图7-15TBM32型全断面隧道掘进机刀盘传动系统第七章隧道掘进机械3、行走机构行走机构由水平支撑和推进液压缸两部分组成，实现岩石掘进机的迈步行走并使刀盘获得足够大的推进力，结构如图7-16。图7-16TBM3251全断面隧道掘进机的行走机构l-推进缸；2-斜缸；3-支撑板；4-鞍座；5-复位弹簧；6-头压盖；7-水平支撑缸第七章隧道掘进机械第五节盾构机盾构机是一种集开挖、支护、衬砌等多种作业于一体的大型隧道施工机械，使用盾构机械来建筑隧道的方法称为盾构施工法。其施工程序是：在盾构前部壳下挖土，在挖土的同时，用千斤顶向前顶进盾体，顶到一定长度后，再在盾尾拼装预制好的衬砌块，并以此作为下次顶进的基础，继续挖土顶进。当然在挖土的同时，还须将土屑运出盾构。第七章隧道掘进机械一、机械化盾构的特点和几种施工法的适用范围1、机械化盾构的特点1)工效高，工期短。日掘进能力与人工掘进相比较，砂质土壤时为2倍，砂和亚粘土为3-5倍，粘性土为5-8倍。2)减少塌方，生产安全。3)降低成本，经济性明显。4)能随土层地质的变化，改变掘进方法。5)造价高，其中任何一部分机械出现故障，即需全部停工。6)掌子面局部塌方，若发现不及会引起沉陷造成局部超挖和加固的难度。7)设计制造工期长，刀具磨损更换难。第七章隧道掘进机械图7-17盾构施工法示意图1-盾构；2-管片台车；3-土斗车；4-轨道；5-材料场；6-起重机；7-弃土仓2、盾构法的适用范围1）切削轮式盾构（图中7-17）用主轴旋转驱动切削轮挖土，随旋转的周边铲斗将挖下的土屑倾落于皮带输送机上将土运到盾构后部的土斗车里，再由牵引车运往洞外。推进千斤顶将盾构不断推进，当推进到一