硬岩掘进机(TBM)

第1节 全断面硬岩掘进机概述

1.1 全断面硬岩掘进机的定义和研究现状

全断面硬岩掘进机（Full Face Rock Tunnel Boring Machine，以下简称TBM），TBM是集机械、电子、液压、激光、控制等技术于一体的高度机械化和自动化的大型隧道开挖衬砌成套设备，是一种由电动机（或电动机——液压马达）驱动刀盘旋转、液压缸推进，使刀盘在一定推力作用下贴紧岩石壁面，通过安装在刀盘上的刀具破碎岩石，使隧道断面一次成型的大型工程机械。TBM施工具有自动化程度高、施工速度快、节约人力、安全经济、一次成型，不受外界气候影响，开挖时可以控制地面沉陷，减少对地面建筑物得影响，水下地下施工不影响水中地面交通等优点，是目前岩石隧道掘进最有发展潜力的机械设备。如下图所示。

生产TBM最早的厂家是美国的罗宾斯（Robbins）公司。罗宾斯公司于1951年由James Robbins创建，1952年James Robbins研制出世界第一套全断面掘进机而闻名于世界。1956年，罗宾斯发明了硬岩掘进机用的盘形滚刀，使硬岩掘进机的研制实现了真正意义上的成功。罗宾斯初期产品结构简单、作业快速灵活，经过50年得发展，罗宾斯公司已经成功研制出了应用于地质条件较好的中硬岩全断面岩石掘进机、硬岩全断面岩石掘进机和软岩全断面掘进机，适用于复杂地质条件的单护盾全断面岩石掘进机、双护盾全断面岩石掘进机和高性能能硬岩全断面岩石掘进机等。另外还有美国的佳伐公司（Jarva Inc.）、德国的德马克公司（Mannesmann Demag AG）和维尔特（Wirth Maschinen-und Bohrgeraetefabrik

GmbH），四家公司是20世纪70~80年代的世界四大硬岩掘进机制造商。现阶段生产TBM的较著名厂商有美国的罗宾斯公司（Robbins）、德国的维尔特（Wirth）和海瑞克公司（Herrenkneeht）等。

“十一五”期间863计划先进制造技术领域“全断面掘进机关键技术”重点项目在用于软土掘进的土压平衡盾构机技术上取得了一定的成就。“十二五”期间863计划先进制造技术领域必将对全断面硬岩掘进机做更深入的研究。

1.2 TBM的分类

1.按刀盘形状的不同分类

根据刀盘形状的不同，TBM分为平面刀盘TBM、球面刀盘TBM、锥面刀盘TBM。平面刀盘TBM最为常用。

2.按作业岩石硬度的不同分类

根据全断面岩石掘进机作业岩石硬度的不同分为：软岩全断面掘进机（作业岩石单轴抗压强度<100MPa），中硬岩全断面岩石掘进机（作业岩石单轴抗压强度<150MPa）和硬岩全断面岩石掘进机（作业岩石单轴抗压强度可达350MPa）.

3.按开挖断面形状的不同分类

根据全断面岩石掘进机开挖断面形状的不同分为圆形断面全断面岩石掘进机和非圆形断面全断面岩石掘进机。

4.按全断面岩石掘进机与洞壁之间的关系分类

根据全断面岩石掘进机与开挖隧洞洞壁之间的关系分为敞开（开敞）式全面断面岩石掘进机、护盾式全断面岩石掘进机和其他类型全断面岩石掘进机。护盾式全断面岩石掘进机又可以根据护盾的多少分为单护盾、双护盾和三护盾全断面岩石掘

进机。

1.3 TBM的基本机型

1. 敞开式TBM

敞开式全断面岩石掘进机（Open Type Full Face Rock Tunnel Boring Machine）也称支撑是全断面岩石掘进机，是TBM最早的机型，也是最基本的机型。这种机型的支撑机构撑紧洞壁，刀盘旋转，刀盘旋转，推进液压缸推进，盘形滚刀破碎岩石，出渣系统出渣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道。

2. 护盾式TBM

1.4 TBM的基本结构

全断面岩石掘进机的基本机构如下图所示。

1刀盘 2刀盘护盾 3主轴承 4清渣皮带机 5清渣斗 6推进液压缸 7前外机架 8传动轴 9刀盘驱动电机 10后外机架 11后支撑 12后部锚杆钻机 13内机架 14钢拱架安装器 15前部锚杆钻机 16超前钻机 17钢拱架运输车 18皮带输送机

1.4.1 刀盘

刀盘针对工程地质条件设计，为封闭面板式箱型结构，盘型滚刀采用背装式，刀具更换在刀盘里进行，保证了换刀的安全。刀盘与刀具均采用很好的耐磨设计，以保证刀盘在硬岩掘进时的耐磨性能。刀盘开挖直径应满足TBM最小标定掘进直径的要求，刀盘上安装中心刀、正滚刀、超挖刀等各类型刀具，刀具根据地质条件进行合理的选型和配置.刀盘偏心布置，增大了隧洞拱顶的开挖直径，为TBM快速通过围岩变形区预留了变形量。

刀盘设计了液压式刀具磨损自动检测系统，使刀具磨损量能被监控，以保证刀盘不因刀具超量磨损、损坏而遭到严重磨损或损坏。 1.4.2 刀盘护盾

刀盘护盾由顶护盾，侧护盾和底护盾组成。用于支承和保护刀盘，防止洞顶碎石砸坏刀盘或者落入主轴承。 1.4.3 主轴承

主轴承采用大直径、高承载力、长寿命的三轴式设计，轴承内圈带有内齿圈。双轴承支座驱动小齿轮与内齿圈啮合，支承稳固的驱动齿轮可最大限度地减小齿轮的磨损。 1.4.4 内外机架

内外机架为TBM的主要支承部件，刀盘通过主轴承安装在内机架的前端，内机架与外机架之间为浮动连接，内机架可在外机架内作轴向运动，外机架通过支撑液压缸和撑靴板撑紧在洞壁上，在TBM掘进时支承TBM主机的重量，并平衡开挖面对TBM的反向推力。 1.4.5 后支承

后支承位于内机架的后端，在TBM换步时支撑油缸伸出，撑靴撑紧洞壁，刀盘护盾共同承担TBM主机的重量，并能对TBM的掘进姿态进行调整。 1.4.6 推进液压缸

推进液压缸一端固定在外机架上，另一端铰接在内机架上。当外机架撑紧在洞壁上时，高压油进入推进缸无杆腔，将活塞杆推出，推动内机架向前移动，使刀盘压紧在开挖面上，配合刀盘的转动将岩石压裂破碎。 1.4.7 钢拱架安装器

钢拱架安装器位于主机前端，不工作时收回在刀盘护盾下面。当遇到围岩不稳定时可紧贴洞壁安装一圈钢拱架作为初期支护，保证护盾后面作业区的安全，如有需要可再进行后续的加固支护。 1.4.8 锚杆钻机

TBM上配有两台锚杆钻机，一台安装在前外机架前部，另一台安装在后外机架后部。当安装了钢拱架后仍不能保证围岩稳定的情况下，可用锚杆钻机在洞壁钻孔，然后装填锚固剂并打入锚杆进行加固，必要时还可加挂钢丝网。 1.4.9 超前钻机

超前钻探和超前地质加固是TBM必备的辅助施工手段，TBM配置超前钻机用于地质超前探测和不良地质的处理。超前钻机由的液压装置操作，TBM配置一台多功能钻机，可以通过穿过前盾壳体和刀盘上具有足够大直径的一个导管来实现钻取岩芯和钻孔，进行地层加固的功能。 1.4.10 皮带输送机

皮带输送机安装在中空内机架的内部，可前后移动，掘进时前伸到刀盘中部，刀盘边缘铲斗铲起的石渣通过刀盘内部的通道送到皮带输送机前端，石渣通过皮带运输机向后传输。

第2节 TBM刀盘系统

2.1 TBM刀盘

刀盘是用于安装滚刀的机座，为刚结构焊接件，是岩石掘进机的重要部件之一。其前端是加强的双层钢板，通过溜槽与后隔板相接，刀盘后隔板用螺栓与刀盘轴承连接。盘形滚刀装在刀盘上来挤压破碎岩石，刀盘的前端装有径向带齿的碎石铲斗，刀座是刀盘的一部分，由于刀盘上的刀座呈凹形，且盘形刀的刀圈凸出刀盘，所以能有效破碎岩石并防止出现大块岩石阻塞、卡刀的现象发生。

根据正滚刀的刃口包络面的形状，全断面岩石掘进机的刀盘分为：锥面刀盘、平面刀盘、球面刀盘。各自的特点如下表所示。平面刀盘最为常用。 刀盘形式 锥面刀盘 平面刀盘 球面刀盘 特点 大锥角刀盘可以1.机身支撑稳定性硬岩采用。原因充分形成破岩的好； 为：刀盘工作稳自由面，破岩效率2.刀盘径向力平衡性定 高，工作稳定 好，岩石工作面稳定； 3.刀盘容易制造，其上刀盘的轴向力小； 4.刀盘推力的利用率高 全断面岩石掘进机的刀盘按结构分可分为：中心对称式、偏心对分式、中方五分式及中六角七分式四种形式。如下图所示。

2.2 TBM滚刀

滚刀是刀盘上用于破碎岩石的工具，根据形状的不同，滚刀分为盘形滚刀、球形滚刀、楔齿滚刀等。盘形滚刀最为常用。

盘形滚刀简称盘刀，根据刀刃的多少分为单刃滚刀、双刃滚刀和多刃滚刀。如下图所示。TBM上普遍采用单刃盘形滚刀。单刃盘形滚刀由刀圈、刀体、刀

轴、心轴组成。刀圈是可以拆卸的，磨损后可以更换。

刀圈的刀刃角一般有60°、75°、90°、120°或平刃等多种。掘进硬岩时一般用较大的刀刃角，而掘进较软的岩石时用的刀刃角较小。对于特别软的岩层，刀刃角小容易嵌入岩层中，增大刀刃角甚至做成平刃可改善掘进效果。

盘形滚刀的直径和承受载荷的额定推力的对应关系如下表所示 317 19 21 1直径 （in） 12 13 14 15 16 82(mm) 305 330 356 394 416 432 483 534 额定推力（kN） 100 100 150 200 200 200 260 300 最大推力（kN） 130 190 250 250 250 310 增大刀具的直径可以增大每把刀的额定推力。在一定的岩石条件下，刀盘每转一圈，刀具的切深随之增加，从而提高了掘进速度。此外，刀具直径增加，允许磨损体积也增加因而寿命延长。但刀具直径增大使重量增加，引起换刀困难，增加了换刀停机时间；允许磨损量的增加使刚换上的新刀具和已磨损刀具的直径差值增大，使新刀刀刃超前引起载荷增大。刀具直径增大，还受轴承和刀圈失效因素的。

滚刀按其在刀盘上的位置又可以分为中心滚刀、正滚刀、过度滚刀和边滚刀。中心滚刀是布置在刀盘中心区 的滚刀；正滚刀是布置在中心滚刀与过度滚刀之间的滚刀；过度滚刀是布置在刀盘外圆过度曲面上的滚刀；边滚刀是位于刀盘外缘区，其切削刀布置成圆弧部分的滚刀。

2.3 盘形滚刀在刀盘上布置规律

全断面岩石掘进机盘形滚刀在刀盘上的布置规律有多种，有单螺旋线布置、双螺旋线布置、同心圆布置等。无论采用那一种布置方式，刀间距都是要考虑的技术参数。刀间距是指相邻刀刃刃口相对刀盘中心的距离之差。

1. 滚刀在到盘上布置的基本原则

（1）刀间距的布置方式：①在同一台掘进机上刀间距不变，改变刀盘推力来适应岩石强度；②在同一台掘进机上增减刀具数量或者改变每把盘形滚刀得刀圈数来改变刀间距，来适应岩石强度。第一种布置方式简单且可用性强，被普遍采用。

（2）盘形滚刀在刀盘上的布置模式应尽可能满足以下两个要求：①每把盘形滚刀在破岩时所受到的负荷相等，即每把刀的破岩量相等，刀刃两侧的侧面反力能相互抵消；②作用在刀盘体上各点外力相互平衡，其合力通过刀盘中心，不产生倾翻力矩。

2. 平面刀盘上等刀间距布置盘形滚刀

平面刀盘上等刀间距布置盘形滚刀是在全断面岩石掘进机上广泛使用的一种布置形式。

设全断面岩石掘进机上第i和第i1把盘形滚刀在刀盘推力作用下切入岩石深度为h。如下图所示。

S——刀间距；h——盘形滚刀切深；2——岩石剥落角 L2htan

要使同一安装半径上的盘形滚刀在刀盘没转一周的切深相等，且破岩量又相同，在两盘形滚刀之间就不应该存在累积岩脊，则刀间距必须满足： S2htan

3. 不同安装半径的盘形滚刀破岩分析

设剥落的岩石为三棱柱，高度为2is，底面积为A,则：

Ah2tan V2ish2tan

可见平面刀盘上等刀间距布置盘形滚刀时，各盘形滚刀的破岩量是不等的。若设第一把盘形滚刀的破岩量为W,则第i把的破岩量为iW。

不同安装半径的盘形滚刀破岩量得不同，将造成不同安装半径的盘形滚刀的受力不同，从而造成全刀盘上的盘形滚刀的磨损不均匀。较先磨损的盘形滚刀的载荷由其他磨损程度较轻的盘形滚刀来承担，又加大这些盘形滚刀的磨损，形成恶性循环，因此这种情况应尽可能避免。

实际设计中采用的措施 在实际设计中，盘形滚刀在刀盘上的布置无论采用单螺旋线还是双螺旋线布置，为增加安装半径较小的盘形滚刀的破岩量，减少安装半径相对较大的盘形滚刀的破岩量，螺旋线的旋转方应与刀盘实际工作时的旋转方向相反。刀盘实际工作一般是顺时钟方向，所以螺旋线的方向一般为逆时钟布置。位于安装半径较大的盘形滚刀轨迹圆上应该适当地增加盘形滚刀的数量或考虑不同安装半径的盘形滚刀的尺寸或者承载能力应有所区别。尽可能实现在全刀盘上的盘形滚刀在实际工作中的等寿命，即到一定程度，全刀盘上的盘形滚刀一起换刀，从而减少换刀次数，提高掘进生产率。

第3节 TBM的刀盘驱动系统

3.1 TBM刀盘驱动的方式

TBM刀盘驱动系统具有功率大、功率变化范围宽的特点。目前TBM驱动方式有三种:一是定速电机驱动；二是液压马达驱动；三是变频电机驱动。在影响TBM贯人度的指标中，很大程度上取决于刀盘的转速和推力，刀盘采用无级调速方式可以有效地适应掘进中岩石的不断变化，最大限度地控制刀盘载荷处于最佳状态，即当围岩较硬时，需加快刀盘转速，增加推力，以提高瞬时贯人度，减少刀具的磨损。当在软弱围岩中掘进时，因贯人度大，滚动阻力增大，需要提高扭矩、减慢刀盘转速。鉴于定速电机驱动时，刀盘转速不能调节，一般不采用。变频电机驱动具有调速范围广，较高的传动效率，较低的能源消耗，可节省电力费用。液压马达驱动具有良好的抗冲击能力和过载保护性能，维修保养相对简单，可靠性高。目前变频电机驱动与液压马达驱动两种方式在TBM上都得到广泛应用。

3.1.1 变频电机驱动

刀盘驱动系统主要由变频电机、减速器、大小齿轮、三滚子轴径向主轴承及密封组成。变频电机驱动刀盘旋转，刀盘速度可调，具有较大扭矩储备和较高的传动效率，能源消耗较低，可节省电力费用，但其占用空间较大.工作原理如图3所示。

变频器驱动电动机，在电动机输出轴上安装扭矩转速传感器，由扭矩转速传感器测得的输出扭矩T和转速n送到工控机，计算出电动机的输出功率N，将输出功率N与电动机额定功率N0做差值运算，再由功率偏差按一定的控制规律给出控制信号，对电动机的扭矩与转速作恒功率调节。这样电动机始终在额定功率附近运行，达到高效节能的目的。 3.1.2 液压马达驱动