岩石掘进机

岩石掘进机(TBM)技术探析 概述

岩石掘进机是在岩石地层中暗挖隧道的一种施工机械，它的英文名称Tunnel Boring Machine ，简称TBM

。

TBM的发展经历了一个漫长的过程，早在130多年前，世界上第一台岩石掘进机就诞生了，但是直到本世纪50年代，才得到迅速发展。到目前为止，世界范围内使用的掘进机已超过450多台。美国罗宾斯公司是目前世界上著名的五大掘进机制造商之一。

隧道股份与罗宾斯公司合作制造的两台岩石掘进机，直径分别为4.882m 和4.922m ，主要有以下几个特点：

(1)掘进效率高。掘进机工作时，刀盘破岩、渣料运出、管片拼装支护同时进行，可以

实现连续工作，提高了工作效率。

(2)考虑人的因素较多。如机械化的换刀系统，良好的防尘和通风系统，舒适的操作室和休息室等。

(3)适应性较强。该掘进机具备两种支撑方式，既可以满足硬岩掘进的需要，又可以实现软岩推进。

(4)材料性能要求高。该掘进机部分零件对耐磨性要求较高，且焊接量大，易变形，对材料性能要求较高。

在制造过程中，遇到了以下困难：

(1)美方图纸不够详细，不够完整，且修改次数较多。

(2)

工艺较为复杂，精度要求较高。

(3)

材料替代中，设计所要求的部分材料性能较高，用国内材料无法替代。

(4)对美国ASTM 和AWS 标准不熟悉。

(5)制造工期较短。

在制造过程中，制定了严格合理的工艺，采取各种有效措施，确保了精度要求。 岩石掘进机的工作原理

岩石掘进机按岩石的破碎方式，可分为切削破碎式和挤压破碎式，隧道机械厂制造的两台TBM 破碎方式属于后者。其原理为：在推进力的作用下，排列在刀盘上的盘形滚刀紧压岩面，随着刀盘的旋转，岩面被碾出一系列同心圆，利用滚刀的楔块作用，当超过岩石受力极限时，两个同心圆之间的岩石即被碾压爆裂破碎，其原理示意见图1。

图1 岩石掘进机工作原理示意图 岩石掘进机的主要技术特性

岩石掘进机的主要技术特性见表1。

岩石掘进机主要技术特性 表1

岩石掘进机的组成及其工作过程

该TBM 的结构示意图，见图2。主要由以下几个部分组成：

图3 1号车架结构示意图

动作过程：

当推进时，主机皮带机随主机一起前进，1号车架不动。

主机皮带机不动，利用牵引油缸(件2) 将1号车架拖动，后面的车架通过双梁和连接板而随1号车架前进。

当1号车架车轮运动至托架前端时，通过8个提升油缸(件6) 将车架抬起，托架在牵引油缸(件5) 的作用下向前运动。

它的优点是：主机在推进时，不必附加额外的工作阻力，极大地提高了推进速度。对于1号车架的动作，该TBM

有一套操作简便的控制系统。

岩石掘进机与软土盾构对照

岩石掘进机与软土盾构对照见表2。

主要部件的特点、设计思路及制造工艺

(1)刀盘

刀盘是岩石掘进机的执行元件，设计和制作的好坏，直接关系到掘进效率的高低，因此在TBM 制造过程中，刀盘的制造是至关重要的。该部件具有结构复杂、精度要求高、焊接量大等特点，生产制造难度较大。其结构示意见图4。

图4 刀盘结构示意图

刀盘设计的出发点：

第一、根据掘进机直径的大小，在保证刀盘强度的前提下，分布刀孔，并确定刀孔数量。 第二、在工作时，滚刀产生的合力矩为零，即MF=0，也就是说，各滚刀产生的合力通过刀盘中心，否则，刀盘本身将产生扭矩，影响刀盘寿命。

刀盘各组成部分的特点及制造工艺：

刀盘是由刀盘盘体、刀架、刮泥刀、耐磨板等组成。刀盘上分布有许多刀孔，刀孔中镶有刀架用以放置滚刀。

①刀架

刀盘部件中最关键的是刀架定位，见图5。刀架位置正确与否，直接关系到滚刀的使用寿命。如果滚刀定位偏差较大，那么滚刀将很快被损坏，不但影响了施工进度，而且也增加了成本。据罗宾斯公司统计，刀圈平均寿命为180m 左右，由此可见，刀架必须在刀盘空间x 、y 、z 三个方向准确定位，定位难度较大。

图5 刀架定位示意图

根据现场实际情况，制定安装定位方案。其原则是：尽可能减小原始误差和焊接变形。刀架定位工艺：

在刀盘上正确安装刀架定位模板(件 2)，调整刀架定位模板刻线至刀盘预加工面各点的距离，其值为125mm ，误差控制在±1mm之内。

利用刀孔仿形模板，将其固定在刀架定位模板相应刀孔刻线处，沿刀孔仿形模板在刀孔

附近划线，并将余量用碳刨刨掉。

将刀架装在滚刀仿形模板(图5件1) 上，预装进刀孔，使刀架定位模板刻线与滚刀仿形模板刻线在x 、y 、z 三个方向对准。若预装刀架与刀孔有卡死现象，则对应修整相抵触部分的刀孔或刀架，直至三个方向对齐，然后，定位焊刀架。

刀架焊接工艺：

由于刀架材料碳当量较高、焊接量较大，所以焊接时容易产生裂缝和变形。因此必须采取合理有效的焊接工艺，才能保证焊接质量和刀架定位精度。

材料预热温度控制在120℃～150℃，对称均匀地焊，每道焊缝分五次填充。

对于面上刀架采用手工焊，而对于最易变形的侧面刀架采用二氧化碳气体保护焊，这样大大地减小了变形，极大地降低了裂缝率，经检验，焊接后其三个方向的误差均控制在2mm

以内，满足了刀架定位误差要求。

为增强刀架强度，在刀架与刀盘空隙处用三角形状钢板填充，并加以焊接，使刀与刀盘

形成箱形结构，增加强度。

②刮泥刀

刮泥刀英文名称Bucket lip, 其中lip 有嘴唇之意，可吞下破碎料进入刀盘内部。该岩石掘进机共有六排刮泥刀。对于刮泥刀的定位，仍采用刀架定位模板。

刮泥刀定位及焊接工艺：

将刀座与刀片用紧固件联接。

将组合件依次放于相应位置，其中，每个组合件的刀尖应沿刀架定位模板下边缘，其误差范围为0～6mm ，定位焊刮泥刀座。

刮泥刀座材料采用40Cr ，碳当量较高，易产生裂缝，故母材需进行加热，并采用二氧化碳气体保护焊。分段焊接，以减少应力集中：内外两边对称焊，以减小变形。 ③耐磨板

由于岩石地层较为坚硬，如果刀盘盘体不采取保护措施，则盘体很快将会被磨损，设计上要求刀盘盘体需要耐磨板加以保护。耐磨板起到保护刀盘不受磨损的作用，这种材料要求强度高，耐磨性好。技术上要求采用美国牌号HARDOX 400，此材料屈服强度可达到近1000MPa ，

焊接性能较好，焊接预热温度为100F 。对于耐磨板的定位，则采取均匀分布和增加强度的原则。

④滚刀

该TBM 采用定轴式盘形滚刀，其固定方式为楔形结构。刀具寿命与切深关系可用下面经验公式表达：

其中：h1，L1为实验已知数据

岩石地层的不同，决定了掘进机工作推力的不同，盘形滚刀的额定工作推力和刀圈直径也需随之变化。常用盘形滚刀特性见表3

。

该岩石掘进机的正刀和边刀滚刀刀圈直径为400mm ，适用于坚硬岩石，刀尖距刀盘表面距离为125mm ，即刀盘定位模板刻线至刀盘表面的距离；而刮泥刀刀尖距刀盘表面距离为100mm ，即刀盘定位模板下边缘至刀盘表面的距离。

⑤偏心导向板及入口门

在每排刮泥刀内侧，还分布有偏心导向板，它犹如一个个搁板，随着刀盘的旋转，将碎石抬起，送入废料流斗。

刮泥刀的排列方向，偏心导向板的定位方向，以及废料流斗导向弧板的方位，决定了刀盘在工作中，只有向一个方向旋转，才能将破碎石料运出机外。

此外，刀盘盘体上还分布有入口门，在施工中，如果刀盘前面出现问题，施工人员可以通过此门，进行检修。

综上所述，刀盘的设计和制造是TBM 的核心。

(2)前部盾构

前部盾构由上下两部分组成，采用螺栓联接，主要是保护刀盘支撑和刀盘连接体。刀盘在破岩时震动较大，为减少掘进机工作时震动，在前部盾构上部设计了两块平衡撑靴，撑靴可依靠油缸支撑在隧道壁上，设计中要求刀盘与前部盾构偏心，11mm 即刀盘中心线在前部盾构中心线以上11mm ，这样刀盘可以产生一个较大的、向下的扭矩，防止前部盾构出现上爬现象。

在掘进机推进时，前部盾构承受摩擦力较大，设计要求其下部用垫板加以保护，以减少磨损。设计要求材料为美国牌号Weldox, 国内替代材料为Q345，该板材为船用材料，耐磨性较好。

(3)刀盘支撑和刀盘连接体

刀盘支撑和刀盘连接体可以看作一体，其主要作用：刀盘支撑可以视为轴承座，刀盘连接体可以视为轴承内圈，实际上，一个大轴承就置放于两者之间。

刀盘连接体与刀盘相连；刀盘支撑固定在前部盾构上，其上分布有许多润滑管路，以便润滑大轴承和齿轮。为缓冲刀盘的轻浮力矩，在刀盘支撑与前部盾构联接处，设计了锯齿形张力垫片，以保护大轴承，延长其使用寿命。

为防止杂物进入轴承内部，刀盘支撑与刀盘连接体之间需要很好地密封。该TBM 采用两道密封圈进行密封，为避免密封圈与结构体的磨损，提高密封效果，在结构体上套有厚度为1mm 的金属耐磨带，并可进行更换，而软土盾构无耐磨带形式，结构体磨损较快，这为今后

设计掘进机提供了经验。该耐磨带加工时，采取拼圆方式；安装时，采取热套方式。

(4)主驱动

主驱动是刀盘旋转的动力源。该TBM 采用5台电动机，每台电动机额定功率为315kW ，电压为660V ，冷却方式为水冷。电动机与齿轮箱之间采用安全联轴器，这种联轴器是利用摩擦原理，压力油通过膨胀套将轴抱紧。如果电动机过载，即大于抱紧摩擦力，则膨胀套与轴之间相对打滑，起到保护电机的作用。

为适应不同的岩层，在刀盘支撑上设计了6个可以放置电动机的孔，一般情况下，利用5个孔，即5台电动机。如果遇到较硬岩石无法推进时，可在第六孔处增加一台电机，以增大推进功率。

在主驱动装配时，工艺上要求用铅丝检验小齿轮与大齿轮之间地啮合情况，以保证轴线的平行度和中心距，确保运转平稳，延长齿轮使用寿命，刀盘驱动系统传动过程如下：置于刀盘支撑上的主电机动力通过齿轮啮合，传递给刀盘连接体，然后刀盘连接体带动刀盘旋转。

(5)主推进油缸

主推进油缸共有10只，额定油压为345bar ，主要作用：主机推进和纠转。由于掘进机工作时，刀盘只能向一个方向旋转，这势必会引起掘进机的偏转，那么怎样进行纠转呢? 该岩石掘进机是靠主推进油缸进行纠转的，主推进油缸呈V 型排列，在推进时，每个油缸产生两个分力：第一个分力为平行于TBM 轴线的推进力；第二个分力垂直于TBM 的轴线，其中第二个分力可以产生扭矩。根据主机偏转的实际情况，通过调节油缸压力产生适当扭矩，进行纠转。

(6)

伸缩盾构

伸缩盾构由内套和外套组成。外套与前部盾构相连，而内套则通过油缸与夹具盾构相连，伸缩盾构主要起到过渡和调整作用，内外套的相对位置随着主推进油缸的伸缩而伸缩。内套与外套之间预留有2" 的间隙，且内套采用油缸联接，从而保证了主机推进时的弯曲度。

(7)

夹具盾构

夹具盾构是TBM 推进和管片拼装机的支撑，两块撑靴伸缩时，由限位挡板进行限位，设计单边伸缩最大距离为150mm 。此外，8

只辅助推进油缸也置于其上。

(8)盾尾

该TBM 的盾尾与软土盾构的盾尾类似，它是拼装管片的场所，并通过盾尾刷和油脂系统进行盾尾密封。盾尾与夹具盾构的联接采用关节油缸和双头螺栓组合，以便于调节TBM 推进时的弯曲度。

以上主机结构件的设计都有一个共同特点：结构件均设计成上下两部分组成，以便于制造和运输。

的几个主要系统

该岩石掘进机的每个系统均各有特色，均是在施工中积累实践，进行改进的结晶。

(1)

换刀系统

在TBM 推进过程中，滚刀的磨损是不可避免的，因此滚刀使用一段时间后，需进行换刀。由于滚刀较重，考虑到人的因素，本台TBM 专门设计了一套简便的换刀系统。该换刀系统由提升行走机构、轨道及专用工具组成。滚刀经提升行走机构运至伸缩盾构，进入滚刀轨道，

并提升至刀盘内仓，利用提升葫芦和专用工具将旧的滚刀取下，换上新的滚刀。由此可

见，更换滚刀是在刀盘内仓进行的，并且省时省力，操作简便。

(2)探头泥浆钻系统

探头泥浆钻系统是软土盾构所没有的，其主要作用是探测岩层。当TBM 推进需要进行岩层分析时，可以利用这个系统的探头，通过夹具盾构上的侧孔进行探测。工作时，探头泥浆钻的执行元件安装在拼装机上，并可以随着拼装机旋转而旋转，以达到探测不同的点。通常

情况下，这个系统被放置在主机皮带机上。

(3)

通风系统

该岩石掘进机具有一套完整的通风系统，两条风管线路直接铺设在车架上，其中一条管线为进风管路，直接开口于主机皮带机上，通过此处吹进新鲜空气进入隧道；另一条管线为排风管路，开口处与主机皮带机侧面通道相连，通过主机皮带机侧面通道将废气抽出。所用风管规格有：φ350×3，φ500×3，φ600×3，φ700×3共四种。为提高通风效率，在不

便于放置大直径风管的区间，采用两个小直径风管并联的方式。

通风系统的动力位于车架上，其动力是由大功率风扇和特制风管组成的。排风管路中的废气中含有大量粉尘，考虑到净化空气和环境保护，在排风管路上，装有除尘器和过滤器，这样不但改善了工作环境，而且净化了空气。

(4)

渣料运输系统

渣料运输系统包括渣料流斗、皮带机、运输小车等。该岩石掘进机共有3节皮带机，分别是：主机皮带机、2号皮带机和3号皮带机。分布从刀盘至15号车架。为便于操作，每节皮带机都有独立的驱动系统。主机皮带机伸入刀盘内仓，其前段可以伸缩，以便于更换刀具。皮带连接采用搭扣形式，拆装方便，而软土盾构皮带多数采用热胶形式，拆装不便。

(5)

管片拼装、运输和提升系统

它包括管片拼装机、运输小车、双梁、管片行走和提升结构等。

管片运输及拼装过程：

①管片由小车沿车架轨道运至双梁起点处。

②由管片提升和行走结构将管片沿双梁吊至1

号车架的管片托架上。

③由托架将管片托到拼装机处，该托架可以旋转，以便调整管片方位，进行拼装，该TBM 拼装机与软土盾构拼装机类似。

在运输系统中，该TBM 部分区间采取双轨运输，这使得废料运输和管片运输可以相互错开，实现连续作业，极大地提高了工作效率。

此外，在每节车架的一侧，分布有进水管、出水管和压缩空气管，以满足不同设备的需要，为防止隧道内涌水，在部分车架还分布有积水排放管。 结语

该项目组全体成员与美方工程技术人员积极配合，相互协作，工程进展顺利，圆满地完成了两台TBM 的制造工作，其制造和总装精度都达到或超过设计要求。

在工作中，全体工程技术人员虚心向同行学习，对TBM 的设计思路及其各系统有了一个较为全面地了解，并积累了一整套较为合理的制造工艺。