全断面岩石掘进机书1

第一节 概述

我国全断面岩石掘进机的研制和试用始于20世纪60年代,至今已走过了近40年的历程.回顾总结这段发展史,可分为四个阶段:

20世纪60年代 科研阶段,起步研制国产掘进机。 20世纪70年代 国产掘进机进行工业性试验。

20世纪80年代 引进国外二手掘进机用于国内施工。

20世纪90年代 引进欧美先进掘进机和管理方法用于国内施工。

1997年铁道部在18.4km长的秦岭隧道引进了2台德国WIRTH敞开式掘进机, 现已转场到西合线完成了蘑沟岭隧道、桃花铺隧道的施工。创造了我国用硬岩掘进机施工连续二个月月进尺超500m(552m/月、527m/月)，最高月进尺589m的记录。继1990年引大入秦引进一台美国ROBBINS公司双护盾掘进机掘进16.4km隧洞后,在山西引黄入晋工程, 从1993年引进1台美国ROBBINS公司双护盾掘进机起,1998年至今又先后引进了5台同类型双护盾掘进机。这6台掘进机现已全部完成8条长隧洞总长121.8km的施工。开创了我国在同一大工程范围内用掘进机施工超过100km的记录,并创造了月进尺1821.5m的国内最高记录,为我国南水北调等大型跨流域调水工程提供了可贵的经验。总之, 在20世纪末我国初步实现了根据不同地域的不同地质引进欧美不同类型先进全断面岩石掘进机完成我国重点工程的目的，并已积累了一定的实际施工经验。

目前我国用全断面岩石掘进机开挖的隧洞已累计达到176km,约占全世界掘进机开挖隧洞总量的4%。 据不完全统计,我国有各类可用掘进机开挖的工程隧洞约5800km, 约需掘进机150台。掘进机及其配套设备、易损件、备品备件价值总计达上百亿元。 掘进机的使用和发展具有广阔的市场，对掘进机及其系统的研究也越来越引起隧道施工部门、制造厂、科研院所的广泛关注。 1.1 掘进机的定义

掘进机顾名思义是一种边挖掘边前进的机器。

从隧洞施工的实用概念出发,为了区别于其它开挖隧洞的机械,掘进机的定义是:用机械能破碎隧洞掌子面、随即将破碎物质连续向后输出并获得预期的洞型、洞线的机器。

掘进机的定义确定了作为掘进机的必要条件是: 1.1.1 能量要求

必须是用机械能破岩。主要表现形式是由机械能通过刀具挤裂岩石。这完全区别于钻爆法用炸药的化学能破碎岩石的机理和方法。 1.1.2 作业范围

破岩范围仅对隧洞的掌子面。 保持范围为预期的洞线、洞型。 1.1.3 作业对象

开挖的对象是隧洞掌子面的物质。这物质主要是各种类型的岩石,如:片麻岩、花岗岩、石灰岩、凝灰岩、砂岩、板岩、砂砾石、砂卵石、粉砂岩、细砂岩、

页岩、泥岩等。这些岩石有完整的、新鲜的、节理发育的、半风化、全风化、破碎的；这些岩石有坚硬的、中硬的、松软的；这些岩石有脆的、韧的；这些岩石有抗压强度高的、低的；这些岩石有自稳性好的、自稳性差的，有的开挖时能自稳而开挖后过一段时间风化水解而不能自稳的。 保持的对象是沿预期洞线、洞型的洞壁岩石。 1.1.4 出碴时间要求

掌子面物质破碎后随即连续向后输出，在出碴的时间上特别强调了随即性和连续性，掘进机实现了边掘进边出渣同时连续作业以区别于钻爆法和人工掘洞时将开挖和出渣分成二个在不同的时间进行的工序。 1.1.5 洞线要求

必须配臵精确的导向装臵以确保开挖的洞线满足设计预期的要求。 1.1.6 洞型要求

必须能开挖出满足预期设计要求的隧洞形状和尺寸并配臵相应的支护和 衬砌设备以保持所需洞型的稳定。 1.2 掘进机的分类

掘进机种类繁多,根据不同的参照标准有不同的分类方法,如: a. 按一次开挖断面占全部断面的份额分: 全断面、部分断面。 b. 按开挖断面的形状分： 圆形断面、非圆形断面。 c. 按开挖断面的大小分: 大、中、小。

d. 按成洞开挖次数分：一次成洞、先导后扩。 e. 按开挖的洞线分: 平洞、斜洞、竖井。

f. 按开挖隧洞掌子面是否需要压力稳定分： 常压、增压。 g. 按掘进机的头部形状分: 刀盘式、臂架式。 h. 按掘进机是否带有盾壳分： 敞开式、护盾式。 i. 按掘进机的盾壳的数量分： 单护盾、双护盾。

j. 按掘进机机体与推进机构是联合一体还是分成二体： 整机式、分体式。 其中一部分特定条件下专用的掘进机已有了既定熟成的名称,如: 小炮头掘进机

是指臂架式开挖非圆形部分断面的掘进机。（分类a、b、g） 顶管

是指推进机构及其系统与挖掘机主体分离，推进机构定于一固定位臵不随机 移动，通过推进不断加入的管片，再由管片推进挖掘机主体前进的掘进机。(分类j ) 扩孔机

是指在先已开挖完成的导洞基础上,进行扩挖的掘进机。(分类a、b、d) 竖井掘进机

是指用于开挖垂直隧洞的掘进机。（分类a、b、e） 盾构

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是指带有盾壳，需密封增压以稳定掌子面的全断面掘进机。（分类a、b、f、h）

双护盾掘进机

是指带有二个护盾,既能在硬岩(支撑洞壁)又能在软岩中（支撑管片）施工的全断面掘进机。(分类a、b、f、I) 全断面岩石掘进机 T B M

是指在常压情况下全断面开挖岩石的掘进机。(分类a、b、f、g) 掘进机分类详见图1 掘进机分类网络图。 图1 掘进机分类网络图

竖井掘进机（图2a） 斜井掘进机（图2b）

单臂式 非圆形断面 敞开式

臂架式 双臂式 单护盾式

整体式 （图2c） 三臂式 球冠形断面

(常压式) T型支撑 开 式 敞开式

掘进机 （图2d） X型支撑 一次成洞 单护盾 刀盘式 护盾式 双护盾 掘进机 平 洞 (圆形断面) （图2e） 三护盾 掘进机 （图2f）

二次成洞 扩孔掘进机 (增压式) 气压平衡式盾构

盾 构 土压平衡式盾构 混合式掘进机 （图2g） 泥水平衡式盾构

掘进、推进分体式 顶管 （图2h）

有关各类掘进机的样图详见图2a . b . c . d . e . f . g .h。

1.3 全断面岩石掘进机 (TBM)

有关小炮头掘进机、盾构、顶管在其它专著中已有介绍，本书主要介绍全断面岩石掘进机。

根据上述掘进机的分类, 全断面岩石掘进机 (TBM)是开挖岩石断面基本能自稳的隧洞，常压式、刀盘式机头的平洞掘进机，见图1掘进机网络图中的黑体字。全断面岩石掘进机是目前使用最为广泛的掘进机。 在我国隧洞施工工程中,已成功使用过的全断面岩石掘进机有:单T型支撑敞开式、双X型支撑敞开式、双护盾三种.本书主要介绍这三种掘进机。

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