第六章隧道掘進機械第一節(jié)概述一、用途

隧道掘進技術是隨著現(xiàn)代交通運輸、地下工程、礦山開采、水利工程、市政建設以及電氣通訊設施的發(fā)展而發(fā)展起來的一種工程建設技術。隨著地下空間的開發(fā)，盾構技術已廣泛地應用于軟土層的地鐵、隧道、市政管道等工程領域。二、分類

目前，隧道掘進有三種方法：鉆爆法、掘進機法和盾構法。隧道掘進方法不同，所采用的設備各異。第六章隧道掘進機械1、鉆爆法與鑿巖機械鉆爆法首先需要在工作面上鉆出炮眼，在炮眼內裝入炸藥進行爆破，然后用裝載機械把爆碎下來的巖塊運走。

鑿巖機用來在巖層上鉆鑿出炮眼，以便放入炸藥去炸開巖石。鑿巖機的種類很多，按所用動力不同可分為氣動、電動、內燃和液壓四類。

鑿巖臺車將一臺或數臺高效能的鑿巖機連同推進裝置一起安裝在鉆臂導軌上，并配以行走機構，使鑿巖作業(yè)實現(xiàn)機械化。鑿巖臺車按鉆臂數量可分為雙臂、三臂和多臂式；按行走機構分為軌輪式、輪胎式和履帶式。鑿巖臺車的控制有液壓控制、氣壓控制和液壓與氣壓聯(lián)合控制等形式。第六章隧道掘進機械2、掘進機法合巖石隧道掘進機

掘進法沒有鉆眼爆破工序，直接用掘進機上的刀具破落工作面上的巖石，形成所需形狀的隧道，并同時將破落下來的巖塊運走，實現(xiàn)落、裝、運一體化。

根據隧道掘進機護盾設備的安裝情況，掘進機大體又分為無護盾式、護盾式和復合護盾式三類。第六章隧道掘進機械3、盾構法合盾構機

盾構機是一種在軟土、軟巖和破碎含水的地層中修建隧道時進行開挖和襯砌的專用機械設備。采用盾構機施工的方法，稱為盾構法。

其施工程序是：在盾構前部殼下挖土，在挖土的同時，用千斤頂向前頂進盾體，頂到一定長度后，再在盾尾拼裝預制好的襯砌塊，并以此作為下次頂進的基礎，繼續(xù)挖土頂進。

為適應不同工程的需要，盾構機的種類也越來越多，目前已有多種斷面形式的盾構機，如圓形、矩形及異形截面等。第六章隧道掘進機械第二節(jié)鑿巖機及鑿巖臺車

一、鑿巖機的工作原理

鉆爆法掘進巷道時，首先在工作面巖壁上鉆鑿出許多直徑34～42mm，深度1.5~2.5m的炮眼，然后在炮眼內裝入炸藥進行爆破。鑿巖機就是一種在巖壁上鉆鑿炮眼用的鉆眼機械，或稱鉆眼機具。鑿巖機是按沖擊破碎巖石的原理進行工作的，如圖6-1所示。第六章隧道掘進機械圖6-1鑿巖機的工作原理1—活塞(沖擊錘)2—缸體3—釬桿4—釬頭

二、液壓鑿巖機

1、概述液壓鑿巖機是在氣動鑿巖機的基礎上發(fā)展起來的一種鑿巖機。它以高壓液體為動力，推動活塞在缸體內往復運動，沖擊釬桿能克服氣動鑿巖機存在的問題和缺陷。與氣動鑿巖機相比，液壓鑿巖機具有以下優(yōu)點：

(1)動力消耗少，能量利用率高。

(2)鑿巖速度高。

(3)作業(yè)條件好。

(4)液壓鑿巖機的運動件都在油液中工作，潤滑條件好。

(5)操作方便，適應性強。由于液壓鑿巖機制造和維護技術要求較高，目前還不能完全代替氣動鑿巖機。第六章隧道掘進機械2、液壓鑿巖機的結構和工作原理現(xiàn)以國產YYG-80型液壓鑿巖機為例，說明液壓鑿巖機的基本結構和工作原理。

YYG-80型液壓鑿巖機的沖擊機構屬于前后腔交替進、回油式，采用滑閥配油。其結構如圖6-2所示。沖擊機構由缸體4、活塞5和滑閥12等組成。

YYG-80型液壓鑿巖機的轉釬機構由擺線轉子液壓馬達11、減速齒輪10、7及沖擊桿8等組成。第六章隧道掘進機械

圖6-2YYG-80型液壓鑿巖機結構1-回程蓄能器殼體；2-活塞；3-銅套；4-缸體；5-活塞；6-銅套；7-齒輪；8-沖擊桿；9-水套；10-齒輪；11-液壓馬達；12-滑閥；13-進油管第六章隧道掘進機械

圖6-3YYG-80型液壓鑿巖機沖擊配油機構的工作原理圖1-活塞；2-滑閥；3-回程蓄能器；4-釬尾；5-主油路蓄能器第六章隧道掘進機械

圖6-3a為活塞沖程開始時的油液經孔e、滑閥K腔、Q腔流入回油管O回油箱。此時兩端E腔、F腔均通油箱，閥芯保持不動。當活塞運動到一定位置時，A腔與b口接通，部分高壓油經b孔到閥芯左端E腔，而閥芯右端F腔經孔d、缸體B腔和c孔回油箱，在壓力差作用下，閥芯右移，同時活塞沖擊釬尾，完成沖擊行程，開始返回行程。圖6-3b為活塞返回行程開始時的情況。此時壓力油經滑閥H腔、e孔進入活塞右端M腔，活塞左端A腔經a孔、滑閥N腔回油箱，活塞被推動左移。當活塞移動到打開d孔時，M腔部分壓力油經孔d作用在閥芯右端，推動閥芯左移,油流換向,回程結束并開始下一個循環(huán)的沖程。在活塞左移的過程中，當活塞左端關閉f孔后，D腔內油液被壓縮，使回程蓄能器3儲存能量，同時還可對活塞起緩沖作用。當沖程開始時，該蓄能器就釋放能量，以加快活塞向前運動的速度，提高沖擊力。第六章隧道掘進機械

三、鑿巖臺車

1.概述

鑿巖臺車是將一臺或數臺高效能的鑿巖機安裝在鉆臂導軌上并配以行走機構，使鑿巖作業(yè)實現(xiàn)機械化的一種鉆孔設備，主要由鑿巖機、鉆臂（鑿巖機的承托、定位和推進機構）、鋼結構的車架、行走機構以及其他必要的附屬設備組成。

現(xiàn)以CTJ-3型鑿巖臺車為例，說明鑿巖臺車的結構。CTJ-3型鑿巖臺車的結構如圖6-4所示。主要由推進器1、兩側相同的兩個支臂2、一個中間支臂4、鑿巖機3、輪胎行走機構6以及氣壓、液壓和供水系統(tǒng)組成。第六章隧道掘進機械

圖6-4CTJ-3型掘進鑿巖臺車1-推進器；2-側支臂；3-YGZ-70型外回轉鑿巖機；4-中間支臂；5-前支撐液壓缸；6-輪胎行走機構；7-后支撐液壓缸；8-進風管；9-擺動機構；10-操縱臺；11-司機座；12-配重第六章隧道掘進機械2.推進器推進器是導軌式鑿巖機的軌道，并給鑿巖機以工作所需的軸向推進力。CTJ-3型鑿巖臺車采用氣動馬達—絲杠推進器。其結構如圖6-5所示。

圖6-5CTJ-3型掘進鑿巖臺車的推進器l-風馬達；2-絲母；3-絲杠；4-補償液壓缸；5-托盤；6-扶釬液壓缸；7-頂尖；8-扶釬器；9-導軌；

10-鑿巖機底座；11-YGZ-70外回轉鑿巖機；12-釬子第六章隧道掘進機械二、鉆臂鉆臂是鑿巖臺車的主要部件，它的作用是支承推進器和鑿巖機，并可調整推進器的方位，使之可在全工作面范圍內進行鑿巖。CTJ-3型鑿巖臺車的兩個側鉆臂和中間鉆臂結構基本相同，其工作原理如圖6-6所示。

圖6-6CTJ-3型鑿巖臺車鉆臂l-推進器托盤；2-俯沖角液壓缸；3-鉆臂架；4-鉆臂液壓缸；5-引導液壓缸；6-鉆臂座；7-回轉機構第六章隧道掘進機械第三節(jié)掘進機一、概述掘進機法使破落巖石、裝載運輸、噴霧滅塵等工序同時進行。與鉆爆法相比，掘進機法掘進隧道有許多優(yōu)點：(1)速度快、成本低。(2)安全性好。(3)工程量小。(4)勞動條件好。按照工作機構切割工作面的方式，掘進機可分為部分斷面隧道掘進機和全斷面隧道掘進機兩大類。第六章隧道掘進機械二、部分斷面隧道掘進機

以ELMB型隧道掘進機為例，說明部分斷面隧道掘進機的結構和工作方式。第六章隧道掘進機械圖6-7ELMB型隧道掘進機1-截割頭2-懸臂3-裝運機構4-行走機構5-液壓泵站6-電氣箱7-操縱箱8-支承液壓缸9-駕駛員座10-膠帶轉載機二、部分斷面隧道掘進機1、工作機構ELMB隧道掘進機的工作機構采用懸臂式工作機構。

這種工作機構的優(yōu)點是：懸臂可以沿工作面的水平或垂直方向上作左右或上下擺動，對復雜的地質條件適應性較好，能掘出各種形狀的斷面，結構簡單，便于維修和更換截齒，也可及時支護隧道。但由于懸臂較長，影響機器的穩(wěn)定性。第六章隧道掘進機械

2、裝載與轉運機構ELMB型隧道掘進機蟹爪式裝載機構與中間刮板輸送機組成掘進機的裝運機構。截割頭破碎下來的碎巖由裝載機鏟板上的兩個蟹爪扒入中間刮板輸送機。蟹爪工作機構如圖6-10所示。第六章隧道掘進機械圖6-10蟹爪工作機構1-蟹爪；2-鏟板；3-曲柄圓盤；4-連桿；5-搖桿；6-刮板輸送機3、行走機構ELMB型隧道掘進機采用履帶行走機構，左右履帶分別由一臺內曲線大轉矩液壓馬達驅動。4、液壓系統(tǒng)ELMB型隧道掘進機除截割頭為電動機單獨驅動外，其余部分均為液壓傳動，整個液壓系統(tǒng)由一臺45kW雙出軸電動機分別驅動兩臺雙聯(lián)齒輪泵，為各液壓馬達和液壓缸提供壓力油。ELMB型隧道掘進機液壓系統(tǒng)共設四個回路，即裝運回路、行走回路、工作機構及鏟板回路和轉載及起重回路。第六章隧道掘進機械5、除塵裝置為了降低工作面的粉塵，目前，部分斷面隧道掘進機均設置有外噴霧或內、外噴霧結合的噴霧滅塵系統(tǒng)。ELMB型隧道掘進機的噴霧滅塵系統(tǒng)如圖6-11所示。設有內噴霧、外噴霧和冷卻-引射噴霧三部分：(1)水→水門→三通→工作臂→內噴霧裝置；(2)水→水門→三通→節(jié)流閥→外噴霧裝置；(3)水→水門→液壓系統(tǒng)冷卻器→水冷電動機→引射噴霧器。

圖6-11ELMB型掘進機內外噴霧滅塵系統(tǒng)第六章隧道掘進機械三、全斷面隧道掘進機全斷面隧道掘進機是一種全斷面巖石掘進機械，主要用于水利工程、鐵路隧道、城市地下交通和礦山等部門。(一)全斷面隧道掘進機的工作原理巖石掘進機是在堅硬度系數8～12以上的條件下破碎巖石，巖石的抗壓強度高達200MPa，巖石掘進機一般采用盤形滾刀破巖。在驅動刀盤運動時，安裝在刀盤心軸上的盤形滾刀沿巖壁表面滾動，液壓缸將刀盤壓向巖壁，從而使?jié)L刀刃面將巖石壓碎而切入巖體中。刀盤上的滾刀在巖壁表面擠壓出同心凹槽，凹槽達到一定深度時，相鄰兩凹槽間的巖石被滾刀剪切成片狀碎片剝落下來。在巖渣中，片狀碎片約占80％-90％，而巖粉的含量較少。第六章隧道掘進機械(二)全斷面隧道掘進機的結構TBM32型全斷面隧道掘進機的總體結構如圖6-12所示。

圖6-12TBM32型全斷面隧道掘進機的總體結構1-刀盤；2-機頭架；3-傳動裝置；4-推進液壓缸；5-水平支撐機構；

6-液壓傳動裝置；7-電氣設備；8-司機室；9-皮帶轉載機；

10-除塵風機；11-大梁第六章隧道掘進機械1、刀盤刀盤工作機構的結構如圖6-13所示。圖6-13刀盤工作機構l-中心滾刀；2-正滾刀；3-邊滾刀；4-鏟斗；5-密封圈；6-組合軸承；7-內齒圈；8-中心供水管；9-水泵；10-刀盤第六章隧道掘進機械

刀盤10是由高強度、耐磨損的錳鋼板焊接成的箱形構件。刀盤前盤呈球形，分別裝有雙刃中心滾刀1、正滾刀2、邊滾刀3。鏟斗裝在刀盤的外緣，鏟斗的側壁上分別裝有一個正滾刀和一個邊滾刀。刀盤通過組合軸承6支承在機頭架上，組合軸承的內外圈分別與刀盤和機頭架相連接。2、刀盤的傳動系統(tǒng)TBM32型全斷面隧道掘進機刀盤的傳動系統(tǒng)如圖6-15所示。機頭架兩側的兩臺電機，經兩級行星齒輪減速器和一級內齒輪傳動驅動刀盤轉動，兩臺電動機中有一臺電機是兩端出軸的，右端出軸經摩擦離合器和液壓馬達相連，點動液壓馬達可實現(xiàn)刀盤的微動，以調整刀盤入口處的位置，使司機由入口進入刀盤前端檢查和更換刀具。第六章隧道掘進機械

圖6-15TBM32型全斷面隧道掘進機刀盤傳動系統(tǒng)第六章隧道掘進機械3、行走機構掘進機的行走機構由水平支撐和推進液壓缸兩部分組成，以實現(xiàn)巖石掘進機的邁步行走并使刀盤獲得足夠大的推進力，TBM32型全斷面隧道掘進機行走機構的結構如圖6-16所示。圖6-16TBM3251全斷面隧道掘進機的行走機構l-推進缸；2-斜缸；

3-水平支撐板；4-鞍座；5-復位彈簧；6-球頭壓蓋；7-水平支撐缸第六章隧道掘進機械第四節(jié)盾構機一、概述

在我國，習慣上將用于軟土地層的隧道掘進機簡稱為盾構機或盾構，其全名叫盾構隧道掘進機。

盾構是一種集開挖、支護、襯砌等多種作業(yè)于一體的大型隧道施工機械，即用鋼板做成圓筒形的結構，在開挖隧道時，作臨時支護，在筒形結構內安裝開挖、運渣、拼裝隧道襯砌的機械及動力站等裝置。

使用盾構機械來建筑隧道的方法稱為盾構施工法。第六章隧道掘進機械二、機械化盾構的主要結構機械化盾構有多種形式，按切削機構劃分有切削輪式、挖掘式、銑削臂式等，按切削方式區(qū)分有旋轉切削式和網格切削式等。不論是何種形式，都由以下幾部分組成，即切削機構、盾殼、動力裝置、拼裝機、推進裝置、出料裝置和控制設備等。1、切削部分1)切削刀2)切削面的型式3)切削輪支承機構和頂進機構4)切削輪的驅動機構2、盾殼盾殼即盾構的外殼或叫盾體，是盾構各機構的骨架和基礎。盾殼由切口環(huán)、支承環(huán)及鋼板束鉚接或螺栓連接起來的，如圖6-18所示。第六章隧道掘進機械

圖6-18盾殼結構簡圖1-切口環(huán)；2-支承環(huán)；3-鋼板束；4-立柱；5-橫梁；6-盾尾密封；7-蓋板第六章隧道掘進機械3、動力裝置盾構機械的動力主要是電力和液壓動力，隨著液壓技術的發(fā)展，采用全液壓為動力的盾構會越來越多。4、拼裝機構隨著盾構的向前推進，隧道的永久支護需要同時進行拼裝。即將地面上預制好的鋼筋混凝土管片，運輸到盾構尾部，然后用拼裝機構逐片拼裝。隧道的永久支護多為圓形，如圖6-19所示。圖6-19拱片拼裝圖1、2、3、4、5、6-拼裝順序；A-標準塊；B-鄰接塊；C-封頂塊第六章隧道掘進機械5、推進和調向裝置盾構推進裝置如圖6-20所示。在盾殼支承環(huán)部裝有四組八個推進油缸，若同時工作則盾構直線前進。

圖6-20盾構的推進裝置1、2、3、4-位推進油缸組；5-盾殼；6-推進油缸；7-切削輪；8-襯砌環(huán)第六章隧道掘進機械6、出料裝置盾構掘進的同時，需要將挖下來的土及時輸送出去，無論哪種型式的盾構，都要有出渣裝置。目前多數采用皮帶輸送機，也有用刮板輸送機的。若是泥水加壓式盾構，那就必須采用真空管道輸送出渣。7、控制裝置盾構在掘進中，由于地層阻力、刀盤切削反作用力以及推進千斤頂作用力等的不均，使盾構隨時有可能偏離既定的中心，這是不允許的。為了保證盾構按預定的線路中心線頂進，盾構的導向和調向是很重要的因素。

常用的導向裝置是激光導向裝置，分為激光發(fā)射裝置、檢查和轉換裝置及控制裝置三部分。盾構的調向包括糾偏和曲線段施工，主要有兩種方法：一種是分組開動千斤頂；另一種方法是改變在盾構推進時切口環(huán)周邊的阻力。第六章隧道掘進機械三、盾構施工法及適用范圍1、盾構施工方法1）在置放盾構機的地方打一個垂直井，再用混泥土墻進行加固；2）將盾構機安裝到井底，并裝配相應的千斤頂；3）用千斤頂之力驅動井底部的盾構機往水平方向前進，形成隧道；4）將開挖好的隧道邊墻用事先制作好的混泥土襯砌加固，地壓較高時可以采用澆鑄的鋼制襯砌加固來代替混泥土襯砌。第六章隧道掘進機械2、幾種盾構法的適用范圍切削輪式盾構用主軸旋轉驅動切削輪挖土，隨切削輪施轉的周邊鏟斗將挖下的土屑傾落于皮帶輸送機上，運輸機將土運到盾構后部的運土斗車里，再由牽引車運往洞外。同時，推進千斤頂將盾構不斷推進，當推進到一個襯砌管片寬度后，立即進行逐片拼裝管片的拼裝，整圈襯砌拼裝完后，再開始繼續(xù)挖土和盾構頂進，如圖中6-21所示。

圖6-21盾構施工法示意圖1-盾構；2-管片臺車；3-土斗車；4-軌道；5-材料場；6-起重機；7-棄土倉第六章隧道掘進機械2)氣壓式盾構圖6-22為氣壓式盾構施工圖。為了防止掌子面坍塌，將工作面密封在具有一定氣壓下，阻止地下水外流，以利于挖土。在較大的砂礫層地質中使用氣壓是無效的。

圖6-22氣壓式盾構施工1-盾構卸土器；2、3-皮帶機；4-運土車；5-氣壓工作區(qū)；6-氣閘；7-壓氣機第六章隧道掘進機械3)泥水加壓式盾構在盾構前部設