吴玲珑
葛洲坝集团第一工程有限公司
摘要：TBM（全断面硬岩掘进机）主要利用滚刀对岩石进行挤压、切削、破碎，再利用刮渣板收集通过溜渣槽送到皮带机出渣，最后通过换步持续前进，从而达到掘进、出渣、衬砌等工序一次完成，全断面一次成型，是高度机械化、信息化和自动化的大型地下隧道开挖成套设备，具有高效、快速、优质、安全等特点。
关键词：TBM；原理组成；组装；参数优缺点发展
一、工程概况
埃塞俄比亚GD-3水电站装机规模为254MW，GD-3水电站位于北纬5°38′，东经39°43′，属热带雨林区。工程现场位于埃塞俄比亚首都亚的斯南部偏东约400公里，距肯尼亚边境约200公里，距索马里边境100多公里。
水电站进水口位于大坝左岸上游河段，引水隧洞直径8.1m，硬岩掘进机开挖长度约为10.4m。工程区地形较陡峭，地形坡度大多在30°以上。低压隧洞硬岩掘进机施工段地表地形为较高的山地。
二、掘进机工作原理及结构组成
硬岩掘进机是集中导航系统、机械结构、电气系统、液压系统、风水循环系统、除尘系统、支护系统及出渣系统等多种功能于一体的现代综合性隧洞施工设备，而用于本工程的双护盾紧凑型全断面硬岩掘进机（以下简称TBM）是新一代产品，有更加广泛的地址条件适应性、更短的盾体长度、更大的主推进力、更及时的支护等优点。
工作原理：利用支撑护盾上的撑靴张开撑紧洞壁，推进油缸伸开，推动前盾带动刀盘前进，刀盘上的滚刀以形成同心圆的方式挤压、剪切岩石，岩石自由掉下通过刀盘周边铲渣斗自动拾起经溜渣槽送到主机皮带机上，经过转渣皮带机输送到洞外，伸展稳定器及辅助支撑油缸，收缩撑靴油缸，主推进油缸收缩，拉动后配套部分前进，完成一个工作循环，通过不断重复而达到不断掘进的过程。
结构组成：设备总长约110米，直径8130mm，总重约1000T。组成如下：刀盘、前护盾、伸缩护盾、支撑护盾、指型护盾、主梁、连接桥、设备桥、后配套等。
三、整机组装流程
1、拼装刀盘，2、将前护盾底块在混凝土基座上就位，3、安装底伸缩盾，4、将已预装了主轴承的刀盘支座就位在前护盾底块上并予以固定，5、将前护盾左块就位，6、将支撑护盾底块在混凝土基座上就位，7、将已装好并固定好的撑靴侧块就位，8、安装下撑靴油缸，9、在下半部盾体上安装主推进缸和电机，10、用起重机吊装刀盘与主轴承连接，11、安装前护盾的上块，12、安装上部撑靴油缸，吊装支撑护盾的上块，13、完成刀盘电机和主推进缸的安装，安装稳定器和辅助撑靴，14、安装辅助推进油缸，15、安装主梁、安装连接桥和设备桥，16、组装后配套及配套设备和组件等。
四、TBM主要参数选择
1.刀盘直径
TBM直径越大，TBM设计、制造、运输、组装和施工的技术难度越大；TBM直径越小，作业空间狭小，设备布置越困难。
刀盘直径根据开挖直径来决定，要求有一定的扩挖能力，需要考虑成洞直径、支护要求围岩的变形的综合因素。直径扩挖主要是防止围岩变形卡机，加垫扩挖能力一般在60mm左右。
2.刀具直径
一般采用盘形滚刀，刀具基本元件是刀圈、刀体、刀轴、轴承组合件、密封、端盖等。为了增加TBM刀具的贯入度和纯掘进速度，需取得较高的承载能力和耐磨性，从而具有更高的刀具额定推力。
不同厂家刀具最大差别在于材料、热处理工艺以及刀圈剖面的几何形状。刀具设计的主要问题是在其耐磨性和韧性间找到平衡点。刀圈外形轮廓已由原来的楔形刀圈向等厚度刀圈发展。
3.刀间距和刀具数
每把刀具的推力和刀间距是提高贯入度，进而提高掘进速度。在给定的地质条件下，减小刀间距时，获得一定掘进速度所需的推力（每把）将下降。在硬岩情况下，维持每把刀推力不变，通过减少刀间距，可以增加掘进速度。但是，相应要求增加机器总推力，并产生更小的碎石，而碎石愈小，切削岩石要求的比能愈大，开挖过程的经济性愈小。
刀间距主要是地质的函数。在硬岩情况下，它为切深的10～20倍，在65～90mm之间；在软岩情况下约是100mm。在实际中，为了提高TBM适应性，刀间距尽可能小，以防遇到超硬岩石情况。
在给定地质条件和刀间距下，刀具数随开挖直径成正比。减少刀具数，不增加每把刀最大平均载荷，刀间距的增加将导致掘进速度的降低。在一定的岩石条件下，刀间距太大，会增加刀圈的磨损，相应降低刀圈的寿命，增加TBM停机时间。较多刀具与岩石接触，可以降低TBM振动，并减少破碎岩层断面的尺寸。从而降低卡刀盘的风险。
五、TBM施工优缺点
1、TBM法的优点
掘进效率高：连续作业，能保证破岩、出碴、支护一条龙作业。特别在稳定的围岩中长距离施工时，尤其明显。
开挖施工质量好：超挖量少，内壁光滑，不存在凹凸现象，减少支护工程量，降低工程费用。
对岩石的扰动小：改善开挖面的施工条件。周围岩层稳定性较好，保证了施工人员的健康和安全。
施工安全：TBM可在防护棚内进行刀具的更换，密闭式操纵室和高性能的除尘器的采用，使安全性和作业环境有了较大的改善。
2、TBM法的缺点
适应性较差：对多变的地质条件的适应性较差。
经济性问题：掘进机结构复杂，制造的价格较高，难用于短隧道。
制造工期长：掘进机需要针对性的设计、制造、安装，需要大量的准备时间。
开挖不同断面问题：施工途中不能改变开挖直径。
3、掘进机在各类隧道开挖中的技术可行性、经济合理性主要取决于：
工程规模：隧道形状、长度、直径、埋深、走向以及围岩条件等。
地质情况：岩石类型及强度，地质的节理分布及发育程度，地下水的分布，隧道正上方有无建筑物、河流等。
作业场地：交通运输能力、起重设备、水电来源、进出洞口场地等。
企业自身的实际能力：制造维修能力、经济能力，施工队伍的技术、管理水平等。
六、结语
TBM设计已进入了高新技术时代，TBM法机械化开挖越来越发展成为工业化工程的一个分支。TBM法隧道掘进在开挖作业、劳动力与环境安全及性能方面的优势是十分显著的。
随着我国的经济高速发展，作为基础设施建设的交通、水利、能源将放在优先地位。我国应广泛吸取国际先进技术，组织跨地区、跨行业、跨学科的产学研技术队伍，立足自主技术创新，通过攻关掌握具有自主知识产权的设计集成技术，通过关键零部件国际优化采购的方式，逐步依托国内隧洞工程，实现自主设计、集成，制造出具有国际水平的掘进机及其配套系统，为国内工程建设服务。
参考文献：
[1]茅承觉.全断面岩石掘进机发展概况.工程机械1992（6）
[2]王彦武，常晓刚。全断面岩石掘进机主要技术及前景展望2005（3）
论文作者:吴玲珑
论文发表刊物:《基层建设》2015年22期供稿
论文发表时间:2016/3/15
标签：直径论文; 刀具论文; 岩石论文; 间距论文; 断面论文; 掘进机论文; 作业论文; 《基层建设》2015年22期供稿论文;