全断面掘进机简介

5　岩石掘进机施工

本章导读：

在岩石中开凿洞式地下工程时，除采用常规的钻眼爆破法外，还可采用掘进机施工。掘进机是指能够直接截割、破碎工作面岩石，同时完成装载、转运岩石，并可调动行走和进行喷雾除尘的功能，有的还具有支护功能，以机械方式破落岩体的隧（巷）道掘进综合机械。

●主要教学内容：掘进机按其结构特征和工作机构破岩方式的不同，分为全断面掘进机和部分断面掘进机（又叫悬臂式掘进机）两大类。本章将重点介绍这两类掘进机，包括掘进机简介、掘进机的构造、掘进机的选择、掘进机施工。

●教学基本要求：了解掘进机的基本构造，能够正确选用掘进机；掌握掘进机施工的基本工艺与技术。

●教学重点：掘进机的选型与施工工艺。

●教学难点：掘进机的构造，掘进机的推进与行走方式。

●网络资讯：网站：www.stec.net，www. itbm. cn，www.shkm. com。关键词：TBM，隧道掘进机，全断面掘进机，悬臂式掘进机，掘进机施工。

5.1　全断面岩石掘进机

5.1.1　全断面掘进机简介

全断面岩石隧道掘进机，简称隧道掘进机（Tunnel Boring Machine，缩写为TBM），是一种用于圆形断面隧道、采用滚压式切削盘在全断面范围内破碎岩石，集破岩、装岩、转载、支护于一体的大型综合掘进机械，现已成为国外较长隧道开挖普遍采用的方法。TBM具有驱动动力大、能在全断面上连续破岩、生产能力大、效率高、操作自动化程度高等特点，具有快速、一次性成洞、衬砌量少等优点。

1）掘进机的发展与应用

全断面岩石隧道掘进机在国外的研究较早，我国始于20世纪60年代。1966年我国生产出第一台φ3.4 m的掘进机；70年代试制出SJ55、SJ58、SJ64、EJ30等掘进机；80年代进入实用性阶段，研制出SJ58A、EJ50等多种机型，应用于河北引滦水利工程、青岛引黄水利工程、山西古交煤矿工程等，并开始从国外引进二手掘进机用于国内施工；到90年代，随着我国大型水利、交通隧道工程的出现，开始从欧美引进大型的先进掘进机和管理方法，如秦岭Ⅰ线铁路隧道，全长18.46 km，首次采用世界先进的Wirth TB880E型（德国产）敞开式硬岩掘进机，掘进直径8.8m，取得单头月进528 m的好成绩。

全断面岩石隧道掘进机利用圆形的刀盘破碎岩石，故又称刀盘式掘进机。刀盘的直径多为3～10 m，其中，3～5 m的较适用于小型水利水电隧道工程和矿山巷道工程，5 m以上适应于大型的隧道工程。国外生产的岩石掘进机直径较大，目前最大可达13.9 m。全断面岩石隧道掘进机的基本功能是掘进、出渣、导向和支护，并配置有完成这些功能的机构。除此之外还配备有后配套系统，如运渣运料、支护、供电、供水、排水、通风等系统设备，故总长度较大，一般为150～300 m。

2）掘进机的类型与结构

全断面掘进机按掘进的方式分全断面一次掘进式（又称为一次成洞）和分次扩孔掘进式（又称为两次成洞）；按掘进机是否带有护壳分为敞开式和护盾式。

掘进机的结构部件可分为机构和系统两大类。机构包括刀盘、护盾、支撑、推进、主轴、机架及附属设施设备等，系统包括驱动、出渣、润滑、液压、供水、除尘、电气、定位导向、信息处理、地质预测、支护、吊运等，它们各具功能、相互连接、相辅相成，构成有机整体，完成开挖、出渣和成洞功能。

刀具、刀盘、大轴、刀盘驱动系统、刀盘支承、掘进机头部机构、司机室以及出渣、液压、电气等系统，不同类型的掘进机大体相似。从掘进机头部向后的机构和结构、衬砌支护系统，敞开式掘进机和护盾式掘进机的区别较大。

（1）敞开式TBM

敞开式TBM是一种用于中硬岩及硬岩隧道掘进的机械。由于围岩比较好，掘进机的顶护盾后，洞壁岩石可以裸露在外，故称敞开式。敞开式掘进机的主要类型有Robbins、WirthTB880E等，其中Robbinsφ8.0 m型如图5.1所示。它主要由三大部分组成：切削盘，切削盘支承与主梁，支撑与推进总成。切削盘支承和主梁是掘进机的总骨架，二者联为一体，为所有其他部件提供安装位置；切削盘支承分顶部支承、侧支承、垂直前支承，每侧的支承用液压缸定位；主梁为箱形结构，内置出渣胶带机，两侧有液压、润滑、水气管路等。

TBM的支撑分主支撑和后支撑。主支撑由支撑架、液压缸、导向杆和靴板组成，靴板在洞壁上的支撑力由液压油缸产生，并直接与洞壁贴合。主支撑的作用，一是支撑掘进机中后部的重力，保证机器工作时的稳定；二是承受刀盘旋转和推进所形成的扭矩与推力。后支撑位于掘进机的尾部，用于支撑掘进机尾部的机构。主支撑的形式有单T形和双X形两种。

图5.1　Robbinsφ8.0m型敞开式全断面掘进机
1—顶部支承；2—顶部侧支承；3—主机架；4—推进油缸；5—主支撑架；6—TBM主机架后部；7—通风管；8—皮带输送机；9—后支承带靴；10—主支撑靴；11—刀盘主驱动；12—左右侧支承；13—垂直前支承；14—刀盘；15—锚杆钻；16—探测孔凿岩机

掘进机的工作部分由切削盘、切削盘支承及其稳定部件、主轴承、传动系统、主梁、后支腿及石渣输送带组成。其工作原理是支撑机构撑紧洞壁，刀盘旋转，液压油缸推进，盘型滚刀破碎岩石，出渣系统出渣而实现连续开挖作业。其工作步骤是：

①主支撑撑紧洞壁，刀盘开始旋转。

②推进油缸活塞杆伸出，推进刀盘掘进一个行程，停止转动，后支撑腿伸出抵到仰拱上。

③主支撑缩回，推进油缸活塞杆缩回，拉动机器的后部前进。

④主支撑伸出，撑紧洞壁，提起后支腿，给掘进机定位，转入下一个循环。

掘进机掘进时由切削头切削下来的岩渣，经机器上部的输送带运送到掘进机后部，卸入后配套运输设备中。掘进机上装备有打顶部锚杆孔和超前探测（注浆）孔的凿岩机，探测孔可超前工作面25～40 m。顶护盾后设有两台锚杆安装机、混凝土喷射机、灌浆机和钢环梁安装机等以及支护作业平台。喷射机、灌浆机等安设在后配套拖车上。

（2）护盾式TBM

护盾式TBM按其护壳的数量分单护盾、双护盾和三护盾三种，我国以双护盾掘进机为多。双护盾为伸缩式，以适应不同的地层，尤其适用于软岩破碎或地质条件复杂的隧道。

双护盾式掘进机没有主梁和后支撑，除了机头内的主推进油缸外，还有辅助油缸。辅助推进油缸只在水平支撑油缸不能撑紧洞壁进行掘进作业时使用，辅助油缸推进时作用在管片上。护盾式掘进机只有水平支撑，没有X形支撑。

刀盘支承用螺栓与上、下刀盘支撑体组成掘进机机头。与机头相连的是前护盾，其后是伸缩套、后护盾、盾尾等构件，它们均用优质钢板卷成。前护盾的主要作用是防止岩渣掉落，保护机器和人员安全，增大接地面积以减小接地比压。伸缩套的作用是在后护盾固定、前护盾伸出时，保护前后护盾之间的推进缸和人员的安全。后护盾前端与推进缸及伸缩套油缸连接；中部装有水平支撑机构，水平支撑靴板的外圆与后护盾的外圆相一致，构成了一个完整的盾壳；后部与混凝土管片安装机相接。

由于双护盾掘进机适用于不良岩体，机后用拼装式管片支护，因此掘进机上还须配置管片安装机和相应的灌浆设备。

护盾式掘进机的主要类型有Robbins、TB539H／MS等，德国的TB880H／TS（φ8.8 m）型如图5.2所示，它由装切削盘的前盾、装支撑装置的后盾（主盾）、连接前后盾的伸缩部分以及为安装预制混凝土块的盾尾组成。

图5.2　TB880H／TS（φ8.8 m）型护盾式全断面掘进机
1—刀盘；2—石渣漏斗；3—刀盘驱动装置；4—支撑装置；5—盾尾密封；6—凿岩机；7—砌块安装器；8—砌块输送车；9—盾尾面；10—辅助推进液压缸；11—后盾；12—主推进液压缸；13—前盾；14—支撑油缸；15—带式输送机

该类掘进机在围岩状态良好时，掘进与预制块支护可同时进行；在松软岩层中，二者需分别进行。机器所配备的辅助设备有衬砌回填系统、探测（注浆）孔钻机、注浆设备、混凝土喷射机、粉尘控制与通风系统、数据记录系统、导向系统等。

（3）扩孔式全断面掘进机

当隧道断面过大时，会带来电能不足、运输困难、造价过高等问题，在采用其他全断面掘进机一次掘进技术经济效果不佳时可采用扩孔式全断面掘进机。

扩孔式全断面掘进机是先采用小直径TBM先行在隧道中心用导洞导通，再用扩孔机进行一次或两次扩孔。为保证掘进机支撑有足够的撑紧力，导洞的最小直径为3.3 m，扩孔的孔径一般不超过导洞孔径的2.5倍。国外施工的一条隧道，先用直径3.5 m的掘进机开挖，然后用扩挖机扩大到10.46 m。

扩孔机掘进的优点是：导洞可探明地质情况；扩孔时便于排水、通风；中心导洞速度快，可早日贯通或与辅助通道接通；扩孔机后面的空间大，有利于紧后进行支护作业。

3）掘进机的后配套系统

全断面掘进机的后配套系统是实现TBM快速掘进的重要组成部分，包括出渣运输系统、支护系统、通风系统、液压系统、供电系统、降温系统、防尘系统、供水系统以及生活服务设施、小型维修等。

TBM后配套系统主要是轨行门架式（图5.3），与出渣列车（斗车和电机车）相配合形成轨行式出渣系统。它由一系列轨行门架串接而成，门架数量根据一个掘进行程、后配套设备和临时支护的数量、规格确定。

门架内主要用于车辆的通行，门架的两侧用于安设液压泵站、供电、供气、排水设备及喷混凝土、打锚杆等支护设施。门架顶部主要安装皮带输送机和通风除尘管道。

例如，Wirthφ8.8 m敞开式TBM后配套为由1个过桥和17台门架组成的有平台型系统，门架内为全长双轨线路。过桥用于连接掘进机和平台车。石渣经过桥输送到后配套输送带上，运至一对卸渣漏斗，卸入停放在下面的两列斗车（20 m3／辆）列车（每列10辆）内，由电机车或内燃机车成列运出。漏斗可纵向移动，石渣装车时不需转轨。

常用的后配套设备主要有：

①根据不同的出渣运输及供料方式，配备出渣运输及供料所要使用的设备，如牵引机车、出渣矿车、管片平台车、豆砾石罐车（豆砾石用于壁后充填）、散装水泥车、皮带输送机等。

图5.3　门架形式
1—进风管；2—排气管；3—仰拱块；4—运输车辆；5—门架

②根据掘进机类型和围岩条件配备相应的支护设备，如喷混凝土机、锚杆机、钻孔机、注浆机、混凝土搅拌机、混凝土输送车、牵引电瓶车、混凝土输送泵、钢模板台车等。

③通风、除尘设备的配置主要有通风机、风管、除尘机等。

5.1.2　掘进机的选择

1）选择原则

①安全性、可靠性、实用性、先进性、经济性相统一。一般应按照安全性、可靠性、适用性第一，兼顾技术先进性和经济性的原则进行。

②满足隧道外径、长度、埋深和地质条件，沿线地形以及洞口等环境条件。

③满足安全、质量、工期、造价及环保要求。

④考虑工程进度、生产能力对机器的要求，以及配件供应、维修能力等因素。

掘进机设备选型时首先根据地质条件确定掘进机的类型；然后根据隧道设计参数及地质条件确定主机的主要技术参数；最后根据生产能力与主机掘进速度相匹配的原则，确定后配套设备的技术参数与功能配置。

2）掘进机选择应考虑的因素

（1）隧道的长度和弯曲度

一般认为，全断面掘进机在3 km以上的隧道中使用才具有较好的技术经济效果。隧道的曲线半径一般在200 m以上。隧道的拐弯半径必须大于或等于机器所要求的拐弯半径。

（2）隧道断面大小

每种机型都有一定的使用范围，选用时应考虑其最佳掘进断面积。如断面过大，可考虑扩孔机掘进或者先用小直径全断面掘进机掘进再用钻爆法扩挖。

（3）岩石性质

影响掘进机选型的地质因素有岩石的坚硬程度、结构面的发育程度、岩石的耐磨性、围岩的初始地应力状态、岩体的含水出水状态等，要根据地质条件合理选择掘进机。

3）掘进机台数的选择

根据隧道数目及长度、工期要求、开挖顺序方案等选择掘进机的台数。如英法海峡隧道由两条长50余千米的并列隧道组成，通过竖井实行多头多向同时施工，使用了11台掘进机；秦岭Ⅰ线铁路隧道，长18.46 km，采用了两台掘进机进行对头施工。

4）掘进机主要技术参数的选择

确定了掘进机类型后，要针对具体工程的设计参数、地质条件、掘进长度确定主机的主要技术参数，选择对地层适应性强、整机功能可靠、可操作性及安全性较强的机型。掘进机的主要技术参数包括刀盘直径、刀盘转速与扭矩、刀盘驱动功率、掘进推力和行程、贯入度等。

5）后配套设备的选择

后配套选型时应遵循的原则：设备的技术参数、功能、形式应与主机配套；应满足连续出渣，生产能力与主机掘进速度相匹配的要求；结构简单、体积小、布置合理；能耗小、效率高、造价相对较低；安全可靠；易于维修和保养。具体选择时，应根据隧道所处的位置走向、隧道直径、开挖长度、衬砌方式等因素综合分析确定。

匹配设备的生产能力，要考虑留有适当余地。进入隧道的机械，其动力宜优先选择电力机械。出渣运输设备选型首先要与掘进机的生产能力相匹配，其次从技术经济角度分析，选用技术上可靠、经济上合理的方案。

5.1.3　掘进机施工

掘进机的基本施工工艺是刀盘旋转破碎岩石，岩渣由刀盘上的铲斗运至掘进机的上方，靠自重下落至溜渣槽，进入机头内的运渣胶带机，然后由带式输送机转载到矿车内，利用电机车拉到洞外卸载。掘进机在推力的作用下向前推进，每掘进一个行程便根据情况对围岩进行支护。整个掘进工艺如图5.4所示。

图5.4　全断面岩石掘进机工作示意图

1）施工准备

（1）技术准备

掘进施工前应熟悉和复核设计文件和施工图，熟悉有关技术标准、技术条件、设计原则和设计规范，编制实施性施工组织设计等。

（2）物质准备

包括试验、测量及监测仪器，通风设施和出渣方式，洞内供料方式和运输设备，供电设备，管片制作存放场地等。结合进度制订合理的材料供应计划，做好钢材、木材、水泥、砂石料和混凝土等材料的采购、进货、检验等工作。

（3）人力准备

隧道施工作业人员应专业齐全、满足施工要求，人员须经过专业培训、持证上岗。

（4）施工场地布置

隧道洞外场地应包括主机及后配套拼装场、混凝土搅拌站、预制车间、预制块（管片）堆放场、维修车间、料场、翻车机及临时渣场、洞外生产房屋、主机及后配套存放场、职工生活房屋等，其临时占地面积为60～80亩，洞外场地开阔时可适当放大。

（5）预备洞、出发洞

TBM正式工作前需要开挖一定深度的预备洞和出发洞。预备洞是指自洞口用钻爆法挖掘到围岩条件较好的洞段，用于机器撑靴的撑紧；出发洞是由预备洞再向里按刀盘直径掘出，用以TBM主机进入的洞段。如秦岭Ⅰ线隧道预备洞为300 m，出发洞为10 m。

2）掘进作业

掘进机在进入预备洞和出发洞后即可开始掘进作业。掘进作业分起始段施工、正常推进和到达出洞三个阶段。

（1）掘进机始发

掘进机空载调试运转正常后开始掘进机始发施工。开始推进时通过控制推进油缸行程，使掘进机沿始发台向前推进，因此始发台必须固定牢靠、位置正确。刀盘抵达工作面开始转动刀盘，直至将岩面切削平整后开始正常掘进。在始发掘进时，应以低速度、低推力进行试掘进，了解设备对岩石的适应性，对刚组装调试好的设备进行试机作业。在始发磨合期，要加强掘进参数的控制，逐渐加大推力。

推进速度要保持相对平稳，控制好每次的纠偏量。灌浆量要根据围岩情况、推进速度、出渣量等及时调整。始发操作中，司机需逐步掌握操作的规律性，班组作业人员逐步掌握掘进机作业工序，在掌握掘进机法的作业规律性后，再加大掘进机的有关参数。

始发时要加强测量工作，把掘进机的姿态控制在一定的范围内，通过管片、抑拱块的铺设、掘进机本身的调整来达到姿态的控制。

掘进机始发进入起始段施工，一般根据掘进机的长度、现场及地层条件将起始段定为50～100 m。起始段掘进是掌握、了解掘进机性能及施工规律的过程。

（2）正常掘进

掘进机正常掘进的工作模式一般有自动扭矩控制、自动推力控制和手动控制模式三种，应根据地质情况合理选用。在均质硬岩条件下，选择自动控制推力模式；在节理发育或软弱围岩条件下，选择自动控制扭矩模式；掌子面围岩软硬不均，如果不能判定围岩状态，选择手动控制模式。

掘进机推进时的掘进速度及推力应根据地质情况确定，在破碎地段严格控制出渣量，使之与掘进速度相匹配，避免出现掌子面前方大范围坍塌。

掘进过程中，观察各仪表显示是否正常；检查风、水、电、润滑系统、液压系统的供给是否正常；检查气体报警系统是否处于工作状态和气体浓度是否超限。

施工过程中要进行实际地质的描述记录、相应地段岩石物理特性的实验记录、掘进参数和掘进速度的记录并加以图表化，以便根据不同地质状况选择和及时调整掘进参数，减少刀具过大的冲击荷载。硬岩情况下选择刀盘高速旋转掘进，正常情况下，推进速度一般为额定值的75%左右。节理发育的软岩状况下作业，掘进推力较小，采用自动扭矩控制模式时要密切观察扭矩变化和整个设备振动的变化，当变化幅度较大时，应减少刀盘推力，保持一定合适的贯入度，并时刻观察石渣的变化，尽最大可能减少刀具漏油及轴承的损坏。节理发育且硬度变化较大围岩状况时，推进速度控制在30%以下。节理较发育、裂隙较多，或存在破碎带、断层等地质情况下作业，以自动扭矩控制模式为主选择和调整掘进参数，同时应密切观察扭矩变化、电流变化及推进力值和围岩状况，控制扭矩变化范围在10%以下，降低推进速度，控制贯入度指标。在硬岩情况下，刀盘转速一般为6 r／min左右，进入软弱围岩过渡段后期时调整为3～6 r／min，完全进入软弱围岩时维持在2 r／min左右。

在掘进过程中发现贯入度和扭矩增加时，适时降低推力，对贯入度有所控制，这样才能保持均衡的生产效率，减少刀具的消耗。硬岩时，贯入度一般为9～12 mm，软弱围岩一般为3～6 mm。扭矩在硬岩情况下一般为额定值的50%，软弱围岩时为80%左右。

在软弱围岩条件下的掘进，应特别注意支撑靴的位置和压力变化。撑靴位置不好，会造成打滑、停机，直接影响掘进方向的准确，如果由于机型条件限制而无法调整撑靴位置时，应对该位置进行预加固处理。此外，撑靴刚撑到洞壁时极易塌陷，应观察仪表盘上撑靴压力值下降速度，注意及时补压，防止发生打滑。硬岩时，支撑力一般为额定值，软弱围岩中为最低限定值。

掘进机推进过程中必须严格控制推进轴线，使掘进机的运动轨迹在设计轴线允许偏差范围内。双护盾掘进机自转量应控制在设计允许值范围内，并随时调整。双护盾掘进机在竖曲线与平曲线段施工应考虑已成环隧道管片竖、横向位移对轴线控制量的影响。

掘进中要密切注意和严格控制掘进机的方向。掘进机方向控制包括两个方面：一是掘进机本身能够进行导向和纠偏，二是确保掘进方向的正确。导向功能包含方向的确定、方向的调整、偏转的调整。掘进机的位置采用激光导向系统确定，激光导向、调向油缸、纠偏油缸是导向、调向的基本装置。在每一循环作业前，操作司机应根据导向系统显示的主机位置数据进行调向作业。采用自动导向系统对掘进机姿态进行监测。定期进行人工测量，对自动导向系统进行复核。

当掘进机轴线偏离设计位置时，必须进行纠偏。掘进机开挖姿态与隧道设计中线及高程的偏差控制在±50mm内。实施掘进机纠偏不得损坏已安装的管片，并保证新一环管片的顺利拼装。

掘进机进入溶洞段施工时，利用掘进机的超前钻探孔，对机器前方的溶洞处理情况进行探测。每次钻设20 m长，两次钻探间搭接2 m。在探测到前方的溶洞都已经处理过后，再向前掘进。

（3）到达掘进

到达掘进是指掘进机到达贯通面之前50 m范围内的掘进。掘进机到达终点前，要制订掘进机到达施工方案，做好技术交底，施工人员应明确掘进机适时的桩号及刀盘距贯通面的距离，并按确定的施工方案实施。

到达前必须做好以下工作：检查洞内的测量导线；在洞内拆卸时应检查掘进机拆卸段支护情况；到达所需材料、工具；施工接收导台；做好到达前的其他工作，接收台检查、滑行轨的测量等，要加强变形监测，及时与操作司机沟通。

掘进机掘进至离贯通面100 m时，必须做一次掘进机推进轴线的方向传递测量，以逐渐调整掘进机轴线，保证贯通误差在规定的范围内。到达掘进的最后20 m要根据围岩情况确定合理的掘进参数，要求低速度、小推力和及时的支护或回填灌浆，并做好掘进姿态的预处理工作。

做好出洞场地、洞口段的加固，应保证洞内、洞外联络畅通。

3）支护作业

隧道支护按支护时间分初期支护和二次衬砌支护，按支护形式有锚喷支护、钢拱架支护、管片支护和模筑混凝土支护。

（1）初期支护

初期支护紧随着掘进机的推进进行。支护形式为锚喷、钢拱架或管片。地质条件很差时还要进行超前支护或加固。因此，为适应不同的地质条件，应根据掘进机类型和围岩条件配备相应的支护设备。敞开式掘进机在软弱破碎围岩掘进时必须进行初期支护。初期支护包括：喷混凝土、挂网、锚杆、钢架等。双护盾掘进机一般配置多功能钻机、喷射机、水泥浆注入设备、管片安装机、管片输送器等。

锚喷支护的工艺方法同第2章。

（2）管片施工

采用护盾式掘进机时，要用管片进行支护，其工艺技术要求同盾构法，详见第6章。

平曲线段隧道是使用楔形环管片拼装后形成曲线，拼装方法与直线段施工相同。保证隧道曲线的精度，主要靠控制楔形管片成环精度，要求第一环管片定位要准确。

（3）混凝土仰拱施工

混凝土仰拱是隧道整体道床的一部分，也是TBM后配套承重轨道的基础。TBM每掘进一个循环需要铺设一块仰拱拱块。仰拱块在洞外预制，用机车运入后配套系统，在铺设区转正方向，用仰拱吊机起吊，移到已铺好的仰拱块前就位。拱块铺设前要对地板进行清理，做到无虚渣、无积水、无杂物，铺设后进行底部灌注。

（4）模筑混凝土衬砌

模筑衬砌必须采用拱墙一次成型法施工。衬砌材料的标准、规格、要求等，应符合设计规范规定，施工缝和变形缝应做好防水处理。具体的施工工艺见第2.3节。

混凝土搅拌站的生产能力，应根据铁路隧道每延米混凝土数量和循环进度的要求而定。

4）出渣与运输

掘进机施工，掘进岩渣的运出、支护材料的运进及人员的进出，不仅数量大，而且十分频繁，运输工作跟不上将直接影响施工速度。常用的运输方式有有轨列车运输、无轨车辆运输、带式输送机运输，选择时应根据隧道长度、工期、运输能力、污染情况、隧道基底形式、运输组织方式等因素进行综合比选确定。

有轨运输最为常用，在直径较大的隧道内，有利于使用较多的调车设备，可使用多组列车在单轨或双轨上运行。无轨车辆运输适应性强，在短隧道内使用方便。带式运输机运输可靠、能力大、维修费用低、连续运输，但其适应性和机动性不如轨道运输，安装时需留出一条开阔的运送人员、材料的通道。

牵引设备的牵引能力应满足隧道最大纵坡和运输重量的要求，车辆配置应满足出渣、进料及掘进进度的要求，并考虑一定的余量。

掘进机由斜井进入隧道施工时，井身纵坡宜设计为缓坡，出渣可采用皮带运输，人、料可采用有轨运输。若受地形条件限制，斜井坡度较大时，出渣宜采用皮带运输，人、料运输应进行有轨运输与无轨运输比较。

采用皮带机出渣时，应按掘进机的最高生产能力进行皮带机的选型。皮带机机架应坚固，平、正、直。皮带机全部滚筒和托辊必须与输送带的传动方向成直角。设专人检查皮带的跑偏情况并及时调整。严格按照技术要求设置出渣转载装置。

5）通风除尘工作

掘进机施工的隧道通风，其作用主要是排出人员呼出的气体、掘进机的热量、破碎岩石的粉尘和内燃机等发生的有害气体等。

TBM通风方式有压入式、抽出式、混合式、巷道式、主风机局扇并用式等，施工时要根据所施工隧道的规格、施工方式、周围环境等选择。一般多采用风管压入式通风，其最大的优点是新鲜空气经过管道直接送到开挖面，空气质量好，且通风机不要经常移动，只需接长通风管。压入式通风可采用由化纤增强塑胶布制成的软风管。

掘进机施工的通风分为两次：一次通风和二次通风。一次通风是指洞口到掘进机后面的通风；二次通风是指掘进机后配套拖车后部到掘进机施工区域的通风。一次通风采用软风管，用洞口风机将新鲜风压入到掘进机后部；二次通风管采用硬质风管，在拖车两侧布置，将一次通风经接力增压、降温后继续向前输送，送风口位置布置在掘进机的易发热部件处。

掘进机工作时产生的粉尘，是从切削部与岩石的结合处释放出来的，必须在切削部附近将粉尘收集，通过排风管将其送到除尘机处理。另外，粉尘还需用高压水进行喷洒。

5.1.4　掘进机评述

（1）主要优点

①施工速度快。掘进速度快是掘进机施工的核心优点。其开挖速度一般是钻爆法的3～5倍，花岗片麻岩中月进尺可达500～600 m，大大缩短建设工期，因此修建长、大隧道时应优先采用。

②施工质量好。掘进机开挖的隧道由于是刀具挤压和切割洞壁岩石，所以洞壁光滑美观。开挖的洞径尺寸精确、误差小，可以控制在±2 cm范围内。

③安全性高。掘进机开挖隧道对洞壁外的围岩扰动少，容易保持原围岩的稳定性；掘进机的护盾有利于保护人员安全。掘进机配置有一系列的支护设备，在不良地质处可及时支护以保安全。

④经济效果优。虽然掘进机的纯开挖成本高于钻爆法，但掘进机在施工长度超过3 km的长隧道时，成洞的综合成本要比钻爆法优越。掘进机施工的洞壁光滑，可降低衬砌成本。作业人员少，人员的费用少。掘进速度快，提早成洞，可提早得益。

（2）存在的不足

①设备的一次性投资成本较高。一台φ10 m的全断面掘进机主机加后配套设备价格要上亿元人民币。因此，施工承包商要具有足够的经济实力。

②掘进机的设计制造周期一般需要9个月左右，从确定选用到实际使用约需一年时间。

③一台掘进机只适用于同一个直径的隧道。由于其变径功能差，使其工程上专用性和制造上的单件性，使成本增加。有的虽已考虑变径问题，但可调范围不大。

④全断面岩石隧道掘进机对地质条件的适应性不如钻眼爆破法灵活，不同的地质应需要不同种类的掘进机并配置相应的设施。岩石太硬，刀具磨损严重。

⑤由于掘进生产率高，需要有效的后配套排渣系统，否则会影响推进速度。

⑥操作维修水平要求高，一旦出现故障、不能及时维修便会影响施工进度。

⑦刀具及整体体积大，更换刀具和拆卸困难；作业时能量消耗大。

（3）发展趋势

①需要采用全断面掘进机施工的隧道越来越多。全断面掘进机最适于长、大隧道的施工。我国是一个多山的国家，随着铁路、公路、水电等工程建设的发展，必然会出现许多长度大于6 km的隧道。初步估计，我国今后10年约需各种掘进机数百台。

②还需提高机器的自动化程度。现在的TBM还不能达到完全自动化的要求，未来的发展方向是完全自动化隧道掘进机，人们可在办公室控制掘进机作业。

③还需提高对地质条件的适应性。要求TBM能更适应不利的地质条件。为适应围岩初始应力高、径向变形大的情况，甚至要求TBM的开挖直径是可变的。

④TBM直径两极化，即向大直径化和微型化方向发展。目前公路隧道因多车道的需要，要求大断面。三车道或三车道以上要求路面宽至少大于20 m，有的甚至达到30 m。直径达20～30 m的TBM正处于“预研究”阶段。预计今后TBM将更大直径化。因此，大直径TBM的设计制造和部件运输组装是其技术上的主要趋势之一。目前主要用于工业和民用管道施工的微型TBM发展很快，微型TBM技术水平日本居世界首位，其次为西欧。

⑤还需加大国产化。国外进口产品价格高，要节省大量的购置费，就要走国产化的道路。预计21世纪我国的掘进机制造业将会振兴，其制作技术水平将大大提高。

5.2　悬臂式掘进机

5.2.1　悬臂式掘进机简介

1）悬臂式掘进机的发展与应用

悬臂式掘进机是一种利用装在一可俯仰、回转的悬臂上的切削装置切削岩石并形成所设计断面形状的大型掘进机械，如图5.5所示。

第一台悬臂式掘进机1949年在匈牙利问世，现有10多个国家从事悬臂式掘进机的研制工作，主要有奥地利、美国、英国、德国、日本和苏联等。我国从20世纪60年代开始研制掘进机，40多年来，从引进、消化吸收到自主研发，悬臂式掘进机的设计、生产和使用技术跨入了国际先进行列，已先后研制出数十种型号的掘进机，它因其体积小、价格低、移动方便而在矿山井巷、小型隧道及其他地下工程掘进中发挥着越来越大的作用。

悬臂式掘进机主要靠悬臂上的切割头切割岩石，通常又称为部分断面掘进机。由于受到机器本身条件的限制，悬臂式掘进机主要用于硬度较小的岩层和断面高度适中的巷道或隧道。煤矿巷道断面一般不是很大，煤系地层的强度相对较低，故应用较多。

图5.5　掘进机外形图

从目前看，悬臂式掘进机的发展方向有以下几个方面：

①提高切割能力，加大截割功率，以适应强度较高的岩石。

②提高工作可靠性。地下工作环境较差，地质条件复杂，很容易造成机器的损坏。因此，需要逐步完善设计，不断提高掘进机的可靠性。

③提高机器的工作稳定性。采用紧凑设计、加大机重、降低机器重心、增加侧向支撑等技术措施，大大提高机器的工作稳定性。

④研究新的截割技术和截割头设计技术。高压水射流破岩是一项新的切割技术，但技术难度较大，有待深入研究。刀具材料与形式、截割头结构优化也是今后研究的重点。

⑤发展自动控制技术。包括推进方向的控制、断面轮廓尺寸的控制、切割功率自动调节控制、遥控操作技术、机器运行状况监测和故障诊断等。

⑥发展掘锚机组。由于支护不能与掘进平行作业，支护时间过长，将影响掘进速度。掘锚机组是一种新型、高效、快速的掘进设备，现已有成品生产，具有良好的发展前景。

⑦提高配套技术。一是支护技术的配套，重点解决支护与掘进的同步问题；二是矸石转运系统的配套；三是外部系统的配套，如供电、压风、通风、防尘等。

2）悬臂式掘进机的特点

①悬臂式掘进机仅能截割巷道部分断面，要破碎全断面岩石，需多次上下左右连续移动截割头来完成工作，故该类掘进机可用于任何断面形状的地下工程。

②掘进速度受掘进机利用率影响很大，在最优条件下利用率可达60%左右，但若岩石需要支护或其他辅助工作跟不上时，其利用率更低。

③与全断面掘进机有一些相同的优点：连续开挖、无爆破震动、能更自由地决定支护岩石的适当时机；可减少超挖；可节省岩石支护和衬砌的费用。

④与全断面掘进机比较，悬臂式掘进机小巧，在隧道中有较大的灵活性，能用于任何支护类型。

⑤与全断面掘进机相比，具有投资少、施工准备时间短和再利用性高等显著特点。

⑥工作机构外形尺寸小、各重要部位都具有可达性，便于维修和支护作业。

与炮掘相比，使用掘进机掘进的优点是连续掘进，掘进工序少、效率高、速度快、施工安全、劳动强度低，对巷道围岩无震动破坏、好维护；其缺点是初期投资高，技术比较复杂，要求的操作水平和维修水平比较高。

3）掘进机的分类与参数

悬臂式掘进机的分类方法有多种。在煤矿，按切割岩石的种类分，切割煤岩坚固性系数f< 4的称为煤巷掘进机，切割煤岩坚固性系数f=4～8的称为半煤巷掘进机，切割煤岩坚固性系数f> 8的称为岩巷掘进机；按质量分，有特轻型、轻型、中型和重型四种；按工作机构切割岩体的方式不同，分为纵轴式掘进机和横轴式掘进机（图5.5）。

悬臂式掘进机的主要参数如表5.1所示。

表5.1　悬臂式掘进机的基本参数

大多数掘进机机重16～160 t、总功率100～660 kW、最大切削高度从3.5～8.0 m不等，可切削40～120 MPa的中硬以下的岩石。

5.2.2　主要结构

悬臂式掘进机要同时实现剥离岩体、装载运输、行走调动以及喷雾除尘等功能，集切割、装载、运输、行走于一身，其主要结构如图5.6所示。其中切割臂、回转台、装渣板、输送机、转载机、履带等为主要工作机构。

（1）切割机构

悬臂式掘进机的切割机构，按照破碎岩石的方式不同有纵轴式和横轴式两类，按悬臂能否伸缩分为可伸缩和不可伸缩两种。目前主要以纵轴式掘进机为主。

切割机构一般由切割头、切割臂、切割减速器、电机、升降臂、回转台和导水管等组成。切割头用于直接切割岩石，是切割机构最关键的部件，其功率越大，切削能力越大。

（2）装运机构

装运机构主要由装载部和运输机构两大部分组成。装载部主要是将破碎下来的岩渣装载到运输机械上。装载机构有刮板式、蟹爪式和星轮式。星轮式运转平稳、结构简单、故障率低，使用最多。运输机构主要为刮板输送机。

（3）行走机构

行走机构分为履带式、迈步式和组合式三种，现代掘进机多采用履带式。行走机构主要由引导轮、支重轮、驱动轮、履带、紧张装置、驱动减速器和履带悬架组成。

（4）机体部

机体部主要由前机架、后机架、回转台、回转油缸、后支撑及支撑油缸等组成。机架是整个机器的骨架，承受着来自截割、行走和装载的各种荷载。回转台用于坐落于机架上，实现切割机构的升降和回转运动，并承受来自切割头的复杂交变的冲击荷载。

图5.6　悬臂式掘进机的主要结构
1—截割机构；2—装载机构；3—运输机构；4—机架及回转台；5—行走机构；6—液压系统；7—电气系统；8—供水系统；9—操作台；10，11—机座

（5）液压系统

液压系统为掘进机提供压力油，驱动和控制各油缸及马达，使机器实现相应动作。掘进机除切割和装运外，所有动力均为液压传动。液压系统的功率越大，机器的能力越强。

（6）电气及除尘系统

电气系统向机器提供动力，驱动和控制机器中的所有电动机、电控装置、照明装置等。除尘系统由内外喷雾装置组成，用以向工作面喷雾除尘及冷却电动机和液压系统。

5.2.3　掘进机的选择

掘进机的选择应因地制宜，根据下列因素、经过技术经济比较后确定。

1）岩石特性

岩石特性是决定机型和切割头特征的重要依据。岩石坚硬时应选用切割头功率大、机体重的机型，以保证切割力度和掘进机的整体稳定性。岩石特性包括：

①煤岩的抗压、抗拉强度。岩石强度越高，能耗越大，速度越慢。

②煤岩的比能耗。比能耗用于判断岩石的可钻性，岩石的硬度大，比能耗一般较大。

③煤岩的抗磨蚀性。磨蚀性是岩石对刀具摩擦磨损的能力，通常用研磨系表示，研磨系数越大，对刀具的磨损越严重。

④岩石的坚固性系数f。f越大，切割越困难。

2）巷道断面形状和大小

①断面形状。一般说，悬臂式掘进机可掘进任何断面形状的巷道，但有的机器只能切割出矩形断面的巷道，如掘锚机组。

②断面大小。每种掘进机都有一定的范围和最佳面积。选用时应考虑其最佳掘进断面积。一般小断面巷道应大于掘进机适应断面的15%～20%，或不小于掘进机外形尺寸宽度加1 m、高度加0.75 m的要求。大断面巷道小于掘进机适应断面值即可，但必须满足最大截割高度的要求。如掘进宽度过大，将频繁地调动掘进机，影响掘进效率。断面较大或岩层不够稳定时，可将断面分成多个部分，分台阶或导洞开挖。

3）底板条件和倾角

①底板条件。底板松软不利于掘进机正常行走推进。松软岩层宜选用接地比压较小的机型。按标准规定，一般接地比压量不大于0.14 MPa。

②倾角。掘进机要适应在不同坡度条件下作业，按我国标准，要求其爬坡能力在±16°范围内。若超过此值，掘进机行走马达的功率要特殊设计。倾角小于6°的巷道可以正常选择，6°～15°坡度的巷道需要选择牵引力较大、带停机制动器的掘进机。

4）其他

①巷道的拐弯半径必须大于或等于所选机型所要求的拐弯半径。

②考虑隧道长度。对于不长的隧道，若另有条件适宜的其他工程时，采用悬臂式掘进机是适宜的。

③应考虑工程进度、生产能力对机器的要求，以及配件供应、维修能力等因素。

5.2.4　掘进机施工

1）掘进机的切割方式

悬臂式掘进机的主截割运动是截割头的旋转和截割臂的水平或垂直摆动的合成运动，其工作原理如图5.7所示。

图5.7　掘进机工作原理

（1）掏槽切割

截割机构工作时首先要在工作面上用截割头进行掏槽，然后按一定方向摆动悬臂，掘出所需要的断面。掏槽时，纵向切割头的推进方向与切线力方向近似成直角，需要的力较小，切割力来自切割臂伸缩机构。掏槽可在断面任意位置；在一个工作循环中，最大掏槽深度为截割头长度，一般推荐为截割头直径的1／3。

使用横轴式截割头，推进方向与切线力方向几乎一致，由于是两个切割头同时工作，需要的切割力较大。掏槽进给力来自行走机构。掏槽可在工作面的上部或下部进行，但截割硬岩时应尽可能在工作面上部掏槽，切割成水平槽，最大掏槽深度为截割头直径的2／3。掏槽时，截割头需做短幅摆动，以截割位于两个截割头中间部分的煤岩，因而操作较为复杂。

（2）工作面切割程序

切割程序指截割头在工作面上切割岩石的移动路线。切割程序取决于断面大小、岩石硬度、顶底板状况、矸石夹层分布等条件。层状岩石时应沿层理方向切割；若为水平层面，横向切割最有利；若为倾斜层面，纵轴式切割可先切割软岩，有了自由面后再切割硬岩，横轴式也应从软岩层入切，然后横向左右运动切割，如图5.8中的箭头所示。

图5.8　切割倾斜岩层时截割头的运动方式

不论纵轴式还是横轴式，在整个工作面上的切割方式都是由上而下或者由下而上，在同一切割层上是左右摆动。多数情况下采用由下而上方式，有利于装载和机器的稳定，提高生产率。

2）机械化掘进作业线及设备配套

采用悬臂式掘进机施工时，岩渣运输、材料设备运输、巷道支护、通风防尘、供电等设备必须相互配套，形成完整的综合机械化掘进作业线，才能提高掘进效率。

配置设备主要包括掘进机、转载机、运输设备、支架机（或锚杆机）、激光指向仪、除尘器、辅助运输设备和电气系统等，其中最主要的是运输设备配套。根据运输设备的不同，可有不同形式的机械化掘进作业线。

（1）掘进机+桥式胶带转载机+可伸缩胶带输送机作业线

配套形式如图5.9所示。这是一种可实现连续运输的方案，在我国煤矿巷道中应用较为广泛。掘进机破下的岩渣装上转载机，卸在胶带输送机上运出。

图5.9　掘进机+桥式胶带转载机+可缩性胶带输送机作业线
1—掘进机；2—桥式胶带转载机；3—可缩性胶带输送机机尾

该配套方案可实现矸石连续运输，减少矸石转运停歇时间，能充分发挥掘进机的生产效率，切割、装载、运输生产能力大，掘进速度快，较适用长度大于800 m的较直巷道。

（2）掘进机+桥式胶带转载机+刮板输送机作业线

该作业线适用于巷道距离短、坡度变化大的掘进条件，可在有水平弯曲的巷道中使用；可保证掘进巷道运输的连续性；投资小，消耗功率大，设备维修量大，需要的人员多。

（3）掘进机+梭车作业线

掘进机切割下来的岩渣经装运机构、胶带转载机卸载于梭车内，然后用电机车拉至卸载地点卸载。梭式矿车分轨轮式和胶轮式，轨轮式适用于有轨运输，胶轮式适用于无轨运输。隧道中可用多辆胶轮梭车运输。该配套不能连续装载，会影响掘进机效能的充分发挥。掘进矿山巷道时井下必须具有卸载仓。

本章小结

（1）广义上，根据不同的分类，掘进机包括竖井掘进机、平洞掘进机、土层掘进机、煤层掘进机、岩石掘进机、全断面掘进机、部分断面掘进机、盾构掘进机、顶管掘进机等。本章主要介绍了两种适用于岩石中的平洞掘进机———全断面隧道掘进机和部分断面掘进机，前者又称TBM，主要适用于较硬岩石和大断面隧道；后者又称悬臂式掘进机（俗称小炮头），主要适用于较软岩石和小断面隧道。盾构机也是一种全断面隧道掘进机，其基本结构与TBM有些类似，由于主要适用于软弱富水的土层施工，故其防水、防泥砂涌入功能比TBM强大，学习时应注意二者的异同。

（2）掘进机在国外已广泛用于铁路及公路隧道、水电工程隧道及矿山巷道工程。我国在20世纪60年代开始研制，80年代进行了大规模的开发试验研究，80年代末，已研制出多种掘进机。TBM适用的隧道直径一般为3～10m，岩石的单轴抗压强度可达50～350MPa；可一次截割出所需断面，且形状多为圆形，在我国应用还不是很多。分断面掘进机多用于单轴抗压强度小于60 MPa的煤、半煤岩和软岩水平巷道，一次仅能截割断面的一部分，需要工作机构多次摆动才能掘出所需断面，断面可以是矩形、梯形、拱形等多种形式，故在矿山、尤其是煤矿巷道掘进中使用普遍。

（3）由于地层的多变性和环境条件的复杂性，掘进机的合理选择十分重要。掘进机的施工速度快，对其后配套系统及设备的要求也比较高，在快速开挖的同时要保证快速的运输和支护，否则会影响掘进机综合效能的发挥，降低经济效益。掘进机的技术性强，对其操作技术和维修能力的要求也非常高，否则将严重影响工程的进度和机器效率。

习　题

5.1　试述掘进机施工岩石隧道的利弊及采用掘进机施工的合理性。

5.2　试述掘进机的种类与主要参数。

5.3　全断面掘进机由哪些主要部分组成?

5.4　全断面掘进机施工的工艺步骤及技术要点是什么?

5.5　如何合理选择全断面掘进机?

5.6　地下工程的断面较大时，如何合理选用掘进机?

5.7　悬臂式掘进机如何分类?有哪几种类型?

5.8　选择悬臂式掘进机要考虑哪些因素?