1.概述

自美国罗宾斯(Robbins)公司1952年生产了第一台能实用的、刀盘直径8m的掘进机以来,发展至今已有50多年,掘进机在技术上已成熟。在国外使用掘进机掘进隧洞已很普遍,尤其是3km以上的长隧洞,很多业主在招标中规定,要求投标商必须采用掘进机施工。掘进机对困难地质的适应能力大大增强,独头掘进的长度超过10km。掘进速度达到最高日进尺172.4m、最高周进尺703.3m、最高月进尺2163m。

我国“引大入秦”工程一个长17km的输水隧洞,使用刀盘直径5.53m的双护盾式掘进机开挖。工程1991年开工,1992年完工。平均月进尺980m,最高月进尺达1400m。在万家寨引黄工程实施更大规模的长距离引水时,对所有的长隧洞(有12km,22km,44km等几条长隧洞)均使用掘进机施工。在主干线的一条长12km、洞径6.1m的隧洞,1994开工,1995年完工,平均月进尺810m。南干线上总长86km的隧洞使用了4台双护盾掘进机,1998年开工,2002年完工。平均月进尺约784m,最高月进尺达1821.49m。

2.掘进机的分类和适用范围

(1)敞开式。切削刀盘的后面均为敞开的,没有护盾保护。敞开式又有单支撑结构和双支撑结构两种设计风格。敞开式适用于岩石整体性较好或中等的情况。

双支撑结构：分双水平支撑式(图11.36)和双X形支撑式两种(图11.37)。双水平支撑方式,共有5个支撑腿：2组水平的,加1条垂直的。双X形支撑方式,共有8个支撑腿。

(2)护盾式。切削刀盘的后面均被护盾所保护,并且在掘进机后部的全部洞壁都被预制的衬砌管片所保护。护盾式分为单护盾式、双护盾式和三护盾式(图11.38)。护盾式适用于松散和复杂的岩石条件,当然也能够在岩石条件较好的情况下工作。

(3)扩孔式。扩孔式的用途是,将先打好的导洞进行一次性的扩孔成形。扩孔式在小导洞贯通后,进行导洞的扩挖。

(4)摇臂式。安装在回转机头上的摇臂,一边随机头作回转运动,一边作摆动,这样,臂架前端的刀具能在掌子面上开挖出圆形或矩形的断面。摇臂式扩挖较软的岩石,开挖非圆形断面的隧洞。

3.全断面岩石掘进机的构造和工作原理

(1)敞开式掘进机的工作原理。敞开式掘进机由刀盘、导向壳体、传动系统、主梁、推进油缸、水平支撑装置、后支撑以及出渣皮带机组成(图11.39)。

全断面岩石掘进机的掘进循环由掘进作业和换步作业组成。在掘进作业时,伸出水平支撑板→撑紧洞壁收起后支撑→刀盘旋转,启动皮带机→推进油缸向前推压刀盘,使盘型滚刀切入岩石,由水平支撑承受刀盘掘进时传来的反作用力和反扭矩→岩石面上被破碎的岩渣在自重下掉落到洞底,由刀盘上的铲斗铲起,然后落入掘进机皮带机向机后输出→当推进油缸将掘进机机头、主梁、后支撑向前推进了一个行程时(图11.39中掘进工况),掘进作业停止,掘进机开始换步。

在换步作业时,刀盘停止回转→伸出后支撑,撑紧洞壁→收缩水平支撑,使支撑靴板离开洞壁→收缩推进油缸,将水平支撑向前移一个行程(图11.39中换步工况)。

换步结束后,准备再掘进。再伸出水平支撑撑紧洞壁→收起后支撑→回转刀盘→伸出推进油缸,新的一个掘进机行程开始了(图11.39中在掘进工况)。

图11.36　罗宾斯MK双支撑式掘进机

(a)罗宾斯MK型双支撑式掘进机(外形)；(b)罗宾斯MK型双支撑式掘进机的支撑结构(双水平支撑型和双X型)；(c)罗宾斯MK型双支撑式掘进机(结构简图)

图11.37　维尔特双支撑式掘进机

(a)外形；(b)剖面
1—盘形滚刀；2—刀盘；3—刀盘护盾；4—圈梁安装器；5—锚杆钻机；6—推进液压缸；7—超前钻机；8—刀盘回转机构；9—后下支承；10—“X”后支撑；11—“X”前支撑；12—刀具吊机；13—铲斗；14—切刀；15—中心刀；16—正(面)刀；17—边刀；18—铲斗；19—刀盘；20—扩孔刀；21—前凯氏外方机架；22—凯氏内方机架；23—出渣皮带机；24—运输小车；25—水泵；26—除尘器；27—皮带桥；28—吊机1；29—平架车；30—司机室；31—吊机；32—注浆机；33—仰拱吊机

(2)双护盾式掘进机的工作原理。双护盾式掘进机由装切削刀盘的前盾,装支撑装置的后盾(或称主盾),连接前后盾的伸缩部分和为安装预制混凝土管片的尾盾组成(图11.40)。

图11.38　三护盾掘进机

1—刀盘部件；2—前护盾；3—前稳定靴；4—推进油缸1；5—推进油缸2；6—中护盾；
7—中稳定靴；8—后稳定靴；9—后护盾；10—出渣皮带机；11—管片铺设机；12—后支撑靴；13—前支撑靴；14—刀盘回转驱动机构(www.daowen.com)

双护盾掘进机在良好地层和不良地层中的工作方式是不同的。

1)在自稳并能支撑的岩石中掘进。此时掘进机的辅助推进油缸全部回缩,不参与掘进过程的推进,掘进机的作业与敞开式掘进机一样(见图11.41中工况一)。它的动作如下。

推进作业：伸出水平支撑油缸撑紧洞壁→启动皮带机→回转刀盘→伸出推进油缸,将刀盘和前护盾先前推进一个行程实现掘进作业。

换步作业：当推进油缸推满一个行程后,就进行换步作业。刀盘停止回转→收缩水平支撑离开洞壁→收缩推进油缸,将掘进机后护盾前移一个行程。

此时也可以利用辅助推进油缸加压顶住管片,一方面将管片挤紧到位,另一方面也帮助后护盾前移。不断重复上述动作,则实现不断掘进。在此工况下,混凝土管片安装与掘进可同步进行,成洞速度很快。但在这种工况下,辅助推进油缸的主要用途应是将各管片挤紧到位,而不是帮助推进作业。

图11.39　敞开式掘进机的工作原理

1—刀盘；2—护盾；3—传动系统；4—主梁；5—推进缸；6—水平支撑；7—后支撑；8—胶带机

图11.40　罗宾斯双护盾机的构造

1—刀盘；2—岩渣漏斗；3—铰接油缸；4—支撑护盾；5—超前钻机；6—回填灌浆操作；7—管片安装器；8—操作盘；9—三轴主轴承与密封装置；10—刀盘支撑；11—前护盾；12—主推进油缸；13—伸缩护盾；14—副推进油缸；15—岩心钻机；16—管片输送系统；17—管片吊机梁；18—后配套；19—主机的皮带枪送机

2)在能自稳但不能支撑的岩石中掘进。此时,推进油缸处于全收缩状态,并将支撑靴板收缩到与后护盾外圈一致,前后护盾联成一体,就如单护盾掘进机一样掘进(见图11.41中工况二)。它的动作如下。

掘进作业：回转刀盘→伸出辅助推进油缸,撑在管片上掘进,将整个掘进机向前推进一个行程。

换步作业：刀盘停止回转→收缩辅助推进油缸→安装混凝土管片。

重复上述动作实现掘进。此时管片安装与掘进不能同时进行,成洞速度减半。

图11.41　双护盾机的工作原理

(a)伸出水平支撑5撑紧洞壁—回转刀盘1—伸出V形推进缸4,进行掘进作业；(b)刀盘1停止回转—收缩水平支撑5离开洞壁—收缩V形推进缸4,进行换步作业；(c)重复(a)的动作程序实施再掘进；(d)收缩水平支撑5使靴板与后护盾一致—回转刀盘1—伸出辅助推进缸6撑在管片上掘进；(e)刀盘1停止回转—收缩辅助推进缸6—安装混凝土管片,实施换步作业；(f)回转刀盘1—伸出辅助推进缸6撑在管片上,实施再掘进作业
1—刀盘；2—刀盘支撑；3—前护盾；4—V形推进缸；5—水平支撑；6—辅助推进缸；7—后护盾；8—胶带机