隧道工程中的掘进机类型及构造简介

山岭隧道掘进机分为全断面掘进机和悬臂式掘进机两大类，全断面掘进机又分开敞式（图12-1-1）和护盾式两类，护盾型又分单护盾（图12-1-4）和双护盾（图12-1-5）。目前使用的掘进机主要是全断面掘进机，悬臂式尚处在发展阶段。开敞式和护盾式掘进机的区别在于开敞式掘进机在开挖中依靠撑在岩壁上的水平支撑提供设备推力和扭矩的支撑反力，开挖后的围岩暴露于机械四周，一般而言，开敞式掘进机适合于硬岩隧道的开挖；而护盾掘进机则可在掘进中利用尾部已安装的衬砌管片作为推进的支撑，围岩由于有护盾防护，在护盾长度的范围内，不暴露，因此护盾掘进机更适用于软岩。

图12-1-3　TBM导坑超前扩挖法（单位：mm）

图12-1-4　单护盾掘进机

图12-1-5　双护盾掘进机

1．开敞式掘进机

图12-1-1所示为一种开敞式掘进机。目前世界上生产的开敞式掘进机基本有两种形式，即单支撑（撑靴，即千斤顶）式和双支撑式。

单水平支撑掘进机如图12-1-6所示，在机身水平方向每侧只设置一个水平撑靴。它的主梁和大刀盘支架是掘进机的构架，为所有的其他构件提供安装支点。大刀盘支架的前部安装主轴承和大内齿圈，四周安装了刀盘护盾，利用可调式顶盾、侧盾和下支撑保持与开挖洞面的浮动支承，从而保证了大刀盘的稳定。主梁上安装推力千斤顶和支撑系统。由于采用了一对水平支撑，因此它在掘进过程中，方向的调整是随时进行的，掘进的轨迹是曲线。单支撑式掘进机主轴承多为三轴承组合，驱动装置直接安装在刀盘的后部，故机头较重，刀盘护盾较长。

图12-1-6　单水平支撑掘进机示意图

1—刀盘；2—拱顶护盾；3—驱动组件；4—主梁；5—出渣输送机；
6—后下支撑；7—撑靴；8—推进千斤顶；9—侧护盾；
10—下支撑；11—刀盘支撑。

双水平支撑掘进机如图12-1-7所示。在机身前后每侧有两个水平撑靴，它可以沿着镶着铜滑板的主机架前后移动。主机架的前端与大刀盘、轴承、大内齿圈相连接，后端与后下支撑连接，推进千斤顶借助水平支撑推动主机架及大刀盘向前，布置在水平支撑后部的驱动装置通过传动轴将扭矩传到大刀盘。在掘进中由两对水平支撑撑紧洞壁，因此双水平支撑掘进机掘进方向一经定位，只能沿着直线掘进，只有在重新定位时，才能调整方向，所以其掘进轴线是折线。

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图12-1-7　双水平支撑掘进机示意图

1—刀盘；2—拱顶护盾；3—轴承外壳；4、5—水平支撑（前、后）；6—齿轮箱；
7—出渣输送机；8—驱动电机；9—星形变速箱；10—后下支撑；11—扭矩筒；
12—推进千斤顶；13—主机架；14—仰拱刮板（前下支撑）。

开敞式掘进机结合工程实践中取得的丰富经验，仍在不断改进和发展。例如，双水平支撑，有的改为X形支撑或T形撑靴，如图12-1-8所示，也有将大刀盘三轴组合形成前后两组轴承的简支型。

图12-1-8　开敞型TBM的撑靴形式

2．护盾式掘进机

单护盾掘进机（图12-1-4、图12-1-9），其护盾的主要作用是保护掘进机本身和操作人员的安全，适用于软岩地层以及自稳时间相对较短、地质条件较差的地层。掘进中，它依靠支撑在已安装好的衬砌管片上的千斤顶提供反力得以向前掘进，掘进一个千斤顶冲程的距离后，千斤顶缩回，让出管片拼装空间，进行又一轮管片的安装。可见，单护盾掘进机在掘进和安装衬砌管片时是依次顺序进行的，不能同时作业，因而施工速度较慢。

图12-1-9　单护盾掘进机示意图

1—刀盘；2—护盾；3—驱动组件；4—推进千斤顶；5—管片安装器；6—超前钻机；
7—出渣输送机；8—拼装好的管片；9—提升机；10—铰接千斤顶；
11—主轴承、大齿圈；12—刀盘支撑。

双护盾掘进机（图12-1-5、图12-1-10）在软岩及硬岩中都可以使用，其对地质条件的适应能力比单护盾大为增强，尤其在自稳条件不良的地层中施工时，优越性更突出。它与单护盾掘进机的区别在于增加了一个护盾，在硬岩中施工时利用水平撑靴支撑于洞壁传递反力，所以它既可利用尾部的推力千斤顶顶推尾部安装好的衬砌管片推进，也可以在利用水平支撑进行开挖的同时安装衬砌管片。因此，双护盾掘进机使开挖和安装衬砌管片的停机换步时间大大缩短，提高了施工速度。我国甘肃引大入秦工程中的30A号水工隧道使用一台直径5.5 m双护盾掘进机完成了11.6 km的开挖，最高月开挖突破了1 000 m。

图12-1-10　双护盾掘进机示意图

1—刀盘；2—前护盾；3—驱动组件；4—推进油缸；5—铰接油缸；6—撑靴护盾；7—尾护盾；
8—出渣输送机；9—拼装好的管片；10—管片安装机；11—辅助推进靴；12—撑靴；
13—伸缩护盾；14—主轴承、大齿圈；15—刀盘支撑。