全断面掘进机的掘进系统和后配套设备解析

1．全断面掘进机的开挖掘进系统

全断面掘进机的开挖掘进系统主要由刀具、刀盘、大轴承及其密封、刀盘驱动系统、刀盘支承等几部分组成。

（1）刀具。刀具是全断面岩石隧道掘进机破碎岩石的工具，呈圆盘形，故也称盘形刀，俗称滚刀，是掘进机主要研究的关键部件和易损件。刀具按安装位置不同可分为中心刀、正刀（面刀）、边刀3类，如图12-1-11所示为切削刀盘示意图。

图12-1-11　掘进机刀盘示意图

1—铲斗；2—中心刀；3—扩孔边刀；4—扩孔刮渣器；
5—正刀；6—铲齿；7—边刀。

（2）刀盘。刀盘是安装刀具的，是由钢板焊接的结构件，前端是双层加强钢板，通过溜渣槽与刀盘后隔板相连接，后隔板用螺栓与刀盘轴承连接。刀盘装有若干盘形滚刀用于挤压切削岩石，同时在前端还装有径向带齿的石渣铲斗用于软岩开挖。刀座是大刀盘的一部分，做成凹形，使盘形刀刀圈凸出刀盘，以防止破碎围岩中大块岩石阻塞刀盘。切削刀盘具有足够的强度和刚度，从而使施加在其上的推力平均分配到全部盘形滚刀上，使它们同时压挤入岩石至同一深度，并使掘进机处于高效率运转状态，否则不仅不能完成良好的切削，还会由于个别滚刀受到超载的推力而过早损坏，致使刀具费用急剧增加。刀盘上盘形刀的平面布置，是根据使用盘形刀的类型和合理间距来考虑的，一般而言，在硬岩中刀间距大约是贯入度（即大盘每转动一圈，盘形刀切入岩石的深度）的10～20倍即65～90 mm。开挖下来的石渣利用刀盘圆周上的若干铲斗和刮渣器以及刀盘正面上的径向渣口，经刀盘内部的导引板将石渣通过漏斗传送到主机胶带输送机上。

（3）支撑系统。支撑系统是掘进机的固定部分。当掘进时，它支承着掘进机的重量并将开挖推力和扭矩传递给岩壁形成反力。不同结构形式的掘进机，支撑系统对掘进方向的控制不同。双水平支撑的开敞式掘进机在换步时利用后下支撑来调整机器的方位，一经确定，刀盘只能按预定方向掘进（图12-1-8）。一般掘进机能提供的支撑反力应是大刀盘额定推力的3倍左右，足够大的支撑反力可保证在强大推力下掘进时刃盘有足够的稳定和正确的导向，并有利于刀具减少磨耗。开挖刀盘推进力是按照每把盘形刀所能承受的推力和盘形刀数量来决定的，支撑靴借助球形铰自动均匀地支撑在洞壁上，避免引起集中荷载对洞壁的破坏。

（4）刀盘驱动系统。刀盘驱动方式有两大类：电动和液压。电动驱动又分单速电机、双速电机和调频电机。掘进机贯入度指标是反映掘进能力的重要指标，在很大程度上取决于刀盘的转速和推力。采用无级调速确定刀盘的转速，就可以根据岩石的变化而产生最大的适应性，有效地控制刀盘负荷和振动，提高瞬时贯入度，减少刀具的磨耗。无级调速可以通过液压传动和变频调速两种方式进行。利用变频技术可采用标准工业电机，它具有较高的惯性，当频率为0～50 Hz时可以达到全扭矩，启动扭矩瞬时可以达到额定扭矩的170%，启动电流小，效率高，但它要求工作环境严格。液压驱动方式在技术上成熟，启动扭矩大，但效率低（70% 左右），维修相对比电机繁杂。双速电机通过变换极对数达到两档变速，它体积较大，启动电流大，但结构简单，可靠性高。大刀盘的转速目前控制在其边刀线速度不超过2.5 m/s，这主要是受盘形刀材料及岩石破碎速度影响而决定的。例如西安至安康铁路秦岭隧道使用德国维尔特公司生产的TB850/1000E敞开式掘进机，大刀盘直径为8.8 m，其转速为5.4 rad/min（低速为2.7 rad/min）。(www.xing528.com)

2．全断面掘进机的后部配套设备

掘进机主机与后部配套设备组成了一个完整的掘进系统。全断面掘进机的后部配套设备主要是指为主机提供供给的设备和石渣运输系统，是由一系列轨道工作台组成的台车，长约150 m。其主要装置有：掘进机及辅助设备的液压和电动装置、变压器及电缆、主驾驶室、通信系统、空压机、喷射混凝土设备、围岩加固堵水注浆设备、供水系统、输送石渣的皮带机、机械传动装置、起吊设备、装卸轨道、混凝土预制管片、消尘器装置、供风系统、激光导向系统和安全保护系统等。

（1）出渣与运输系统。小断面掘进机受开挖隧道空间的限制，一般采用单线运渣轨道。而较大断面的掘进机，则采用双线运渣轨道布置。皮带输送机将主机输送机运来的石渣卸入矿车，再用机车牵引到洞外。由于开挖的隧道是圆形，所以铺设轨道时，一般先将预制的仰拱块（管片）安装在隧道底部。仰拱块上预留排水槽、钢拱架沟槽及预埋轨道螺栓扣件。因此轨道的铺设延伸，不仅能保证轨道的铺设精度，同时也提高了出渣列车的运行稳定性和速度。后配套平台上的停车卸渣轨道比位于隧道仰拱上的运输轨道稍高一些，运渣列车（空车）经由后配套设备尾部的爬轨斜坡道驶上平台车上的轨道装渣（图12-1-12）。

图12-1-12　仰拱块及轨道示意图

1—车辆车轮及平台车上轨道；2—仰拱块上轨道及平台车车轮；
3—仰拱预制块；4—后配套平台车；5—石渣分配系统；
6—矿车；7—通风管道。

（2）通风防尘系统。在后部配套平台车上安放通风管和接力风机，供应新鲜空气的主风机安放在洞外，通过风管与后配套上的接力风机相接。在掘进机施工过程中，隧道通风考虑的主要因素是施工人员的需要、设备运输中产生的热量、内燃机设备产生的废气、岩石破碎和喷射混凝土所产生的粉尘等。

（3）供水与排水系统。在后配套平台车上安放供水、排水设备。供水设备为刀盘、液压系统和驱动电机冷却提供用水，为刀盘喷雾降尘以及喷射混凝土、超前注浆提供用水。为了提高供水压力，往往在水箱上设置增压水泵，一般用水量可按每开挖1 m3岩石需水0.5 m3左右估算。隧道开挖中排水至关重要，必须采取强制排水措施防止积水对主机的漫浸，尤其在安放仰拱块时（图12-1-12）更需要将水排净。顺坡开挖时，应充分利用仰拱块上的排水沟排水；反坡开挖时，应设积水槽，利用水泵将水排至洞外。