双护盾TBM：构造与工作原理

双护盾TBM 由TBM 主机、连接桥、后配套拖车三大部分组成。主机主要由装有刀盘的前盾、装有支撑装置的后盾、连接前后盾的伸缩部分及安装管片的盾尾组成，如图 19.17 和图19.18 所示。

图19.17　海瑞克双护盾TBM

双护盾TBM 构造原理视频

图19.18　双护盾TBM

1—刀盘；2—主轴承；3—主推进油缸；4—多功能钻机；5—管片拼装机；6—盾尾密封；7—超前钻机；8—皮带机；9—前盾；10—伸缩油缸；11—刀盘驱动；12—辅助推进油缸；13—支承盾；14—管片运输机。

（一）护　盾

护盾由4 个主要部分组成，即前盾、后盾（支撑盾）、连接前后盾的伸缩部分和盾尾。

1.前　盾

前盾包含刀盘与刀盘驱动装置，并支承着刀盘与刀盘驱动装置。前盾由主推进液压油缸（即伸缩液压油缸）与后盾相接。主推进液压油缸分成上下左右4 组进行控制，对前盾进行方向控制。前盾相对于后盾的位置，由 4 个线性传感器测量，并在操作室中显示读出（见图19.19）。

图19.19　前盾结构示意图

刀盘的后仓板（密封隔板）将切削室与护盾隔开。仓板上有一排水孔，通向水泵的底壳。当水涌入，输送带上的闸门关闭，可用此水泵将水从切削室中排出。

在前盾顶部1/4 的地方有2 个液压操纵的稳定器，在硬岩中掘进时用来稳定前盾，并在后盾向前拉时起帮助作用。

换步过程借助尾盾的推进油缸推压管片，同时伸缩油缸向前支撑护盾。由于推进油缸推压着已衬砌的管片，因此支撑护盾将总是被推向前，而不会将前盾向后拉。

2.伸缩盾

伸缩部分连接着前盾和后盾，其功能是使TBM 的掘进与管片的安装能同时进行。

主推进液压缸连接着前后盾，既传递推力，又传递拉力。这一性能在遇到不稳定的地质条件而覆盖层负荷又大时，可用以防止护盾向下倾斜。

刀盘扭矩通过 2 个重型扭矩梁传递到支撑靴上，这个装置有效地防止盾体扭转。2 个力矩装置将刀盘的扭矩从前盾传给后盾。前后护盾间滚动的调整用力矩液压缸实现，不需伸缩油缸来纠正滚动。

伸缩部分两个壳体之间的间隙可以检查、可以清洁。为了检查设有若干个窗口。当伸缩部分在收缩位置，内壳体与前端的一个密封相接触，可将水或膨润土泵入两壳体之间的间隙，以清除石渣。有一刮刀装在外壳体顶部的120° 范围内，以保持两壳体间的清洁。

当需要处理盾壳外的障碍物或需要到刀盘前方时，可以利用铰接油缸使伸缩内盾和支撑盾脱开，并露出与围岩接触的工作面。

3.后　盾

后盾也称支撑盾，后盾内设有副推进液压油缸和支撑装置。后盾承受前盾的全部推进反力，也可将前盾回拉。后盾尺寸宽大，对围岩的压力不大，这在软弱围岩掘进时，特别重要。

副推进液压油缸也分成4 组，以利TBM 转向，当在软弱围岩中掘进时，不用支撑与伸缩盾。副推进液压油缸在相应的4 组内，连到一共同的推力靴上。推力靴面上覆盖以聚氨酯靴面，以保护隧道的衬砌管片。

后盾总推力相当大，用于施加需要的力于刀盘，并用于克服全部护盾的摩擦阻力。副推进液压油缸有一共用的液压动力站。4 组液压油缸的每一组均由供油量控制，由 TBM 操作者监控。正常掘进时，即用支撑靴提供反力来推进前盾与刀盘，主推进液压油缸可由共用的油流操作。每一液压油缸装有测量装置或线性传感器，使操作者能监控其位置。这种正常掘进是在围岩状态良好，能给支撑靴提供足够的推力反力与刀盘切削反力矩的情况下采用。这时，掘进与安装管片同时进行。在主推进液压油缸推进一行程（一步）的同时，后护盾后面安装一环管片。此后，缩回支撑靴，用主副推进液压油缸一拉一推，将后盾前移以实现换步，再支撑好。然后，再进行掘进与安装管片。

当双护盾 TBM 像一台简单盾构作业运转时，也就是说，伸缩部分（伸缩盾）保持在收缩位置，支撑也不用，刀盘的力矩由护盾与洞壁间的摩擦力提供反力矩，刀盘的推力则由副推进液压油缸支承在管片上而实现。遇软弱围岩，掘进与安装管片不能同时进行。

作业时刀盘的反力矩，除盾壳摩擦力提供外，另一方式则是由护盾的副推进液压油缸的斜置，来补偿刀盘作业时的反力力矩。即每一推力靴上的两液压油缸保持其活塞杆端在一可调的固定装置上。此固定装置能用液压调整，使副推进液压油缸斜置，从而产生圆周方向的分力以承受刀盘的力矩。

4.盾　尾

盾尾装在后盾上，其上装有由弹簧钢片罩盖的钢丝刷盾尾密封，置于上面的 270° 的圆面上，从里面向外翻，以防止（作为混凝土骨料的）碎石进入尾部。

（二）管片拼装机

管片拼装机装在安装机桥上，可在淬硬的滑道上前后纵向移动。安装机桥又用作将后配套接到 TBM 上。管片拼装机为单体回转式，其移动可以精确地进行控制，以保证管片拼装位置的准确性。管片拼装机控制分有线控制和无线控制2 种，施工中主要采用无线遥控器安装管片，有线控制器在无线遥控器出现故障时临时使用。

管片拼装机在2 个方向都可旋转220°，其支撑和驱动装置由一个单座球轴承、内齿圈、两个小齿圈、行星齿轮减速箱与液压马达组成。驱动为无级变速，能产生足够的扭矩以安装管片。安装机具有6 个自由度，管片安装机具有紧急状况的自锁能力，确保施工中的安全。

（三）工作原理

双护盾 TBM 按照隧道管片拼装作业与开挖掘进作业并进而连续开挖的概念进行设计，按快速施工的设计要求，掘进机的管片安装机具有管片储运和管片拼装双作业功能。

双护盾 TBM 具有全圆的护盾，在地质良好时可以掘进与安装管片同时进行，且在任何循环模式下都是在开敞状态下掘进。

双护盾 TBM 具有两种掘进模式：即双护盾掘进模式和单护盾掘进模式。双护盾掘进模式适用于稳定性好的地层及围岩有小规模剥落而具有较稳定性的地层，此进洞壁岩石能自稳并能经受水平支撑的巨大支撑力，掘进时，伸出水平支撑，撑紧洞壁，由支撑靴提供掘进反力。单护盾掘进模式则适应于不稳定及不良地质地段，由管片提供掘进反力。(www.xing528.com)

1.双护盾掘进模式

在围岩稳定性较好的硬岩地层中掘进时，撑靴紧撑洞壁为主推进油缸提供反力，使TBM向前推进，刀盘的反扭矩由两个位于支撑盾的反扭矩油缸提供，掘进与管片安装同步进行。此时 TBM 作业循环为：掘进与安装管片→撑靴收回换步→再支撑→再掘进与安装管片，具体见图19.20。

图19.20　双护盾掘进模式

2.单护盾掘进模式

在软弱围岩地层中掘进时，洞壁岩石不能为水平支撑提供足够的支撑力，支撑系统与主推进系统不再使用，伸缩护盾处于收缩位置。刀盘掘进时的反扭矩由盾壳与围岩的摩擦力提供，刀盘的推力由辅助推进油缸支撑在管片上提供，TBM 掘进与管片安装不能同步。此时TBM 作业循环为：掘进→辅助油缸回收→安装管片→再掘进，具体见图19.21。

图19.21　单护盾掘进模式

（四）双护盾TBM 施工特点

1.双护盾TBM 施工的优点

（1）安全、高效、快速。

双护盾 TBM 配置有前后护盾，在前后护盾之间设计有伸缩盾，后护盾配置支撑靴。在地质条件良好时，通过支撑靴支撑洞壁来提供推进反力，掘进和安装管片同时进行，具有较快的进度。如在引黄入晋工程使用双护盾TBM 施工时，最高月进尺达1 637 m。双护盾TBM施工，人员及设备在护盾的保护下进行工作，安全性也较开敞式TBM 为好；双护盾TBM 施工使隧道掘进、衬砌、出渣、运输作业完全在护盾的保护下连续一次完成，实现了安全、高效、快速施工。

（2）对不良地质有较强的适应性。

对富水地段，采用红外探测为主、超前地质钻探为辅的综合超前地质预报方法进行涌水预报。对涌水可实施堵、排结合的防水技术，TBM 主机区域配置潜水泵，将水抽至位于TBM后配套台车上的污水箱内，同时 TBM 配置有超前钻机，可以利用超前钻机钻孔，利用注浆设备进行超前地层加固堵水。

对断层破碎带，双护盾 TBM 能采用单护盾模式掘进。同时可对断层破碎带进行超前地质预报，利用红外探水仪和TBM 配置的超前钻机探水。利用TBM 配置的超前钻机和注浆设备对地层进行超前加固，同时刀盘面板预留注浆孔的设计能满足对掌子面加固的需要。

对深埋隧道，因地质构造复杂，在深埋条件下，不可避免地会引起围岩应力的强烈集中和围岩的应力型破坏。双护盾 TBM 掘进时，因掌子面较圆顺，对岩体的损伤可以降低到很低的程度，保护了围岩的原始状态，不易发生应力集中。

对岩爆地段，由于 TBM 刀盘设有喷水装置，在预测的地应力高、易发生岩爆地段，利用 TBM 配置的超前钻机钻孔，在钻孔中注水湿化岩石，喷水对掌子面岩石能起到软化的作用，提前将应力释放。同时，通过管片安装、豆砾石回填和水泥浆灌注，使TBM 能快速支护并通过岩爆地段。

对岩溶地段，先停机，然后通过机头上的人孔对岩溶情况进行观察，首先对底部进行豆砾石或混凝土回填并使其密实，当填至开挖直径高程时，边前进边安装管片，对两边管片上开凿人孔，对两侧及顶拱进行填筑灌浆或填筑混凝土，使岩溶部分都用混凝土填密实，并且和安装的管片结合成整体。为了预防因岩溶造成TMB 机头下沉，双护盾 TBM 配有超前钻探设备，而对于一些小溶洞的处理，可在 TBM 通过后，向管片与围岩间回填豆砾石后，再通过灌浆固结即可。对规模较大的溶洞，因管片接缝不易闭合，应采用钢板将安装的管片进行纵向连接。

对膨胀岩及软岩塑性变形地段，由于双护盾 TBM 刀盘的偏心布置及刀盘设置的超挖刀，能增大TBM 开挖直径，为 TBM 在围岩变形量小的情况下快速通过围岩变形地段起到了一定作用。在围岩变形量大时，可利用 TBM 配置的超前钻机和注浆设备加固地层。同时双护盾 TBM 的高强度结构设计和足够的推力储备及扭矩储备能保证TBM 不易被变形的围岩卡住。

对塌方地段，由于双护盾 TBM 采用了封闭式的刀盘设计，能有效地支撑掌子面，防止围岩发生大面积坍塌。TBM 撑靴压力能根据地质条件调整，以免支撑力过大而破坏洞壁岩石。同时，双护盾TBM 的高强度结构设计和足够的推力储备及扭矩储备能保证TBM 不易被坍塌的围岩卡住。

对瓦斯地层，双护盾 TBM 配置有地质预报仪和超前钻机，能根据需要对可能的瓦斯聚集煤层采用超前钻探检验其浓度，并对聚集的瓦斯采取打孔卸压的方法卸压并稀释。TBM 配置有瓦斯监测系统，监测器采集的数据与 TBM 数据采集系统相连，并输入PLC 控制系统。当瓦斯浓度达到一级警报临界值时，瓦斯警报器发出警报；当瓦斯浓度达到二级警报临界值时，TBM 自动停止工作，并启动防爆应急设备，通过通风机对瓦斯气体进行稀释。

（3）实现了工厂化作业。

双护盾 TBM 施工，由刀盘开挖地层，在护盾的保护下完成隧道掘进、出渣、管片拼装等作业而形成隧道，豆砾石的喷灌、注浆、通风、供电等辅助作业也实施了平行作业，充分利用了洞内空间。双护盾 TBM 施工具有机械化程度高，施工工序连续的特点。隧道衬砌采用管片衬砌技术，管片采用工厂化预制生产，运到现场进行装配施工，预制钢筋混凝土管片具有质量好、精度高的特点，与传统的现浇混凝土隧道衬砌方法相比，施工进度快，施工周期短，无须支模、绑筋、浇筑、养护、拆模等工艺；避免了湿作业，施工现场噪声小，减少了环境污染。隧道衬砌的装配式施工，不仅实现了隧道施工的工厂化，且更方便隧道运营后的更换与维修。

（4）自动化、信息化程度高。

双护盾 TBM 采用了计算机控制、遥控、传感器、激光导向、测量、超前地质探测、通信技术，是集机、光、电、气、液、传感、信息技术于一体的隧道施工成套设备，具有自动化程度高、对周围地层影响小、有利于环境保护的优点。施工中用人少，且降低了劳动强度、降低了材料消耗。双护盾TBM 具有施工数据采集功能，TBM 姿态管理功能，施工数据管理功能，施工数据实时远传功能，实现了信息化施工。

2.双护盾TBM 施工的缺点

（1）双护盾TBM 价格较贵。同直径的双护盾TBM 的造价一般比开敞式TBM 高20%，双护盾TBM 设备一次性性投入较大。目前，直径 φ6 m左右的TBM 出厂价约为1 000 万美元，直径 φ9 m左右的TBM 出厂价约为1 600 万美元。

（2）开挖中遇到不稳定或稳定性差的围岩时，会发生局部围岩松动塌落，需采用超前钻探提前了解前方地层情况并采取预防措施。

（3）在深埋软岩隧洞施工时，高地应力可能引起软岩塑性变形，易卡住护盾，施工前需准确勘探地质，并先行释放地应力，施工成本较高。

（4）对深埋软岩隧洞，地应力较大，由于TBM 掘进的表面比较光滑，因此地应力不容易释放，与钻爆法相比，更容易诱发岩爆。

（5）在通过膨胀岩时，由于膨胀岩的膨胀、收缩、崩解、软化等一系列不良的工程特性，在进行管片的结构设计时，应充分考虑围岩膨胀力对管片可能施加的载荷，确保衬砌结构安全。应注意管片的止水防渗，防止膨胀岩因含水量损失而发生崩解或软化而造成TBM 下沉事故。

（6）在断层破碎带，因松散岩层对TBM 护盾的压力较大，易发生卡机事故；在岩溶地段，易发生TBM 机头下沉事故；施工中应采取相应对策。

（7）由于隧道管片接缝多，在不良地质洞段其不漏水性和运行安全性是个较薄弱的环节。

（8）由于护盾将围岩隔绝，只能从护盾侧面的观察窗了解围岩情况，不能系统地进行施工地质描述，也难以进行收敛变形量测。

（9）双护盾 TBM 掘进时产生岩粉，易沉积在隧道底部约 120° 范围内，且岩粉被主机自重压得十分密实，水泥灌浆难以灌入岩粉层，易形成强度低于灌浆后豆砾石层的一个弱层。

（10）双护盾 TBM 属岩石隧道掘进机，不适宜在软土地层施工。通过软土段时，土体易黏结在刀具上，不能顺利从出渣漏斗排出。