摘 要：主要介紹典型雙護(hù)盾TBM設(shè)備的組成、結(jié)構(gòu)形式，并根據(jù)不同的施工地質(zhì)情況詳細(xì)分析了雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)的工作原理，以及該類(lèi)型TBM的優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：雙護(hù)盾；TBM；結(jié)構(gòu)形式；工作原理

引言

近年來(lái)，先進(jìn)的全斷面掘進(jìn)機(jī)（TBM）在地下工程中愈來(lái)愈顯示其功能的優(yōu)越性。尤其是雙護(hù)盾TBM，在隧道施工中（如開(kāi)挖、出渣、襯砌灌漿等平行作業(yè)）實(shí)現(xiàn)一次成洞，有效地利用隧道空間，使施工作業(yè)達(dá)到安全、高效和快速施工的目的。在一定的地質(zhì)條件下，雙護(hù)盾構(gòu)型TBM掘進(jìn)機(jī)能很好地解決巖石的非穩(wěn)定性及涌水問(wèn)題，其結(jié)構(gòu)形式和特點(diǎn)受到廣大施工單位的青睞。

1 雙護(hù)盾TBM的結(jié)構(gòu)

1.1 雙護(hù)盾TBM的結(jié)構(gòu)形式

雙護(hù)盾TBM設(shè)備的一般結(jié)構(gòu)主要由裝有刀盤(pán)及刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)裝置的前護(hù)盾，裝有支撐裝置的后護(hù)盾（支撐護(hù)盾），連接前、后護(hù)盾的伸縮部分和安裝預(yù)制混凝土管片的尾盾組成。

雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)是在整機(jī)外圍設(shè)置與機(jī)器直徑相一致的圓筒形護(hù)盾結(jié)構(gòu)，以利于掘進(jìn)松軟破碎或復(fù)雜巖層的全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)。雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)在遇到軟巖時(shí)軟巖又不能承受支撐板的壓應(yīng)力，由盾尾推進(jìn)液壓缸支撐在已拼裝的預(yù)制襯砌塊上或鋼圈梁上以推進(jìn)刀盤(pán)破巖前進(jìn)；遇到硬巖時(shí)，與敞開(kāi)式掘進(jìn)機(jī)的工作原理一樣，靠支撐板撐緊洞壁，由主推進(jìn)液壓缸推進(jìn)刀盤(pán)破巖前進(jìn)。

圖1 雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

前護(hù)盾：前護(hù)盾用厚度>40mm的優(yōu)質(zhì)鋼板卷制而成。前護(hù)盾既有防止隧洞巖碴掉落保護(hù)刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、推進(jìn)缸和人身安全的作用，也可以增大機(jī)頭與隧洞底部接觸面積而降低接地比壓以利于掘進(jìn)機(jī)通過(guò)軟弱巖或破碎巖。

伸縮護(hù)盾：伸縮護(hù)盾用厚度>30mm的優(yōu)質(zhì)鋼板卷制而成。伸縮護(hù)盾的外徑小于前護(hù)盾的內(nèi)徑，其四周設(shè)置有鋼制的觀察窗。伸縮護(hù)盾的作用是在掘進(jìn)時(shí)后護(hù)盾固定、前護(hù)盾伸出時(shí)，前后護(hù)盾之間有一伸縮套可以保護(hù)推進(jìn)缸和人員安全。另外，通過(guò)伸縮護(hù)盾的觀察窗口可對(duì)局部洞壁進(jìn)行監(jiān)察。伸縮護(hù)盾通過(guò)油缸與后護(hù)盾相連接，必要時(shí)可伸出油缸將伸縮護(hù)盾移入前護(hù)盾內(nèi)腔以便直接露出洞壁空間，對(duì)洞壁進(jìn)行處理。

后護(hù)盾：后護(hù)盾也是用厚度>40mm的優(yōu)質(zhì)鋼板卷制而成，其結(jié)構(gòu)比前護(hù)盾要復(fù)雜得多。后護(hù)盾前端主要與推進(jìn)缸相連，同時(shí)還與伸縮套油缸相連接。其中部裝有水平支撐機(jī)構(gòu)，水平支撐靴板的外圓相一致，構(gòu)成了一個(gè)完整的盾殼。后護(hù)盾四周有成對(duì)布置輔助推進(jìn)缸的孔位；后護(hù)盾后部與混凝土管片安裝機(jī)構(gòu)相接。后護(hù)盾后部盾殼四周留有斜孔，以配合超前鉆作業(yè)。

1.2 雙護(hù)盾TBM的支撐形式

雙護(hù)盾TBM在能構(gòu)自穩(wěn)的巖石中，使用的還是推進(jìn)缸和水平支撐。

V型推進(jìn)缸：雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)的推進(jìn)缸按V型成對(duì)布置，V型夾角一般為60°。由于V型布置除有軸向推力外，還有垂直軸向的分力，此分力起抗扭糾偏的作用，同時(shí)通過(guò)對(duì)不同位置的V型油缸輸入不同壓力、流量的油流，可起到左右、仰頭低頭調(diào)向的作用，這樣雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)不單獨(dú)設(shè)置調(diào)向、糾偏油缸和系統(tǒng)，而通過(guò)控制調(diào)節(jié)V型油缸來(lái)實(shí)現(xiàn)推進(jìn)、調(diào)向、糾偏功能。V型推進(jìn)缸通過(guò)球鉸與機(jī)頭及后護(hù)盾聯(lián)結(jié)，傳遞機(jī)頭的推力和扭矩。V型推進(jìn)缸必須配置防轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。

水平支撐：根據(jù)空間布置的可能，雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)只有水平型式的支撐，沒(méi)有X型支撐。水平支撐機(jī)構(gòu)有上下各兩只水平缸和左右各一塊水平支撐靴板組成，而不設(shè)置敞開(kāi)式掘進(jìn)機(jī)的水平支撐架。水平支撐靴板側(cè)板上有導(dǎo)向孔，兩側(cè)輔助油缸體從導(dǎo)向孔中通過(guò)，將水平支撐與后護(hù)盾連成一體，并將后護(hù)盾的推力、扭矩傳遞給水平支撐，最后傳遞給洞壁。

輔助推進(jìn)缸：輔助推進(jìn)缸只有在水平支撐不能撐緊洞壁進(jìn)行作業(yè)時(shí)使用。此時(shí)，水平支撐缸縮回至水平支撐靴板外圓，與后護(hù)盾外圓一致。V型推進(jìn)缸全部收縮到位，前后盾連成一體，完全處于單護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)工作狀態(tài)。輔助推進(jìn)缸均是成對(duì)布置，每?jī)蓚€(gè)缸配一塊尼龍靴板，這樣可以防止油缸回轉(zhuǎn)。尼龍靴板壓在混凝土管片上實(shí)施軟接觸而避免管片的損壞。

2 雙護(hù)盾TBM的工作原理

雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)在良好地層和不良地層的工作方式是不同的。

2.1 良好地層的工作原理

a.推進(jìn)作業(yè)。伸出水平支撐缸，撐緊洞壁→起動(dòng)膠帶機(jī)→回轉(zhuǎn)刀盤(pán)→伸出V型推進(jìn)缸，將刀頭及護(hù)盾向前推進(jìn)一個(gè)行程實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)作業(yè)。

b.換步作業(yè)：當(dāng)V型推進(jìn)缸推滿(mǎn)一行程后，就進(jìn)行換步作業(yè)。刀盤(pán)停止回轉(zhuǎn)→收縮水平支撐離開(kāi)洞壁→收縮V型推進(jìn)缸，將掘進(jìn)機(jī)后護(hù)盾前移一個(gè)行程。

不斷重復(fù)上述動(dòng)作，則實(shí)現(xiàn)不斷掘進(jìn)。在此工況下，混凝土管片安裝與掘進(jìn)可同步進(jìn)行，成洞速度很快。

2.2 能自穩(wěn)不能支撐巖石中掘進(jìn)的工作原理

此時(shí)，V型缸處于全收縮狀態(tài)，并將支撐靴板收縮到與后護(hù)盾外圓一致，前后護(hù)盾聯(lián)成一體，就如單護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)一樣掘進(jìn)。掘進(jìn)工作原理：

a.掘進(jìn)作業(yè)：回轉(zhuǎn)刀盤(pán)→伸出輔助推進(jìn)缸，撐在管片上掘進(jìn)，將整個(gè)掘進(jìn)機(jī)向前推進(jìn)一個(gè)行程。

b.換步作業(yè)：刀盤(pán)停止回轉(zhuǎn)→收縮輔助推進(jìn)缸→安裝混凝土管片。

重復(fù)上述動(dòng)作實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)。此時(shí)管片安裝與掘進(jìn)不能同時(shí)進(jìn)行，成洞速度將變慢。

a.掘進(jìn)與管片安裝和撐靴收回 b.支撐和再掘進(jìn)與安裝

圖2 雙護(hù)盾模式掘進(jìn)原理示意

由此可見(jiàn)，在不良地層條件下掘進(jìn)時(shí)，不使用支撐靴板，前護(hù)盾與后護(hù)盾之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，其工作和單護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)一樣。機(jī)器的掘進(jìn)和襯砌管片的鋪設(shè)不能同時(shí)同時(shí)進(jìn)行，因而總的掘進(jìn)速度會(huì)有所下降。

在不良地層中還可以采用另一種工作方式：機(jī)器掘進(jìn)時(shí)，副推進(jìn)油缸閉鎖，即后護(hù)盾的位置相對(duì)不動(dòng)，用主推進(jìn)油缸推動(dòng)前護(hù)盾向前，此時(shí)機(jī)器的反推力和反扭矩由副推進(jìn)油缸承受。

這種工作方式可能發(fā)生的問(wèn)題是：可伸縮護(hù)盾在松散地層條件下可能因碴石卡在接縫處而被卡死。為減少這種危險(xiǎn)，可將伸縮范圍限制在幾厘米，并在每次伸縮后將護(hù)盾向前移。

這種工作方式可以減少護(hù)盾的移動(dòng)長(zhǎng)度，同時(shí)也減少了用以克服掘進(jìn)機(jī)護(hù)盾滑動(dòng)摩擦的推力。

3 結(jié)束語(yǔ)

雙護(hù)盾結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，可使用不同的地質(zhì)條件，具有一定的優(yōu)越性，但也存在一定的缺點(diǎn)，本文分析了雙護(hù)盾的結(jié)構(gòu)形式和工作原理，具有一定的指導(dǎo)意義。

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