隧道盾构掘进机推进系统设计

（ ．浙 江大 学流体 传 动及控 制 国 家重点 实验 室 ，浙江杭 州 ３０ ２ ； １ １０ ７ ２ ．华 东交通 大 学机 电工程 学院 ，江西 南 昌 ３０ １ ） ３０ ３
摘 要 ：给出了采 用压 力流 量 复合 控制 的 盾构 掘进 机 推进 液 压系 统工 作模 型 ，对 其 中的 比例调 速 阀和 比例 溢 流 阀在 Ａ Ｓｍ环境下进行 了模 型构建 ，并 完成了阀基本参数的优化设计 。采 用一种简化 的动 态土体粘 弹性模 型模拟 盾构实 际推 ＭＥ ｉ 进 过程 中的复杂负载工况 。引入一种采用偏差修正参数 的非线性 ＰＤ控制器并在 Ｍａａ／ ｉｕｉｋ环境下 建模 。为充分 发挥 Ｉ ｔ ｂ Ｓｍ ｌ ｌ ｎ
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２０ ０ ８年 ７月
机床 与液压
ＭＡＣＨ１ ＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬ ＣＳ Ｉ
Ｊ １２ ０ ｕ． ０ ８
Ｖ０ ＿ ６ Ｎｏ ７ ｌ３ ．
第３ ６卷 第 ７期
盾构掘进机推进 系统非线性 ＰＤ控制仿真分析 Ｉ
施 虎 ，龚 国芳 ，杨华 勇 ，胡 国良
中图分类号 ：Ｔ ３ Ｈ１７ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１０ ３ ８ （０ ８ ０ １— ８ １ ２ ０ ）７— ７ ４ ０ ６—
Ｓｉ ｕ ａ ｉ ｅ Ｓｔ ｄ ｆＴｈ ｕｓ ｄｒ ｕ ｉ ｓｅ ｆ Ｓ ｅｄ ｍ ｌ ｔｖ ｕ ｙ ｏ ｒ ｔ Ｈｙ ａ ｌｃ Ｓｙ ｔ ｍ ｏ ｈｉｌ Ｔｕ ｎｅ ｉ ａ ｈ ｎ ｔ ｎ ｉ ｅ ｒ ＰＩ Ｃｏ ｔ ｏ ｌｒ ｎ ｌｎｇ Ｍ ｃ ｉ ｅ ｗｉｈ Ｎｏ ｌｎ ａ Ｄ ｎ ｒ ｌｅ
ｔ ｅ ｃ ｎｒ ｌ ｎ ａ ｋ ａ ｄ ｍｏ ｅｅ ｎ Ｍａｌｂ Ｓ ｍｕ ｉ ｋ ｅ ｖｒ ｎ ｎ ． Ｔ ｅ ｃ — ｉ ｌｔ ｎ ｏ ｙ ｒ ｕ ｉ ｎ ｏ ｔ ｌｓ ｓｅ ｗ ｓ ｃ ｒｉｄ ｏ ｔ ｈ ｏ ｔ ｌ ｇ ｔｓ ｎ ｄ ｌｄ ｉ ｔ ／ ｉ ｌ ｎ ｉ ｍｅ ｔ ｏｉ ａ ｎ ｏ ｈ ｏ ｓ ｍｕ ａｉ ｆｈ ｄ ａ ｌ ａ ｄ ｃ ｎｒ ｙ ｔｍ ａ ａｒｅ ｕ ｏ ｃ ｏ

盾构过矿山法隧道方案1.工程概况1.1 区间概况本区间设计范围内隧道自田贝站南端头南行至翠竹路，左转向东南穿越大头岭至大头岭南侧，后穿过东门北路住宅小区，到达翠竹站东侧端头。

本区间设计范围里程ZDK10+165.970～ZDK11+374.800（含短链16.138m）。

全区间有盾构开挖盾构衬砌隧道和矿山法开挖盾构衬砌隧道两种隧道，其中：ZDK10+165.970～ZDK10+635.000和ZDK11+022.000～ZDK11+374.800为盾构开挖盾构衬砌隧道，ZDK10+635.000～ZDK11+022.000为矿山法开挖盾构衬砌隧道。

盾构开挖盾构衬砌隧道长821.83mm（单洞）；矿山法开挖盾构衬砌隧道长387m（单洞）。

区间在ZDK10+470.117和ZDK11+017.5处共设2处联络通道，在ZDK10+470.117处联络通道中间设区间排水泵房，在ZDK11+017.5处设矿山法施工横通道，在横通道端头设施工竖井。

1.2 矿山法隧道概况1.2.1 矿山法隧道矿山法隧道按照新奥法原理设计,隧道衬砌及支护参数主要根据结构断面、围岩级别、水文地质条件、结构受力特性等因素，类比同类工程，并经计算分析及优化综合确定。

区间结构支护形式为初期衬砌和盾构混凝土管片相结合，初期支护主要由超前小导管、砂浆锚杆、钢筋网、喷射混凝土组成初期衬砌支护体系。

矿山法隧道成洞断面见图1.图1 矿山法隧道成洞断面图1.2.2 临时竖井及横通道井筒净空5m×6m，井深约28.1m。

竖井支护按其围岩类别、使用要求，以及以往工程施工经验类比确定支护参数：初期支护分别为300mm、200mm厚的C20网喷混凝土与型钢钢架联合支护，井壁打设φ22砂浆锚杆。

横通道净宽5m，净高分别为4.5m和8.5m，长43.91m。

采用割圆拱直边墙断面。

其中线与地铁隧道右线线路相垂直，交点里程为YDK11+040。

采用网喷C20混凝土，打设φ22砂浆锚杆进行支护。

2023/04总第566期隧道掘进机同步推拼施工分析郑永光，王鹏星，范亚磊，周坤（中铁工程装备集团有限公司，河南郑州 450016）［摘要］为了提高施工效率，格鲁吉亚南北高速公路项目应用了同步推拼控制技术。

通过对两种施工作业方法进行拆解分析，对施工效率进行了对比计算，得出同步推拼控制技术可以显著提高掘进施工效率达20%～50%，同时分析了施工中影响同步推拼掘进效率的关键因素，得出增加油缸行程、提高管片拼装效率能够提高掘进效率，为其他项目的应用提供了参考。

［关键词］盾构隧道；管片拼装；同步推拼；施工效率［中图分类号］U455 ［文献标识码］B ［文章编号］1001-554X（2023）04-0149-05Analysis of synchronous pushing construction of tunnel boring machineZHENG Yong-guang，WANG Peng-xing，FAN Ya-lei，ZHOU Kun盾构法作为机械化施工法的典范，可兼顾施工安全、掘进速度、复杂地层适应性和地表沉降控制等要求，已成为修建我国城市地铁隧道的主流工法［1］。

在传统盾构施工作业中，施工工序一般是推进、停止、拼装、掘进和管片拼装分步作业的方案。

随着隧道行业的不断发展与进步，追求施工进度及施工工法已然成为各大施工方的目标。

在施工效率提升方面，国内很多专家学者从施工参数、施工组织等方面进行了较多的研究。

宋克志等通过回归分析数学方法的运用，分析了泥、砂岩交互作用复杂地层下盾构掘进效能与岩石强度、刀盘推力及刀盘扭矩的关系［2］；陈伟等运用SA-LS-SVM方法对特殊地质条件下影响地铁盾构施工效率的地层参数进行了分析［3］；李俊清、徐蒋军和王效文等从设备管理、节点控制等设备组织因素方面研究了合理安排盾构施工流程、提高施工效率的方法［4-6］；王方政和张世豪等从盾构选型方面和参数方面提出不同盾构配置对施工效率的影响［7，8］。

第 1 章绪论1.1 引言近年来,我国开展大规模的城市市政工程建设,尤其是几个重要城市都已开始了地下铁路的建设工程。

在这些地下工程中,由于受到施工场地、道路交通等城市环境因素的限制,使得传统的施工方法难以普遍适用。

在这种情况下,对城市正常机能影响很小的隧道施工方法--盾构施工法普遍得到了人们的关注,并且在一些地区已经有了较为广泛的使用。

盾构法施工技术已被广泛应用于铁路隧道、过江隧道、公路隧道和城市地下工程。

全断面隧道掘进机是集机、电、液、光、计算机技术为一体的大型地下工程施工装备，是大规模开发利用地下空间的前提条件。

1.2盾构机掘进机概况盾构掘进机作为典型的复杂机电产品的代表，是机电液一体化高度集成的大型设备，也是多单元集成的大型水利、国防、地铁、交通等领域的基础关键设备。

“十一五”期间，国家在先进制造领域重点扶持盾构掘进机系列化设计和制造关键技术的研究与开发，以制造样机和进行工程试用为目标，争取2015年实现系列化和产业化。

近年来，由于我国基础设施建设的需要，盾构法施工技术的应用在国内得到快速发展。

据不完全统计，国际建筑市场的全断面隧道掘进机年需求量上千台，年营业额超过100 亿美元；到2020 年我国对各类大型全断面隧道掘进机可以预见的需求将超过1000 台。

由于重大技术装备制造水平的发展跟不上我国经济快速发展的要求，一些大型重要工程为保证工期和质量，倾向依赖于进口装备，造成我国机械产品贸易逆差逐年加大，核心技术对外依赖性不断增强，蕴涵着较高的国际经济及政治风险。

与传统的隧道掘进技术相比，盾构掘进机施工隧道断面一次成型，支护和衬砌及时，具有安全可靠、工作环境好、土方量少、进度快、施工成本低等优点，尤其在地质条件复杂、地下水位高而埋深较大时，只能依赖全断面盾构掘进机。

根据国外全断面掘进机的发展经验和趋势，结合我国国情，目前，国内盾构生产、施工过程中遇到的主要问题及难点主要集中在以下几个方面：（1）液压推进系统实时、智能化精确控制技术；（2）刀具和刀盘设计技术；（3）结构参数的优化和系统集成技术；（4）精确控制地表沉降技术；（5）提高姿态控制精度的激光导向技术；（6）隧道管片拼装的全自动化技术等。

加固 。原杆件为双角钢 ,通过围焊加固 ,加固后的杆件 截面为封闭的方形或矩形 ,承载力和刚度都得到很大 提高 。加大截面部分如图 5 所示 。
图 5 杆件加大截面设计 Fig. 5 Enlarging section design of bar
相对而言 ,节点板处焊接量比较大 ,所以对节点板
采用如下焊接方法 :由桁架中间向两边同步焊接 ,焊接
[ 3 ] 赵峰 ,吴东平. 钢屋架加固改造中的受力分析方法 [J ] . 建筑 技术 , 2005 , 36 (5) . Zhao Feng , Wu Dongping. A force analysis method in reinforcing steel roof truss [ J ] . Architecture Technology , 2005 , 36 ( 5) . ( in Chinese)
support of new bቤተ መጻሕፍቲ ባይዱilding
临时结构的整体稳定性 4 区的所有外围墙体 、挡风柱等拆除后 ,原结构只
剩下柱和钢屋架及屋面板 ,虽然减小了风荷载效应 ,但 考虑到基坑开挖 ,以及后续基础加固的土方开挖使得 结构变形加大 ,因此在连接薄弱的位置 ,如结构四角和 拐角处增设型钢支撑 ( 见图 7a) ,以加强临时过渡结构 的整体稳定性 。支撑和柱采用铰接 ,安装形式如图 7b 所示 。
[ 2 ] 罗启北 ,宋扬 ,张艳霞 ,等. 某厂房钢屋架加固施工[J ] . 施工 技术 ,2005 ,34 (8) . Luo Qibei , Song Yang , Zhang Yanxia , et al . Strengthening construction of steel roof trusses of a factory building[J ] . Construction Technology , 2005 ,34 (8) . (in Chinese)

掘进机和盾构机的工作原理
掘进机（TBM）的工作原理主要是通过切削和推土机械将土
壤或岩石等材料沿着隧道线路切割掉或推动到机器后方，同时通过输送系统将废弃的材料运出隧道。

掘进机主要由刀盘、主机、支撑体系、掘进面扩展装置和输送系统等组成。

其中，刀盘是掘进机的核心零件，它由大量刀片组成，通过旋转刀盘进行切削作业，切削材料由刀盘后方的传送装置进行清理和运输。

盾构机的工作原理类似于掘进机，也是通过土壤或岩石的切削和推力来推进隧道的掘进。

不同之处在于盾构机是通过一个巨大的盾构壳体来保护掘进面，将切削面后方压迫的地层支撑住，以防止隧道倒塌。

盾构机的工作原理主要包括盾构壳体、刀盘、推进装置、注浆系统以及输送系统等组成。

刀盘通过切削土体，然后将土体推至刀盘后方的输送装置，最后通过输送装置将土体从隧道中运出。

综上所述，掘进机和盾构机的工作原理都是通过切削和推力来推进隧道的掘进，掘进机主要通过刀盘进行切削和输送，而盾构机则通过盾构壳体来保护掘进面并将土体推压支撑住。

双护盾式TBM既可以用于硬岩掘进，也可以用于软岩掘 进。双护盾式TBM主要由切削刀盘、前护盾与刀盘支撑、后 护盾与支撑和推进装置、后配套系统等部分组成。
1.2 开敞式TBM主要结构组成与工作原理
盘形滚刀 皮带输送机 刀盘布置
1.2 开敞式TBM主要结构组成与工作原理
盘形滚刀 皮带输送机 刀盘布置
CMC公司及中国水利水电四 局组成的万龙联营体承包。
1993年开始掘进至今，创造 最高月进尺1821.5m的掘进 记录。
3、我国主要TBM工程及技术应用
3.1TBM应用典例 云南那邦水电站TBM工
程，直径4.5m，长约10km。
采用开敞式TBM施工。
（4） 云南那邦
水电站 TBM工程
具有TBM施工作业面狭小 、特殊夹泥地质，环保要 求高、雨水多、通风难度 大等特点。
世界上可借鉴的大直径、长距离TBM施工 隧道的典例不多，同时存在技术保密和封 锁。我国工程市场份额巨大。
研究建立我国自主的TBM施工技术体系并 实现国产化意义重大。
2、TBM在长大隧道的地位与作用
21世纪是人类开发地下空间的世纪, 加速发展我国全断面隧道掘进机的研 发及产业化势在必行。
国务院国发[2006]8号文件《国务院关于 加快振兴装备制造业的若干意见》将“满足铁路、 水利工程，城市轨道建设项目的需要，加快全断 面岩石掘进机等大型施工机械的研制，掌握关键 设备制造技术”列入16项重大技术装备之一。
护盾式TBM主要进行以软弱围岩为主的长 大隧道施工，根据地质条件可分别选取单护 盾和双护盾TBM。
全断面（隧道）岩石掘进机 Hard Rock Tunnel Boring Machine-----TBM
开敞式掘进机
全断面岩石掘进机图

监理检查：
盾构机性能验收
盾构始发
一、盾构始发简介
盾构始发是盾构推进的开始，也是盾构法隧道施 工中的一道关键工序。在进入施工现场后，所有的 准备工作都是为盾构顺利始发提供条件。当盾构安 装调试结束并一切正常后，进入始发状态。
在盾构始发之前要安装盾构后靠，要在洞圈内 开探孔观测土体是否稳定、洞圈封门凿除，还要 在洞圈上安装防水装置。所有准备工作就绪，盾 构将开始始发。
另外，在负环拼装之前需事前将盾尾油 脂填满盾尾钢丝束内。见图21
图20
此时负环拼装完毕后，前期盾构始发准备 工作就绪。等待盾构正式始发
图21 盾尾油脂
图22 前期负环管片拼装完毕
六、盾构始发 在洞圈防水装置安装完毕后，将要进行盾构始发施 工。 在盾构始发之前，在洞圈内左、右两边各焊接一段 导向轨。此导向轨是基座轨道的延长线，但比基座轨道 底2cm，以免盾构始发刀盘旋转碰到此导向轨。 此导向轨的作用是为了防止盾构进入洞圈后，盾构 磕头，盾尾下沉。 盾构始发时要先将洞门钢筋割除，分九大块，从上 向下进行。
盾构法隧道施工工艺流程
盾构法隧道的基本原理是用一件有形钢质组件沿隧道设计 轴线开挖土体而向前推进。
施工工艺流程： 施工准备（三通一平、生产生活设施布置）→盾构就位
（基座安装、盾构安装调试、后靠支撑安装）→负环拼装 →盾构始发（洞门加固、洞圈止水装置安装、凿处洞门、 始发推进）→盾构正常推进（轴线控制、同步注浆、出土、 管片拼装）→盾构到达（洞门加固、贯通测量、基座安装、 洞圈止水装置安装、封堵洞门）→盾构吊装→工程竣工。
水、照明、通讯等设施的安装工作。
（2）、施工前必需材料、设备、机具备齐，以满足本阶段施工要求， 管片、连结件等准备有足够的余量。

盾构掘进机在地铁隧道中的应用盾构掘进机是一种隧道掘进专用的工程机械。

现代盾构掘进机采用了类似机器人的技术，如控制、遥控、传感器、导向、测量、探测、通讯技术等，集机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土渣、拼装管片、隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，是目前最先进的隧道掘进设备。

盾构施工法适用于软土、砾石、硬岩等不同地质构造的隧道暗挖，被广泛应用于地铁、公路、铁路、输气、输水、市政、水电隧道等大型工程建设。

盾构掘进机基本有两大类：土压平衡式盾构机和泥水平衡式盾构机。

本文着重介绍土压平衡式盾构掘进机。

一、土压平衡式盾构掘进机的组成结构土压平衡式盾构从结构上分由主机和后配套组成，主机由刀盘、盾体、主传动、人员舱等部分组成。

后配套主要由控制室、电气柜、液压站等组成。

刀盘是盾构机的工作机构, 根据不同的地质条件可以装全切刀(软土模式)、全滚刀、切刀滚刀混装。

切刀滚刀轨迹按同心圆布置，间距一般60～100 mm，越向外间距越小。

为防止机器偏转，刀盘在主传动液压马达，或多个电机的带动下，要作往复旋转运动，根据地质条件的不同，开口度也不同。

刀盘要有足够的开口度，一能保证开挖下来的软土能进入土舱进行搅拌，以便从螺旋输送机中运走，二能使软土的压力更准确地传给土压传感器。

盾体是盾构机的框架，分前盾体、中盾体和盾尾。

驱动系统、传动系统、人员舱等安装在盾体中。

人员舱是维修人员进入土舱内更换刀具的一个过渡舱，也可进行压气作业。

推进缸为整个盾构推进提供动力。

螺旋输送机负责将刀盘切削下来的经过搅拌的沙石排出到皮带运输机上。

拼装机主要功能是拼装管片。

盾尾密封刷安装在盾尾上，一般有三道密封刷，而盾尾密封油脂在油脂泵的作用下注入到密封刷之间，并与管片外壁形成密封，可防止泥浆倒流。

注浆系统是向盾构机外径与管片外径之间的缝隙注浆的系统。

注浆作业由设置在盾构机后配套上的注浆装置进行。

通过不同位置的管道进行注浆。

该系统可进行手动操作和自动操作，还可进行注浆操作和管道的清洗操作。

隧道掘进机（TBM）和盾构机管理制度（ISO9001-2015）第一章总则第一条为管好用好公司隧道掘进机（以下简称TBM）和盾构机（以下简称盾构）等成套设备，确保技术状况良好，延长使用寿命，提升公司在该领域的实力，更好地服务于施工生产，根据国家《全民所有制工业交通企业设备管理条例》和《中铁十八局集团有限公司机械动力设备管理规定》、《工程项目设备管理实施细则》，结合TBM（盾构）的特点，制定本办法。

第二条 TBM（盾构）管理，按照国家、中国铁建股份公司、公司的规定，贯彻执行“依靠技术进步，促进生产发展和预防为主”的方针，坚持设计、制造与使用相结合，维护与计划检修相结合，修理改造与更新相结合，专业管理与群众管理相结合，技术管理与经济管理相结合的原则。

第三条 TBM（盾构）管理的任务是：贯彻执行国家、中国铁建股份公司有关方针、政策、法令、法规，通过技术、经济、组织措施对其进行综合管理。

变静态管理为动态管理，做到全面规划、合理配置、择优选购、正确使用、精心养护、安全运行、科学检修、适时改造更新，保持设备完好。

不断改善和提高技术装备素质，充分发挥设备效能，取得良好的投资效益。

第四条加强TBM（盾构）管理和维修技术的科学研究，积极采用先进的管理方法和维修技术，采用以设备状态监测为基础的设备维修方法，不断提高TBM（盾构）管理和维修技术现代化水平。

第五条按照“统一领导，分级管理”原则，TBM（盾构）实行公司、子分公司两级管理。

第六条 TBM（盾构）管理是企业管理的重要组成部分，做好TBM（盾构）管理工作是各级领导的重要职责，其主要经济技术指标纳入单位领导责任目标，并定期考核。

第七条各级设备部门（或TBM技术部）要对TBM（盾构）的规划、选型、购置、安装、调试、验收、使用、保养、检修、改造、更新直至报废的全过程，实行综合管理。

第八条 TBM（盾构）管理要“以管为主，以修为辅”，防止和克服重用轻管，只用不修和拼设备的错误倾向；设备运行要坚持“预防为主，安全第一”的方针，做好维护保养工作。

盾构掘进施工工艺流程本标段共包含2个盾构区间段，由西向东分别是双林站～李楼站～洪泥河站。

具体如下：双林站～李楼站区间隧道采用3台土压平衡盾构推进，其中双林站敞开段～区间风井区间1#盾构机拟由双林站敞开段始发，推进至区间风井接收，盾构机再转场至双林站敞开段，继续掘进至区间风井接收后结束施工；区间风井～李楼站区间2#、3#盾构机拟由李楼站始发，推进至区间风井。

李楼站～洪泥河站区间隧道采用2台土压平衡盾构机由李楼站开始推进（3#盾构机、4#盾构机)，推进至洪泥河站。

具体单个区间施工见图：盾构施工工艺流程图。

图程流艺工工施构盾1.4.1 准备工作1.4.1.1 技术交底、岗位培训在盾构施工前，对参加施工的全体人员按阶段进行详细的技术交底，按工种进行岗位培训，考核合格后方可上岗操作。

1.4.1.2 地面准备工作1）在盾构推进施工前，按常规进行施工用电、用水、通风、排水、照明等设施的安装工作，特别是盾构机的高压电路的布设。

2）施工必需材料、设备、机具备齐，以满足本阶段施工要求，管片、连接件等准备有足够的余量。

3）井上、井下建立盾构测量控制网，并经复核、认可。

4）车架安置到位，电缆、管路等接至井下。

1.4.1.3 井下准备工作1）盾构基座就位盾构基座为钢结构预制成榀，盾构基座位置按设计轴线准确放样，安装时按照测量放样的基线，吊入井下就位焊接。

两根轨道中心线与基座上的盾构必须对准洞门中心且与隧道设计轴线反向延长线基本一致，并对基座加设支撑加固。

详见盾构基座（发射架）图。

2）盾构吊装就位、调试验收根据现场情况，采用吊车将盾构机本体分块吊入井下，在盾构基座上正确就位、组装，然后将盾构与车架之间的电缆、油管等连接，最后由专业技术人员调试验收。

3）盾构后靠制作钢后靠采用双榀70#H钢制作，并采用 609钢管斜撑进行支撑。

在盾构推进时，应注意观察后靠的变形，防止位移量过大而造成破坏。

在后靠设置变形观测点，开始时每推进一箱土测量一次，待后靠变形较稳定时每环测量一次，直至后靠稳定（约7环）后方可停止观测。

计寿 命 为 １００小 时 ， 台机 轴 承 各约 用 了 １５ ００ 两 ８０小时 ， 浆泵只有一套， 进行壁厉注浆作业时 ， 同步注 浆就无法 远未达到使用寿命；②刀盘减速器的设计寿命为 ５０ ００ 进行， 掘进须停 ｝。 ＾ 增设一套泵送机构， ｋ 可使掘进和壁后 小 时 以上 ， 目前两 台机 减速 齿 轮各 约 用 了 １５ 而 ８０小时 。 注浆同步， 提高掘进效率。 预计车 三项 目部 将运 转 ２０ ０ ０小 时 ， 总运 转 时 间 ３ ５ ８ ０多 （ 改进 Ａ ２ ） 液罐搅拌轴 的设置形式 。现搅拌轴为卧 小时， 不会超出设计寿命 。③泵和马达等液压元件一般 式，端面密封橡胶采用压力油脂张开形式达到密封 目 大修 周 期在 ６ ０ 时 以上 ， ０ ０小 预计 在 下 一 工地 运转 ２０ ００ 的。 但工作不可靠 ， 浆液外泄现象无法解决 ， 周围设施受 小时， 各液压系统应仍处于正常工作状态 。 污染严重。 为了解决这一问题 ， 拟将轴 由水平改为立式， 刀盘重新设计制造 ， 度 、 强 刚度 、 磨 性 都 得 到 加 耐 两 电机 两轴 ， 底部 不设 支点 。 强； 刀盘 增 加 了泡 沫 注 入孔 和 水 注 入 孔 ， 有 效 提 高渣 可 ２ ． ３改进泡沫系统 土 的流 动性 和预 防泥 饼 的产 生 。 以预测经 过 维护 和合 所 增加 泡 沫 的注入 点和 注 入 量 。 刀盘 增 设 泡 沫 孔 ２ 理 改造 后 ，盾 构机 将 在 车 ～ 三 区 问 合 同标 段 有 出色 表 个， 注入 孔数 由 ３个改 为 ５ 。为使 各孔 能单 独 发挥效 个
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工艺与设备
广东建材 ２０ 年第 ３ ０６ 期
复合地层隧道盾构掘进机的改造
江招胜 黄威然 （ 州地铁设计 院 ５０ １ ） 广 １０ ０

隧道掘进机械施工方案1. 引言隧道掘进是指通过机械设备进行地下隧道的开挖工作。

隧道掘进机械施工方案是指在隧道施工过程中使用的机械设备以及相应的施工方法和步骤。

本文档将介绍一种常见的隧道掘进机械施工方案，旨在提供对隧道施工机械的了解和操作指导。

2. 施工机械设备隧道掘进机械施工主要使用的设备包括隧道掘进机和支护设备。

2.1 隧道掘进机隧道掘进机是隧道掘进施工的主要设备，通常由盾构机和钻探机组成。

盾构机适用于泥土地质条件下的隧道掘进，钻探机适用于岩石地质条件下的隧道掘进。

2.2 支护设备隧道掘进过程中，为了保证施工安全和隧道的稳定性，需要使用支护设备对隧道进行支护。

常用的支护设备包括钢支撑和路面防护设备。

3. 施工方法和步骤隧道掘进机械施工的方法和步骤主要包括以下几个方面。

3.1 前期准备在进行隧道掘进施工前，需要进行充分的前期准备工作。

包括对施工现场进行勘察，确定隧道的设计方案和施工参数等。

同时，还需制定施工计划和施工组织方案，明确施工队伍的组织结构和职责分工。

3.2 施工准备在施工前，需要对施工机械设备进行检查和调试，确保设备运行正常。

同时，还需要进行相关的安全培训和操作指导，确保施工人员掌握正确的操作方法和技能。

3.3 隧道掘进根据隧道的设计方案和施工参数设定，控制隧道掘进机械设备的运行，进行隧道的掘进工作。

在掘进过程中，需要密切监测隧道的变形和地质情况，及时调整施工参数，确保施工安全和隧道的稳定性。

3.4 支护施工隧道掘进完成后，需要进行隧道的支护工作。

根据隧道的地质条件和设计要求，选择合适的支护设备，对隧道进行支护。

同时，还需对隧道进行除尘和清洁工作，确保隧道的通畅和正常使用。

3.5 完工验收隧道掘进机械施工完成后，需要进行施工质量的验收工作。

包括对隧道的尺寸、形态和支护设施的合格检查。

以及隧道的防水、通风和照明设施的性能测试等。

只有通过完工验收，隧道施工才能正式交付使用。

4. 施工安全隧道掘进机械施工过程中，安全是首要考虑的因素。

隧道工程 刀具在完整岩石中破岩过程如下图
(1)在完整、密实、均一的岩石中，刀具的刀刃在巨大推力作用下切入岩体，形成割痕。刀刃顶部的 岩石在巨大压力下急剧压缩，随着刀盘的回转，滚刀滚动，这部分岩石首先破碎成粉状，积聚在刀刃 顶部范围内形成粉核区。 (2)刀刃侵入岩石和刀刃的两侧劈入岩体，在岩石结合力最薄弱处产生多处微裂纹。 (3)随着滚刀切入岩石深度的加大，岩粉不断充入微裂纹；再由于微裂纹端部容易应力集中，微裂纹 逐渐扩展成显裂纹。 (4)当显裂纹与相邻刀具作用产生的显裂纹交汇，或显裂纹发展到岩石表面时，就形成了岩石断裂体。 (5)在产生断裂体的同时，各断裂体相互之间会形成一些粒度较小的碎裂体。在断裂体从掌子面落入 洞底进入铲斗时，由于断裂体与刀盘相互间的碰撞作用，又会产生新的碎裂体和岩粉。
1)掘进作业：回转刀盘——伸出辅助推进缸，撑在管片上掘进，将整个掘 进机向前推进一个行程。
2)换步作业：刀盘停止回转——收缩辅助推进缸——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。
2．开敞式掘进机的掘进循环步骤
开敞式掘进机使用在洞壁岩石能自稳并能经受水平(或X形)支撑的巨大支 撑力的条件下，其作业循环如图所示。
由公式(7-1)可知，在机长L、转弯半径R一定时，可以缩短掘进行程S 来减少水平位移量△。即在转弯时采取短行程多循环的方式来避免由于过大
(1)掘进循环开始时，水平支撑已移动到主机架的前端，将撑靴撑紧在洞壁 上。仰拱刮板与仰拱处的岩面轻微接触，收回后下支撑，此时大刀盘可以 转动，推进千斤顶将转动的大刀盘向前推进一个行程，此即是掘进状态。 (2)在向前推进到达推进千斤顶行程终点处，结束开挖，大刀盘停止转动， 放下后下支撑，同时仰拱刮板支撑大刀盘，此时整个机器的重量全部由前、 后支撑支承。 (3)收回两对水平支撑靴，移动水平支撑到主机架的前端。掘进机掘进方向 的调整可以通过后下支撑进行水平、垂直的调整，达到调整目标。 (4)当水平支撑移到前端限位后，又重新撑紧在洞壁上。此时收回后下支撑， 仰拱刮板与仰拱又转换成浮动接触状态。此时掘进机即处于准备进行下一 个掘进循环。

1846年意大利人Maus发明隧道掘进机(盾 构)。
1851年美国人查理士·威尔逊研制出TBM试 用于花岗岩掘进未获成功。
二、国外主要制造商
德国威尔特(Wirth)企业 德国德马克(Dcmag)企业 美国罗宾斯(Robbins)企业 美国贾瓦(Jarva)企业 德国海瑞克(Herrenknecht)企业 加拿大拉瓦特(Lovat)企业 日本三菱重工(Mitsubishi Heavy Industries)
二． 工程地质条件(续)
3. TBM合用范围
① 一般只合用于圆形断面隧道，只有铣削滚筒式掘进机可 在软岩中掘进非圆形断面隧道。
② 开挖隧道直径1.8~12m之间，以直径3~6m最为成熟。
③ 一次性连续开挖长度不宜短于1km，也不宜长于10km， 以3~8km最佳。
④ 合用于中硬岩层，岩石单轴抗压强度介于20~250MPa， 尤以50~100MPa最佳。
Gripper TBM
①支撑鞋；②钢支架举升器；③锚杆安装机构；④钢筋网举升器
四、TBM破岩方式与原理
TBM破岩方式主要有：挤压式与切削式 1. 挤压式
主要是经过水平推动油缸使刀盘上旳滚刀强行 压入岩体，并在刀盘旋转推动过程中联合挤压 与剪切作用破碎岩体。
滚刀类型：圆盘型、楔齿形、球齿型 2. 切削式
四、TBM破岩方式与原理(续)
4. 楔齿型与球齿型滚刀破岩原理
最初由楔齿尖端在滚刀转动情况下产生切向张力破坏岩 石旳表面，切人深度为λ。然后由齿尖旳楔入力继续引 起剪切破坏，楔入深度为h。因为各齿环旳齿节是不同 旳，所以加大了楔齿旳破岩效果。球齿型滚刀旳破岩原 理与楔齿型滚刀相同，合用于硬岩掘进。
⑧
2. 国内应用(续)
① 甘肃引大入秦水磨沟输水隧道[Φ5.54m；11649m； Robbins双护盾TBM；最高月进尺1300.8m/月]

摘要：随着我国城市化进程的加快，隧道建设成为城市交通、市政工程的重要组成部分。

盾构施工技术因其高效、安全、环保等优点，成为隧道施工的主要方法。

本文从盾构施工机械的概述、关键技术、应用现状及发展趋势等方面进行探讨，以期为我国隧道建设提供参考。

一、引言盾构施工机械是隧道施工的核心设备，其性能直接影响施工质量、安全及进度。

近年来，随着我国隧道建设规模的不断扩大，盾构施工技术得到了快速发展。

本文旨在分析盾构施工机械在现代隧道建设中的应用与发展。

二、盾构施工机械概述盾构施工机械主要包括盾构机、掘进机、管片拼装机、吊装设备、监测设备等。

其中，盾构机是盾构施工的核心设备，主要由刀盘、推进系统、驱动系统、控制系统等组成。

三、盾构施工机械关键技术1. 刀盘设计：刀盘是盾构机切削土体的关键部件，其设计直接影响到掘进效率和施工质量。

目前，刀盘设计主要采用面板辐条复合式刀盘，增大刀盘开口率，提高切削效率。

2. 推进系统：推进系统是盾构机实现掘进的关键部件，主要由液压系统、驱动装置等组成。

推进系统性能直接影响掘进速度和施工质量。

3. 驱动系统：驱动系统是盾构机实现推进、旋转等动作的关键部件，主要采用电机驱动。

驱动系统性能直接影响盾构机的运行效率和稳定性。

4. 控制系统：控制系统是盾构机实现自动化、智能化施工的关键部件，主要由计算机、传感器、执行器等组成。

控制系统性能直接影响盾构机的施工精度和安全性。

四、盾构施工机械应用现状1. 土压平衡盾构机：适用于软土地层施工，具有掘进效率高、施工质量好等优点。

2. 水力平衡盾构机：适用于泥沙质土层施工，具有施工成本低、施工速度快等优点。

3. 开挖式盾构机：适用于复杂地质条件下的隧道施工，具有适应性强、施工质量好等优点。

五、盾构施工机械发展趋势1. 智能化：盾构施工机械将朝着自动化、智能化方向发展，提高施工精度和安全性。

2. 环保：盾构施工机械将更加注重环保，降低施工对环境的影响。

3. 高效：盾构施工机械将不断提高掘进效率，缩短施工工期。

隧道施工中的机械设备配套技术研究隧道工程是指为了在陆地或水面下开凿的管道或通道而进行的工程，隧道施工的主要难点之一是如何选择合适的机械设备进行施工。

机械设备在隧道施工中扮演着至关重要的角色，不仅可以提高施工效率，还能够保障工人的安全。

对隧道施工中的机械设备配套技术进行研究具有重要意义。

一、隧道施工所需的机械设备1. 掘进机掘进机是隧道施工中最重要的机械设备之一，主要用于在地下进行隧道的开挖工作。

目前市场上常见的掘进机有盾构机、钻车等。

盾构机是一种用于在土壤和岩石中进行掘进工作的机械设备，通常由主掘进器、尾架、推进系统和控制系统组成，适用于软土、泥土、砂土和软岩的掘进工作。

而钻车则是用于在硬岩中进行掘进工作的机械设备，其主要构成部分包括钻爪、冲击器和推进系统等。

2. 顶管机顶管机是一种用于在湿地区进行隧道施工的机械设备，其主要作用是将隧道管道套入地下的管道中进行推进工作。

顶管机通常由推进系统、管道套装系统和横向移动系统等部分构成，可以有效提高湿地区域的隧道施工效率。

3. 排水设备在隧道施工中，排水设备是必不可少的机械设备之一，其主要作用是清除施工现场中的地下水和地表水。

目前市场上常见的排水设备有抽水泵、管道排水机等，可以有效保障隧道施工的正常进行。

以上所列举的机械设备只是隧道施工中的部分设备，隧道施工还需要配备其他辅助设备，如输送带、破碎机等，以完成隧道开挖、排水、配管等工作。

1. 提高施工效率通过选用合适的机械设备，可以大大提高隧道施工的效率。

盾构机的应用可以实现快速开挖隧道并自动进行管道安装，大大缩短了施工周期。

顶管机的使用也可以在湿地区域实现快速隧道施工，减少了人力和时间成本。

2. 保障施工安全隧道施工是一项高风险的工程，其施工现场常常存在地下水、地表水、顶板坍塌等安全隐患。

合理选用机械设备可以有效降低施工现场的风险，例如通过排水设备及时处理地下水和地表水，降低了隧道施工中的渗水风险。

三、机械设备与施工技术的配套研究1. 机械设备与地质条件的匹配在隧道施工中，地质条件是一个十分重要的因素。