1、罗宾斯双护盾隧道掘进机 机器总体描述 伸缩护盾设计的双护盾隧道掘进机（TBM）被称为，其工作条件与敞开式硬岩掘进机相反，这类机器罗宾斯公司能够制造。该机器首要用途是：胜任随着隧道路线从硬岩到软岩的地质情况下的掘进工作，或是在要求管片衬砌安装的情况下的掘进工作。 该机器主要包括 4 个结构部件： 1、 刀盘 2、 带机头架的前护盾 3、 带水平支撑和推进装置的尾护盾 4、 皮带机系统 这些主要部件将在后页中予以介绍，包括带齿轮减速器的电驱动电机、用于刀盘旋转的大齿圈和大轴承、渣料铲斗、皮带机和许多用于机器工作和控制粉尘的辅组部件。 尾护盾是机器中的不动的结构。当机器掘进时，推力装置传递推进力，通
2、过水平支撑将推进力传递到洞壁上，或者是在安装衬砌的情况下，依靠衬砌，在掘进时将推进力传递到机器的可移动段。 机器的其他部分是工作段或移动段。这些设备段实际上是在一个掘进行程中提供动力和推动机器向前。 工作段 工作段包括刀盘、与机头架相连的前护盾、大轴承、驱动列车、护盾和出渣皮带机。 刀盘转动动力由位于前护盾内的电机提供。这些电机通过液压操作的离合器将扭矩传递至装配在机头架后端面法兰式安装的 2 级行星齿轮减速器上。齿轮减速器的输出行星齿轮通过与大齿圈啮合，和刀盘相连接。刀盘 刀盘是由重型钢板焊接而成的结构件，由数片组合而成，用螺栓连接在一起，这有利于将推力平均分配到刀盘上的每个滚刀上。刀盘由一
3、个安装在机头架内的大直径的轴承支撑，从后面向前看，进行顺时针旋转。 在滚刀切割岩石时产生渣石。渣石掉入安装在刀盘中、低轮廓线、斗式的铲斗中。渣石在其到达顶部位置前一直装在铲斗中。到达顶部位置之后，渣石进入位于出渣皮带机前端上部的出渣斜道中，再通过出渣皮带机将渣石运至皮带机尾端。铲斗切料刃口和高性能的铲斗的组合，尽可能的减少了渣石的再次研磨，从而提供了一个清洁的工作面和隧道地面，减少滚刀的损耗。 通常，铲斗采用开口式设计，以适应处理在断裂地层中出现的较大渣石。然而，在遇到十分破碎的地层时，为防需要的情况下，可以安装隔栅。破岩刃口为焊接结构，可更换或在磨损严重的情况下通过焊接恢复到原来的外形。刃口
4、可在刀盘内更换。 刀盘前端封闭，滚刀超出刀盘仅仅很小的距离，目的是为了更好的控制隧道面和减少工作面岩石的塌落。刀盘上提供了一个供人进出 TBM 前端的开口。在机器工作时，这个开口由一个可移动的门盖或可拆卸的隔栅关闭。 滚刀 刀盘装配有不同类型的滚刀双刃中心刀和单刃正刀和边刀。这些刀都有不同的尺寸、刃宽和十字结构，从而使得能够按照所预计岩石的条件进行滚刀的适应性优化。 滚刀可以在隧道条件好的情况下从前面换刀，也可以在地层条件差的情况下从后部换刀。这就为换刀人员即使在机器在不稳的地层中工作提供了安全的工作条件，这样就不需要暴露站在刀盘的前面，冒着隧道工作面或顶部渣石掉落的危险。 事实上，在刀盘内侧
5、工作方式就能利用刀盘本身很好的保护工作人员的安全。在刀盘内部的滚刀安装点提供有用于更换滚刀的手动吊机和吊环。将滚刀放置在吊环上，然后将其放置刀盘腔的底部。可收缩的运渣皮带机可以通过所提供的通道进入刀盘内。 所有的滚刀都是采用经淬火的高合金钢制造而成，具有杰出的抗冲击负荷和耐岩石磨损的性能。滚刀采用金属密封的形式，从而防止灰尘和其他杂质的进入，并在对滚刀内部进行润滑。 所有的滚刀都装配有可更换的刀圈，所以，在整个滚刀不需要拆卸就可以更换损坏的刀圈。在安装滚刀或修理时，无论是工厂或是在现场的，滚刀应采用高温和额定的高压油。 前护盾和机头架 前护盾形成一个外覆式结构将机头架包围在内。是一个焊接起来的
6、、用螺栓固定、扇形结构的圆柱形护盾。在其内部，每片扇形护盾上都有用于固定推进油缸活塞杆的装置。 机头架内部装配有大轴承和大齿圈总成。一体式的电机、离合器和减速器安装在机头架的尾端与大齿圈啮合。这种方式使得驱动装置可以从尾端轻松的通过。 前护盾的外径比刀盘掘进直径略小，从而允许进行机器纠偏，防止护盾在掘进时“咬死”，以及边刀的损耗。在底部，护盾通过重力架在隧道仰拱上。这样在护盾外径和顶部岩石之间就形成了间隙。为了在掘进中稳定机器以及帮助在推进系统重新设定时锚住前端机器，前护盾后部的的上面两个象限处各有一个稳定靴，安装位置位于护盾外侧的开窗之内。 刀盘的稳定十分的重要，它能使滚刀沿着正确的轨迹切割
7、，消除刀盘的“摆动”以及滚刀侧装过度的情况。从而加强滚刀以及大轴承的使用寿命。稳定器通过由控制室控制的液压油缸提供动力，在掘进中向前推进，压在工作面岩石上。 前护盾的尾端为圆柱形结构，称作可伸缩护盾，该护盾在前护盾和尾护盾或水平支撑之间形成过渡密封。 大轴承和刀盘驱动 刀盘由大轴承承载，大轴承与大齿圈一起安装在机头架上。大轴承的整体和详细的设计由作用在刀盘上的所有的载荷的超出值所决定的。 大轴承和齿圈的润滑由润滑油循环系统进行，该系统利用机头架轴承和齿圈的腔室作为储油槽。循环油不断进行过滤同时压力和温度由工作室进行监控。 在机器运行过程中，该密封的腔室中的压力略高于大气压力，密封是采用密封唇和
8、面接触密封的形式，防止外界灰尘的侵入和腔室内的润滑油的损失。 刀盘的旋转是由数个电气驱动装置驱动的。每个驱动装置包括一个水冷电机、一个离合器和一个齿轮减速器。该减速器为行星齿轮减速器，2 级。每个减速器的输出轴为花键形式，装配有一个驱动行星齿轮，该行星齿轮与大齿圈啮合。 在齿轮设计中采用了高性能的部件从而保证在负载的情况下的最大的使用寿命。减速器采用贮存在其腔体内的油进行油喷式润滑。采用来自驱动电机的冷却水，从而允许在高负载的情况下采用紧凑型齿轮减速器。自动停机的温度监测系统是标准特性。 靠液压动作的圆盘形离合器配备在驱动电机和齿轮减速器之间。离合器系统为正常工作提供无负载起动。离合器还能进行
9、快速啮合，将电机的惯性传递给刀盘，从而使刀盘从障碍中松脱。 如果需要刀盘还能进行逆时针起动，使得刀盘能够从不利的地质中脱困。 刀盘可以按照一定的刻度通过相应的装置朝前或退后。，该装置包括一个与一个齿轮减速器相连的液压马达驱动的小齿轮。这是用来刀盘在维修和换刀时进行定位的。该驱动是由一个在机头架上的阀门控制的。该总成包括一个用来保持刀盘的制动，一旦通过低速电机旋转刀盘至所需位置时，则用该制动保持刀盘。互锁装置用来防止起动主驱动电机时低速电机仍处在工作状态。 在 TBM 上配备由可供选择的变频系统，用来进行刀盘旋转的无变速。该变频系统用来对刀盘进行低速动作。在这种情况下，液压系统就不需要了，但是抱
10、闸仍然需要。 带支撑和推进系统的尾护盾 尾护盾又称支撑护盾，为箱形结构焊接件，其前部有一个朝前的盾壳，即：在前护盾尾端中滑动的伸缩护盾，以及尾护盾的壳形延伸结构，即：末端护盾。 伸缩护盾由铰接式油缸将其固定在相应的位置上。目的是允许伸缩护盾在校正滑动公差时，在前护盾的后盾壳中“浮动”。当地质条件需要安装管片时，末端护盾为安装衬砌管片环提供保护和必要的空间。 水平支撑系统包括两个撑靴，可在尾护盾中心位置的开窗中沿径向移动，并由水平支撑油缸完成高于低于拱起线的动作。撑靴的撑面很大，从而确保作用在岩石上的压强较低。 当图纸指明水平反向支撑时，这些支撑也可以布置在护盾顶部成 45 的位置。这十分有利于
11、将护盾推往仰拱的上面，从而使得其更加稳定和保持来自前护盾的垂直力。 在机器的中间尽可能为其他设备留有足够的空间，推进油缸布置在护盾内圆周的位置。这些油缸的活塞杆将推力传递至前护盾箱形结构的尾端面，再通过支撑靴传递至隧道壁。 推进系统配备有快速重置装置，可以减少机器重新设定的停机时间。 为了能够在支撑靴不起作用的破碎和其他软地层中工作，或是为避免破坏洞壁而不使用支撑靴时，辅助推力油缸顶在管片衬砌上，从而提供推力和扭矩。这些辅助油缸的初始用途是在重新设定、水平支撑前进时固定管片位置的。 在水平支撑可以使用的软土地层，辅助推力系统仅用来保持管片位置和帮助水平支撑在重新设定时前进。 超前钻管布置在位于
12、水平支撑护盾的箱形结构和末端护盾之间的过渡段，为超前钻提供打眼导向，该超前钻孔外角很小，超前钻通过水平支撑用以了解机器前方的地质情况。这些超前钻管从末端护盾的内部穿过。超前钻的可转动固定装置安装在出渣皮带机边的管状结构上，见第二页的简图。客户可以自己提供超前钻或是由罗宾斯公司配备 ATLAS COPCO 的钻机。 调向、反向扭矩和转动纠正 推力油缸成组布置，控制相对位移。也就是通过供给每组油缸的油量的不同，对前护盾进行一定角度的纠正。每组油缸都可以进行此类操作，因此又成为“回撤”模式。这些组中的油缸这是处于拉伸状态而不是压缩状态，即使这时候这些油缸正在伸长。这种情况对于顶部的油缸经常出现，并能
13、有效的防止刀盘下垂。 同时由在护盾前部的稳定靴造成的侧推力使得前护盾朝左或朝右，也可以用来帮助调向。 刀盘驱动系统的扭矩由推进油缸动作产生。这些推力油缸成“点阵形布置”，这样就能出现产生扭矩的“扭曲效应”，并将其传递至支撑靴，或是在地质条件不良的情况下，通过辅助推力油缸传递至衬砌上。 在需要的情况下，该点阵形布置也可以反作用于前护盾，对前护盾在驱动系统扭矩的影响下可能出现的沿其纵向转动的趋势进行纠正。 出渣皮带机 机器提供一台槽形皮带机，用来将从刀盘内腔渣土斜道倾泻下的渣土通过管形皮带机运至机器的尾部。在机器的尾部，后配套出渣系统将从机器运来的渣土运出至隧道外。 在机器前端，出渣皮带机支架悬挂
14、在机头架中心位置，在机器尾端，该支架被支撑位于 TBM 和后配套连接处的龙门架顶部的轧辊上。当机器前进时，该支架在龙门架上朝前滚动。在重新设定时，龙门架被连接在皮带机支架上的牵引油缸拖动。在每个掘进行程中，该液压油缸处于“浮动”状态。 皮带机的皮带由液压马达驱动。其优点就是能够采用一个十分紧凑的驱动，皮带速度调节容易，也可以保护皮带不会由于出现大块石块被卡住时而损坏。 灰尘控制 机头架以及出渣皮带机配备有防尘罩，用以防止在掘进出的渣土输送过程中产生灰尘。在刀盘区域产生的灰尘，通过管状皮带机支架以及安装在后配套设备上的合适的滤尘装置（可选项），被吸出。 灰尘控制可以通过一个有着一定数量经良好保护
15、的喷嘴网络增强控制效果。这些喷嘴可以安装在有利的位置，诸如：刀盘、出渣斜道、前护盾的前缘、卸渣点等等，利用这些喷嘴进行水喷雾用来防止灰尘在空中飘浮。水的实际流量可以调节，是否采用水喷雾应视地质情况决定。 在硬土地层中的一个典型的掘进循环 参照表 1 以及本文附后的插图 P2020，有关在软土地层或是在适度断裂的地层中的一个完全的掘进循环包括以下步骤： 步骤 步骤内容 1 在循环开始时，如果需要，安装一环新的管片，辅助推力油缸从衬砌前端面收回，稳定靴平稳滑动并压住岩石。 水平支撑靴与隧洞壁施压接触是为了锚固住尾护盾进行推进和扭矩动作。在工作中的推力油缸进行必要的调节，是为了下一个行程的工作进行机器的调向调整。 TBM 以及后配套相连的龙门架被朝前牵引，这时牵引油缸处于浮动模式。 随着刀盘的转动，推力油缸向外伸展，带动前护盾向前完成整个行程。 在掘进行程中，如果地质条件或是隧洞施工要求，采用衬砌管片随之朝前衬砌，安装在尾护盾里面。 2 在每个行程结束之前，就进行下一个行程的重新设定准备：推力和刀盘的旋转停止，同时稳定靴处于压力更高的支撑模式，用来在掘进中锚固前护盾。 支撑靴从隧洞壁收回，同时辅助推力油缸伸长顶在安装好的衬砌管片的最后一环。 3 随着 TBM 的到位，推力油缸全部缩回，以便支撑护盾
