淺析雙護盾TBM的結構形式與工作原理

摘 要：主要介紹典型雙護盾TBM設備的組成、結構形式，并根據不同的施工地質情況詳細分析了雙護盾TBM掘進的工作原理，以及該類型TBM的優缺點。

關鍵詞：雙護盾；TBM；結構形式；工作原理

引言

近年來，先進的全斷面掘進機（TBM）在地下工程中愈來愈顯示其功能的優越性。尤其是雙護盾TBM，在隧道施工中（如開挖、出渣、襯砌灌漿等平行作業）實現一次成洞，有效地利用隧道空間，使施工作業達到安全、高效和快速施工的目的。在一定的地質條件下，雙護盾構型TBM掘進機能很好地解決巖石的非穩定性及涌水問題，其結構形式和特點受到廣大施工單位的青睞。

1 雙護盾TBM的結構

1.1 雙護盾TBM的結構形式

雙護盾TBM設備的一般結構主要由裝有刀盤及刀盤驅動裝置的前護盾，裝有支撐裝置的后護盾（支撐護盾），連接前、后護盾的伸縮部分和安裝預制混凝土管片的尾盾組成。

雙護盾掘進機是在整機外圍設置與機器直徑相一致的圓筒形護盾結構，以利于掘進松軟破碎或復雜巖層的全斷面巖石掘進機。雙護盾掘進機在遇到軟巖時軟巖又不能承受支撐板的壓應力，由盾尾推進液壓缸支撐在已拼裝的預制襯砌塊上或鋼圈梁上以推進刀盤破巖前進；遇到硬巖時，與敞開式掘進機的工作原理一樣，靠支撐板撐緊洞壁，由主推進液壓缸推進刀盤破巖前進。

圖1 雙護盾掘進機結構圖

前護盾：前護盾用厚度>40mm的優質鋼板卷制而成。前護盾既有防止隧洞巖碴掉落保護刀盤驅動系統、推進缸和人身安全的作用，也可以增大機頭與隧洞底部接觸面積而降低接地比壓以利于掘進機通過軟弱巖或破碎巖。

伸縮護盾：伸縮護盾用厚度>30mm的優質鋼板卷制而成。伸縮護盾的外徑小于前護盾的內徑，其四周設置有鋼制的觀察窗。伸縮護盾的作用是在掘進時后護盾固定、前護盾伸出時，前后護盾之間有一伸縮套可以保護推進缸和人員安全。另外，通過伸縮護盾的觀察窗口可對局部洞壁進行監察。伸縮護盾通過油缸與后護盾相連接，必要時可伸出油缸將伸縮護盾移入前護盾內腔以便直接露出洞壁空間，對洞壁進行處理。

后護盾：后護盾也是用厚度>40mm的優質鋼板卷制而成，其結構比前護盾要復雜得多。后護盾前端主要與推進缸相連，同時還與伸縮套油缸相連接。其中部裝有水平支撐機構，水平支撐靴板的外圓相一致，構成了一個完整的盾殼。后護盾四周有成對布置輔助推進缸的孔位；后護盾后部與混凝土管片安裝機構相接。后護盾后部盾殼四周留有斜孔，以配合超前鉆作業。

1.2 雙護盾TBM的支撐形式

雙護盾TBM在能構自穩的巖石中，使用的還是推進缸和水平支撐。

V型推進缸：雙護盾掘進機的推進缸按V型成對布置，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，同時通過對不同位置的V型油缸輸入不同壓力、流量的油流，可起到左右、仰頭低頭調向的作用，這樣雙護盾掘進機不單獨設置調向、糾偏油缸和系統，而通過控制調節V型油缸來實現推進、調向、糾偏功能。V型推進缸通過球鉸與機頭及后護盾聯結，傳遞機頭的推力和扭矩。V型推進缸必須配置防轉機構。

水平支撐：根據空間布置的可能，雙護盾掘進機只有水平型式的支撐，沒有X型支撐。水平支撐機構有上下各兩只水平缸和左右各一塊水平支撐靴板組成，而不設置敞開式掘進機的水平支撐架。水平支撐靴板側板上有導向孔，兩側輔助油缸體從導向孔中通過，將水平支撐與后護盾連成一體，并將后護盾的推力、扭矩傳遞給水平支撐，最后傳遞給洞壁。

輔助推進缸：輔助推進缸只有在水平支撐不能撐緊洞壁進行作業時使用。此時，水平支撐缸縮回至水平支撐靴板外圓，與后護盾外圓一致。V型推進缸全部收縮到位，前后盾連成一體，完全處于單護盾掘進機工作狀態。輔助推進缸均是成對布置，每兩個缸配一塊尼龍靴板，這樣可以防止油缸回轉。尼龍靴板壓在混凝土管片上實施軟接觸而避免管片的損壞。

2 雙護盾TBM的工作原理

雙護盾掘進機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.推進作業。伸出水平支撐缸，撐緊洞壁→起動膠帶機→回轉刀盤→伸出V型推進缸，將刀頭及護盾向前推進一個行程實現掘進作業。

b.換步作業：當V型推進缸推滿一行程后，就進行換步作業。刀盤停止回轉→收縮水平支撐離開洞壁→收縮V型推進缸，將掘進機后護盾前移一個行程。

不斷重復上述動作，則實現不斷掘進。在此工況下，混凝土管片安裝與掘進可同步進行，成洞速度很快。

2.2 能自穩不能支撐巖石中掘進的工作原理

此時，V型缸處于全收縮狀態，并將支撐靴板收縮到與后護盾外圓一致，前后護盾聯成一體，就如單護盾掘進機一樣掘進。掘進工作原理：

a.掘進作業：回轉刀盤→伸出輔助推進缸，撐在管片上掘進，將整個掘進機向前推進一個行程。

b.換步作業：刀盤停止回轉→收縮輔助推進缸→安裝混凝土管片。

重復上述動作實現掘進。此時管片安裝與掘進不能同時進行，成洞速度將變慢。

a.掘進與管片安裝和撐靴收回 b.支撐和再掘進與安裝

圖2 雙護盾模式掘進原理示意

由此可見，在不良地層條件下掘進時，不使用支撐靴板，前護盾與后護盾之間沒有相對運動，其工作和單護盾掘進機一樣。機器的掘進和襯砌管片的鋪設不能同時同時進行，因而總的掘進速度會有所下降。

在不良地層中還可以采用另一種工作方式：機器掘進時，副推進油缸閉鎖，即后護盾的位置相對不動，用主推進油缸推動前護盾向前，此時機器的反推力和反扭矩由副推進油缸承受。

這種工作方式可能發生的問題是：可伸縮護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，可將伸縮范圍限制在幾厘米，并在每次伸縮后將護盾向前移。

這種工作方式可以減少護盾的移動長度，同時也減少了用以克服掘進機護盾滑動摩擦的推力。

3 結束語

雙護盾結構形式復雜，可使用不同的地質條件，具有一定的優越性，但也存在一定的缺點，本文分析了雙護盾的結構形式和工作原理，具有一定的指導意義。

參考文獻

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