浅析双护盾TBM的结构形式与工作原理

摘 要：主要介绍典型双护盾TBM设备的组成、结构形式，并根据不同的施工地质情况详细分析了双护盾TBM掘进的工作原理，以及该类型TBM的优缺点。

关键词：双护盾；TBM；结构形式；工作原理

引言

近年来，先进的全断面掘进机（TBM）在地下工程中愈来愈显示其功能的优越性。尤其是双护盾TBM，在隧道施工中（如开挖、出渣、衬砌灌浆等平行作业）实现一次成洞，有效地利用隧道空间，使施工作业达到安全、高效和快速施工的目的。在一定的地质条件下，双护盾构型TBM掘进机能很好地解决岩石的非稳定性及涌水问题，其结构形式和特点受到广大施工单位的青睐。

1 双护盾TBM的结构

1.1 双护盾TBM的结构形式

双护盾TBM设备的一般结构主要由装有刀盘及刀盘驱动装置的前护盾，装有支撑装置的后护盾（支撑护盾），连接前、后护盾的伸缩部分和安装预制混凝土管片的尾盾组成。

双护盾掘进机是在整机设置与机器直径相一致的圆筒形护盾结构，以利于掘进松软破碎或复杂岩层的全断面岩石掘进机。双护盾掘进机在遇到软岩时软岩又不能承受支撑板的压应力，由盾尾推进液压缸支撑在已拼装的预制衬砌块上或钢圈梁上以推进刀盘破岩前进；遇到硬岩时，与敞开式掘进机的工作原理一样，靠支撑板撑紧洞壁，由主推进液压缸推进刀盘破岩前进。

图1 双护盾掘进机结构图

前护盾：前护盾用厚度>40mm的优质钢板卷制而成。前护盾既有防止隧洞岩碴掉落保护刀盘驱动系统、推进缸和人身安全的作用，也可以增大机头与隧洞底部接触面积而降低接地比压以利于掘进机通过软弱岩或破碎岩。

伸缩护盾：伸缩护盾用厚度>30mm的优质钢板卷制而成。伸缩护盾的外径小于前护盾的内径，其四周设置有钢制的观察窗。伸缩护盾的作用是在掘进时后护盾固定、前护盾伸出时，前后护盾之间有一伸缩套可以保护推进缸和人员安全。另外，通过伸缩护盾的观察窗口可对局部洞壁进行监察。伸缩护盾通过油缸与后护盾相连接，必要时可伸出油缸将伸缩护盾移入前护盾内腔以便直接露出洞壁空间，对洞壁进行处理。

后护盾：后护盾也是用厚度>40mm的优质钢板卷制而成，其结构比前护盾要复杂得多。后护盾前端主要与推进缸相连，同时还与伸缩套油缸相连接。其中部装有水平支撑机构，水平支撑靴板的外圆相一致，构成了一个完整的盾壳。后护盾四周有成对布置辅助推进缸的孔位；后护盾后部与混凝土管片安装机构相接。后护盾后部盾壳四周留有斜孔，以配合超前钻作业。

1.2 双护盾TBM的支撑形式

双护盾TBM在能构自稳的岩石中，使用的还是推进缸和水平支撑。

V型推进缸：双护盾掘进机的推进缸按V型成对布置，V型夹角一般为60°。由于V型布置除有轴向推力外，还有垂直轴向的分力，此分力起抗扭纠偏的作用，同时通过对不同位置的V型油缸输入不同压力、流量的油流，可起到左右、仰头低头调向的作用，这样双护盾掘进机不单独设置调向、纠偏油缸和系统，而通过控制调节V型油缸来实现推进、调向、纠偏功能。V型推进缸通过球铰与机头及后护盾联结，传递机头的推力和扭矩。V型推进缸必须配置防转机构。

水平支撑：根据空间布置的可能，双护盾掘进机只有水平型式的支撑，没有X型支撑。水平支撑机构有上下各两只水平缸和左右各一块水平支撑靴板组成，而不设置敞开式掘进机的水平支撑架。水平支撑靴板侧板上有导向孔，两侧辅助油缸体从导向孔中通过，将水平支撑与后护盾连成一体，并将后护盾的推力、扭矩传递给水平支撑，最后传递给洞壁。

辅助推进缸：辅助推进缸只有在水平支撑不能撑紧洞壁进行作业时使用。此时，水平支撑缸缩回至水平支撑靴板外圆，与后护盾外圆一致。V型推进缸全部收缩到位，前后盾连成一体，完全处于单护盾掘进机工作状态。辅助推进缸均是成对布置，每两个缸配一块尼龙靴板，这样可以防止油缸回转。尼龙靴板压在混凝土管片上实施软接触而避免管片的损坏。

2 双护盾TBM的工作原理

双护盾掘进机在良好地层和不良地层的工作方式是不同的。

2.1 良好地层的工作原理

a.推进作业。伸出水平支撑缸，撑紧洞壁起动胶带机回转刀盘伸出V型推进缸，将刀头及护盾向前推进一个行程实现掘进作业。

b.换步作业：当V型推进缸推满一行程后，就进行换步作业。刀盘停止回转收缩水平支撑离开洞壁收缩V型推进缸，将掘进机后护盾前移一个行程。

不断重复上述动作，则实现不断掘进。在此工况下，混凝土管片安装与掘进可同步进行，成洞速度很快。

2.2 能自稳不能支撑岩石中掘进的工作原理

此时，V型缸处于全收缩状态，并将支撑靴板收缩到与后护盾外圆一致，前后护盾联成一体，就如单护盾掘进机一样掘进。掘进工作原理：

a.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。

b.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，成洞速度将变慢。

a.掘进与管片安装和撑靴收回 b.支撑和再掘进与安装

图2 双护盾模式掘进原理示意

由此可见，在不良地层条件下掘进时，不使用支撑靴板，前护盾与后护盾之间没有相对运动，其工作和单护盾掘进机一样。机器的掘进和衬砌管片的铺设不能同时同时进行，因而总的掘进速度会有所下降。

在不良地层中还可以采用另一种工作方式：机器掘进时，副推进油缸闭锁，即后护盾的位置相对不动，用主推进油缸推动前护盾向前，此时机器的反推力和反扭矩由副推进油缸承受。

这种工作方式可能发生的问题是：可伸缩护盾在松散地层条件下可能因碴石卡在接缝处而被卡死。为减少这种危险，可将伸缩范围限制在几厘米，并在每次伸缩后将护盾向前移。

这种工作方式可以减少护盾的移动长度，同时也减少了用以克服掘进机护盾滑动摩擦的推力。

3 结束语

双护盾结构形式复杂，可使用不同的地质条件，具有一定的优越性，但也存在一定的缺点，本文分析了双护盾的结构形式和工作原理，具有一定的指导意义。

参考文献

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