（机械设计及理论专业论文）全断面岩石掘进机主参数及施工技术参数预测软件的开发.pdf

摘要 本文在比较各种全断面岩石掘进机主机及后备设备选型方法和参数计 算基础上，着重比较各种计算方法的适用范围和计算精度。在此基础上建立 更加合理和适用范围更广的全断面岩石掘进机主机主参数计算模型和工程 技术参数预测计算模型，并在d e l p h ii d e 环境下通过a d o 技术编写基于 关系型数据库的全断面岩石掘进机主机主参数和工程技术参数预测软件，将 数学模型转化为直接使用的计算工具。为全断面掘进机主机及后备设备选 型、主参数计算、工程施工预测提供一个可靠、准确的计算工具。 关键词：全断面岩石掘进机，选型计算，工程预测，软件开发 a b s t r a c t t h i sa r t i c l ei sb a s eo nc o m p a r i s o no fs e v e r a lo ff u l lf a c er o c kt u n n e l b o r i n gm a c h i n em a i np a r a m e t e ra n di t sr e s e r v ee q u i p m e n tw a y so fs h a p i n g m e t h o da n dp a r a m e t e rc o m p u t a t i o n ，c o m p a r e se a c hc o m p u t a t i o n a lm e t h o d e m p h a t i c a l l yt h ea p p l i c a b l es c o p ea n dt h ec o m p u t a t i o np r e c i s i o n e s t a b l i s h e s m o r er e a s o n a b l ea n dt h ea p p l i c a b l es c o p eb r o a d e re n t i r ec r o s ss e c t i o nr o c k t u n n e l i n gm a c h i n em a i ne n g i n eh o s tp a r a m e t e rc o m p u t a t i o nm o d e la n dt h e p r o j e c tt e c h n i c a lp a r a m e t e rf o r e c a s tc o m p u t a t i o nm o d e li nt h i sf o u n d a t i o n ， a n di nd e l p h iu n d e ri d ee n v i r o n m e n t t h r o u g ha d ot e c h n o l o g y c o m p i l a t i o nb a s e do nr e l a t i o n sd a t a b a s et b mm a i ne n g i n eh o s tp a r a m e t e r a n dp r o j e c t t e c h n o l o g yp a r a m e t e r f o r e c a s t s o f t w a r e ，t r a n s f o r m s t h e m a t h e m a t i c a lm o d e la st h ed i r e c tu s ec o m p u t a t i o nt 0 0 1 f o rt h ef u l l f a c e t u n n e l i n gm a c h i n em a i ne n g i n ea n dt h er e s e r v ee q u i p m e n ts h a p i n g ，t h eh o s t p a r a m e t e rc o m p u t a t i o n ，t h ep r o j e c tc o n s t r u c t i o nf o r e c a s tr e l i a b l yp r o v i d e s ， t h ea c c u r a t ec o m p u t a t i o nt 0 0 1 c u th o n gw e t ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rz h a n gz h a o h u a n g k e yw o r d s ：f u l lf a c er o c kt u n n e lb o r i n gm a c h i n e ，s h a p i n g c o m p u t a t i o n ，p r o j e c tf o r e c a s t ，s o f t w a r ed e v e l o p m e n t 摘要 本文在比较各种全断面岩石掘进机主机及后备设备选型方法和参数计 算基础上，着重比较各种计算方法的适用范围和计算精度。在此基础上建立 更加合理和适用范围更广的全断面岩石掘进机主机主参数计算模型和工程 技术参数预测计算模型，并在d e l p h ii d e 环境下通过a d o 技术编写基于 关系型数据库的全断面岩石掘进机主机主参数和工程技术参数预测软件，将 数学模型转化为直接使用的计算工具。为全断面掘进机主机及后备设备选 型、主参数计算、工程施工预测提供一个可靠、准确的计算工具。 关键词：全断面岩石掘进机，选型计算，工程预测，软件开发 a b s r r a c l t h i sa r t i c l ei sb a s eo nc o m p a r i s o no fs e v e r a lo ff u l lf a c er o c kt u n n e l b o r i n gm a c h i n em a i np a r a m e t e ra n di t sr e s e r v ee q u i p m e n tw a y so fs h a p i n g m e t h o da n dp a r a m e t e rc o m p u t a t i o n ，c o m p a r e se a c hc o m p u t a t i o n a lm e t h o d e m p h a t i c a l l yt h ea p p l i c a b l es c o p ea n dt h ec o m p u t a t i o np r e c i s i o n e s t a b l i s h e s m o r er e a s o n a b l ea n dt h ea p p l i c a b l es c o p eb r o a d e re n t i r ec r o s ss e c t i o nr o c k t u n n e l i n gm a c h i n em a i ne n g i n eh o s tp a r a m e t e rc o m p u t a t i o nm o d e la n dt h e p r o j e c tt e c h n i c a lp a r a m e t e rf o r e c a s tc o m p u t a t i o nm o d e li n t h i sf o u n d a t i o n ， a n di nd e l p h iu n d e ri d ee n v i r o n m e n tt h r o u g ha d ot e c h n o l o g y c o m p i l a t i o nb a s e do nr e l a t i o n sd a t a b a s et b mm a i ne n g i n eh o s tp a r a m e t e r a n dp r o j e c t t e c h n o l o g yp a r a m e t e r f o r e c a s t s o f t w a r e ，t r a n s f o r m s t h e m a t h e m a t i c a lm o d e la st h ed i r e c tu s ec o m p u t a t i o nt 0 0 1 f o rt h ef u l l f a c e t u n n e l i n gm a c h i n em a i ne n g i n ea n dt h er e s e r v ee q u i p m e n ts h a p i n g ，t h eh o s t p a r a m e t e rc o m p u t a t i o n ，t h ep r o j e c tc o n s t r u c t i o nf o r e c a s tr e l i a b l yp r o v i d e s ， t h ea c c u r a t ec o m p u t a t i o nt 0 0 1 c u ih o n gw e i ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rz h a n gz h a o h u a n g k e yw o r d s ：f u l lf a c er o c kt u n n e lb o r i n gm a c h i n e ，s h a p i n g c o m p u t a t i o n ，p r o j e c tf o r e c a s t ，s o f t w a r ed e v e l o p m e n t 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文全断面岩石掘进极主参数及拖 工技术参数预测软件的开发，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导 师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标 注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的蜕明并表示了谢意。 学位论文作者签名：霍坠堡串日期 如d 卜尹3 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同 方式在末同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 缝宠也 日期：圣生巡 导师签名：殛壁：蝗 日期：堡：三：! 了 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 本课题的背景及其研究意义 随着地下工程快速开挖的需要和科学技术水平提高，隧道掘进机施工技术在我 国得到了快速应用和发展。隧道掘进机是一种专门用于开挖地下通道工程的大型高 科技施工装备，它具有开挖快、优质、安全、经济、有利于环境保护和降低劳动强 度的优点。掘进机技术体现了计算机、新材料、自动化、信息化、系统科学、管理 科学等高新技术的综合和密集，反映了一个国家的综合国力和科技水平。按照地层 条件和具体施工方法的不同，一般将隧道掘进机分为三类，鄙盾构掘进机、岩石掘 进机和顶管掘进机。现代掘进机技术的最大特点是广泛使用遥测、遥控、电子、信 息技术对全部作业进行制导控，使掘进过程始终处于最佳状态，使掘进机向着机械、 电气、液压和自动控制一体化、智能化设备方向发展。 全断面掘进机( f u l lf a c er o c kt u n n e lb o r i n gm a c h i n e ，以下简称t b m ) ，是一种 靠旋转并推进刀盘，通过盘形滚动刀破碎岩石而使隧洞全断面一次成型的隧洞工程 施工机械。它是当今世界上公认的快速开挖隧洞的有效施工机具。自问世以来，其 规格、品种和适用范围不断发展，施工技术逐步完善，对不同岩层的适应能力增强， 掘进速度加快。这些发展使得掘进机在当今隧洞施工中成为最优先考虑的施工机 械。 世界各国大力发展经济，提高生产，这必将推动长隧道的修建。在国外拟建的 长隧道有：西班牙与摩洛哥之间穿过直布罗陀海峡的长约5 0k i n 的隧洞；连接亚洲 与美洲的长约9 0k m 的自令海峡隧道；南非莱索托高原水利工程六条隧洞总长2 0 0 k m 。在国内除南水北调西线规划方案中最长的1 3 lk m 的隧道以外，还计划有：渤 海海峡隧道长约5 7k i n ；琼州海峡隧道长约3 0 k m 等。 上述这些长隧道工程要求不断完善t b m ，使之能更好地满足工程建筑的需要。 t b m 的发展趋势可归纳如下：首先，要求t b m 能更适应不利的地质条件。例如，穿 越阿尔卑斯山脉单洞总长 5 0 0 k i n 的铁路隧道，其覆盖深度达1 2 0 0 - 2 4 0 0 m ，围岩初 始应力高，围岩径向变形可能在1 0 2 0 c m 范围内，在某些极端情况下，可达3 0 c m ， 要求t r m 的开挖直径是可变的。此项工程开挖直径约6 5 m ，共需2 0 多台t b m 同时 在不同的围岩中掘进。因此，对t b m 应进行专门的设计以满足开挖直径可变的要求。 这样从发展趋势来讲，将趋向于两极化。这就是既要设计能适合复杂地质条件使用 的、费用高的多功能t b m ，又要生产用于地质条件简单的、廉价的t b m 。其次，目 前公路隧洞因多车道的需要，直径达2 0 3 0 m 的t b k l 正处于“预研究”阶段。预计 今后t b m 将更大直径化。第三，未来的发展方向之是全自动化t b m 。第四，目前 主要用于工业和民用管道施工的微型t b m 发展很快。微型t b l 4 技术水平日本居世界 首位，其次为西欧。第五，由于计算机硬件和软件的迅速发展，t b m 计算机优化设 计和施工系统的开发也是发展方向之一。 第1 页共5 6 页 华北电力大学硕士学位论文 随着中国基础设拖的大规模建设、西部大开发的进展以及北京申办2 0 0 8 年奥 运会的成功，中国的铁路、公路、大中型水电站建设以及南水北调、西气东输等工 程中将有大量的长大隧道需要建设，使用全断面岩石掘进机无疑是最好的选择。由 于国内基础研究相对比较薄弱，因而需要切实对全断面岩石掘进机施工隧道工程的 经验进行认真的总结，更需要利用电子计算机对数据、图形的强大处理能力，将这 些经验数据转化并为将来全断面岩石掘进机施工隧道工程的掘进机主参数预测和 工程参数预测提供切实可行的工具和手段。考虑到以上因素，本论文选择了t b m 参 数预测软件的开发作为研究课题。 1 2 国内外的研究现状 1 2 1 国外t b m 的发展与应用 在国外，第一台掘进机于1 9 5 3 年由美国罗宾斯公司研制成功，到7 0 年代研制 成功中硬岩掘进机标志着刀盘掘进机技术已经基本成熟。目前世界上能够生产掘进 机的厂家很多，在亚洲有日本川崎、三菱、川岛、小松等公司；在北美有罗宾斯、 道斯柯、卡尔、迪克、多特克、阿克曼等厂家；在欧洲有瑞典的阿特拉斯一佳伐、 英国的马克汉姆、豪顿，德国的祖布林、威尔特、赫克特、豪维尔、德马克，奥地 利德的阿尔卑等厂家。但是生产规模较大并且最著名德实、美国罗宾斯、瑞典德佳 伐、德国德威尔特和德马克。这四大公司到目前为止一共生产掘进机大概7 0 0 多台， 完成隧洞工程9 0 0 多个，其中掘进长度近4 0 0k m 。由于工程的需要，促使科技工作 者不断总结经验，对掘进机进行革新，使得的当前的掘进机性能在以下各个方面有 了较大的发展。 第一，随着掘进机的数量的增多和制造技术的成熟，掘进机已经实现了系列化 和标准化。如美国r o b b i n s 公司则将掘进机的部件分为a 、b 、c 、d4 类，其中a 类为在市场上能过买到的标准件，b 类为厂内标准件，c 类为针对掘进机设计的特 殊件，d 类为油缸。每台掘进机只能实c 类部件的设计和a 、b 、d 类部件的组合。 第二，掘进机的系列化和标准化使得掘进机设计制造速度大大加快。d e m a g 公 司、w i r t h 公司只需对其标准参数进行设计制造，而r o b b i n s 公司则平时将a 、b 、 d 类元件储存在计算机内，设计时候只对需对c 类特殊部件在计算机中于a 、b 、d 类标准部件组合就可以设计用户需要的新型掘进机。同样。制造也只是a 、b 、d 标准件于c 类特殊件的组合，从而缩短设计于制造时间。 第三，掘进机结构、材料与风、水、电系统的优化组合，使得掘进速度不断提 高。掘进机月平均进尺有原来5 0 0 m 左右提高到8 0 0 1 0 0 0 m ，日平均为4 0 m a 第四，掘进机的使用寿命延长，掘进隧道的长度增加。在8 0 年代初，台掘 进机的使用寿命为掘进隧道2 0 k m ，而目前己延长到4 0 k m 。 第五，随着掘进机技术的发展，掘进机逐步形成大直径、大功率、大行程和大 第2 页共靳页 华北电力大学硕士学位论文 刀具的格局。电机冷却及绝缘技术的改经，使得同样功率的电机体积缩小很多，从 而是小直径的掘进机能布置大功率的电机，从而获得较大的刀盘回转功率，从而有 利于掘进机在各种岩层中掘进。液压技术提高使得系统工作压力由原来的一般不超 过2 8 m p a ，提高到现在的4 0 m p a ，从而将同样体积的推进缸的推力增大4 0 多。在 加大推力的同时，增大了推进油缸一次推进行程，最到推进行程由1 8 3 m 增大到目 前最大的2 ，4 5 m 。大的推进行程有利于减少行程更换次数，提高了掘进速度。在加 大掘进机推力和行程的同时，刀具直径也在增大。目前掘进机刀具直径加大到4 8 3 i n r n ，使得单刀承载能力提高，有利于切割硬岩，同时延长刀具使用寿命。 第六，掘进机不仅能开挖平洞，而且逐步发展到可以开挖上坡后下坡大倾角斜 隧道。开挖断面由剐开始只能开挖圆形断面到现在能开挖非圆形断面。并且掘进机 对复杂地层的适应能力增强。 1 2 2t b m 在我国的发展与应用 我国掘进机研制也过四十年多年的发展经历了从无到有，关键技术上也有了重 大的突破。回顾这段历史可以分为四个阶段： ( 1 ) 二十世纪六十年代。科研起步阶段。1 9 6 4 年经过周总理的批准。在国家 科委的领导下，成立了全断面掘进机攻关小组，开始研究岩石掘进机，大搞群众运 动，制造5 0 多台掘进机。这是我国对掘进机研究的初步尝试。 ( 2 ) 二十世纪7 0 年代，国产掘进机进行工业性研究并且有了一定的进步。 ( 3 ) 二十世纪8 0 年代，在国家科委的领导下，成立了掘进办公室，采取联合 攻关的方式，制造了8 台掘进机，先后在云南西洱河水电站、河北引滦入津水利等 工程中得到应用，但是与世界水平相比差距很大。 ( 4 ) 二十世纪9 0 年代至今，引进欧美先进掘进机和管理方法用于国内施工。 例如，1 9 9 0 年我国引进罗宾斯公司的1 8 0 型双护盾全断面岩石掘进机，开挖引大入 秦工程3 0 a 号隧道，隧道轴线全长1 1 7k m 。1 9 9 2 年一月贯通，仅用1 3 5 个月，平 均单工作面月成洞8 6 0r r l ，最高成洞进尺1 3 0 0m ，创当时一流的施工速度，取得了 良好的施工效益。秦岭特长隧道，是我国建成的最长的单线铁路隧道。经多种施工 方案比较，决定秦岭i 线隧道引进2 台t b 8 8 0 e 型掘进机开挖使工程高质量的完工。 总之，我国初步实现了在不同领域的不同地质弓 进欧美不同类型先进全断面岩 石掘进机完成我国重点工程的目的，积累了定的实际施工经验，并且研制了我国 自己的掘进机。但是，与国外掘进机技术相比还有很大差距，主要表现在：( 1 ) 设 计周期长，掘进速度慢，不能满足工程项目的工期要求：( 2 ) 对复杂地层适应能力 差，且前开发研制的掘进机都是敞开式，只能适用也岩石整体性较好情况，急待开 发适用于复杂条件的护盾式全断面岩石掘进机；( 3 ) 使用寿命短，不适合长隧道施 工。 第3 页共5 6 页 华北电力大学硕士学位论文 1 3 论文的主要内容 由于全断面岩石掘进枫的各种参数确定受到地质条件、工程需要等一系列因素 影响，并且全断面岩石掘进机是一种大型的非标设备，掘进机的选型和各种参数的 确定是一个复杂的问题。为了为参数设计和工程需要提供一个直观的参照和依据， 本文的任务是设计开发全断面岩石掘进机主机主参数和工程技术参数预测软件。 论文的主要工作和任务： 首先，收集大量成功应用于工程的各种全断面岩石掘进机主机参数资料及其施 工工程的统计资料，分析各种参数设计方法的优缺点和适用范围，以岩石地质特性 为出发点，总结出一套针对不同地质情况和施工要求的掘进机主机选型和主参数的 计算方法，并对工程施工时间和费用应用等因素应用统计分析的方法建立数学模 型。 其次，对软件系统结构、主要功能进行分析。确定软件合理的具体功能、设计 流程。同时对软件需要的大量数据进行分析、统计、转化，建立具体的数据表。并 通过a c c e s s 2 0 0 0 建立数据库。并完成数据录入。 最后，完成由数学模型向具体软件实现的转化。完成整个软件的编码工作! 第4 页共5 6 页 华北电力入学硕士学位论文 第二章全断面岩石掘进机结构简介 2 1 掘进机分类和全断面岩石掘进机介绍 2 1 1 全断面岩石掘进机分类及使用 掘进枧的技术名称在我国过去很不统一，部门不同均冠以习惯称呼，如铁道和 交通部门称之为隧道掘进机，煤炭部门称之为巷道掘进机，水电部门又称为隧洞掘 进机。8 3 年国家标准( g b 4 0 5 2 8 3 ) 统一称为全断面岩石掘进机( f u l lf a c er o c k t u n n e lb o r i n gm a c h i n e t b m ) 简称掘进机，其定义是，一种靠旋转并推进刀盘，通过 盘形滚刀破碎岩石而使隧洞全断面一次成形的机器。 一、支撑式( 敞开式) 全断面岩石掘进机 支撑式( 开敞式) 全断面岩石掘进机，利用支撑机构撑紧洞壁以承受向前推进的 反作用力及反扭矩的全断面岩石掘进机，适用于岩石整体性较好的隧洞，图2 1 所 示。如遇有局部破碎带及松软夹层岩石，则掘进机可由所附带的辅助钻孔灌浆设备， 预先固结周边一圈岩石，然后再开挖。这种掘进机适合洞径在中2 o9 m 之间，最优 选择中3 巾7 m ，中3 m 以下及中9 m 以上使用这类掘进机一次成洞开挖的数量逐渐 减少，因隧洞直径小于中3 m ，掘进机在洞内周围的空间小，使通风、排水、电源进 洞、出碴、衬砌造成干扰和困难，另外，目前我国机械加工水平及部件外形尺寸比 国外同类优质产品为大，使得国产掘进机刀盘最小直径不能小于中3 m 。当洞径大于 中9 m ，则掘进进尺受到边刀允许速度 2 5 m s 时，岩 石强度大，由于裂缝在岩石中的生长和传播没有充分时间从起点向外扩散，破碎量 停止增加，所以掘进机直径加大，则刀盘的转速相应要减少，这种掘进效率，无法 予以补偿。 图2 - 1 敞开式全断面岩石掘进机 二、护盾式全断面岩石掘进机 在整机外围设置与机器直径相一致的圆筒形护盾结构，又可分为单护盾、双护 盾( 伸缩式) 和三护盾三类，以利于掘进松软破碎或复杂岩层的全断面岩石掘进机， 图2 2 所示。当遇到复杂岩层，岩石软硬兼有，则可采用双护盾掘进机，遇软岩时 软岩又不能承受支撑板的压应力，由盾尾液压缸支承在拼装的预制衬砌块上或钢环 梁上以推进刀盘破岩前进；遇硬岩时，则靠支撑板撑紧洞壁，由前液压缸推进刀盘破 岩前进。近几年罗宾斯( r o b b i n s ) 公司新研制了三护盾掘进机，即前、中、后三护盾， 两套支撑板和两套推进液压缸系统，掘进时两套支撑板和推进液压缸交替工作，可 第5 页共5 6 页 华北电力大学硕士学位论文 实现连续掘进，大大加快小时进尺。 图2 - 2 护盾式全断面岩石掘进机 三、 扩孔式全断面掘进机 扩孔式全断面岩石掘进机先打导洞，然后扩孔成洞的机器。图3 所示。掘进大 直径隧洞，如上所述，掘进机因受边刀允许速度所限，所以维尔特( w i r t h ) 公司研制 了扩孑l 掘进机适用于中6 m 以上隧洞。这种掘进方法的优点：n 1 导洞也是探洞，可 掌握详细工程地质和水文地质资料，可预测将要采用的扩孔掘进机的技术性能参 数，有助于合理组织施工，有利于通风、地下水、瓦斯及预防性安全等的处理；( 2 ) 只要现有小直径掘进机，马上可以对大直径隧洞进行导洞施工，然后再订制扩孔掘 进机也不会影响工期；( 3 ) 提高了能量利用率。主要缺点：( 1 ) 成洞需要导洞和扩孔两 台掘进机，投资较高；( 2 ) 导洞贯通后才能扩孔，工期长。 旗鲢 图2 - 3 扩孔式全断面掘进机 四、摇臂式全断面掘进机 刀具和摇臂随机头一起转动，摇臂的摆动是由液压缸活塞杆的伸缩来传递，通 过摇臂使刀具内外摆动，转动与摆动两种运动的合成使刀具以空间螺旋线切割岩 石，可掘进圆形或带圆角的矩形隧洞断面。其推进方式有二，一是靠支撑板及推进 液压缸推进机头，此与支撑式t b m 推进方式类同，如法国布依格掘进机( 图2 - 4 ) ； 另一种是靠低速行走履带推进，如德国维尔特新研制的“连续采掘机” ( w i r t h ，h d r kc o m i n u o u sm i n i n gm a c h i n e c m m ) ，采用洞底切割方法破岩，岩碴 块大，能耗小。 图2 - 4 摇臂式全断面掘进机 第6 砸共5 6 页 华北电力大学硕士学位论文 由于我国具体的地质特点，在我国使用过的全断面岩石隧道掘进机有：敞开式 ( 单t 型支撑型、双x 型支撑型) 、双护盾式。摇臂式全断面掘进机、扩孔式全断 面掘进机在我国使用范围很小。 2 1 2 全断面岩石掘进机的基本功能 全断面岩石掘进机在施工工况时，必须具有掘进、出碴、导向、支护四个基本 功能，并且配置完成这些功能的机构。 1 掘进功能 掘进功能分为破碎掌子面岩石的功能和不断推进掘进机前进的功能，为此掘进 机必须配备合适的破岩刀具并给予足够的破岩力，及推力和转动刀盘的回转力矩， 还必须配备合适的支撑机构将破岩力和刀盘回转扭矩传递给洞壁，同时推进和支撑 机构还应该具有步进功能以实现掘进机前进的功能。刀盘、刀具、刀盘驱动机构、 推进机构、支撑机构是实现掘进功能的基本机构。 2 。出碴功能 出碴功能分为导碴、铲碴、溜碴、运碴。掌子面上被破碎的岩石受重力作用顺 掌子面下落到洞底，在刀盘上设置耐磨的导碴条，既可增加刀盘耐磨性，又可以将 岩碴导向铲斗，这就是导碴。刀盘四周设置有足够数量的铲斗，铲斗边缘配备铲齿 或耐磨铲板，将岩碴铲入铲斗，这就是铲碴。随着刀盘回转铲斗将岩碴运至掘进机 上方，超过岩碴堆积的安息角，岩碴下落，落入溜碴槽溜八运碴输送带，这就是溜 碴。最后胶带输送机将岩碴向机后运出。掘进机具有破、导、铲、溜、运一气呵成 连续运行的特点。导碴条、铲斗、溜碴槽、胶带输送机是出碴的基本装置。 3 导向功能 导向功能分为方向的确定、方向的调整、偏转的调整。采用先进的激光导向装置来 确定掘进机的位置。当掘进机偏离预期轴线的时候，采用液压调向油缸来调整水平 方向和垂赢方向的偏差。当掘进机受刀盘回转力矩作用，整体偏转时候，采用液压 纠偏油缸来纠正。激光导向、调向油缸、纠偏油缸是导向、调向的基本装置。 4 支护功能 支护功能又分为掘进机前未开挖地质的预处理、开挖后洞壁的局部支护和全部 洞壁衬砌。对已预报的掘进机前方未开挖不良地质的预处理，主要采用混凝土灌浆、 化学灌浆和冰冻固结。对开挖后不良地质的处理，主要是采用喷混凝土。锚杆、挂 网和设置刚拱架。对开挖后洞壁接触空气不久全线水解、风化的隧道采用全洞壁混 凝土预制块衬砌、密封、灌浆的方法防护。采用不同的支护方法应相应配置不同的 设备，如：，锚杆机、钢拱架安装机。混凝土管片安装机、喷混凝土机、混凝土灌 浆机、化学注浆泵、冰冻机等。 第7 页共5 6 页 华北电力大学硕士学位论文 2 1 3 全断面岩石隧道掘进机的施工特点 1 快速 掘进机施工的核心优点掘进速度快。其开挖速度般是钻爆法的3 5 倍。掘进机的 掘进速度首先取决于设计。目前全断面掘进枫设计的最高掘进速度己达6m h ，理 论最高月进尺达到4 3 2 0m ( 作业率按1 0 0 计算) 。实际月进尺还取决于两个因素： 一个是岩石破碎的难易程度决定的实际发生的每小时进尺，雨是反映管理水平的掘 进机作业率。根据不同的岩质和管理水平，我们可以预测掘进机月迸尺，见下表 表2 - 1 不同岩性条件下掘进速度 每小时实各种作业率的月迸尺( m 月) 岩石类型 际进尺 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 韧性片麻岩 12 1 62 8 8 3 6 0 4 3 25 0 4 片麻岩 1 53 2 44 3 25 4 06 4 87 5 6 花岗岩 24 3 25 7 67 2 08 6 4 1 0 0 8 石灰岩砂岩 36 4 88 6 41 0 8 01 2 9 6 15 1 2 粉砂岩51 0 8 01 4 4 01 8 0 0 2 1 6 02 5 2 0 页岩 61 2 9 61 7 2 82 1 6 02 5 9 23 0 2 4 目前。掘迸机的管理水平般可以使作业率达到5 0 ，在花岗片麻岩中，月进 尺可达5 0 0 6 0 0m m o n t h ，在石灰岩、砂岩月进尺可达1 0 0 0m m o n t h ，粉砂岩中月 进尺可达1 5 0 0 1 8 0 0m m o n t h 。 这样的掘进速度是钻爆法索望尘莫及的。但是这样的速度还不是最高的，只要 能进一步提高管理水平，还能创造更高的月掘进迸尺。 2 优质 掘进机开挖的隧道由刀具挤压和切割洞壁岩石，所以洞壁光滑美观。掘进机开 挖隧道的洞壁粗糙度一般为0 0 1 9 ，比钻爆法的光面爆破的粗糙度还小1 7 。开挖 的洞径尺寸精确、误差小，可以控制在2c m 范围内。开挖隧道的轴线于预期的轴线 误差也小，可以控制在5c m 范围内。 3 安全 掘进机开挖隧道对洞壁外的围岩扰动小，影响范围般小于5 0 c m ，容易保持原 围岩的稳定性，得到安全的边界环境。 掘进机自身有局部或整体护盾，人员可以在保护下工作，有利于保护人员安全。 掘进机配置有一系列的支护设备，在不良地质处可以及时支护以保安全。掘进机是 机械能破岩，没有钻爆法的炸药等化学物质的爆炸和污染。采用电视监控和通讯系 统，操作自动化程度高，作业人员少，利于安全管理。 4 经济 第8 页共5 6 页 华北电力大学硕士学位论文 目前我国使用掘进机，若只核算纯开挖成本是会高于钻爆法的。但是掘进机成 洞的综合成本与钻爆法比较，其经济性主要表现在成洞的综合成本上。由于采用掘 进机施工，使单头掘进2 0k m 成为可能。掘进机施工洞径尺寸准确，对洞壁影响小， 可以不使用衬砌或减少衬砌从而降低衬砌成本。掘进机的作业面少，作用人员少， 人员费用少。掘进机掘进速度快，提早成洞，可以提早得益。这些促使掘进机施工 的综合成本比钻爆法低。 掘进机开挖隧道的掘进机只有开挖长隧道，尤其是长度超过3 k m 时候才能体 现。掘进机上述四大优点；快速、优质。安全、经济中核心优点是：快速。 2 2 全断面岩石掘进机的结构和作业 2 2 1 全断面岩石掘进机的作业过程 对长隧洞施工选择有两种：敞开式和护盾式掘进机。两种掘进机的结构上有一 定相似型。首先介绍敞开式掘进机主要结构和作业过程。 ( 一) 敞开式全断面掘进机 敞开式掘进机按机架结构划划分，分为主梁式和凯氏梁式全断面岩石掘进机 主梁式全断面岩石掘进机的结构如图所示。 7 _ | f ；喜乎丁一? 7 产*扩z 一 ? 儿斗吾三三圣至型7 7 芒三三三j 习| ， j 严气一i旦 图2 6 敞开式掘进机结构 全断面掘进机主机主要结构包括：刀盘、传统系统、机架、推迸机构、支撑系 统。现有的全断面岩石掘进机的主要工作方式是循环作业，其原理是支撑机构撑紧 洞壁，刀盘旋转，推进液压缸推进，盘形滚刀破碎岩石，出渣系统出渣而实现隧洞 的连续循环开挖作业。掘进机的作业包括掘进作业和换步作业两个部分。 掘进作业：伸出水平或( x 型) 支撑，撑紧洞壁，收起后支撑，启动皮带出渣机， 刀盘旋转，推进液压缸推进，刀盘上的滚刀开始破岩剥落的岩石落到洞底，由刀盘 边沿的铲斗将剥落的岩石铲起并随刀盘将铲起的岩石输送给皮带出渣机而将岩渣 输出洞外；当推进油缸伸到最大长度时，将掘进机机头、主梁、后支撑向前推进了 一个行程。 换步作业：刀盘停止回转，伸出后支撑靴撑紧洞壁，收缩水平( 或x 型) 支撑 使靴板离开洞壁，收缩推进缸，将水平支撑向前移一个行程a 对于水平( 或x 型) 第9 页莛5 6 页 华北电力大学硕士学位论文 支撑掘进机，除双套支撑可以有较多的支撑位置选择外，其余和单t 型或( x 型) 支撑的掘进机。双支撑中每一个支撑靴都必须能独立完成支撑的作用，也即双支撑 中任一个支撑不能工作时，另一支撑都可以承担完成掘进作业的功能。 敞开式全断面岩石掘进机从结构上分为主梁式和凯氏梁式两种。( 1 ) 主梁式全 断面岩石掘进机。它是全断面岩石掘进的最早设计模式，为全断面岩石掘进机设计 概念的发展奠定了基础。主梁式全断面岩石掘进机的结构特点是：l 采用一对水平 支撑；2 水平支撑位于主梁的后部，它支撑着掘进机的后部重量，同时承受扭矩和 推力的反力；3 粱体长，但电动机减速箱等传动系统都靠近大刀盘布置；4 主梁后 端相对水平支撑可上可下和侧向移动。因此在掘进过程中的任何时候都可以进行连 续调向。( 2 ) 凯氏粱式全断面岩石掘进机。其主体结构是内外机架均采用凯氏机架。 其特点是：1 采用两套水平支撑，它的支撑力，一方面给予整机稳定的支撑，同时 承受扭矩和推力的反力。掘进作业过程不能调向；2 电机、减速箱布置在机器的后 部，由一个较长的传动轴将扭矩传给大刀盘；3 支撑较稳定。在凯式梁式是主体结 构的基础上，各公司所生产的产品又各有特点。但工作原理是一样的。 虽然全断面岩石掘进机在结构上有所不同，但它们工作原理相同。下面分别从 主梁式和凯氏梁式两种结构形式对敞开式全断面岩石掘进机的掘进过程进行分析。 掘进工况：水平支撑6 撑紧洞壁一收起后支撑7 一回转刀盘i 一伸出推进油缸5 图2 7 主梁式掘进机换步工况 换步工况：停止回转刀盘1 一伸出后支撑7 着地一收缩水平支撑6 一收缩推进油缸5 图2 - 8 主梁式掘进机掘进工况 再掘进工况：再伸出水平支撑6 撑紧洞壁一收起后支撑7 一回转刀盘1 一伸出推进油缸5 ( 二) 护盾式全断面掘进机 护盾式掘进机分为单护盾掘进机、双护盾掘进机和三护盾掘进机； 单护盾掘进机作业与敞开式相同。双护盾式掘进机作业与敞开式掘进机作业有 所不同。双护盾式掘进机作业循环分为两种情况，采用不同的推进、支撑机构来实 第l o 页麸5 6 页 华北电力大学硕士学位论文 施： ( 1 ) 自稳能支撑岩石种掘进 此时掘进机的辅助推进油缸全部缩回，不参与掘进，掘进机作业和敞开式掘进机一 样。 1 ) 掘进作业：伸出水平支撑缸，撑紧洞壁一起动胶带机一回转刀盘一伸出一v 型推 进缸，将刀盘及前护盾向前推进一个行程实现掘进作业。 图2 一1 3 双护盾式掘进机掘进作业 2 ) 换步作业：当v 型推进缸推满一个行程后，就进行换步作业。刀盘停止回转一 收缩水平支撑离开洞壁一收缩v 型推进缸，将掘进机后护盾前移一个行程。 口i p01 。芑当 ! 喜 彳， 图2 1 4 双护盾式掘进机换步作业 不断重复上述动作，则实现不断掘进。在此工况下，混凝土管片安装和掘进可以同 时进行，成洞速度很快。 ( 2 ) 能自稳不能支撑岩石种掘进 此时，v 型缸处于全收缩状态，并将支撑靴板收缩到后护盾外圆一致，前后护盾联 成一体，就如单护盾掘进机一样掘进，它的动作是： 1 ) 掘进作业：回转刀盘一伸出辅助推进缸，撑在管片上掘进，将整个掘进机向前 推进一个行程。 图2 - 1 5 双护盾式掘进机掘进作业 换步作业：刀盘停止回转一收缩辅助推进缸一安装混凝士管片 第1 1 页共5 6 页 华北电力大学硕士学位论文 2 ) 上述动作实现掘进。此时管片安装和掘进不能同时进行，成洞速度减半。 图2 。1 6 双护盾式掘进机换步作业 2 2 2 掘进机后配套设备 掘进机施工是当今世界上隧道和地下工程快速、安全开挖的一种有效方法。它 有主机和后备套组成。形成一条移动式的隧道机械化施工作业线。其中主机承担开 挖和装碴，负担最重。余下的全部工作，全依靠后备设备完成，确保掘进机安全、 持续正常工作。由此可见后备设备是掘进机快速掘进的重要的组成部分，也是掘 进机实现机械化和程序化的一个整体。 实践证明，要发挥全断面岩石掘进机高速安全的施工特点，没有一个先进可靠 而且配置合理的后备设备是不可想象的。握介绍 9 6 6 年罗宾式t 0 4 1 2 1 a 掘进机， 刀盘直径3 0 9m ，在开挖美国奥莎引水隧洞时，由于采用4 组( 1 组随掘进机移动， 3 组固定在洞内不同地点) 轨行平台式后配套，创造了月迸2 0 8 8 ，9m 的世界记录。 后配套设备系统大致包括三种基本类型，其分类主要按照出碴运输的不同方式 进行的。可分为轨行门架型( 有平板车和无平板车) 、连续带式输送机型和无轨轮 胎型。 ( 一) 轨行门架型。 它是目前普遍采用的常规的后配套设备，与出碴列车( 机车+ 矿车) 相配合形 成轨行式出碴系统。这种形式的后他配套设备由一系列轨行门架串连而成，根据一 个掘进机行程的碴量，后配套设备和临时支护设备的数量、规格，决定串连门架的 数量。 轨行门架型可以分为有平台车和无平台车两种。有平台车型，门架固定在台车 上，其滚轮在仰拱管片的钢轨上走行，而平台上铺设单股道或双股道，拱出碴列车 通行：无平台车型，结构简单，取消了平台车，门架直接放置在预制仰拱块轨道上， 节省了大量钢轨和板材。 ( 二) 连续带式输送机型。 带式输送机首先在煤矿和大型露天矿山中开始使用，由于结构单一和运碴快捷 逐渐得到推广。目前带式输送机向长距离，大运量方向发展。在国内，沈阳矿山机 械厂研制的大型带式输送机，其单机长度为4 6 0 2 米，最高带速5 ，8 5m s ，最大运量 7 8 0 0t h 。 带式输送机在煤矿的发展，有力地促进了掘进机在隧道和地下工程中应用。由 第1 2 页共5 6 页 华北电力大学硕士学位论文 于这种出碴运输跟随掘进机开挖同步作业， 是说是一种最佳匹配的运碴方式。今年来， 广泛应用。 因此从掘进机快速掘进的特点来看，可 在国外一些掘进机施工的长隧道中得到 需要指出的是，带式输送机要在掘进机施工的隧道中得到运用，在设计上要解 决三个问题：( 1 ) 输送机要跟掘进机一起同步前进，这就有个连续延长的问题，除 胶带接长外，输送机的一节框架也需要跟进安装在事先固定在洞壁托架上：( 2 ) 输 送机也要能转向；( 3 ) 输送机能在有限的空间内安装，尤其在小隧道。因此，它在 出碴运输方面的条件比轨行和无轨轮胎型要求高。 ( 三) 无轨轮胎型。 这种类型的后配套设备虽有设备单一、易与管理的特点，但是在当今掘进机旌 工的隧道用的很少，其主要原因是：( 1 ) 掘进机施工隧道底部圆形，轮胎式翻斗卡 车行进困难；( 2 ) 要求翻斗车采用有废气净化设备的低污染发动机。随着隧道的延 伸，废气量的增加，需要加大风量通风，增加施工成本；( 3 ) 掘进机施工，要求掘 进和出碴平行工作，翻斗车出碴满足不了这个要求，就需要后配套上增设大型岩碴 存储仓，既占空间，又加大成本。因此这种后配套出碴方式只能用在较大断面且有 一些特殊要求的场合。 在国外t b m 施工的隧道中，在一定条件下，轨行门架车式型后备套系统已经 广泛推广使用，国内因为缺乏实际使用经验，特别式在长距离、多弯道的隧洞中施 工，对连续带式输送机方案的可靠性和维修保养持有怀疑，因而在我国隧道中一般 选用世界上最通用的，经过实践检验是可靠的轨行门架车式型后备套系统。 第1 3 页共5 6 页 华北电力大学硕士学位论文 第三章软件系统分析 3 1 全断面岩石掘进机选型计算一般流程 3 1 1 选用掘进机施工的原则 ( 一) 设备保障 针对地质的要求和特点，选择适合的机型是首要条件，全断面岩石掘进机属于 典型的非标设备，没有适合任何地质条件的通用掘进机，每台掘进机都要根据地 质条件、支护要求、工程进度等提出所需的技术性能和参数。因此，要开挖的洞径 大小不同，所面临的地质条件不同，可以选择的机型不同，即使是同类型的主机， 尚需要自主确定驱动型式、控制方式、测量系统、记录系统等规格和关键参数，特 别式与之配合的后配套系统更加关系到掘进机技术效能和效率的发挥。如果初期选 择掘进机失误会导致工程停滞，乃至更换其他型式掘进机。例如美国静水隧道工程。 初期选择的双护盾掘进机开挖，由于掘进机不适合岩石状况，掘进机不断停机，开 挖到4 1 3k m 时候无法继续开挖，不得不更换了敞开式掘进机。 ( 二) 地质资料 提供详细而且准确的地质及其水文资料是十分必要的，这些资料内容包括隧道 沿线地形地貌条件和地质现象，进出口边坡的稳定条件；隧道地质的岩石特性，松 散、软弱、膨胀、易溶和格斯特岩层的分布，可能存在的有害气体及其放射性元素； 隧洞岩层的产状，主要断层、破碎带和节理裂缝密集带的位置、趣模、形状；提供 地下水位、汇水构造等预测掘进时突然涌水的可能性和估计最到涌水量；提供围岩 工程分类。确定各种岩体的物理力学性质、参数、对不同围岩的稳定性做出评价。 掘进机性能的发挥很大程度上依赖工程地质条件和水文地质条件，如岩体的裂隙等 级、岩石的单轴抗压强度和硬度将决定掘进机掘进效率和工程成本；隧道埋深、 围岩的等级、涌水大小等等涉及掘进后的支护方法、形式和种类。适应地质的需要 和可能的变化，是对设备的基本要求。提供准确的地质资料，是使用掘进机成功的 基础和保证。 3 1 2 掘进机主机选型原