掘进机理论知识培训课件

掘进机理论知识培训课件第一章：掘进机概述掘进机定义及分类掘进机是一种集切削、支护、运输于一体的大型隧道掘进设备。主要分为全断面掘进机(TBM)、盾构机、悬臂式掘进机等类型，根据地质条件和工程需求选择不同机型。矿山工程应用在煤矿、金属矿等地下开采中，掘进机大幅提升巷道掘进速度，降低人工作业强度，显著改善作业环境安全性，是现代矿山机械化的核心装备。隧道工程作用掘进机发展历程119世纪末期早期机械化掘进设备诞生，采用蒸汽动力驱动简单的旋转切削装置，开启了隧道机械化施工的先河。220世纪中期液压技术与电力驱动的引入，掘进机性能大幅提升，开始在大型水利和交通工程中广泛应用。321世纪初计算机控制技术融入，实现自动化掘进。刀具材料革新，硬岩掘进能力突破。4当代发展智能化、大数据、远程控制成为主流。超大直径掘进机、复合地层掘进机等创新产品不断涌现，推动地下工程向更深、更复杂领域发展。掘进机的主要结构组成1刀盘系统掘进机的核心工作部件，由主轴承、刀盘本体、切削刀具组成。刀盘旋转切削岩石或土体，不同地质条件需配置相应的刀具类型和布置方式。2支护系统包括管片拼装机、注浆系统等，实现掘进过程中的同步支护，确保隧道稳定性。盾构机通过管片形成永久支护结构，TBM则根据岩层情况采用锚杆、喷射混凝土等支护方式。3传动系统由主驱动电机、减速器、液压系统构成，将动力传递至刀盘和推进系统。液压系统提供推进力、转矩和各机构动作所需的动力。4控制系统集成PLC控制器、传感器网络、人机交互界面，实时监测掘进参数、设备状态、姿态信息，实现自动化控制和数据采集分析。掘进机结构示意图掘进机主要部件包括：前部刀盘切削系统、中部主机及传动装置、后部支护拼装系统、配套的皮带运输机和通风除尘系统。各系统协调配合，实现连续高效掘进作业。掘进机工作原理切削与破岩刀盘在液压推力和扭矩作用下旋转，刀具对掌子面进行切削和破碎。滚刀通过挤压、滚压作用使岩石产生裂纹并剥落；刮刀则刮削软土。破碎的岩渣通过刀盘开口进入土舱。渣土输送土舱内的螺旋输送机将岩渣送至皮带运输系统，经过渣土改良后运出洞外。泡沫、膨润土等改良剂可改善渣土流动性，提高排渣效率。同步支护在掘进推进的同时，支护系统在盾尾完成管片拼装或锚杆安装，形成永久或临时支护结构。盾构机通过千斤顶推力作用在已拼装管片上，实现连续推进。注浆系统向管片背后注入浆液，填充空隙并稳定围岩。掘进机动力系统详解电力驱动主驱动电机提供刀盘旋转所需的动力，一般采用变频调速电机，可根据地质条件调节转速和扭矩。功率范围从几百千瓦到数千千瓦不等。液压传动液压泵站提供高压液压油，驱动推进油缸、管片拼装机、螺旋输送机等机构。液压系统具有传动平稳、易于控制、过载保护等优点。效率优化通过减速器优化传动比，提高扭矩输出；采用高效密封技术减少能量损失；智能控制系统根据负载自动调节功率分配，实现节能高效运行。掘进机控制系统与自动化传感器监测技术安装压力传感器、位移传感器、振动传感器、温度传感器等，实时采集推进力、刀盘扭矩、掘进速度、设备温度等关键参数，为控制系统提供数据支持。自动化掘进PLC控制器根据预设程序和传感器反馈，自动调节推进速度、刀盘转速、注浆量等参数。自动导向系统实时修正掘进姿态，确保隧道轴线精度。智能控制趋势融合人工智能、机器学习技术，实现地质预报、参数自适应调整、故障智能诊断。远程监控中心可实时掌握现场情况，进行远程指导和应急处置，推动掘进机向无人化、智能化方向发展。第二章掘进机操作流程01掘进准备工作施工前需完成地质勘察资料分析、掘进机选型及设备进场安装、辅助系统调试、人员培训及安全交底等准备工作。02掘进参数设定根据地质条件和设计要求，设定刀盘转速、推进速度、推进力、刀盘扭矩等关键参数。建立参数优化曲线，确保掘进效率与安全。03施工过程监控实时监测掘进参数变化、设备运行状态、隧道轴线偏差等。发现异常及时调整参数或停机检查，确保施工质量和安全。04动态调整优化根据地质变化、设备状态反馈，动态调整操作参数和施工方案，保持掘进机在最佳工作状态，提高掘进效率和设备寿命。掘进机刀盘操作技巧刀具选择与更换根据岩石硬度、磨蚀性选择合适的刀具类型。硬岩地层采用滚刀，软土地层使用刮刀。刀具磨损达到限值时必须及时更换，避免过度磨损影响掘进效率和设备安全。更换刀具需进入土舱作业，必须严格执行常压换刀或气压换刀程序。常压换刀适用于稳定地层，气压换刀用于高水压、不稳定地层，需配备专业的气压舱和减压设施。转速与推力匹配刀盘转速与推进速度需合理匹配，形成最优的切削参数。转速过高易造成刀具过热磨损，转速过低则掘进效率低下。推进力要根据岩石强度调整，过大会增加设备负荷和能耗，过小则无法有效破岩。建立"比能耗"指标监控体系，通过优化转速和推力参数组合，实现单位进尺能耗最低、效率最高的掘进状态。掘进机支护施工配合管片准备就位根据掘进进度，提前将管片运输至拼装机附近，检查管片质量，确保无裂纹、缺损。按照设计环号和块号排列整齐。自动拼装作业掘进机推进一环距离后，管片拼装机按照设计顺序抓取管片，通过液压系统精确定位并拼装成环。拼装过程需控制管片错台和接缝张开量。同步注浆加固管片拼装完成后，立即通过管片预留孔进行同步注浆，填充盾尾空隙。注浆材料一般采用双液浆，确保早期强度和长期稳定性。质量检查验收检查管片拼装质量，测量环缝宽度、管片错台量、隧道轴线偏差等指标，确保符合设计和规范要求。不合格部位及时整改。掘进机维护与保养日常检查项目开机前检查液压油位、冷却水位、润滑油位检查各连接部位螺栓紧固情况检查电气系统绝缘性能和接地保护检查刀具磨损状况和刀盘开口畅通性检查密封系统有无渗漏现象常见故障诊断与处理推进力异常：可能是液压系统压力不足或油缸密封损坏，检查液压泵和管路。刀盘扭矩过大：可能遇到孤石或刀具磨损严重，需停机检查刀盘并更换刀具。出渣不畅：螺旋输送机堵塞或转速不足，清理堵塞物并调整渣土改良参数。姿态偏差：地层不均或推进油缸动作不同步,调整各油缸推力分配。第三章掘进机安全管理作业安全风险点刀盘旋转部位卷入风险高压液压系统喷射伤害土舱内有限空间作业风险突水突泥地质灾害电气设备触电风险吊装运输作业风险安全操作规程严格执行开机前安全检查制度进入危险区域必须停机并挂牌进入土舱作业需办理许可手续规范使用个人防护装备建立交接班安全确认制度定期开展应急演练应急预案与案例典型事故：某隧道工程因地质预报不准确，掘进过程中遭遇高压涌水，导致停工三个月。教训：加强超前地质探测，配备应急封堵设备，建立快速响应机制。现场必须配备抽排水设备和应急物资储备。掘进机安全防护装备掘进机作业必须配备完善的安全防护装备：安全帽、防护服、防尘口罩、防护眼镜、安全鞋等个人防护用品；有害气体检测仪、通风除尘系统、照明设备等环境保障设施；消防器材、急救箱、逃生通道等应急救援装备。所有设备必须定期检测维护，确保有效可用。第四章掘进机技术创新与应用新型刀具材料与设计采用硬质合金、陶瓷复合材料等高性能材料，提高刀具硬度和耐磨性。优化刀具几何形状和刃口角度，降低切削阻力。开发智能刀具，集成传感器监测刀具状态。智能掘进与远程控制建立数字孪生模型，实现虚拟仿真和优化决策。部署5G通信网络，支持高清视频传输和低延迟控制。实现地面控制中心对井下设备的远程操控和无人化掘进。大数据与AI应用建立掘进大数据平台，积累海量工程数据。运用机器学习算法，实现地质智能识别、参数自动优化、故障预测性维护。通过数据挖掘发现掘进规律，指导工程实践。案例分享：某大型煤矿掘进机应用效果项目背景该煤矿年产600万吨,需要快速掘进巷道以满足生产需求。传统爆破法掘进速度慢、安全风险高、对围岩扰动大。引进大功率悬臂式掘进机进行技术改造。30%掘进效率提升月进尺从180米提高到240米50%事故率降低机械化作业减少人工暴露风险2000万年经济效益提前投产增加收益显著第五章掘进机理论计算基础1掘进力学模型简介掘进机切削岩石过程涉及复杂的力学问题。主要包括刀具与岩石的接触力学、岩石破碎机理、刀盘受力分析等。通过建立力学模型，可以预测掘进阻力、优化刀具布置、评估设备适应性。2推进力与切削力计算推进力根据岩石单轴抗压强度、刀盘直径、刀具数量等参数计算。切削力取决于刀具类型、贯入度、岩石性质等因素。通过理论计算和现场实测相结合，建立适用于特定地层的推力预测模型。3掘进机能耗分析掘进机能耗主要包括切削能耗、推进能耗、辅助系统能耗等。通过分析比能耗(单位体积岩石破碎所需能量)，评估掘进效率。优化操作参数可降低能耗20-30%，提高经济效益。掘进机刀盘设计参数刀盘直径与刀具布置刀盘直径决定隧道开挖断面尺寸，一般比设计隧道直径大100-200mm以提供施工余量。刀具在刀盘上的布置遵循等磨损原则，使所有刀具的使用寿命相近。正面滚刀沿径向布置，切削岩石主体；边缘滚刀完成隧道周边切削；刮刀清理刀盘面板上的粘附物。刀具间距根据岩石性质确定，硬岩采用较大间距，软岩采用较小间距。刀具磨损与更换周期刀具磨损分为正常磨损和异常磨损。正常磨损表现为刀尖钝化、刀刃磨平；异常磨损包括崩刃、偏磨等，多由操作不当或地质异常引起。建立刀具管理台账，记录每把刀具的使用里程、磨损状态。根据统计数据确定合理的检查和更换周期。一般每掘进50-100环检查一次刀具，磨损超过限值及时更换。掘进机推进系统设计液压缸与推进机构推进系统由多组液压油缸组成，均匀分布在盾体周围。液压油缸一端支撑在盾体上，另一端作用在已拼装的管片上，通过伸缩推动盾体前进。单个油缸推力一般为200-500吨。推进油缸采用分组控制，可以独立调节各组油缸的推力和行程，实现掘进姿态的精确控制。通过差异化推力分配,纠正掘进偏差，确保隧道轴线精度。推进速度与压力控制推进速度由液压系统流量控制，一般为2-10cm/min。速度过快会造成刀具磨损加剧和掘进面失稳，速度过慢则效率低下。根据地质条件和设备性能选择最优推进速度。液压系统压力反映了掘进阻力大小。正常情况下压力稳定在设定范围内。压力突然升高可能遇到硬岩或障碍物，压力下降可能进入软弱地层或出现空洞。通过压力监测及时发现和处理异常。第六章掘进机施工环境适应性硬岩地层选用滚刀式TBM，刀盘转速低、推力大，采用挤压破岩方式软土地层选用盾构机，配备泥水或土压平衡系统，控制开挖面稳定复合地层选用复合式盾构机，兼具滚刀和刮刀，适应软硬不均地质高水压地层加强防水密封，配备加压系统，采用气压或泥水平衡技术掘进机选型必须充分考虑地质条件、水文环境、隧道埋深等因素。不同地质条件下的掘进技术差异巨大，需要针对性的技术方案和参数优化。掘进机在隧道工程中的应用城市地铁掘进机特点城市地铁隧道埋深较浅，周边环境敏感，对地表沉降控制要求严格。采用土压平衡或泥水平衡盾构机，通过精确控制土舱压力，维持开挖面稳定，减小地层扰动。盾构机需配备先进的自动导向系统和姿态控制系统，确保隧道轴线精度在毫米级。小半径曲线掘进时，采用铰接式盾体设计，提高转弯灵活性。异步开挖的挑战与应对城市地铁多采用双线隧道，先行隧道掘进会对后行隧道产生影响。主要挑战包括地层应力重分布、已建隧道变形、相互间距控制等。应对措施：加大隧道净距，一般不小于1.5倍洞径；先行隧道采用更严格的沉降控制标准；后行隧道调整掘进参数，加强监测；必要时采取地层加固措施。第七章掘进机未来发展趋势绿色环保掘进技术开发低噪音、低振动掘进机，减少对周边环境影响。采用清洁能源驱动，降低碳排放。优化渣土处理工艺，实现资源化利用。发展节能型液压系统和高效驱动技术。模块化设计采用标准化模块设计，提高设备互换性和维修便利性。不同功能模块可快速更换，适应多变的施工需求。缩短设备制造周期，降低成本。智能化升级全面应用AI、物联网、数字孪生等技术。实现地质自动识别、参数自优化、故障自诊断、少人化或无人化掘进。建立云平台，实现多工地协同管理。地下空间开发融合掘进机不仅用于交通隧道，还拓展到地下综合管廊、地下储能、地下物流等领域。开发多功能掘进机，一机多用。推动城市地下空间立体化开发。重点回顾与知识点总结掘进机结构与工作原理掌握刀盘、支护、传动、控制四大系统的组成和功能。理解切削破岩、渣土输送、同步支护的工作机理。操作流程与技能熟悉掘进准备、参数设定、过程监控、动态调整全流程。掌握刀盘操作技巧和支护施工配合要点。安全管理体系识别作业风险点，严格执行安全操作规程。建立应急预案，提升事故防范和应急处置能力。技术创新应用了解刀具材料、智能控制、大数据分析等前沿技术。关注绿色环保、模块化、智能化发展趋势。理论计算方法掌握推进力、切削力计算公式。理解刀盘设计参数确定方法。能够进行能耗分析和参数优化。互动环节：掘进机故障诊断模拟故障案例一：刀盘突然停转现象描述：掘进过程中刀盘突然停止旋转，主电机跳闸，控制面板显示过载报警。可能原因：①刀盘卡死异物；②主减速器故障；③电机过热保护；④液压系统压力异常。处理方案：立即停机断电，检查刀盘是否有大块岩石卡住。检查主减速器油温和润滑情况。检测电机温度和绝缘性能。排查液压系统是否有泄漏或压力波动。排除故障后试运转确认正常再继续掘进。故障案例二：隧道轴线偏差超限现象描述：导向系统显示隧道轴线水平方向偏差达到80mm，超过允许偏差50mm的限值。可能原因：①地层软硬不均导致受力不平衡；②推进油缸动作不同步；③导向系统测量误差；④纠偏操作不及时。处理方案：立即调整推进油缸分组推力，增加偏差反方向油缸推力，减小偏差同方向油缸推力。采用小角度、长距离的纠偏方式，避免过度纠偏。加强姿态监测频率，每掘进0.5环测量一次。必要时调整刀盘开口，改善出渣效果以减少阻力不均。现场实操注意事项掘进机启动前检查清单检查液压油箱油位，确保在正常范围检查冷却水系统，水位充足、管路畅通检查各润滑点润滑油供应正常检查电气系统接地保护可靠检查刀盘旋转方向正确，无异常声响检查推进油缸行程同步，无渗漏检查螺旋输送机和皮带机运转正常检查通风除尘系统工作有效检查监控系统和传感器数据准确确认人员全部撤离危险区域施工中监测指标及异常处理关键监测指标：刀盘转速、刀盘扭矩、推进速度、推进压力、土舱压力、出土量、掘进姿态、地表沉降等。异常处理原则：发现任何参数异常波动或超限，应立即降低掘进速度或停机检查。不得盲目强行掘进。查明原因并采取措施后方可继续施工。重大异常必须上报并请示专家指导。掘进机维护保养计划制定1每日保养班前班后检查设备外观、油液位、紧固件。清理刀盘、螺旋机上的粘附物。记录运行参数和异常情况。润滑各运动部位。2每周保养详细检查液压系统、电气系统、传动系统。测量刀具磨损量。检查密封件状态。清洁或更换滤芯。进行小修和更换易损件。3每月保养进行系统性能测试和校准。更换液压油和润滑油。检查主轴承、主减速器等关键部件。进行电气绝缘测试。清理冷却系统水垢。4季度保养进行全面大修和技术状态评估。更换磨损超限的刀具。检修推进油缸和液压阀组。更新控制系统软件。进行安全性能检测。编制设备健康报告。建立设备维护档案，记录每次保养内容和发现的问题。根据设备实际状态和使用强度，动态调整保养周期。关键部件实施状态监测和预测性维护。掘进机安全文化建设安全培训与意识提升新员工必须经过系统的安全培训和考核合格后方可上岗。培训内容包括安全操作规程、应急处理、案例分析等。定期开展安全教育活动，观看事故警示片，增强安全意识。采用多种培训方式：课堂讲授、现场演示、虚拟仿真、实操练习相结合。建立师徒传帮带制度，老员工指导新员工。鼓励员工参加安全技能竞赛，提升业务能力。安全责任落实与考核建立三级安全责任制：项目经理为第一责任人，各级管理人员分级负责，操作人员直接责任。签订安全生产责任书，明确责任范围和考核指标。实施安全绩效考核：将安全指标纳入绩效评价体系。事故零容忍，发生安全事故严肃追责。设立安全奖励基金，对安全工作优秀的班组和个人给予奖励。营造"安全第一、生命至上"的企业文化。常见问题答疑问：掘进机在复合地层中如何调整参数？答：复合地层软硬不均，应采取以下措施：①降低掘进速度，给刀盘更多反应时间；②适当增加刀盘转速，提高破