全断面硬岩掘进机的破岩机理、工作原理及分类详述

发布时间:2024-09-30

全断面硬岩掘进机的破岩机理、工作原理及分类详述

在采矿与隧道工程领域，全断面硬岩掘进机（TBM, Tunnel Boring Machine）作为一种高效、自动化的施工设备，发挥着举足轻重的作用。本文旨在详细梳理并扩写全断面硬岩掘进机的破岩机理、工作原理及分类，以期为相关从业人员提供更为全面和深入的理解。

一、全断面硬岩掘进机概述

全断面硬岩掘进机，又称刀盘式掘进机，是一种集掘进、支护、出渣等功能于一体的隧道施工装备。其显著特点是具备强大的破岩能力，能够连续不断地在岩石地层中掘进，显著提高了隧道工程的施工效率和安全性。全断面硬岩掘进机的核心部件为刀盘，其上安装有各种类型的滚刀和切削刀具，通过旋转和推进实现对岩石的破碎。

二、破岩机理

首先第一个就是全断面硬岩掘进机如何实现的一个破岩。根据上一篇文章《全断面硬岩掘进机概述》的讲解，读者应该能够知道，全断面硬岩掘进机它前面儿有一个刀盘，所以说全断面硬岩掘进机它实际上又叫做刀盘式掘进机。通过这个名字也能知道了，它破坏主要是通过前面的这个刀盘去给他进行破岩。这个就是典型的TBM的一个破岩的刀盘。

全断面硬岩掘进机的破岩机理主要包括挤压式和切削式两种。

1. 挤压式破岩

首先就是挤压式的，挤压式就是把这个刀盘上面这个滚刀先挤入到这个岩体当中，再在剪切力的作用下实现它的一个破岩。一般来用的滚刀的类型都是这种圆盘形。另外还有其他的这种楔齿形的、球齿型的等等，最常用的还是这种圆盘形。读者可以看这图，就是这上面的这个样式，上面这个就是滚刀它破岩的一个原理。首先就是滚刀先切入到岩体当中，切出一道一道的这个槽槽来之后，然后整个刀盘在旋转的时候会有一个剪切力，这样的话就把中间的这一块儿，中间的这一块就切割完毕，这样的话就实现了这个破岩，这个就是刀盘的挤压式破岩，

挤压式破岩适用于各种硬度的岩石，特别是在处理高抗压强度的岩石时表现出色。

滚刀的类型多种多样，包括圆盘形、楔齿形、球齿型等。其中，圆盘形滚刀因其结构简单、制造方便、破岩效率高等优点而被广泛应用。在滚刀破岩过程中，滚刀的尺寸、形状、材质以及安装角度等参数均会对破岩效果产生重要影响。

2. 切削式破岩

切削式破岩呢，顾名思义，就是我利用刀盘上的那个铣削，或者是其他的那种刀，来直接强力的去切削这个岩石。为什么能够切下来呢？就是因为岩石的抗剪强度小，实际上只有抗压强度的5%到10%，非常的小。

所以说它可以相对比较容易的给它切削下来。这样的话通过挤压，切削就实现了它的一个破岩。

这个给读者展示一下它破岩的一个过程，就是刀盘不断的一个旋转，在整个的工作面上，就形成了类似于这个同心圆的各种痕迹。这个岩石就会发生一个破碎，破碎之后再运到后面去。这张图片就是经过切割之后，在工作面上形成的痕迹。

    切削式破岩特别适用于中硬至软岩地层，以及在需要精确控制掘进轮廓的场合。

在切削式破岩过程中，切削刀具的选择和布置至关重要。合理的刀具配置不仅可以提高破岩效率，还能有效延长刀具的使用寿命。此外，切削参数的优化也是实现高效破岩的关键环节之一。

三、工作原理

知道了破岩之后，那它怎么实现的这工作？这里通过一张图给读者展示一下，这个图工艺上相对来说比较的简单，前面就是刀盘进行一个切削，切削之后，刀盘上面有专门的铲斗的一个设备，把这个破碎的岩石铲到后边来。后面来就是有专门的皮带运输机，直接从这儿然后运到后面去，直接再运出去。这个TBM它的这个施工工艺实际上是比较简单的。总结来看，就是刀盘旋转破碎岩石岩渣由刀盘上的这种铲斗铲到掘进机的上方，靠着自重下落到这个溜渣槽当中，进入机斗内的这个运渣胶带机，再运出去。

在掘进过程中，全断面硬岩掘进机还配备了多种辅助设备和系统，以确保施工的安全和高效。例如，支护系统用于在掘进过程中及时对隧道壁进行支护，以防止围岩失稳；除尘系统用于降低掘进过程中产生的粉尘浓度，改善施工环境；监测与控制系统则用于实时监控掘进机的运行状态和掘进参数，确保掘进作业的精确性和安全性。

四、分类与特点

根据结构特点和适用范围的不同，全断面硬岩掘进机可以分为开敞式TBM和护盾式TBM两大类。

1. 开敞式TBM

开敞式TBM是一种结构相对简单的掘进机类型。其特点在于刀盘后方没有护盾结构，直接暴露在围岩之下。这种结构使得开敞式TBM在掘进过程中能够更直接地接触围岩，便于进行支护作业。然而，由于缺少护盾的保护，开敞式TBM在围岩稳定性较差的地层中施工风险较高。因此，它更适用于围岩条件较好、支护作业相对简单的隧道工程。

2. 护盾式TBM

护盾式TBM则是一种结构更为复杂、功能更为全面的掘进机类型。其特点在于刀盘后方设有护盾结构，用于保护掘进机内部的设备和人员免受围岩塌方等安全威胁。护盾式TBM根据护盾的数量和布置方式的不同，又可分为双护盾TBM和单护盾TBM两种。

• 双护盾TBM：双护盾TBM配备有前后两个护盾，能够在掘进过程中同时实现掘进和管片安装作业。这种设计大大提高了掘进效率，并降低了施工风险。因此，双护盾TBM在隧道工程中得到了广泛应用。

• 单护盾TBM：与双护盾TBM相比，单护盾TBM的护盾数量较少，通常只有一个主护盾。这种设计使得单护盾TBM在掘进过程中无法同时进行掘进和管片安装作业，需要分步骤进行，从而影响了掘进效率。然而，在特定工况下，如隧道断面较小或地质条件较为复杂的区域，单护盾TBM凭借其结构紧凑、灵活性强的特点，仍具有一定的应用优势。

小结

你像开敞式的这种TBM，这个就是配备钢拱架安装器与锚杆锚喷等辅助的设备用于硬岩，采取有效的支护手段，也可以用于这个软岩隧道。另外还有就是护盾式的，护盾式的又可以分为双护盾和单护盾。如果说你的这个围岩不是特别稳定的话，那就要用这种护盾式的。单护盾。相对于这种双护盾来说的话，它不能够掘进和安装管片不能够同时进行。所以说目前应用最多的还是这个双护盾TBM。

如果人员条件比较好的，那就用开敞式的这种TBM。这两个图就给读者分别展示了敞开式的TBM和护盾式的TBM。

读者可以观察一下这个敞开式的和这个护盾式的有哪些不同。通过这个图上其实也比较明显的能够看出来，它的主要的不同点是集中在刀盘的后边这个区域。敞开式的这一块，它直接是暴露在围岩以下，而这个护盾式的，它后面有一个护盾的一个护膝。这样的话保护你这个里边的设备人员

五、应用前景与挑战

随着基础设施建设的不断推进和隧道工程技术的不断发展，全断面硬岩掘进机在交通、水利、能源等领域的应用前景日益广阔。其高效、安全、环保的施工特点，使得TBM成为现代隧道施工不可或缺的重要设备。

然而，全断面硬岩掘进机在推广应用过程中也面临着诸多挑战。首先，TBM的制造成本高昂，对于经济实力较弱的地区或项目来说，难以承受。其次，TBM的施工对地质条件的要求较高，需要在前期进行充分的地质勘探和评估，以确保施工的安全性和效率。此外，TBM的维护和保养也需要专业的技术人员和设备支持，增加了项目的运营成本。

六、结语

全断面硬岩掘进机作为现代隧道施工的重要装备，其破岩机理、工作原理及分类对于提高隧道工程的施工效率和安全性具有重要意义。随着技术的不断进步和应用的不断推广，TBM将在未来的隧道建设中发挥更加重要的作用。同时，我们也需要正视TBM在应用过程中面临的挑战和问题，通过技术创新和科学管理手段加以解决，以推动隧道工程技术的持续发展和进步。

通过以上内容的梳理和扩写，我们不仅加深了对全断面硬岩掘进机的理解和认识，还为其在实际工程中的应用提供了更为全面和深入的指导。希望本文能够为相关从业人员提供有益的参考和借鉴。