在采礦與隧道工程領(lǐng)域，全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)（TBM, Tunnel Boring Machine）作為一種高效、自動(dòng)化的施工設(shè)備，發(fā)揮著舉足輕重的作用。本文旨在詳細(xì)梳理并擴(kuò)寫全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)的破巖機(jī)理、工作原理及分類，以期為相關(guān)從業(yè)人員提供更為全面和深入的理解。一、全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)概述全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)，又稱刀盤式掘進(jìn)機(jī)，是一種集掘進(jìn)、支護(hù)、出渣等功能于一體的隧道施工裝備。其顯著特點(diǎn)是具備強(qiáng)大的破巖能力，能夠連續(xù)不斷地在巖石地層中掘進(jìn)，顯著提高了隧道工程的施工效率和安全性。全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)的核心部件為刀盤，其上安裝有各種類型的滾刀和切削刀具，通過(guò)旋轉(zhuǎn)和推進(jìn)實(shí)現(xiàn)對(duì)巖石的破碎。二、破巖機(jī)理首先第一個(gè)就是全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)如何實(shí)現(xiàn)的一個(gè)破巖。根據(jù)上一篇文章《全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)概述》的講解，讀者應(yīng)該能夠知道，全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)它前面兒有一個(gè)刀盤，所以說(shuō)全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)它實(shí)際上又叫做刀盤式掘進(jìn)機(jī)。通過(guò)這個(gè)名字也能知道了，它破壞主要是通過(guò)前面的這個(gè)刀盤去給他進(jìn)行破巖。這個(gè)就是典型的TBM的一個(gè)破巖的刀盤。
全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)的破巖機(jī)理主要包括擠壓式和切削式兩種。1. 擠壓式破巖首先就是擠壓式的，擠壓式就是把這個(gè)刀盤上面這個(gè)滾刀先擠入到這個(gè)巖體當(dāng)中，再在剪切力的作用下實(shí)現(xiàn)它的一個(gè)破巖。一般來(lái)用的滾刀的類型都是這種圓盤形。另外還有其他的這種楔齒形的、球齒型的等等，最常用的還是這種圓盤形。讀者可以看這圖，就是這上面的這個(gè)樣式，上面這個(gè)就是滾刀它破巖的一個(gè)原理。首先就是滾刀先切入到巖體當(dāng)中，切出一道一道的這個(gè)槽槽來(lái)之后，然后整個(gè)刀盤在旋轉(zhuǎn)的時(shí)候會(huì)有一個(gè)剪切力，這樣的話就把中間的這一塊兒，中間的這一塊就切割完畢，這樣的話就實(shí)現(xiàn)了這個(gè)破巖，這個(gè)就是刀盤的擠壓式破巖，擠壓式破巖適用于各種硬度的巖石，特別是在處理高抗壓強(qiáng)度的巖石時(shí)表現(xiàn)出色。滾刀的類型多種多樣，包括圓盤形、楔齒形、球齒型等。其中，圓盤形滾刀因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、破巖效率高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。在滾刀破巖過(guò)程中，滾刀的尺寸、形狀、材質(zhì)以及安裝角度等參數(shù)均會(huì)對(duì)破巖效果產(chǎn)生重要影響。2. 切削式破巖切削式破巖呢，顧名思義，就是我利用刀盤上的那個(gè)銑削，或者是其他的那種刀，來(lái)直接強(qiáng)力的去切削這個(gè)巖石。為什么能夠切下來(lái)呢？就是因?yàn)閹r石的抗剪強(qiáng)度小，實(shí)際上只有抗壓強(qiáng)度的5%到10%，非常的小。
所以說(shuō)它可以相對(duì)比較容易的給它切削下來(lái)。這樣的話通過(guò)擠壓，切削就實(shí)現(xiàn)了它的一個(gè)破巖。這個(gè)給讀者展示一下它破巖的一個(gè)過(guò)程，就是刀盤不斷的一個(gè)旋轉(zhuǎn)，在整個(gè)的工作面上，就形成了類似于這個(gè)同心圓的各種痕跡。這個(gè)巖石就會(huì)發(fā)生一個(gè)破碎，破碎之后再運(yùn)到后面去。這張圖片就是經(jīng)過(guò)切割之后，在工作面上形成的痕跡。
切削式破巖特別適用于中硬至軟巖地層，以及在需要精確控制掘進(jìn)輪廓的場(chǎng)合。在切削式破巖過(guò)程中，切削刀具的選擇和布置至關(guān)重要。合理的刀具配置不僅可以提高破巖效率，還能有效延長(zhǎng)刀具的使用壽命。此外，切削參數(shù)的優(yōu)化也是實(shí)現(xiàn)高效破巖的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。三、工作原理知道了破巖之后，那它怎么實(shí)現(xiàn)的這工作？這里通過(guò)一張圖給讀者展示一下，這個(gè)圖工藝上相對(duì)來(lái)說(shuō)比較的簡(jiǎn)單，前面就是刀盤進(jìn)行一個(gè)切削，切削之后，刀盤上面有專門的鏟斗的一個(gè)設(shè)備，把這個(gè)破碎的巖石鏟到后邊來(lái)。后面來(lái)就是有專門的皮帶運(yùn)輸機(jī)，直接從這兒然后運(yùn)到后面去，直接再運(yùn)出去。這個(gè)TBM它的這個(gè)施工工藝實(shí)際上是比較簡(jiǎn)單的�？偨Y(jié)來(lái)看，就是刀盤旋轉(zhuǎn)破碎巖石巖渣由刀盤上的這種鏟斗鏟到掘進(jìn)機(jī)的上方，靠著自重下落到這個(gè)溜渣槽當(dāng)中，進(jìn)入機(jī)斗內(nèi)的這個(gè)運(yùn)渣膠帶機(jī)，再運(yùn)出去。
在掘進(jìn)過(guò)程中，全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)還配備了多種輔助設(shè)備和系統(tǒng)，以確保施工的安全和高效。例如，支護(hù)系統(tǒng)用于在掘進(jìn)過(guò)程中及時(shí)對(duì)隧道壁進(jìn)行支護(hù)，以防止圍巖失穩(wěn)；除塵系統(tǒng)用于降低掘進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵濃度，改善施工環(huán)境；監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)則用于實(shí)時(shí)監(jiān)控掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和掘進(jìn)參數(shù)，確保掘進(jìn)作業(yè)的精確性和安全性。四、分類與特點(diǎn)根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和適用范圍的不同，全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)可以分為開敞式TBM和護(hù)盾式TBM兩大類。1. 開敞式TBM開敞式TBM是一種結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的掘進(jìn)機(jī)類型。其特點(diǎn)在于刀盤后方?jīng)]有護(hù)盾結(jié)構(gòu)，直接暴露在圍巖之下。這種結(jié)構(gòu)使得開敞式TBM在掘進(jìn)過(guò)程中能夠更直接地接觸圍巖，便于進(jìn)行支護(hù)作業(yè)。然而，由于缺少護(hù)盾的保護(hù)，開敞式TBM在圍巖穩(wěn)定性較差的地層中施工風(fēng)險(xiǎn)較高。因此，它更適用于圍巖條件較好、支護(hù)作業(yè)相對(duì)簡(jiǎn)單的隧道工程。
2. 護(hù)盾式TBM護(hù)盾式TBM則是一種結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜、功能更為全面的掘進(jìn)機(jī)類型。其特點(diǎn)在于刀盤后方設(shè)有護(hù)盾結(jié)構(gòu)，用于保護(hù)掘進(jìn)機(jī)內(nèi)部的設(shè)備和人員免受圍巖塌方等安全威脅。護(hù)盾式TBM根據(jù)護(hù)盾的數(shù)量和布置方式的不同，又可分為雙護(hù)盾TBM和單護(hù)盾TBM兩種。
雙護(hù)盾TBM：雙護(hù)盾TBM配備有前后兩個(gè)護(hù)盾，能夠在掘進(jìn)過(guò)程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)和管片安裝作業(yè)。這種設(shè)計(jì)大大提高了掘進(jìn)效率，并降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。因此，雙護(hù)盾TBM在隧道工程中得到了廣泛應(yīng)用。單護(hù)盾TBM：與雙護(hù)盾TBM相比，單護(hù)盾TBM的護(hù)盾數(shù)量較少，通常只有一個(gè)主護(hù)盾。這種設(shè)計(jì)使得單護(hù)盾TBM在掘進(jìn)過(guò)程中無(wú)法同時(shí)進(jìn)行掘進(jìn)和管片安裝作業(yè)，需要分步驟進(jìn)行，從而影響了掘進(jìn)效率。然而，在特定工況下，如隧道斷面較小或地質(zhì)條件較為復(fù)雜的區(qū)域，單護(hù)盾TBM憑借其結(jié)構(gòu)緊湊、靈活性強(qiáng)的特點(diǎn)，仍具有一定的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。