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。