全断面岩石掘进机的应用前景

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1、全断面岩石掘进机的应用前景一弓D全断面岩石掘进机的应用前景./华北电力大学茅承觉p*一一*一g/t摘要介绍国内外应用全断面岩石掘进机施工的概况在分析掘进机掘进成洞方法的基础上,指:;出国内掘进机和使用发展缓慢的原因和国内掘进机研制中几项关键技术的突破,并提出发展掘进;S机的几点建议e1掘进机的使用概况采用全断面岩石掘进机(简称掘进机)掘进隧洞在国外已很普遍.掘进机施工与钻爆法相比具有快速优质,经济,安全等举世公认的突出优点.所以,国外在开挖3km以上的长隧洞时,很多业主在招标书中规定投标商必须采用掘进机施工.据罗宾(ROBBINS),维尔特(w瓜1H),奥钢联(VOEST-ALPINE)等掘进

2、机公司的统计,已生产掘进机420台以上,完成的工程项目超过1012个,掘进总长度达3680km以上(见表1).表1国外主要掘进机公司产品的使用情况刀盘直径生产台数完成项目掘进总长公司rml(台)(项)(km)阿特拉斯?柯普科集团罗宾斯罗宾斯型213I1871.774852238(瑞典)(美国)佳伐型150122531685166豪顿集团(英国)维尔特(德国)2.1411.5100228527奥钢联(奥地利)包括原德马克公司2.4010.590131398我国水利,电力,铁道,煤炭,矿山,交通及城市地下工程等需要开挖大量隧洞,采用全断面掘进机掘进长隧洞将是发展趋势.国产掘进机投人工业使用的共计l

3、7台,工程项目21个,掘进总长l8.5km(见表2).表2国内主要掘进机制造厂产品的情况刀盘直径生产台数完成项目掘进总长制造厂rm】(台)(项)(kin)上海水工机械厂3.4686745上海第一石油机械厂33.22431上海重型机器厂51l37山西5409厂3.2433.5徐州机械制造几原铁道兵)55l11-6抚顺矿务局机修厂3.8110,3萍乡矿务局机修厂2.61f106西安煤矿机械厂35ll07广州机电工业局机械厂2.542205工程机械,1996(8)27武警水电部队在广西天生桥水电工程中,1983年引进2台罗宾斯10.8m支撑式旧掘进机,共掘进75km;意大利CMC公司19911992

4、年在甘肃引大人秦引水工程中使用罗宾斯5.53m双护盾掘进机,掘进17km:1994年在引黄人晋工程主干线中采用罗宾斯205-277型6.1m双护盾掘进机已掘进12km;山西引黄工程管理局已引进罗宾斯155-274型4.8m双护盾掘进机,在引黄入晋南干线等待施工.目前国内可供使用的掘进机国产的有8台,引进的3台,共l1台.对短洞或地质情况特别复杂(如大规模岩溶,涌水,断层兼有)时,全断面岩石掘进机发挥不了优势.应采有钻爆法.2掘进机掘进成洞方法分析掘进机掘进隧洞的方法可以分成4种:掘进机一次成洞;掘进机挖导洞,扩孔机扩孔成洞:掘进机挖导洞,钻爆法扩孔成洞;摇臂式岩石掘进机开挖圆形或矩形截面隧洞.

5、第一种方法在国内已有支撑式(开敞式)和双护盾式掘进机的施工实践,后三种施工方法国内尚无实例.2.1全断面岩石掘进机一次成洞这种方法(图1)适合洞径在2-9m之问,最优选择为37m,3m以下及9m以上采用掘进机一次成洞开挖的数量逐渐减少洞径过小时掘进机在洞内的空间小,通风,排水,电源进洞,排碴,衬砌都会有干扰,而且目前我国机械加工水平及部件外形尺寸比国外同类产品大,刀盘最小直径不能小于3m.当洞径大于9m时,掘进进尺受到边刀允许速度小于2.5m/s的制约边刀滚压速度大于2.5m/S时,岩石强度大,裂缝在岩石中的生长和传播没有充分时间扩展,破碎量不再增加.由于掘进机直径加大,刀盘转速相应要减少,掘

6、进效率的损失无法补尝.国外曾试图将刀盘分成内外圈,内圈加大转速外圈减慢转速,以达到等效破碎提高掘进效率但这种尝一28一试尚未成功.对于整体均匀完整的岩石,可采用支撑式(开敞式)掘进机.如遇有局部破碎带及松软夹层的岩石,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.当遇到复杂岩层,岩石软硬兼有,软岩又不能承受支撑靴板的压应力时,则可采用双护盾掘进机,遇软岩时由盾尾液压缸支承在拼装的预制衬砌块上或钢环梁上靠推进刀盘破岩前进;遇硬岩时,则靠支撑靴板撑紧洞壁,由前液压缸推进刀盘破岩前进.罗宾斯公司新研制的三护盾掘进机,具有前,中,后三护盾,两套支撑靴板和两套推进液压缸系统,掘

7、进时两套支撑靴板和推进液压缸交替工作,可实现连续掘进如工业性试验成功则可大大加快进尺Ib】图1Z2全断面岩石掘进机挖导洞,扩孔掘进机扩孔成洞掘进大直径隧洞时,掘进机受边刀允许速度所限,无法一次成洞.为此,维尔特公司研制了扩孔掘进机(图2),适用于6m以上的隧洞.这种掘进方法的特点是:(1)导洞也是探洞,可掌握详细工程地质和水文地质资料,预测扩孔掘进机的技术参数,有助于合理组织施工,有利于通风及地下水,瓦斯及执行预防性安全措施(2)只要有小直径掘进机,便可进行大直工程机械,19968)径隧洞的施工,随后再订制扩孔掘进机也不会影响工期.扩孔掘进机是固定在导洞中,扩孔直径容易更改,直径变化范围大.孔

8、径可扩太50%左右.(3)提高了能量利用率图2扩孔掘进机存在的主要问题是:投资费用较高;施工时阗长但导洞施工期不及大型掘进机施工期的50%,而扩孔掘进施工期不及大型掘进机施工期的75%,总工期不超过大型掘进机工期的l/4.如承包商已有现成的小直径掘进机,导洞可提前掘进,则工期还可缩短2.3全断面岩石掘进机挖导洞,钻爆法扩孔成洞这种施工方法(图3)除具有扩孔掘进机扩孔成洞中挖导洞的同样优点外,还有下述优点:(1)导洞形成后,使钻爆法扩孔增加了自由面,可使炮眼数量,装药量减少而爆破效率高.(2)对围岩的振动影响比纯钻爆法大夫减轻.(3)如有条件开挖支洞.则可多头掘进,方法是切实可行的.2.4摇臂式

9、岩石掘进机开挖圆形或矩形截面隧洞用34个摇臂与掘进机机头铰接,每个摇臂的顶端安装一把盘形滚刀,滚刀与摇臂随机头旋转,机头由电动机或液压马达驱动;同时摇臂还作摇摆运动,随之滚刀也向内或向外摆动,摇臂靠液压缸活塞杆伸缩完成摆动,摇臂的旋转与摆动两种运动的合成,使滚刀空间螺旋线切割岩石,可掘进成圆形或矩形截面隧洞.这种施工的推进方式有二,一是靠支撑靴板及推进液压缸推进机头,如法鼠布衣格(Bou,jgu.os)掘进机(图4);另一种是靠低速行走履带推进,如德国维尔特新研翩的连续采掘机,它采用洞底切割,岩碴块大,能耗小(图5)固41.1号摇臂2旋转机头3护顶靴板4推进液压缸5固定机头6链板输送机7后支承

10、8.支撑液压缸及靴板9皮带运输机10刮板113号摇臂122号摇臂当承包商已有小直径掘进机时,选用这种工程机械,1996t8)图529摇臂式掘进机=l毒轻,搬运方便,造价低;机身有足够的空问布置钻眼及灌浆设备,作业情况容易卣接_l见察:涮壁支护付砌后,整机能够退出洞外;推力小,支撑比压小,适用f开挖软岩隧洞以上4种施工方法,应根据地质,地形,资金,设备,_期,交通等具体条件,进行综台分析,最终经济效益的好坏作出选择3制约我国掘进机制造业发展的因素3.1国产掘进机研制过程中的关键课题同产掘进机试制产过程中,_由于科研,设汁,制造,施工等单位和有关高等院校的共同努力,在工艺和材料等方面都有突破,产品

11、质量逐步提高.攻克的主要难题是:(1)盘形滚刀刀嘲材质上海水机械厂【海交通大学,上海材料研究所,煤炭科学研究院上海分院等单位都对刀固材料进行了长期研究试制的刀圈在广西天生桥水电【地罗宾斯108m掘进机刀盘上进行实际式验,取得r良好效果1987年至199o年同经专家评审鉴定,认为已接近国外掘进机刀圈先进水平;1995年江苏靖江矿山机械r在引黄人晋主1工程-在罗宾斯6.1m掘进机刀盘上作实际验,研制的刀圈经受了新的严格考验.(2)支承轴承寿命在河北省引滦人唐工程古人庄,新王庄隧河施工【,采用国产sJ58A掘进机贯通2723m后解体检查,证明上海滚动轴承厂生产的支承轴承滚柱及滚道均无明显磨损痕迹,质

12、量良好.但对掘进6km以上长隧洞尚待实践考验(3)刀盘支承密封质量实践表叫.西北橡胶研究所研制的刀盘支承密封.质量符合要求.(4)犬齿圄的热处理大型热处理炉已在第=:重机厂得到解决.3.2我国掘进机制造业发展缓慢的原因n(11资金不足大规模建设都需要大量资金.分摊到隧洞建设的资金往往较少,引进国外掘进机一次性投资高,一般工程的业主及承包商都难以承受.(2)产品质量问题国产掘进机研制初期,刀圄损坏多,刀盘支承轴承寿命短,刀盘支承密封失效快,人圈热处理不均匀等问题时有发生,产品质量不过关.经长期试验改进,上述问题基本得到解决.(3)管理水平掘进机开挖隧洞是一项复杂的系统工程,各道工序环环相扣,要求

13、严格地按科学规律组织生产.要求人员有较高的素质,还要调动管理人员,操作人员的积极性,而同前的管理体制不利于调动人的主观能动性【4)怕误工期不敢采用由于多种原因,过去没能充分发挥掘进机施工的优势,延误了工期使部分业主与承包商肘使用掘进机顾虑重重,难决心.(5)缺乏对掘进机及其施工技术的了解国内有关人员对掘进机(指支撑式掘进机)误认为是万能的,适用于任何地质条件,一旦掘进过程遇到困难,就被全盘否定.实际上,同一掘进机在不同地质条件下其效率人不相同,必须针对地质条件合理选择不同类型的掘进机,才能达到快速,高效的目的.(6)为图劳动力便宜,习惯采用钻爆法4几点建议(1)在相关部门设立归口机构,把发展掘进机事业抓起来我国掘进机的发展规划至今没有归口部门,业务部门各自在抓,主要是引进.但是.发展掘进机这样的大事,光靠一个部J的力量是不够的国家应指定专管机构,制订方针政策,对掘进机科研,设计,制造推广使用等都要统筹规划,组织落实(2)应采取国内制造与引进技术,引进产品井举的方针.洞径35m,洞长5km以内,(F转第l5页)工程机械,J996(8)