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全断面岩石掘进机及其刀具破岩理论全断面岩石掘进机（TBM，TunnelBoringMachine）是一种用于隧道施工的高端机械设备，广泛应用于水利水电、交通、矿山和城市地下空间开发等领域。其核心功能是通过旋转刀盘上的刀具对岩体进行高效破岩，从而实现隧道的连续开挖与支护。TBM具有自动化程度高、施工速度快、安全性好等特点，能够适应复杂地质条件下的隧道施工需求。
在TBM的工作过程中，刀具的破岩理论起着关键作用。破岩机制主要包括切削、挤压和破碎三种形式。刀具与岩石接触时，通过施加足够的压力使岩石产生塑性变形，当应力超过岩石强度极限时，岩石发生断裂并被切削下来。这一过程涉及岩石力学特性、刀具几何形状及载荷参数等多方面因素。研究发现，刀具的破岩效率与刀具类型（如滚刀或盘形割刀）、布置方式、推力、扭矩以及切割深度密切相关。
此外，为了提高破岩效率并降低刀具磨损，研究人员还结合数值模拟、实验测试和现场数据，发展了优化设计方法，以改进刀具结构和材料性能。同时，针对不同岩性条件，合理选择刀具配置方案也是提升TBM施工效果的重要手段。总之，TBM及其刀具破岩理论的研究为现代隧道工程提供了强有力的理论和技术支撑。
根据分类标准的不同，全断面岩石掘进机有不同的名 称。 1.按刀盘形状的不同分类 根据刀盘形状的不同，全断面岩石掘进机分为平面刀盘 全断面岩石掘进机、球面刀盘全断面岩石掘进机和锥面刀盘 全断面岩石掘进机。 2.按作业岩石硬度的不同分类 根据全断面岩石掘进机作业岩石硬度的不同分为软岩全 断面岩石掘进机（作业岩石单轴抗压强度<100MPa），中硬 岩全断面岩石掘进机（作业岩石单轴抗压强度<150MPa）和 硬岩全断面岩石掘进机（作业岩石单轴抗压强度可达 350MPa) 3.按开挖断面形状的不同分类
根据全断面岩石掘进机开挖断面形状的不同分为圆形 断面全断面岩石掘进机和非圆形断面全断面岩石掘进 机。 4.按隧洞开挖次序的不同分类 根据全断面岩石掘进机开挖隧洞次序的不同分为开挖 导洞的全断面岩石掘进机和扩孔用全断面岩石掘进 机。 5.按全断面岩石掘进机与涧壁之间的关系分类 根据全断面岩石掘进机与开挖隧洞洞壁之间的关系分为 散开（开）式全断面岩石掘进机、护盾式全断面岩石掘进机 和其它类型全断面岩石掘进机。护盾式全断面岩石掘进机又 可根据护盾的多少分为单护盾、双护盾和三护盾全断面岩石 掘进机。
根据全断面岩石掘进机开挖断面形状的不同分为圆形 断面全断面岩石掘进机和非圆形断面全断面岩石掘进 机。 4.按隧洞开挖次序的不同分类 根据全断面岩石掘进机开挖隧洞次序的不同分为开挖 导洞的全断面岩石掘进机和扩孔用全断面岩石掘进 机。 5.按全断面岩石掘进机与洞壁之间的关系分类 根据全断面岩石掘进机与开挖隧洞洞壁之间的关系分为 敬开（开）式全断面岩石掘进机、护盾式全断面岩石掘进机 和其它类型全断面岩石掘进机。护盾式全断面岩石掘进机又 可根据护盾的多少分为单护盾、双护盾和三护盾全断面岩石 掘进机。 81.2全断面岩石掘进机的发展 全断面岩石掘进机发展到今天经过了一条曲折的历程， 是科学家们的智慧和承包商胆略的成功结合才使得地下工程 施工的机械化程度发展到今天的水平。在过去的30多年里， 全断面岩石掘进机在技术上进行了应用范围即拓宽其对各种 地质地层条件的适应性的改进。即善长硬岩掘进机技术的厂 家设法改进全断面岩石掘进机对软岩、不良地层的适应性： 善长盾构技术的厂家则设法增加盾构机对硬岩的适应性。在 20世纪70年代，当时全断面岩石掘进机的生产厂家主要有 4家，即罗宾斯、佳伐、维尔特和德马克。现在，海瑞克、 拉瓦特及日本一些专长盾构的厂家也搞起了岩石掘进机，而 罗宾斯、维尔特等公司都发展了双护盾及盾构技术。
全断面岩石掘进机的发展
全断面岩石掘进机发展到今天经过了一条曲折的历程， 是科学家们的智慧和承包商胆略的成功结合才使得地下工程 施工的机械化程度发展到今天的水平。在过去的30多年里 全断面岩石掘进机在技术上进行了应用范围即拓宽其对各种 地质地层条件的适应性的改进。即善长硬岩掘进机技术的厂 家设法改进全断面岩石掘进机对软岩、不良地层的适应性； 善长盾构技术的厂家则设法增加盾构机对硬岩的适应性。在 20世纪70年代，当时全断面岩石掘进机的生产厂家主要有 4家，即罗宾斯、佳伐、维尔特和德马克。现在，海瑞克 拉瓦特及H本一些专长盾构的厂家也搞起了岩石掘进机，而 罗宾斯、维尔特等公司都发展了双护盾及盾构技术。
原德马克公司于1966年开始生产TVM型掘进机，直径 范围从2.48m～7.80m，为双支撑型掘进机，该公司开始设计 和生产全断面岩石掘进机时所面临的时代背景与佳伐公司基 本相同，那就是以硬岩为作业对象，其整机特点是，前后采用 水平支撑，传动系统位于其间。早在10多年前，当奥钢联岩 石技术公司收购德马克公司时，它还生产过全断面岩石掘进 机。现在的奥钢联岩石技术公司已不再生产全断面岩石掘进 机。 维尔特公司开始生产全断面岩石掘进机时，是与美国的 休斯（Hughes)公司合作完成的。其整机特点是刀盘采用液 压马达驱动，破岩刀具来用球齿滚刀，装有防滑装置可开挖 100%坡度的斜井，隧洞开挖可梯级进行，开挖隧洞直径达 10m以上。 经过生产实践的发展和市场激烈竞争的考验，近几年，国 外的这四家公司与其它相关公司进行了兼并和重组，但作为 定型了的产品，罗宾斯公司和维尔特公司的掘进机机型被保 持了下来并得到了进一步的发展。其产品具有以下特点：① 掘进机产品自成系列，公司内部零部件通用化；②成功开发出 了适用于复杂地质特点的双护盾和三护盾掘进机；③成功开 发出了可开挖圆形和矩形断面的用于软岩的摇臂式掘进机； ④换刀方式由刀盘前发展为刀盘后；盘形滚刀直径由11in （279mm）发展到21in（534mmm），承载能力由每把不足100kN 发展到每把超过310kN等。 1.2.2国内全断面岩石掘进机的发展 我国在1964年就由原水电部上海勘测设计院为主开始 研究设计全断面岩石掘进机。1966年国家重点科研项目 一刀盘直径为3.4m的S134型全断面岩石掘进机由上海水
1.3全断面岩石掘进机结构实例
散开式全断面岩石掘进机（OpenTypeFullFaceRock TunnelBoringMachine）又称为支撑式全断面岩石掘进机 (Gripper Type Full Face Rock Tunnel Boring Machine),是全 断面岩石掘进机的最早机型，也是最基本的机型。这种机型 的支撑机构撑紧洞壁，刀盘旋转，推进液压缸推进，盘形滚刀 破碎岩石，出碴系统出碴而实现隧洞的连续循环可挖作业。 适用于岩石整体性能较好的隧洞。 目前生产开式全断面岩石掘进机的厂家有罗宾斯公 司、维尔特公司、奥钢联和海瑞克公司等，但其产品基本上保 持了原罗宾斯型、佳伐型、德马克型和维尔特型等四种典型机 型。因此，这里仅就罗宾斯型、佳伐型、德马克型和维尔特型 等四种典型机型进行分析讨论。 821数开式金断面岩石掘港机的结构
断面岩石掘进机的最早机型，也是最基本的机型。这种机型 的支撑机构撑紧洞壁，刀盘旋转，推进液压缸推进，盘形滚了 破碎岩石，出碴系统出碴而实现隧洞的连续循环可挖作业 适用于岩石整体性能较好的隧洞。 目前生产开式全断面岩石掘进机的厂家有罗宾斯公 司、维尔特公司、奥钢联和海瑞克公司等，但其产品基本上保 持了原罗宾斯型、佳伐型、德马克型和维尔特型等四种典型机 型。因此，这里仅就罗宾斯型、佳伐型、德马克型和维尔特型 等四种典型机型进行分析讨论。 2.1敲开式全断面岩石掘进机的结构 2.1.1罗宾斯型 罗宾斯开式掘进机，分主梁式和凯氏梁式两种形式 主梁式掘进机的结构特点是：①采用一对水平支撑；②水平支 撑位于主梁后部，支撑掘进机后部的重量，同时承受扭矩和推 力产生的反扭矩和反推力；③梁体长，但电动机减速箱等传动 系统都靠近大刀盘布置：④主梁后端相对于水平支撑可向上 向下和侧向移动，因此在掘进过程中的任何时候都可进行连 续调向。
2.1敲开式全断面岩石掘进机的结构 2.1.1罗宾斯型 罗宾斯开式掘进机，分主梁式和凯氏梁式两种形式。 主梁式掘进机的结构特点是：①采用一对水平支撑；②水平支 撑位于主梁后部，支撑掘进机后部的重量，同时承受扭矩和推 力产生的反扭矩和反推力；③梁体长，但电动机减速箱等传动 系统都靠近大刀盘布置；④主梁后端相对于水平支撑可向上、 向下和侧向移动，因此在掘进过程中的任何时候都可进行连 续调向。
主梁式开式掘进机在中等自稳的破碎岩层及坚硬整体 状况较好的地层条件下都得到了成功的应用，共生产了约 140多台，总计掘进了1900kml 凯氏梁式掘进机是原佳伐公司的设计传统，其特点是：① 采用两套水平支撑，都设在主机身的中部。它的支撑力，一方 面给予整机稳定的支撑，同时承受扭矩和推力的反力。掘进 作业过程中不能调向，②电机、减速箱布置在机器的后部，由 一个较长的传动轴筒将扭矩传给大刀盘。③支撑较稳定。 1995年，这种凯氏梁式掘进机（MK12型）取得了月进尺 1759m的硬岩掘进纪录。 罗宾斯主梁式丹式机型如图2一1所示。其结构特点 是机身为单大梁，单对浮动式支撑（浮动支撑是指机架通过两 侧扭力油缸与水平支撑非刚性联接，是在掘进中，可以同时进 行水平或垂直调整的支撑机构。必要时还可用于纠正机器的 滚转角位移），采用顶部胶带输送出碴，刀盘为球面刀盘或平
近年来，罗宾斯公司提出了高性能全断面岩石掘进机概 念，其特点如表2一1所示。此外，刀盘支架、水平支撑油缸和 推进油缸、后部结构件等受力较大的构件，结构上都有较大改 进，承载能力大大提高。
2.1.2佳伐型 佳伐型机型如图2一2所示。其结构特点是机身为内外 双机架，双对X支撑，顶部胶带输送出碴，平面刀盘，液压马 达启动、机后驱动、单轴机械传动。其在实际施工和制造中所
表现出的特点见表2一2。
表2一2佳伐机型在实际施工及制造中的特点
2.1.3德马克型 德马克型机型如图2一3所示。其结构特点是机身为双 大梁，前后水平支撑，后支撑浮动，底部胶带输送出碴山西某污水处理厂施工组织设计， 锥面刀盘，机身中部液力联轴器多轴传动。其特点见 表2一3。
图2一3德马克机型 一刀盘部件；2一前水平支撑；3一刀盘回转传动机构； 4一推进液压缸；5一后水平支撑；6一输送带。
表2一3德马克机型特点