全断面岩石掘进机TBM讲解
全断面岩石掘进机(TBM)施工概预算定额
全断面岩石掘进机（TBM）施工概预算定额一、全断面岩石掘进机（TBM）施工简介TBM掘进机是由几十个独立的子系统有机的连接成一个完整的大系统。
是集机械、电子、液压、传感、信息技术于一体，综合了钢结构、机械传动、起重、运输、液压、润滑、气动、水流、通风防尘、减震降温、控制噪音、电气拖动、程控、监控、遥控、超探支护、机械手、激光导向等多学科的技术。
技术复杂、结构庞大，集开挖、支护、出渣、通风、排水于一身，是工厂化的隧道生产线。
TBM选型主要从工程地质与水文地质条件、隧洞设计、工程特征等三方面考虑。
目前，TBM主要分为以下三种类型，并分别适应于不同的地质。
1 敞开式TBM：常用于硬岩，在敞开式TBM上，配置了钢拱架安装器和喷锚等辅助设备，以适应地质的变化。
2 双护盾TBM：适用于各种地质，既能适应软岩，也能适应硬岩或软硬岩交互地层。
3 单护盾TBM：常用于劣质地层。
一般情况下，在良好地质中则使用敞开式TBM；双护盾TBM常用于复杂地层的长隧道开挖，对各种不良地质和岩石强度变化有较好适应性。
当在严重破碎或软弱地层中掘进时，双护盾TBM便作为单护盾TBM使用；单护盾TBM由于掘进速度慢，目前很少使用。
下面从几个方面进行全断面掘进机施工介绍。
（一）全断面双护盾掘进机1、双护盾TBM的构造双护盾TBM由主机和后配套设备两部分组成，全长一般150～250m，主机十几米长。
（1）主机主机由三部分组成：前盾：包括主轴承支撑的刀头及刀头驱动系统（电机、离合变速器、主齿轮）。
伸缩盾：位于前护盾和后护盾之间的钢结构就是所谓的伸缩盾，分别通过液压连件与前后护盾连接。
后盾：是一个带有抓紧装置的护盾，前盾和后盾分别通过液压连件连接。
（2）后配套设备后配套设备由一系列轨道工作台组成的台车，包括以下主要装置：掘进机及辅助设备的液压和电动装置；变压器及电缆；输送石渣的皮带机；机械传动装置；起吊设备，装卸轨道；管片安装系统；消尘器装置；供风系统；排气设备；高压电缆盘；压缩空气和压水带盘；豆砾石灌注系统；水泥灌浆系统。
TBM类型及工作基本知识介绍
TBM类型及工作原理介绍TBM是一种集掘进、出碴、导向、支护和通风防尘等多功能为一体的大型高效隧道施工机械。
TBM的分类网络图详见图1。
图1 TBM分类网络图以下就敞开式掘进机与护盾式掘进机进行详细比较分析。
1、敞开式掘进机（1）敞开式掘进介绍敞开式TBM主要适应于硬岩，能利用自身支撑机构撑紧洞壁以承受向前推进的反作用力及反扭矩的全断面岩石掘进机。
在施工对应较完整、有一定自稳性的围岩时，能充分发挥出优势，特别是在硬岩、中硬岩掘进中，强大的支撑系统刀盘驱动和推进系统组成。
其主要结构见图2、3。
图2 敞开式掘进机结构图掘进机主机根据岩性不同可选择配置临时支护设备如钢架安装器、锚杆钻机、钢筋网安装机、超前钻、管棚钻机、喷混凝土机及注浆机等。
图3 敞开式掘进机图如遇有局部破碎带及松软夹层岩石，则掘进机可由所附带的超前钻及注浆设备，预先固结周边岩石，然后再开挖。
敞开式掘进机适合洞径在φ2～9m之间，最优选择φ3～8m。
（2）敞开式全面断面岩石掘进机工作原理1）盘形滚刀破岩机理在推力作用下，安装在刀盘上的盘形滚刀紧压岩面，随着刀盘的旋转，盘形滚刀绕刀盘中心轴公转的同时绕自身轴线自转，在刀盘强大的推力、扭矩作用下，滚刀在掌子面固定的同心圆切缝上滚动，当推力超过岩石的抗压强度时，盘形滚刀下的岩石直接破碎，盘形滚刀贯入岩石，掌子面被盘形滚刀挤压碎裂而形成多道同心圆沟槽，随着沟槽深度的增加，岩体表面裂纹加深扩大，当超过岩石的剪切和拉伸强度时，相邻同心圆沟槽间的岩石成片剥落。
刀具破岩原理示意见图4。
作用、反扭矩；刀盘旋转，推进液压缸推压刀盘，一组盘形滚刀切入岩石，在岩面上作同心圆轨迹滚动破岩，岩碴靠自重掉入洞底，由铲斗铲起，岩碴靠岩碴自重经溜槽落入皮带机出碴，这样连续掘进成洞。
图5 掘进机（Jarva27）结构示意图1－盘形滚刀；2－刀盘；3－扩刀孔；4－出碴皮带机；5－超前钻机；6－电动机；7－行星齿轮减速器；8－末级传动；9－推进液压缸；10－后下支承；12－操纵室；13－外机架；14－内机架；15－锚杆钻机；16－铲斗3）掘进机工作循环支撑式掘进机的工作循环，如图6。
TBM讲义
由掘进机施工实例，充分体现了掘进机施工具有的快速、 优质、安全、经济、环保等突出优点。我国水利、电力、铁 道、煤炭、矿山、交通、地铁及城市地下工程等需要建设大 量隧道，城市的地铁工程陆续开工，一些掘进机及盾构机投 入施工，辽宁大伙房、新疆天山、兰渝线、引汉济渭、重庆 地铁、青岛地铁、甘肃引洮等输水工程陆续上马，南水北调 西线工程已作具体规划设计，我国长隧道采用掘进机施工将 是发展的必然趋势。轰轰烈烈的掘进机掘进长隧道的大好形 势即将到来。对此需要做好各项准备工作，如隧洞工程规划 设计、掘进机引进计划、掘进机及后配套国产化实施计划、 掘进机消耗件的研制计划、掘进机施工队伍的培训等，其中 掌握掘进机及其施工技术将是首先要做好的准备工作。
德国维尔特集团公司（WIRTH GROUP）
德国维尔特公司成立于1895年，1916年公司开始生产钻进设备和泵 类产品，1965年公司开始生产全断面掘进机（TBM和盾构），可生产直 径为2m至15m的各型全断面设备。1989年维尔特公司成为英国豪顿 （HOWDEN GROUP）集团成员，1999年维尔特独立存在，2001年公司 兼并了Soltau小直径掘进机厂商和Paurat巷道掘进机（Roadheader）分 厂，并与法国法马通（FRAMATOME）下属子公司NFM（Neyrpic Framatome Mecanigue）公司联合成立集团公司。其中德国维尔特公司 以生产硬岩掘进机为主，法国法马通公司以生产软土盾构为主。维尔特 集团公司员工超过1000人，其中700多人在德国，200多人在法国和其他 国家的办事处。我国秦岭铁路隧道购买的两台开敞式TBM就是维尔特公 司制造的。广深港狮子洋隧道和北京地下直径线隧道共6台盾构通过公开 招标，也是维尔特公司中标。
美国罗宾斯公司
总部位于俄亥俄州梭隆（Solon）的罗宾斯公司是全球隧道掘进行业的 领导者。罗宾斯公司自1952年成功地建造了世界上第一台岩石掘进机，后 罗宾斯公司被阿特拉斯-科普柯集团（ATLAS COPCO）兼并，1998年开始 停止生产掘进机；1999年美国博太克（BORETEC）公司收购了罗宾斯品牌， 博太克改名罗宾斯公司，继续生产掘进机。由罗宾斯公司建造的掘进机在全 球完成了700多项工程，累计长度超过4000km，直径从1.64m 至11.87m。 罗宾斯公司还生产和提供隧道掘进的配套设备和服务，包括隧道出碴系统、 掘进机后配套系统、滚刀、消耗件和技术服务人员以及全面的隧道掘进技术 支持。自20世纪80年代以来，已经为中国的建设项目提供了超过10台的隧 道掘进机以及各类技术服务，包括为辽宁大伙房水库引水工程提供两台直径 为8m的硬岩掘进机、全部后配套系统、长期的现场技术支持和服务。
硬岩掘进机 工作原理
硬岩掘进机工作原理TBM(tunnel boring machine)隧道掘进机是一种靠刀盘旋转破岩推进，隧道支护与出碴同时进行，并使隧道全面段一次成形的大型机械。
国际上所讲的TBM，既包括用于软土地层的盾构隧道掘进机，又包括用于岩石地层的硬岩隧道掘进机；但在中国和日本，习惯上盾构特指用于软土地层的隧道掘进机，TBM特指用于岩石地层的隧道掘进机。
TBM是指全断面岩石隧道掘进机，它与盾构的主要区别就是不具备维护掌子面稳定的功能，而盾构施工主要由稳定开挖面、掘进及排土、管片衬砌及壁后注浆三大要素组成。
当然随着双模式掘进机的发展，在复杂地质条件下，集TBM和盾构双重功能于一体，如具备硬岩TBM模式与土压平衡模式的双模式掘进机、具备硬岩TBM模式与泥水平衡模式的双模式掘进机。
国产大直径(9.03m)TBMTBM具有掘进、出碴、导向、支护四大基本功能，对于复杂地层，还配备超前地质预报设备。
掘进功能主要由刀盘旋转带动滚刀在开挖面破岩以及为TBM提供动力的扭矩系统和推进系统完成；出碴功能一般分为导碴、铲碴、溜碴、运碴四部分；导向功能主要包括确定方向、调整方向、调整偏转；支护功能分为掘进前未开挖的地层预处理、开挖后洞壁的局部支护以及全部洞壁的衬砌；超前地质预报系统一般由超前钻机和自带的物探系统组成。
现场组装好的TBM，大约200多米长现代的TBM采用了机械、电气和液压等诸多领域的高科技成果，运用计算机控制、闭路电视监视、工厂化作业，是集掘进、出碴、支护、运输于一体的成套设备。
采用TBM施工，无论是在隧道的一次成型、施工进度、施工安全、施工环境、工程质量等方面，还是在人力资源的配置方面都比传统的钻爆法施工有了质的飞跃。
但当TBM遇到不良地质条件时适应性差，不如传统钻爆法施工灵活，且前期一次性投入费用较大，对施工人员素质要求高。
全断面掘进机用于硬质岩巷道以及软质土层施工。
全断面掘进机基本工作原理是，前面的圆形刀盘在千斤顶的推动下旋转并向前推进，圆柱体的钢组件（即护盾）对挖掘的隧洞起临时支撑作用，挖掘、排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行；盾体后方传送带运输挖下的土壤、岩石和砂砾，先进入土仓并被阶段性传送到井口。
硬岩掘进机(TBM)
全断面硬岩掘进机第1节全断面硬岩掘进机概述1.1 全断面硬岩掘进机的定义和研究现状全断面硬岩掘进机（Full Face Rock Tunnel Boring Machine，以下简称TBM），TBM是集机械、电子、液压、激光、控制等技术于一体的高度机械化和自动化的大型隧道开挖衬砌成套设备，是一种由电动机（或电动机——液压马达）驱动刀盘旋转、液压缸推进，使刀盘在一定推力作用下贴紧岩石壁面，通过安装在刀盘上的刀具破碎岩石，使隧道断面一次成型的大型工程机械。
TBM施工具有自动化程度高、施工速度快、节约人力、安全经济、一次成型，不受外界气候影响，开挖时可以控制地面沉陷，减少对地面建筑物得影响，水下地下施工不影响水中地面交通等优点，是目前岩石隧道掘进最有发展潜力的机械设备。
如下图所示。
生产TBM最早的厂家是美国的罗宾斯（Robbins）公司。
罗宾斯公司于1951年由James Robbins创建，1952年James Robbins研制出世界第一套全断面掘进机而闻名于世界。
1956年，罗宾斯发明了硬岩掘进机用的盘形滚刀，使硬岩掘进机的研制实现了真正意义上的成功。
罗宾斯初期产品结构简单、作业快速灵活，经过50年得发展，罗宾斯公司已经成功研制出了应用于地质条件较好的中硬岩全断面岩石掘进机、硬岩全断面岩石掘进机和软岩全断面掘进机，适用于复杂地质条件的单护盾全断面岩石掘进机、双护盾全断面岩石掘进机和高性能能硬岩全断面岩石掘进机等。
另外还有美国的佳伐公司（Jarva Inc.）、德国的德马克公司（Mannesmann Demag AG）和维尔特（Wirth Maschinen-und BohrgeraetefabrikGmbH），四家公司是20世纪70~80年代的世界四大硬岩掘进机制造商。
现阶段生产TBM的较著名厂商有美国的罗宾斯公司（Robbins）、德国的维尔特（Wirth）和海瑞克公司（Herrenkneeht）等。
TBM掘进机施工技术的详细介绍
TBM掘进机施工技术的详细介绍(2007-04-06 18:33:23)转载1.TBM掘进机施工环节TBM是英文“Tunnel Boring Machine”的缩写，中文意思是隧洞掘进机。
它具有快速、安全、高效的显著特点。
掘进机在我国甘肃引大入秦和山西万家寨引黄入晋等隧洞工程中相继应用，获得了很大效益。
掘进机虽然技术先进，但是，只有完全掌握这项技术，对隧洞施工全过程中的每一个环节进行严格把关，才能真正保证掘进机隧洞施工质量。
1.1地质勘察地质条件是影响掘进机隧洞施工质量的重要因素，也是掘进机选型的重要依据。
地质勘察成果资料要求全面、真实、准确。
1.2掘进机选型根据支护形式分为三种机型，分别适用于不同的地质条件。
①敞开式，常用于纯质岩。
②双护盾，常用于混合地层。
③单护盾，常用于劣质地层及地下水位较高的地层。
根据刀盘直径大小分为13种机械：2m、3m、4m、5m、6m、7m、8m、9m、10m、11m、12m、13m、14m。
在掘进机上安装一些特殊设备，可以避免和消除地质条件变化对隧洞施工质量的影响。
如采用超前探钻、环形管片安装器、岩石锚固装置及易爆气体检测装置等。
1.3掘进机工作人员掘进机工作人员的素质和技术水平直接影响着隧洞施工质量，只有高素质和高水平的工作人员才能保证高质量的隧洞施工。
1.4掘进机检修和维护加强掘进机检修和维护，保证掘进机良好运行。
这对保证施工质量和延长掘进机寿命非常重要。
①边刀即位于刀盘周边的刀具，隧洞洞径由边刀尺寸决定。
在掘进过程中刀具磨损特别是边刀磨损非常严重，因此加强刀具磨损检查和更换新刀具对于保证洞径非常重要。
为了延长刀具使用寿命，磨损的边刀也可以用作面刀即位于刀盘面部的刀具再次使用，一般边刀最大允许磨损量约等于面刀最大允许磨损量的1/2。
当边刀达到其磨损极限时，应更换新刀具。
②主轴承，即与刀盘连接并驱动刀盘旋转的大型轴承，掘进机总进尺主要由主轴承使用寿命决定。
在掘进机检修期间，损坏的主轴承由于受到隧洞狭小空间的限制，难以拆除和更新安装，因此根据隧洞长度选用主轴承型号，加强对主轴承维护。
全断面岩石掘进机TBM讲解
国外已建成的著名工程实例
（2）瑞士费尔艾那铁路隧道全长19km， 使用Wirth公司制造的直径7.7m的敞开 式TBM，岩石条件为花岗岩，该工程 1995年开始施工，1998年完工，日进尺 为13.6~22.9m。
41
国外在建的著名工程实例：
（1）南非莱索托南水北调工程总长约 200km，有4条引水隧洞和2条输水隧洞、 6座大坝、2座电站等水工建筑，其中约 84km的施工隧洞。该工程自80年代末动 工，总工期计划30多年。
全断面岩石掘进机TBM
1
秦岭隧道TBM
2
3
4
TBM 步入 出发 洞
5
6
Komatsu Hard Rock TBM
Disc Cutter (Back Loading Type)
Cutter Ring Cutter Hub
Retainer
Cutter head Bulkhead
Cutter casing Bolt
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TBM施工主要关键技术
（2）TBM施工组织管理技术 TBM施工时，掘进、出碴、支护、进料运输
等工序平行连续作业，系统性强，要求各环 节紧密配合，以TBM掘进作业为中心，其他配 套设施和系统要尽可能满足TBM掘进的需要， 与钻爆法施工在组织管理上具有完全不同的 技术特点，这给TBM施工组织管理技术提出了 挑战。TBM掘进平均机时利用率是衡量TBM施 工组织管理技术水平的主要指标，目前国际 水平在40%左右。
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TBM的工作原理
• 主机前部是装有若干滚刀的刀盘，由刀盘驱 动系统驱动刀盘旋转，并由TBM推进系统给 刀盘提供推进力，在推进力的作用下滚刀切 入掌子面岩石，不同部位的滚刀在掌子面上 留下不同半径的同心圆切槽轨迹，在滚刀的 挤压下，相邻切槽的岩石在剪切力作用下从 岩体上剥落下来形成石碴，石碴则随着刀盘 的旋转由刀盘上的铲碴斗自动拾起，经刀盘 内的溜碴槽输送到装在主机上的皮带机上， 再运到后配套系统处经隧道出碴运输系统运 出洞外。
TBM概述课件
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铁路隧道使用情况
• 桃花铺１号隧道
西安南京铁路桃花１号 隧道全7.234km,TBM掘 进长度为6.2km，由中 铁十八局采用8.8m 开 敞式TBM 施工（该 TBM 曾施工秦岭Ｉ 线 隧道出口段）最高月进 尺为551.82m。
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铁路隧道使用情况
• 磨沟岭隧道
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附属设备
有10kV电缆、 ￠2200软风管、￠150 进水管和水阀、出碴运 输设备、通风设备、翻 车机，主要完成出碴、 材料运输、通风及翻车 作业。
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铁路隧道使用情况
• 秦岭Ｉ线隧道。全长
18.456ｋｍ，采用TBM 法 和钻爆法施工，由铁道 部 1996年引进２台威尔特 (WIRTH)8.8m开敞式TBM， 秦岭北口TBM掘进长度为 5.244ｋｍ，秦岭南口TBM 掘进长度5.621km，TBM施 工中，1998年平均月进尺为 252.36ｍ，1999年平均月 进尺为290.64ｍ，最高月进 尺为528.48ｍ。
磨沟岭隧道全长6114m， 软岩占隧道总长的70.5％,于 2002年11月完工。该隧道 由中铁隧道集团采用8.8m开 敞式TBM施工（该TBM曾施 工秦岭Ｉ线隧道进段）TBM 掘进长度为4.653ｋｍ，最 高月进尺为573.9m
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TBM施工图片
大件运输
现场组装
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TBM施工图片
开敞式ＴＢＭ。常用于硬岩 在开敞式ＴＢＭ 上，配置了 钢拱架安 装器和喷锚等辅助 设备，以适应地质的变化。 当采取有效支护手段后也可 应用于软岩隧道。
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全断面岩石掘进机TBM课件
TBM电气与液压系统
电气系统组成
01
描述TBM电气系统的主要组成部分，如发电机、变压器、电动
机等。
液压系统原理
02
解释液压系统的工作原理，包括液压泵、液压缸、液压阀等核
心部件。
电气与液压系统的维护与故障排查
03
介绍如何对电气和液压系统进行日常维护，以及常见故障的排
查与处理方法。
03
TBM施工技术
度、刀盘转速等。
掘进过程监控
通过先进的传感器和监控系统， 实时监测TBM的掘进状态，确保
施工安全和效率。
地质预报与应对
利用地质预报技术，提前预测不 良地质情况，并采取相应的应对
措施。
TBM设备保养与维修技术
日常保养
定期对TBM设备进行清洁、润滑、紧固等日常保 养工作，确保设备良好运行。
故障诊断与排除
TBM施工技术准备
技术调研与评估
在施工前，应对工程地质 、水文地质等进行详细调 研，评估TBM施工的适用 性。
设备选型与配置
根据工程需求，选择合适 的TBM设备型号，并配置 相应的辅助设备。
施工人员培训
对施工人员进行TBM设备 操作、维护保养等方面的 培训，确保施工的顺利进 行。
TBM始发与接收技术
通过大数据分析和人工智能技术，对 TBM施工数据进行挖掘和优化，提高 施工效率和质量。
数字孪生技术
构建TBM设备和施工过程的数字孪生 模型，实现虚拟与现实的交互与优化 ，为TBM施工提供全新的管理和决策 支持。
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全断面岩石掘进机 TBM课件
目录
• TBM概述 • TBM结构与组成 • TBM施工技术 • TBM施工案例与风险控制 • TBM未来发展与展望
TBM简介
TBM 是英语Tunnel Boring Machine（隧洞掘进机）的简称，是目前国际上最先进的隧洞施工机械，它依靠机械的强大推力和剪切力破碎岩石（注：推力由高压液压油缸提供，使刀具能够贯入岩体，因此油缸的推力、道具的贯入度就是TBM的掘进速度的一个重要参数。
剪切力就是由安装在刀盘上的刀具——滚刀、切刀、刮刀等切割岩体实现的，刀盘由驱动轴承带动旋转提供扭矩和转速），使隧洞掘进、出碴、衬砌、灌浆、采用激光导向等工序平行作业，实现一次成洞。
TBM法对围岩扰动小，开挖面平整圆顺，超欠挖少，可以有效降低地质灾害发生风险，实现连续快速作业。
它具有速度快、质量优、费用低、施工安全等优点，广泛应用于水利、水电、城建、交通等行业。
（注）：Tunnel Boring Machine应该是所有“隧道掘进机”的统称（简写TBM），真正意义上的TBM主要分为两个大类，一个是岩石隧道掘进机（国内一般称为TBM，有单护盾和双护盾的，用于岩石隧道施工，初期支护多采用锚杆喷射混凝土支护，大部分还有二次衬砌，最终成型隧道，不过也有采用类似盾构管片形式一次成型的），另一个就是所谓的盾构机了（国内还是称为盾构机，分为土压平衡盾构机EPB-Tunnel Machine和泥水盾构机。
用于单一或者复合式的土层、砂层、岩层地质条件的隧道施工，没有初期支护，采用管片的形式进行拼装形成衬砌，一次成型隧道）。
另外还有一种顶管法，与盾构机相似，但是原理不同，应用范围也不一样，了解不多，是否属于TBM 不敢确定，就不作解释了。
在国内，不要把“TBM”是划分后岩石隧道掘进机的称呼还是隧道掘进机的总称上混淆了。
在国外TBM可能就是我们称之为的岩石隧道掘进机，也可能是盾构机；在国内TBM就是岩石隧道掘进机。
TBM 适用于中硬岩层的开挖，最适宜于开挖岩石单轴抗压强度介于50～150MPa 的岩层。
当岩石的抗压强度超过150MPa时，将导致掘进机刀具磨损加剧，掘进速度降低，施工成本提高。
TBM类型及工作原理介绍
TBM类型及工作原理介绍TBM是一种集掘进、出碴、导向、支护和通风防尘等多功能为一体的大型高效隧道施工机械。
TBM的分类网络图详见图1。
以下就敞开式掘进机与护盾式掘进机进行详细比较分析。
1、敞开式掘进机（1）敞开式掘进介绍敞开式TBM主要适应于硬岩，能利用自身支撑机构撑紧洞壁以承受向前推进的反作用力及反扭矩的全断面岩石掘进机。
在施工对应较完整、有一定自稳性的围岩时，能充分发挥出优势，特别是在硬岩、中硬岩掘进中，强大的支撑系统为掘进机主机根据岩性不同可选择配置临时支护设备如钢架安装器、锚杆钻机、钢筋网安装机、超前钻、管棚钻机、喷混凝土机及注浆机等。
图3 敞开式掘进机图如遇有局部破碎带及松软夹层岩石，则掘进机可由所附带的超前钻及注浆设备，预先固结周边岩石，然后再开挖。
敞开式掘进机适合洞径在φ2～9m之间，最优选择φ3～8m。
（2）敞开式全面断面岩石掘进机工作原理1）盘形滚刀破岩机理在推力作用下，安装在刀盘上的盘形滚刀紧压岩面，随着刀盘的旋转，盘形滚刀绕刀盘中心轴公转的同时绕自身轴线自转，在刀盘强大的推力、扭矩作用下，图4 刀具破岩原理示意图2）掘进机工作原理掘进机工作原理见图5。
掘进机支撑板撑紧洞壁以承受刀盘掘进时传来的反作用、反扭矩；刀盘旋转，推进液压缸推压刀盘，一组盘形滚刀切入岩石，在岩面上作同心圆轨迹滚动破岩，岩碴靠自重掉入洞底，由铲斗铲起，岩碴靠岩碴自重经溜槽落入皮带机出碴，这样连续掘进成洞。
图5 掘进机（Jarva27）结构示意图1－盘形滚刀；2－刀盘；3－扩刀孔；4－出碴皮带机；5－超前钻机；6－电动机；7－行星齿轮减速器；8－末级传动；9－推进液压缸；10－后下支承；12－操纵室；13－外机架；14－内机架；15－锚杆钻机；16－铲斗3）掘进机工作循环支撑式掘进机的工作循环，如图6。
①掘进行程图支撑板撑紧洞壁→前、后下支撑回缩→刀盘旋转→推进油缸推进刀盘。
②换步行程前、后下支撑落地→刀盘停止旋转→支撑板回缩→推进油缸拉回支撑及外机架。
全断面硬岩掘进机(TBM)
全断面硬岩掘进机（TBM）全断面硬岩掘进机主要用于在围岩稳定性良好、中—厚埋深、中—高强度的岩层中开挖长大隧道。
TBM的破岩原理为:主机前部是装有若干滚刀的刀盘,由刀盘驱动系统驱动刀盘旋转,并由推进系统给刀盘提供推进力,在推进力的作用下滚刀切入岩石掌子面。
不同部位的滚刀在掌子面上留下不同半径的同心圆切槽轨迹，在滚刀的挤压下，相邻切槽的岩石在剪切力作用下从岩体上剥落下来形成石渣，石渣则随着刀盘的旋转由刀盘上的铲渣斗自动拾起，经刀盘内的溜渣槽输送到装在主机上的胶带机上，再运到后配套系统处经隧道出渣运输系统运出洞外。
一、掘进机施工的关键技术1、选型掘进机结构庞大复杂，是各种高技术系统的集成，又是价值亿元以上的大型成套工厂化作业系统，属于典型的非标定制产品，其机型、系统设备配置和主要技术参数均需承包商与制造商根据具体的工程设计、地质条件和施工工艺共同研究确定，后配套系统的选型及集成是否合理，是工程能否顺利完成的关键。
2、施工的组织管理掘进机在施工时，掘进、出渣、支护、进料运输等工序为并行、连续作业，系统性强，要求各环节紧密配合，以掘进作业为中心，其他配套设施要尽可能地满足掘进的需要，与钻爆法施工在组织管理上具有完全不同的技术特点，这就给掘进施工组织管理技术提出了挑战。
掘进机的平均机时利用率是衡量掘进施工组织管理技术水平的主要指标，目前国际水平在40%左右。
3、掘进参数的匹配在掘进施工中，隧道的地质条件不断变化，而不同岩石条件下选取的掘进参数对施工的安全、掘进速度、掘进效益影响很大，只有根据不同的围岩条件对主要参数如刀盘的转速、推力和扭矩、推进速度、撑靴压力、推进行程等合理匹配，才能够安全%快速和高效地掘进。
4、软弱围岩和不良地质地段的施工在软弱围岩条件下容易出现掌子面不稳定、围岩坍塌、刀盘被卡、支撑系统撑不住、刀盘下沉、掘进方向难以控制等技术问题。
另外，断层、涌水、岩洞等不良地质地段也对施工带来很多的技术难题。
全断面岩石掘进机
全断面岩石掘进机一、全断面掘进机简介全断面岩石隧道掘进机，简称隧道掘进机（Tunnel Boring Machine，缩写为TBM），是一种用于圆形断面隧道、采用滚压式切削盘在全断面范围内破碎岩石，集破岩、装岩、转载、支护于一体的大型综合掘进机械，现已成为国外较长隧道开挖普遍采用的方法。
TBM具有驱动动力大、能在全断面上连续破岩、生产能力大、效率高、操作自动化程度高等特点，具有快速、一次性成洞、衬砌量少等优点。
1）掘进机的发展与应用全断面岩石隧道掘进机在国外的研究较早，我国始于20世纪60年代。
1966年我国生产出第一台φ3.4 m的掘进机；70年代试制出SJ55、SJ58、SJ64、EJ30等掘进机；80年代进入实用性阶段，研制出SJ58A、EJ50等多种机型，应用于河北引滦水利工程、青岛引黄水利工程、山西古交煤矿工程等，并开始从国外引进二手掘进机用于国内施工；到90年代，随着我国大型水利、交通隧道工程的出现，开始从欧美引进大型的先进掘进机和管理方法，如秦岭Ⅰ线铁路隧道，全长18.46 km，首次采用世界先进的Wirth TB880E型（德国产）敞开式硬岩掘进机，掘进直径8.8m，取得单头月进528 m的好成绩。
全断面岩石隧道掘进机利用圆形的刀盘破碎岩石，故又称刀盘式掘进机。
刀盘的直径多为3～10 m，其中，3～5 m的较适用于小型水利水电隧道工程和矿山巷道工程，5 m以上适应于大型的隧道工程。
国外生产的岩石掘进机直径较大，目前最大可达13.9 m。
全断面岩石隧道掘进机的基本功能是掘进、出渣、导向和支护，并配置有完成这些功能的机构。
除此之外还配备有后配套系统，如运渣运料、支护、供电、供水、排水、通风等系统设备，故总长度较大，一般为150～300 m。
2）掘进机的类型与结构全断面掘进机按掘进的方式分全断面一次掘进式（又称为一次成洞）和分次扩孔掘进式（又称为两次成洞）；按掘进机是否带有护壳分为敞开式和护盾式。
TBM类型及其工作基本原理介绍
TBM类型及工作原理介绍TBM是一种集掘进、出碴、导向、支护和通风防尘等多功能为一体的大型高效隧道施工机械。
TBM的分类网络图详见图1。
以下就敞开式掘进机与护盾式掘进机进行详细比较分析。
1、敞开式掘进机（1）敞开式掘进介绍敞开式TBM主要适应于硬岩，能利用自身支撑机构撑紧洞壁以承受向前推进的反作用力及反扭矩的全断面岩石掘进机。
在施工对应较完整、有一定自稳性的围岩时，能充分发挥出优势，特别是在硬岩、中硬岩掘进中，强大的支撑系统为机、钢筋网安装机、超前钻、管棚钻机、喷混凝土机及注浆机等。
图3 敞开式掘进机图如遇有局部破碎带及松软夹层岩石，则掘进机可由所附带的超前钻及注浆设备，预先固结周边岩石，然后再开挖。
敞开式掘进机适合洞径在φ2～9m之间，最优选择φ3～8m。
（2）敞开式全面断面岩石掘进机工作原理1）盘形滚刀破岩机理在推力作用下，安装在刀盘上的盘形滚刀紧压岩面，随着刀盘的旋转，盘形掘进机工作原理见图5。
掘进机支撑板撑紧洞壁以承受刀盘掘进时传来的反作用、反扭矩；刀盘旋转，推进液压缸推压刀盘，一组盘形滚刀切入岩石，在岩面上作同心圆轨迹滚动破岩，岩碴靠自重掉入洞底，由铲斗铲起，岩碴靠岩碴自重经溜槽落入皮带机出碴，这样连续掘进成洞。
图5 掘进机（Jarva27）结构示意图1－盘形滚刀；2－刀盘；3－扩刀孔；4－出碴皮带机；5－超前钻机；6－电动机；7－行星齿轮减速器；8－末级传动；9－推进液压缸；10－后下支承；12－操纵室；13－外机架；14－内机架；15－锚杆钻机；16－铲斗3）掘进机工作循环支撑式掘进机的工作循环，如图6。
①掘进行程图支撑板撑紧洞壁→前、后下支撑回缩→刀盘旋转→推进油缸推进刀盘。
②换步行程前、后下支撑落地→刀盘停止旋转→支撑板回缩→推进油缸拉回支撑及外机架。
③准备下一次掘进行程。
（3）几种典型机型国外生产全断面岩石掘进机的公司主要有罗宾斯、佳伐、德马克、维尔特等。
图6 掘进机工作循环图7 罗宾斯机型1－刀盘部件；2－顶护盾；3－刀盘支承壳体；4－刀盘回转转传动机构；5－超前钻机；6－推进液压缸；7－水平支撑；8－出碴皮带机；9－后下支承；10－锚杆钻机；11－仰供块安装机图8 罗宾斯机型照片图9 佳伐机型1－刀盘部件；2－刀盘支承壳体；3－刀盘轴承；4－机架；5－推进液压缸；皮带机；7－刀盘回转传动机构；8－后下支承；9—钢架梁；10－前X形支撑；11－支撑板；12－传动轴图10 德马克机型1－刀具；2－刀盘；3－前下支承；4－前支撑系统；5－刀盘回转传动机构；6－推进液压缸；后支撑系统；8－出碴皮带机；9－后下支承图11 维尔特机型1－刀盘部件；2－出碴皮带机；3－主轴承；4－顶护盾；5、10－锚杆钻机；6、16－推进液压缸；7－内机架；8－刀盘回转传动机构；9－超前钻；10－圈梁运输系统；12－仰供安装机；13－单轨吊机；14－可翻转清碴斗；15－后下支承；17－水泵；18－外机架；19－X形支撑系统；20－皮带机与可翻转清碴斗；21－圈梁安装机；22－前下支承；23－铲斗；24－刮板；25－割刀图12维尔特机掘进机照片图13维尔特TB880E掘进机刀盘1－刀盘；2－铲斗刮刀；3－人孔；4－中心刀；5－正刀；6－割刀；7－边刀几种敞开式掘进机型特征详见表1。
敞开式和护盾式TBM的区别
敞开式和护盾式TBM的区别
一、TBM的名称含义
TBM是指全断面隧道掘进机的英文缩写，（Tunne1隧道,Boring掘进，Machine机器），在国内将用于岩石地层的简称为硬岩TBM,用于软土地层的称为盾构机。
二、敞开式和护盾式TBM的区别
煤矿井下根据现场生产实际需要，煤矿井下专用设备分为敞开式TBM和护盾式TBM。
护盾式TBM是将主机推进系统全部包裹在护盾体里面，护盾较长，护盾加刀盘一般均在6-7米（图例1）；敞开式TBM 是将主机推进系统裸露在外，护盾短，护盾加刀盘仅仅2-3米（图例2）o
图例1高家堡第二套ZTT4530护盾式TBM
图例2胡家河ZTT6530敞开式TBM
三、敞开式TBM
中铁建生产的敞开式TBM在国内仅有5套，可可盖煤矿配套使用两套ZTT7010敞开式TBM,高家堡第一套ZTT6530敞开式TBM,高家堡第三套ZTT4530敞开式TBM,胡家河ZTT6530敞开式TBM o
最后两套TBM（高家堡第三套ZTT6330敞开式TBM和胡家河ZTT6530）均采用主梁下沉式结构，设备总长度60-65米。
前面三套TBM设备均采用主梁正置式结构，后配套设备较多,设备总长度120-165米。
TBM概述
中铁一局 王珣
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TBM的定义
掘进机的技术名称在我国过去很不统一,各行业 均冠以习惯称呼, 铁道和交通部门称之为隧道掘进机, 煤炭部门称之为巷道掘进机,水电部门又称为隧洞掘 进机。83年国家标准(GB4052-83)统一称为全断面 岩石掘进机(Full Face Rock Tunneling Boring Machine-TBM)简称掘进机或TBM.
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TBM与盾构的比较
掘进系统是类似的，都是采用刀盘机械破碎岩石或 土体。
走行系统类似，都是在位于基础上的轨道上走行， 不同的是盾构轨道安装在管片上，而TBM一般安装 在预制仰拱块上。
反力提供机理不同，TBM 依靠撑靴撑在隧道侧面上 提供反力，盾构机依靠反力架及管片提供反力。
衬砌施工方式不同，盾构采用预制管片加壁后注浆， TBM采用管棚、超前导管、锚杆、喷砼为初支，常 规方法施作二衬。
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TBM施工图片
大件运输
现场组装
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TBM施工图片
步进
洞内步进
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TBM施工图片
步进至出发洞
撑靴
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TBM施工图片
激光定向系统
TBM控制室
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TBM施工图片
锚杆钻机作业
喷射混凝土施工
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TBM施工图片
刀盘与掌子面
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TBM在铁路山岭隧道上的应用前景
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TBM主要制造商
美国罗宾斯
Robbins
德国海瑞克公司
德国威尔特公司
加拿大拉法特
全断面岩石掘进机TBM
全断面岩石隧道掘进机的选择
首先决定是否使用掘进机开挖 然后确定隧道的总体开挖方案 再进行掘进机设备选型： 首先根据地质条件确定掘进机的类型； 然后根据隧道设计参数及地质条件确定主机的 主要技术参数； 最后根据生产能力与主机掘进速度相匹配的原 则，确定后配套设备的技术参数与功能配置。
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敞开式TBM 敞开式TBM是一种用于中硬岩及硬岩隧道掘进的 机械。由于围岩比较好，掘进机的顶护盾后，洞壁岩 石可以裸露在外，故称敞开式。
敞开式TBM主要由三大部分组成：切削盘，切削盘支承与 主梁，支撑与推进。 切削盘支承和主梁是掘进机的总骨架，二者联为一体，为 所有其它部件提供安装位置；切削盘支承分顶部支承、侧支承、 垂直前支承，每侧的支承用液压缸定位；主梁为箱形结构，内 置出渣胶带机，两侧有液压、润滑、水气管路等。 支撑分主支撑和后支撑，主支撑分单T型支撑和双X型支撑。
铁路隧道使用情况
桃花铺１号隧道 西安南京铁路桃花１号 隧道全7.234km,TBM掘 进长度为6.2km，由中 铁十八局采用8.8m 开 敞式TBM 施工（该TBM 曾施工秦岭Ｉ 线隧道 出口段）最高月进尺为 551.82m。
铁路隧道使用情况
磨沟岭隧道 磨沟岭隧道全长6114m， 软岩占隧道总长的70.5％, 于2002年11月完工。该隧道 由中铁隧道集团采用8.8m开 敞式TBM施工（该TBM曾施工 秦岭Ｉ线隧道进段）TBM掘 进长度为4.653ｋｍ，最高 月进尺为573.9m
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中国目前第二长的铁路隧道
西(安)(安)康铁路秦岭隧道： 位于西（安）（安）康 铁路青岔车站和营盘车站之间，由两座基本平行的单线隧 道组成，两线间距为30米，其中Ⅰ线隧道全长18460米； Ⅱ线隧道全长18456米，居当时世界山岭隧道第6位、亚 洲第2位。 秦岭隧道Ⅰ、Ⅱ线均为单线电气化铁路隧道，Ⅰ线(左 线)隧道使用2台8.8米敞开式掘进机（TBM）由隧道两端 相向施工。Ⅱ线隧道(右线)，采用新奥法施工，初期支护 为锚喷，二次支护为马蹄型带仰拱的模筑混凝土复合衬砌。 隧道于1995年1月18日正式开工，1999年9月6日全 部贯通，2000年8月18日西康铁路开通运营。
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TBM施工主要关键技术
（1）TBM选型及系统集成设计 TBM系统结构庞大复杂，各种高技术系统
集成，是价值数亿元的大型成套工厂化作业 系统，属于典型的非标定制产品，其机型、 系统设备配置和主要技术参数均需要承包商 与制造商根据具体的工程设计、地质条件和 施工工艺共同研究确定。TBM及其后配套系统 的选型及集成设计是否合理是工程能否顺利 完成的首要问题。
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敞开式TBM
• 敞开式TBM则只设有较短的刀盘护盾， 在其主机和后配套上安装有支护设备， 随着TBM的向前掘进，一般可以同时进 行安装锚杆、挂网和喷射混凝土等支护 作业。敞开式TBM刀盘推力和扭矩通过 机架或主梁传递到支撑系统，支撑系统 径向作用于岩壁上承受推力和扭矩。
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系统构成
• 刀盘 • 刀盘护盾 • 刀盘支承和主轴承 • 刀盘驱动 • 主梁 • 推进系统 • 支撑系统 • 液压系统 • 电气系统
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TBM施工主要关键技术
（4）TBM在软弱围岩和不良地质地段施工技术 软弱围岩条件下容易出现掌子面不稳定、
围岩坍塌、刀盘被卡、支撑系统撑不住、刀 盘下沉、掘进方向难以控制等技术问题。另 外断层、涌水、岩爆等不良地质地段也对TBM 施工带来很大技术难题。因此，TBM在软弱围 岩下的掘进技术和不良地质地段的施工技术 是TBM工程能否安全贯通的关键。
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TBM的工作原理
• 主机前部是装有若干滚刀的刀盘，由刀盘驱 动系统驱动刀盘旋转，并由TBM推进系统给 刀盘提供推进力，在推进力的作用下滚刀切 入掌子面岩石，不同部位的滚刀在掌子面上 留下不同半径的同心圆切槽轨迹，在滚刀的 挤压下，相邻切槽的岩石在剪切力作用下从 岩体上剥落下来形成石碴，石碴则随着刀盘 的旋转由刀盘上的铲碴斗自动拾起，经刀盘 内的溜碴槽输送到装在主机上的皮带机上， 再运到后配套系统处经隧道出碴运输系统运 出洞外。
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主机辅助设备
• 此外，TBM主机上的辅助设备主要有： 主机出渣皮带机、钢拱架安装器、洞底 石渣清理皮带机、超前钻机、锚杆钻机、 通风设施和除尘系统、通讯系统、数据 采集记录系统、激光导向系统、安全控 制系统、甲烷监测器、支护材料转运系 统、紧急手动混凝土喷射系统等。
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TBM后配套系统
• 后配套系统由钢结构件主机连接桥和若干平 台车组成，其上有供水、供电、通风、支护、 出渣等作业所需设备、设施和作业空间。包 括：液压动力装置、电气开关装置、变压器、 主断路开关、电缆卷筒、应急发电机、除尘 器、通风管道、控制室、拌浆装置、材料转 运吊机、皮带输送机系统、集装箱式修理间、 人员休息室及厕所、喷混系统、锚杆系统、 供水系统等。
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TBM施工主要关键技术
（2）TBM施工组织管理技术 TBM施工时，掘进、出碴、支护、进料运输
等工序平行连续作业，系统性强，要求各环 节紧密配合，以TBM掘进作业为中心，其他配 套设施和系统要尽可能满足TBM掘进的需要， 与钻爆法施工在组织管理上具有完全不同的 技术特点，这给TBM施工组织管理技术提出了 挑战。TBM掘进平均机时利用率是衡量TBM施 工组织管理技术水平的主要指标，目前国际 水平在40%左右。
Key Block
Cutting face side Machine side
Floating Seal
Cutter Ring Bearing
Shaft
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TBM刀具
8
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TBM与盾构
• 隧道（洞）掘进机一般分为盾构和岩石 掘进机两种，盾构主要应用于软土地层 的开挖，岩石掘进机主要用于硬质地层 的开挖，两种掘进机在破岩机理上不同。 本文介绍的是适于硬岩开挖的全断面岩 石掘进机（英文Full Face Tunnel Boring Machine，简称TBM）。
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双护盾TBM
• 双护盾TBM的主机在护盾的保护下进行掘进 作业，主机后部一般装有衬砌管片安装器， 随着TBM的向前掘进，双护盾TBM可同时进 行管片安装作业，后配套系统则完全在已经 完成管片衬砌的隧道内作业；当无法实现径 向支撑而需要辅助推进油缸提供所需推进力 时，推力作用于管片衬砌上，掘进作业与管 片安装作业此时不能同时进行，相当于“单 护盾模式”的作业方式，相应掘进效率较低。
全断面岩石掘进机TBM
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秦岭隧道TBM
2
3
4
TBM 步入 出发 洞
5
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Komatsu Hard Rock TBM
Disc Cutter (Back Loading Type)
Cutter Ring Cutter Hub
Retainer
Cutter head Bulkhead
Cutter caபைடு நூலகம்ing Bolt
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图 10 刀圈破岩
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破岩轨迹
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图 12 石碴
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TBM类型
• TBM由主机和后配套系统组成，一般又分为 敞开式TBM和护盾式TBM两大类型，护盾式 TBM又有双护盾TBM和单护盾TBM之分；敞 开式TBM目前主要有两种结构形式，即前后 共有两组“X”支撑的凯氏TBM（含有内凯机 架Inner Kelly和外凯机架Outer Kelly），另一 种为单支撑主梁式TBM。软弱围岩所占比例 较大的隧道一般选用护盾式TBM，而岩石稳 定性好软弱围岩较少的隧道一般选用敞开式 TBM，此外，还要根据工程设计及工程造价 进行综合分析确定。
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TBM施工主要关键技术
（5）TBM状态监测与故障诊断和维护技术 TBM是机、电、液、光一体化的大型复杂隧
道施工作业系统，且作业环境恶劣，作业空 间狭窄。由于TBM和后配套系统庞大复杂以及 实际地质条件的复杂性，在国际TBM工程施工 中发生重大事故的情况多有报道，造成了巨 大的经济损失和社会影响。如何建立先进可 靠的TBM监测诊断和维护技术，保证TBM处于 安全完好掘进状态和提高机时利用率是需要 解决的关键技术问题。
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TBM施工主要关键技术
（3）TBM掘进参数匹配技术 TBM施工中隧道地质条件不断变化，而不同
岩石条件下选取的掘进参数对TBM施工的安全、 掘进速度、掘进效益影响很大，只有根据不 同的围岩条件进行刀盘转速、刀盘推力、刀 盘扭矩、推进速度、撑靴压力、推进行程等 主要参数的合理匹配，才能使TBM能够安全、 快速和高效掘进。