鄧 斌

（中鐵十九局集團(tuán)第一工程有限公司，遼寧遼陽 111000）

0 引言

通常將隧道硬巖掘進(jìn)機(jī)簡稱為TBM（Tunnel Boring Machine），它是一種將機(jī)械液壓測量控制電氣等多元學(xué)科技術(shù)融為一體，并且用于地下隧道工程的施工的一種大型綜合性機(jī)械裝備。隨著水利、鐵路、公路隧道的建設(shè)，越來越多的長大隧道為加快施工速度、節(jié)約成本，在建設(shè)過程中常常會(huì)采用TBM。

在隧道掘進(jìn)的過程中，TBM 利用滾刀轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓破巖的方式，將斷面巖石進(jìn)行有效擠壓、破碎，并且不斷地向前推進(jìn)。其在施工過程中挖掘的速度較快，對人工的勞動(dòng)強(qiáng)度要求較小，并且安全性高，對隧洞圍巖擾動(dòng)較小。與以往的施工設(shè)備相比，TBM具有非常大的優(yōu)勢，所以在一些地理環(huán)境較為復(fù)雜且未知特殊的地下工程施工中，進(jìn)行開采和挖掘非常有效。

1 國內(nèi)外TBM 的發(fā)展現(xiàn)狀

國外的TBM 在發(fā)展過程中，主要圍繞著防止地面沉降、地層控制、機(jī)械化、自動(dòng)化的掘進(jìn)速度、相關(guān)襯砌和隧道質(zhì)量等進(jìn)行研究，逐步提高隧道掘進(jìn)機(jī)的穩(wěn)定性。隨著科技的發(fā)展，逐漸對設(shè)備有了更高的要求，所以在設(shè)計(jì)過程中不斷地改進(jìn)其系統(tǒng)的使用性，使其能夠滿足地質(zhì)條件較為復(fù)雜的隧道施工需求。

我國的掘進(jìn)機(jī)在20 世紀(jì)60 年代中期開始起步發(fā)展，廣泛運(yùn)用于交通、市政、水利、鐵路隧道工程等各方面，所以我國的掘進(jìn)機(jī)技術(shù)也在不斷的研制與開發(fā)中。到目前為止，我國主要使用的大中型隧道掘進(jìn)機(jī)已能自主生產(chǎn)，但驅(qū)動(dòng)電機(jī)等部件還依賴于進(jìn)口。隨著時(shí)代的發(fā)展，采用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)對相關(guān)核心的部件及材料進(jìn)行不斷的技術(shù)改造，未來我國的掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)業(yè)會(huì)迅速發(fā)展。

隨著科技的不斷發(fā)展，TBM 也結(jié)合了各種先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，使得其操作更為簡單，自動(dòng)化程度越來越高，越來越趨向于智能化無人化有望實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。

2 地下隧道施工方法

由于不同區(qū)域地質(zhì)條件不同，所以在對地下工程進(jìn)行施工的過程當(dāng)中，要因地制宜采用不同的施工方法，才能確保地下施工的正常進(jìn)行。在進(jìn)行地下工程施工的過程當(dāng)中，通常采用的施工方法有明挖法、暗挖法、盾構(gòu)法、蓋挖法和TBM 法（TBM 法就是使用隧道掘進(jìn)機(jī)）。在對地下隧道進(jìn)行的掘進(jìn)施工中，目前TBM 法是效率最高、最先進(jìn)的綜合性施工方法之一。其工作效率高，并且經(jīng)濟(jì)安全適用于長大隧道。一般在長大隧道中通常都會(huì)采用TBM 施工，但在具體的施工過程當(dāng)中，也會(huì)因?yàn)閲鷰r的巖性及軟弱圍巖等不良地質(zhì)，有適應(yīng)性較差的缺點(diǎn)。

3 掘進(jìn)機(jī)的分類

TBM 是為了專門適用于地下隧道開采所用的工程設(shè)備，為了適應(yīng)不同地理環(huán)境的相關(guān)差異，TBM 的機(jī)械類型也包含著多種功能與結(jié)構(gòu)。按照不同的大小可以將其分為微型、小型和中型、大型特大型機(jī)械等。按照開鑿方法進(jìn)行分類，可以分為手掘式、半機(jī)械式、機(jī)械師。按照護(hù)盾形式進(jìn)行分類，可以分為開敞式、雙護(hù)盾、多護(hù)盾式。按照適應(yīng)地質(zhì)條件，分為可以分為硬巖TBM 和軟土TBM。而按照挖開工況分類，可以分為隧道掘進(jìn)機(jī)、豎井掘進(jìn)機(jī)。選擇TBM 機(jī)械時(shí)，需要根據(jù)相關(guān)地理?xiàng)l件及相關(guān)工程的計(jì)劃等，選擇合適的機(jī)械才能有效的進(jìn)行開采。在相關(guān)的設(shè)備管理過程中，要充分考慮使用的地理?xiàng)l件，并且選取合適的機(jī)械選擇合適的開采方式進(jìn)行地下隧道的有效開采。

4 硬巖石TBM 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

在應(yīng)沿?cái)嗝孢M(jìn)行開采的過程當(dāng)中，由于其地形陡峭且山體等地理?xiàng)l件的限制，所以在進(jìn)行地下開采的過程當(dāng)中，對驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有著較高的要求，才能滿足惡劣地質(zhì)條件下的掘進(jìn)工作。在選擇硬巖TBM 時(shí)，要根據(jù)其組成結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行有效的規(guī)劃與設(shè)計(jì)，選擇成套的隧道施工設(shè)備進(jìn)行有效開采。在開采過程中，首先運(yùn)用盤行到在長面上進(jìn)行連續(xù)的滾壓與破碎，造成隧道巖石的破碎，并且通過刀體進(jìn)行上下浮動(dòng)的運(yùn)動(dòng)，對整體的巖石造成沖擊力，從而擠壓破碎的巖石。在向前開采掘進(jìn)的過程當(dāng)中，要通過刀圈的不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，對巖石進(jìn)行有效碾碎，并且不斷地人為造成滾刀的滑動(dòng)，才能最大限度地破碎巖石。對于應(yīng)沿?cái)嗝孢M(jìn)行開采，TBM 應(yīng)當(dāng)采用盤形滾刀破巖，使各滾刀擠壓巖石表面，并且在作業(yè)面上同心切槽中滾動(dòng)。TBM 的刀盤驅(qū)動(dòng)扭矩與許多因素都相關(guān)，合理地確定該數(shù)據(jù)才能夠在具體施工的過程當(dāng)中高效地進(jìn)行開采工作，同時(shí)能夠滿足不同地理?xiàng)l件下進(jìn)行高效的開采與施工。

4.1 推進(jìn)系統(tǒng)動(dòng)力要求

TBM 機(jī)械刀盤的總推進(jìn)率與許多因素有關(guān)，其中包括盤形滾刀的形狀、軸承等以及相關(guān)地質(zhì)條件等。當(dāng)TBM 在硬巖中進(jìn)行開采時(shí)，由于刀盤的轉(zhuǎn)速較快但所要求的驅(qū)動(dòng)扭矩較小，產(chǎn)生的總推力會(huì)比較大；而在進(jìn)行較軟地質(zhì)條件的破碎開采時(shí)，則需要較小的總推力，所以要合理地對TBM 的刀盤進(jìn)行確定，才能確保TBM 在不同地質(zhì)條件下保持高效的開采工作。

4.2 支撐系統(tǒng)的動(dòng)力需求

TBM 的固定部分就是人們常說的支撐系統(tǒng)，它對于整個(gè)機(jī)械設(shè)備的重量能夠起到支撐作用，并且能夠在進(jìn)行洞壁開采的過程中減少對于周圍環(huán)境的破壞，通常會(huì)通過水平行、X 型、一對兩對支撐的方式對整體器械進(jìn)行有效的支撐。在具體的開采施工過程當(dāng)中，要根據(jù)不同的環(huán)境，在不同的部位選擇合適的支撐方式，并且選取合適的撐靴，確保其在足夠大的壓力下有強(qiáng)有力的推進(jìn)力，并且能提供較大的支撐力。

5 硬巖TBM 刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

目前TBM 的主要驅(qū)動(dòng)方式有3 種，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)和定速電機(jī)驅(qū)動(dòng)。其中，廣泛應(yīng)用于硬巖TBM 刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式為液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)和變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)。刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由變頻電機(jī)、減速器、大小齒輪、三滾子軸徑向主軸承及密封組成。TBM 的刀盤是在進(jìn)行開采作業(yè)當(dāng)中最重要的工作機(jī)構(gòu)，所以刀盤的整體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對整體工作的效率有著重要影響。

5.1 液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)

馬達(dá)驅(qū)動(dòng)可以分為變轉(zhuǎn)速泵控馬達(dá)刀盤液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和變排量泵控馬達(dá)刀盤液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。后者在運(yùn)行過程中的控制精準(zhǔn)度較高，并且整體的傳輸功率較大，在安裝與能源消耗方面具有多種優(yōu)點(diǎn)，所以在進(jìn)行硬巖開采的過程當(dāng)中，通常會(huì)選取這種方式。

5.2 變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)

變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)是由變頻電機(jī)減速器軸承及齒輪等部件構(gòu)成，這一驅(qū)動(dòng)方式可以有效調(diào)節(jié)刀盤的速度，并且具有較大的扭矩，從而達(dá)到更高的傳動(dòng)效率，提高整體開掘的進(jìn)度。運(yùn)行過程中，還能使電機(jī)始終保持在一定的額定功率內(nèi)，不會(huì)造成相關(guān)能源的消耗。但在具體使用過程中，由于其需要較大的空間，所以相關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)結(jié)合具體的施工條件與相關(guān)因素進(jìn)行有效選擇。近幾年來制造變頻電機(jī)技術(shù)逐步成熟，在掘進(jìn)機(jī)刀盤回轉(zhuǎn)傳動(dòng)系驅(qū)動(dòng)方式采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)逐漸多起來。

硬巖TBM 的刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常會(huì)采用電液復(fù)合驅(qū)動(dòng)的方式，因?yàn)槠錂C(jī)械在進(jìn)行施工的過程當(dāng)中，周圍的巖石環(huán)境較為穩(wěn)定，并且硬度較大，所以在開采過程中TBM 的刀盤應(yīng)當(dāng)選擇高速小扭矩、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的方式。在更換刀盤的過程中也要設(shè)置輔助液壓驅(qū)動(dòng)，才能在更換時(shí)緩慢地轉(zhuǎn)動(dòng)位置。TBM 的刀盤電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常會(huì)采用雙速電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，通過不同的器械進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，并且可以采取不同的轉(zhuǎn)動(dòng)形式在較硬的地質(zhì)條件下保持高速的旋轉(zhuǎn)，從而獲得較高的掘進(jìn)速度。而在較軟的軟土區(qū)域內(nèi)，則采用低速旋轉(zhuǎn)的方式，這樣能良好地保護(hù)刀具，并且能使整個(gè)掘進(jìn)工作保持一定的連貫性。而刀盤的輔助也要驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通常會(huì)選取多臺(tái)液壓馬達(dá)與電機(jī)并列的形式，使電機(jī)和具有單獨(dú)的離合器在工作時(shí)互不影響，并且能在相關(guān)條件下滿足高速運(yùn)轉(zhuǎn)效率的需求。

6 結(jié)束語

在對地下隧道進(jìn)行有效開采的過程中，要根據(jù)具體的地質(zhì)條件、土層情況、施工環(huán)境等，選擇合適的機(jī)型進(jìn)行施工，并且要合理匹配相關(guān)的整體機(jī)械的參數(shù)，充分了解施工環(huán)境。在選擇TBM 機(jī)械動(dòng)力驅(qū)動(dòng)時(shí)，要根據(jù)相關(guān)參數(shù)的要求，有效了解不同的驅(qū)動(dòng)方式及特性，這樣才能不斷優(yōu)化相關(guān)TBM 刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，有效提升制造等關(guān)鍵工藝，使其在施工過程中保持良好的施工特性及高效率的運(yùn)轉(zhuǎn)。