TBM掘進機水系統的設計探討

張 凱，賈連輝，呼瑞紅

(中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450000）

TBM掘進機水系統的設計探討

張 凱，賈連輝，呼瑞紅

(中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450000）

[摘 要]針對某引水工程的TBM水系統的設計，介紹了幾種TBM水冷卻系統形式，包括封閉式內外循環的水系統、非封閉式內外循環的水系統、封閉式內循環水和開放外循環水系統；通過對TBM各個設備發熱的分析，計算出水系統的內循環的水量及洞外進水參數，根據以上兩點選擇合適的水系統。

[關鍵詞]TBM；水系統形式；水系統計算

伴隨鐵路公路隧道、城市地下鐵道、水利電力引輸水隧洞、煤礦巷道等地下工程蓬勃建設，開發利用地下空間時代的來臨，地下工程的施工機械化在迅猛發展。

巖石隧道掘進機（巖石tunnel boring machine，以下簡稱TBM）近年來更顯現出發展勢頭，高科技成果的引進和開發應用，使其日益完善，更加適應于長大隧道現代化快速施工的需要。

TBM在整個施工過程中，TBM上的各個系統或設備都要發熱，這些熱量積累到一定程度，就會影響設備的正常工作，因此系統或設備產生的熱量要及時地帶走，所以需要冷卻水來帶走這些熱量。下面介紹常見的TBM水系統形式。

1 TBM掘進機水系統的形式

1.1 采用完全封閉式內外循環的水系統

城市地鐵隧道（施工距離為1～2km）中TBM設備的水系統如圖1所示，水系統可分為內循環（內循環可采用蒸餾水，防止設備內部腔體結水垢）和外循環兩部分。冷卻水水從洞外經過冷卻器與內循環水進行熱量交換。內循環水流經主驅動電機、主驅動減速機、齒輪油系統、變頻器等設備并攜帶設備產生的熱量。

圖1 完全封閉式內外循環水系統形式

1.2 采用非封閉式內外循環的水系統

穿山越嶺的水力、鐵路隧道（施工距離為10km以上）中TBM設備的水系統如圖2所示，水系統可分為內循環和內循環補水兩部分。內循環水攜帶走設備產生的熱量并與冷水箱的水進行熱交換，如果內循環水箱溫度仍然高于40℃，內循環水箱自動排水，并不斷地補充洞外新鮮水。

1.3 采用封閉內循環水和開放外循環水系統

某引水工程（施工距離為10km）TBM設備綜合了以上兩種方案的優缺點，如圖3所示，內循環采用完全封閉式系統（內循環可采用蒸餾水，防止設備內部腔體結水垢）；外循環采用非封閉式系統，通過冷水泵循環與內循環交換熱量，如果水溫超過40℃，暖水箱自動排水。

圖2 非封閉式內外循環的水系統

圖3 封閉式內循環水和開放外循環水系統

采用圖3的工業水循環，既可以保證關鍵設備（主驅動電機和減速機等）不結水垢，又可以減少管路鋪設，方便施工方的長距離施工（表1）。

表1 工業水循環優點與缺點比較

2 水系統計算

2.1 主驅動電機的發熱功率

主驅動電機的發熱功率

P電熱=P總×(1-η電)=2530×(1-96.4%)=91kW

式中 P總—主驅動電機功率，取2545kW；

η—主驅動電機的效率，取96.4%。

2.2 減速機的發熱功率

減速機的發熱功率

P減熱=(P總-P電)×(1-η減)= (2530-91)×(1-0.941)=144kW

式中 η減—減速機的效率，η減=98%3=0.941。

2.3 主驅動齒輪箱的發熱功率

主驅動齒輪箱的發熱功率

P主熱=(P總-P電-P減)×(1-η主)= (2530-91-144)×(1-92%)=184kW

式中 P總—主驅動齒輪箱的效率，取η主=92%。

2.4 主驅動電機變頻器的發熱功率

兩臺主驅動電機變頻器的發熱功率

P頻熱=50×2=100kW

單臺變頻器的總發熱功率為：ΔT≤9℃，單臺發熱功率為50kW。

2.5 空壓機部分的發熱功率

兩臺空壓機的發熱功率

P空熱=2×P空×(1-η空)= 2×80×(1-70%)=48kW

式中 P空—單臺空壓機功率為80kW；

η空—空壓機的效率為70%。

2.6 總發熱功率

P總熱=P電熱+P減熱+P主熱+P頻熱+P空熱= 91+144+184+100+48=567kW

2.7 內外循環水量的計算

所以需要系統內的水流量至少為

式中 c—水的比熱容，c＝4.18×103J/kg℃；

ρ—水的密度，ρ＝1.0×103kg/m3；

Δt—溫度變化量，Δt＝7.7℃。

當外進水溫度為25℃時，要對冷卻器進行冷卻所需要的外循環水流量為

16.3×10-3m3/s=978L/min=58.68m3/h平均溫差計算

當外進水溫度為12℃時，要對冷卻器進行冷卻所需要的外循環水流量為

平均溫差計算

如圖4所示，進水溫度與進水量之間的關系，項目施工方可以按照不同的水溫對應的水量，適時的進行調節進水量。

圖4 進水溫度和水量之間的關系

3 結 語

本文敘述了硬巖TBM掘進機水系統的選取、冷卻水系統的計算，針對不同長度的隧道選取合適的水系統，既保了證良好的散熱效果，又有效地減少施工量；通過水系統的計算，可以選擇合適的內循環水泵的水量，分析了進水溫度對進水量的影響，提供給施工方相對應水溫的洞外進水量。

（編輯 張海霞）

Design and discussion of TBM driving machine water system

ZHANG Kai, JIA Lian-hui, HU Rui-hong

［中圖分類號］TU621

［文獻標識碼］B

［文章編號］1001-1366(2015)06-0058-02

［收稿日期］2015-04-29