全斷面硬巖掘進機（TBM）驅動系統分析

鄧 斌

（中鐵十九局集團第一工程有限公司，遼寧遼陽 111000）

0 引言

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

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

1 國內外TBM 的發展現狀

國外的TBM 在發展過程中，主要圍繞著防止地面沉降、地層控制、機械化、自動化的掘進速度、相關襯砌和隧道質量等進行研究，逐步提高隧道掘進機的穩定性。隨著科技的發展，逐漸對設備有了更高的要求，所以在設計過程中不斷地改進其系統的使用性，使其能夠滿足地質條件較為復雜的隧道施工需求。

我國的掘進機在20 世紀60 年代中期開始起步發展，廣泛運用于交通、市政、水利、鐵路隧道工程等各方面，所以我國的掘進機技術也在不斷的研制與開發中。到目前為止，我國主要使用的大中型隧道掘進機已能自主生產，但驅動電機等部件還依賴于進口。隨著時代的發展，采用先進的科學技術對相關核心的部件及材料進行不斷的技術改造，未來我國的掘進機產業會迅速發展。

隨著科技的不斷發展，TBM 也結合了各種先進的科學技術，使得其操作更為簡單，自動化程度越來越高，越來越趨向于智能化無人化有望實現遠程操控。

2 地下隧道施工方法

由于不同區域地質條件不同，所以在對地下工程進行施工的過程當中，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行。在進行地下工程施工的過程當中，通常采用的施工方法有明挖法、暗挖法、盾構法、蓋挖法和TBM 法（TBM 法就是使用隧道掘進機）。在對地下隧道進行的掘進施工中，目前TBM 法是效率最高、最先進的綜合性施工方法之一。其工作效率高，并且經濟安全適用于長大隧道。一般在長大隧道中通常都會采用TBM 施工，但在具體的施工過程當中，也會因為圍巖的巖性及軟弱圍巖等不良地質，有適應性較差的缺點。

3 掘進機的分類

TBM 是為了專門適用于地下隧道開采所用的工程設備，為了適應不同地理環境的相關差異，TBM 的機械類型也包含著多種功能與結構。按照不同的大小可以將其分為微型、小型和中型、大型特大型機械等。按照開鑿方法進行分類，可以分為手掘式、半機械式、機械師。按照護盾形式進行分類，可以分為開敞式、雙護盾、多護盾式。按照適應地質條件，分為可以分為硬巖TBM 和軟土TBM。而按照挖開工況分類，可以分為隧道掘進機、豎井掘進機。選擇TBM 機械時，需要根據相關地理條件及相關工程的計劃等，選擇合適的機械才能有效的進行開采。在相關的設備管理過程中，要充分考慮使用的地理條件，并且選取合適的機械選擇合適的開采方式進行地下隧道的有效開采。

4 硬巖石TBM 動力驅動系統

在應沿斷面進行開采的過程當中，由于其地形陡峭且山體等地理條件的限制，所以在進行地下開采的過程當中，對驅動系統有著較高的要求，才能滿足惡劣地質條件下的掘進工作。在選擇硬巖TBM 時，要根據其組成結構及工作原理進行有效的規劃與設計，選擇成套的隧道施工設備進行有效開采。在開采過程中，首先運用盤行到在長面上進行連續的滾壓與破碎，造成隧道巖石的破碎，并且通過刀體進行上下浮動的運動，對整體的巖石造成沖擊力，從而擠壓破碎的巖石。在向前開采掘進的過程當中，要通過刀圈的不斷轉動，對巖石進行有效碾碎，并且不斷地人為造成滾刀的滑動，才能最大限度地破碎巖石。對于應沿斷面進行開采，TBM 應當采用盤形滾刀破巖，使各滾刀擠壓巖石表面，并且在作業面上同心切槽中滾動。TBM 的刀盤驅動扭矩與許多因素都相關，合理地確定該數據才能夠在具體施工的過程當中高效地進行開采工作，同時能夠滿足不同地理條件下進行高效的開采與施工。

4.1 推進系統動力要求

TBM 機械刀盤的總推進率與許多因素有關，其中包括盤形滾刀的形狀、軸承等以及相關地質條件等。當TBM 在硬巖中進行開采時，由于刀盤的轉速較快但所要求的驅動扭矩較小，產生的總推力會比較大；而在進行較軟地質條件的破碎開采時，則需要較小的總推力，所以要合理地對TBM 的刀盤進行確定，才能確保TBM 在不同地質條件下保持高效的開采工作。

4.2 支撐系統的動力需求

TBM 的固定部分就是人們常說的支撐系統，它對于整個機械設備的重量能夠起到支撐作用，并且能夠在進行洞壁開采的過程中減少對于周圍環境的破壞，通常會通過水平行、X 型、一對兩對支撐的方式對整體器械進行有效的支撐。在具體的開采施工過程當中，要根據不同的環境，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有力的推進力，并且能提供較大的支撐力。

5 硬巖TBM 刀盤驅動系統

目前TBM 的主要驅動方式有3 種，液壓馬達驅動、變頻電機驅動和定速電機驅動。其中，廣泛應用于硬巖TBM 刀盤驅動系統驅動方式為液壓馬達驅動和變頻電機驅動。刀盤驅動系統主要由變頻電機、減速器、大小齒輪、三滾子軸徑向主軸承及密封組成。TBM 的刀盤是在進行開采作業當中最重要的工作機構，所以刀盤的整體驅動系統對整體工作的效率有著重要影響。

5.1 液壓馬達驅動

馬達驅動可以分為變轉速泵控馬達刀盤液壓驅動系統和變排量泵控馬達刀盤液壓驅動系統。后者在運行過程中的控制精準度較高，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點，所以在進行硬巖開采的過程當中，通常會選取這種方式。

5.2 變頻電機驅動

變頻電機驅動是由變頻電機減速器軸承及齒輪等部件構成，這一驅動方式可以有效調節刀盤的速度，并且具有較大的扭矩，從而達到更高的傳動效率，提高整體開掘的進度。運行過程中，還能使電機始終保持在一定的額定功率內，不會造成相關能源的消耗。但在具體使用過程中，由于其需要較大的空間，所以相關驅動裝置應結合具體的施工條件與相關因素進行有效選擇。近幾年來制造變頻電機技術逐步成熟，在掘進機刀盤回轉傳動系驅動方式采用變頻電機驅動逐漸多起來。

硬巖TBM 的刀盤驅動系統通常會采用電液復合驅動的方式，因為其機械在進行施工的過程當中，周圍的巖石環境較為穩定，并且硬度較大，所以在開采過程中TBM 的刀盤應當選擇高速小扭矩、電動驅動的方式。在更換刀盤的過程中也要設置輔助液壓驅動，才能在更換時緩慢地轉動位置。TBM 的刀盤電機驅動系統通常會采用雙速電機驅動的方式，通過不同的器械進行轉動，并且可以采取不同的轉動形式在較硬的地質條件下保持高速的旋轉，從而獲得較高的掘進速度。而在較軟的軟土區域內，則采用低速旋轉的方式，這樣能良好地保護刀具，并且能使整個掘進工作保持一定的連貫性。而刀盤的輔助也要驅動系統，通常會選取多臺液壓馬達與電機并列的形式，使電機和具有單獨的離合器在工作時互不影響，并且能在相關條件下滿足高速運轉效率的需求。

6 結束語

在對地下隧道進行有效開采的過程中，要根據具體的地質條件、土層情況、施工環境等，選擇合適的機型進行施工，并且要合理匹配相關的整體機械的參數，充分了解施工環境。在選擇TBM 機械動力驅動時，要根據相關參數的要求，有效了解不同的驅動方式及特性，這樣才能不斷優化相關TBM 刀盤驅動系統的設計，有效提升制造等關鍵工藝，使其在施工過程中保持良好的施工特性及高效率的運轉。