全断面硬岩掘进机(TBM)驱动系统的研究
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【摘 要】本文首先介绍了什么是TBM以及我国的TBM现状，介绍了我国掘进机由20世纪60年代到如今的发展历程，然后对其进行了一下简单的分类，尤其是对全断面岩石TBM进行了分类简介，分析了其应用范围和一些需要注意的问题。最后，提出了一些建议和对未来掘进机发展工作的一些展望。
【关键词】tbm；国内现状；开敞式；护盾式；摇臂式；扩孔式
1 TBM简介以及国内现状
隧道掘进机，英文是Tunnel Boring Machine，TBM是英文缩写，是一种用于地下隧道工程施工的技术密集型工程装备，是当今世界上公认的快速开挖隧洞的最有效的机具。从20世纪60年代中期开始，这是我国掘进机发展的起步阶段，我国才开始展开研制全断面岩石掘进机。这种装备，集机械、电气、液压、测量和控制等多学科技术于一体，广泛应用于水利水电、矿山开采、交通、市政、国防等工程建设中。
到20世纪60到70年代，我国掘进机开始迈入实用阶段，但是距国际水平还有一定的差距。我国研制出来50多台，但是这些掘进机的技术和质量上存在不足和缺陷，大多不能正常使用。而我国的掘进机办公室，成立在70年代中期，这也同时表示着我国相关部门采用集中技术力量，组织联合攻关的方式，展开了对挖掘机的进一步研发。到80年代中期，我国第二代、第三代的掘进机一共研发了能够满足实际工程使用的19台。然而，这些挖掘机同样存在着一些缺点：整机可靠性差、无故障时间短、关键零部件寿命短、品种单一、地质适应性差件、自动化水平低。不过，中国的引水隧洞施工工程在90年代开始，开始由国际建筑施工商来承包，国内制造厂家与国际著名掘进机制造商开始展开合作制造岩石掘进机。通过甘肃引大入秦工程和山西引黄入晋工程，掘进机那快速、安全的特点让我国看到了掘进机对工程所起的重大作用，国内掘进机在此之后更加广泛地应用。目前，我国掘进机产业发展很快，国内制造企业已经建立起一支掘进机科研、设计、制造和施工的队伍。
2 TBM的分类以及全断面岩石TBM分类简介
如果按直径大小来分，TBM可以分为五类，如下表所示：
全断面岩石掘进机有开敞式、护盾式、摇臂式和扩孔式四类。
2.1 支撑式（开敞式）全断面岩石掘进机
这种挖掘机（单T型支撑型、双x型支撑型）适用于围岩地质条件较好的隧洞开挖，适合洞径在2～9m之间，最优选择3～7m，可进行随机锚杆、喷射混凝土及局部加钢筋网等柔性支护处理。然而，当洞径大于9m，则掘进进尺受到边刀允许速度小于2.5m/s的制约。
2.2 护盾式全断面岩石掘进机
护盾式TBM可以防止由不良地质现象造成的施工地质灾害所带来的一些不好的影响，抗风险能力较强，适用于那些围岩地质条件较差的隧洞。护盾式TBM，结合管片衬砌及豆砾石回填灌浆技术，实现了掘进、出渣、衬砌以及回填灌浆等一次成洞施工作业。然而，这种掘进机TBM本身及衬砌管片的造价较，因此在选择掘进机时候应该据实际情况而选。护盾式TBM圆筒形护盾结构有三种：单护盾、双护盾（伸缩式）和三护盾（前、中、后三护盾）。
2.3 摇臂式全断面掘进机
摇臂式全断面掘进机，机身小、搬运方便，作业工矿容易观察，刀具和摇臂随机头一起转动，适用于开挖岩石较软的隧洞。其推进方式有两种，如法国布依格掘进机，靠支撑板及推进液压缸推进机头。另外，比如德国维尔特新研制的“连续采掘机”，它的推进方式是靠低速行走履带，并且采用洞底切割方法破岩，所得的岩碴块大，本机能耗小。
2.4 扩孔式全断面掘进机
扩孔式全断面掘进机在我国使用范围很小，通过先打导洞，然后再进一步扩孔成洞的机器，适用于直径6m以上隧洞，提高了能量利用率。在导洞的同时，可以对当地的工程地质和水文地质资料进行详细的探究，所得的数据资料可以进行一些预测工作，有利于通风、地下水、瓦斯及预防性安全等准备。然而，也存在着一些缺点，如果是成洞的话，则需要导洞和扩孔两台掘进机，投资比较高一点。另外，扩孔这一步必须在导洞贯通后才能进行，这样就会延长了工期。
目前，TBM驱动方式有三种：定速电机驱动、液压马达驱动和变频电机驱动。刀盘是进行掘进作业的主要工作机构，是隧道掘进机的重要组成部分。其中，广泛的应用于TBM驱动方式是液压马达驱动和变频电机驱动。
3.1 液压马达驱动
液压马达驱动又分为变排量泵控马达刀盘液压驱动系统和变转速泵控马达刀盘液压驱动系统。液压驱动的变排量泵控马达系统和变转速泵控马达系统，具有传递功率大、控制精度高、安装空间和能源消耗低等诸多优点，避免功率过大的时候所造成的系统发热过度。
3.2 变频电机驱动
变频器驱动电动机，是由变频电机、减速器、大小齿轮和三滚子轴径向主轴承及密封组成了该刀盘驱动系统，并且其刀盘速度可调。它不仅具有较大扭矩储备和较高的传动效率，并且这样的电动机始终在额定功率附近运行，能源消耗也不高。唯一的不足就是，占用空间比较大。
4 结论
（1）掘进机机型的选择要依据实际情况，比如岩层或土层情况、地下水条件和施工环境等等方面，要考虑周到，选择合适的机型进行施工。
（2）掘进机整机系统参数的合理匹配。
（3）岩石掘进机主要技术性能参数要根据开挖洞径！岩石抗压强度等原始资料来进一步确定。
（4）TBM对动力驱动的需求分析工作需要继续进行下去，对变频电机驱动和液压马达驱动的控制特性要进一步研究。
（5）我国掘进机研究领域需要对刀盘驱动系统的优化设计、制造工艺等关键技术进行进一步的提高。
参考文献：
[1]蒋立君.面向可靠性和振动特性的TBM主轴承结构设计[D].大连理工大学，2013.
[2]杜伟.使用盘形滚刀的悬臂式掘进机截割头的研究[D].辽宁工程技术大学，2012.
[3]吴峰.TBM盘形滚刀贯入度与结构参数优化设计研究[D].中南大学，2012.
[4]本报记者赵志伟.硬岩掘进机“掘”出产业新天地[N].洛阳日报，2013-08-20003.