張 凱，賈連輝，呼瑞紅

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450000）

TBM掘進(jìn)機(jī)水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)探討

張 凱，賈連輝，呼瑞紅

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450000）

[摘 要]針對(duì)某引水工程的TBM水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，介紹了幾種TBM水冷卻系統(tǒng)形式，包括封閉式內(nèi)外循環(huán)的水系統(tǒng)、非封閉式內(nèi)外循環(huán)的水系統(tǒng)、封閉式內(nèi)循環(huán)水和開(kāi)放外循環(huán)水系統(tǒng)；通過(guò)對(duì)TBM各個(gè)設(shè)備發(fā)熱的分析，計(jì)算出水系統(tǒng)的內(nèi)循環(huán)的水量及洞外進(jìn)水參數(shù)，根據(jù)以上兩點(diǎn)選擇合適的水系統(tǒng)。

[關(guān)鍵詞]TBM；水系統(tǒng)形式；水系統(tǒng)計(jì)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(shè)，開(kāi)發(fā)利用地下空間時(shí)代的來(lái)臨，地下工程的施工機(jī)械化在迅猛發(fā)展。

巖石隧道掘進(jìn)機(jī)（巖石tunnel boring machine，以下簡(jiǎn)稱TBM）近年來(lái)更顯現(xiàn)出發(fā)展勢(shì)頭，高科技成果的引進(jìn)和開(kāi)發(fā)應(yīng)用，使其日益完善，更加適應(yīng)于長(zhǎng)大隧道現(xiàn)代化快速施工的需要。

TBM在整個(gè)施工過(guò)程中，TBM上的各個(gè)系統(tǒng)或設(shè)備都要發(fā)熱，這些熱量積累到一定程度，就會(huì)影響設(shè)備的正常工作，因此系統(tǒng)或設(shè)備產(chǎn)生的熱量要及時(shí)地帶走，所以需要冷卻水來(lái)帶走這些熱量。下面介紹常見(jiàn)的TBM水系統(tǒng)形式。

1 TBM掘進(jìn)機(jī)水系統(tǒng)的形式

1.1 采用完全封閉式內(nèi)外循環(huán)的水系統(tǒng)

城市地鐵隧道（施工距離為1～2km）中TBM設(shè)備的水系統(tǒng)如圖1所示，水系統(tǒng)可分為內(nèi)循環(huán)（內(nèi)循環(huán)可采用蒸餾水，防止設(shè)備內(nèi)部腔體結(jié)水垢）和外循環(huán)兩部分。冷卻水水從洞外經(jīng)過(guò)冷卻器與內(nèi)循環(huán)水進(jìn)行熱量交換。內(nèi)循環(huán)水流經(jīng)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)、主驅(qū)動(dòng)減速機(jī)、齒輪油系統(tǒng)、變頻器等設(shè)備并攜帶設(shè)備產(chǎn)生的熱量。

圖1 完全封閉式內(nèi)外循環(huán)水系統(tǒng)形式

1.2 采用非封閉式內(nèi)外循環(huán)的水系統(tǒng)

穿山越嶺的水力、鐵路隧道（施工距離為10km以上）中TBM設(shè)備的水系統(tǒng)如圖2所示，水系統(tǒng)可分為內(nèi)循環(huán)和內(nèi)循環(huán)補(bǔ)水兩部分。內(nèi)循環(huán)水?dāng)y帶走設(shè)備產(chǎn)生的熱量并與冷水箱的水進(jìn)行熱交換，如果內(nèi)循環(huán)水箱溫度仍然高于40℃，內(nèi)循環(huán)水箱自動(dòng)排水，并不斷地補(bǔ)充洞外新鮮水。

1.3 采用封閉內(nèi)循環(huán)水和開(kāi)放外循環(huán)水系統(tǒng)

某引水工程（施工距離為10km）TBM設(shè)備綜合了以上兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，如圖3所示，內(nèi)循環(huán)采用完全封閉式系統(tǒng)（內(nèi)循環(huán)可采用蒸餾水，防止設(shè)備內(nèi)部腔體結(jié)水垢）；外循環(huán)采用非封閉式系統(tǒng)，通過(guò)冷水泵循環(huán)與內(nèi)循環(huán)交換熱量，如果水溫超過(guò)40℃，暖水箱自動(dòng)排水。

圖2 非封閉式內(nèi)外循環(huán)的水系統(tǒng)

圖3 封閉式內(nèi)循環(huán)水和開(kāi)放外循環(huán)水系統(tǒng)

采用圖3的工業(yè)水循環(huán)，既可以保證關(guān)鍵設(shè)備（主驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速機(jī)等）不結(jié)水垢，又可以減少管路鋪設(shè)，方便施工方的長(zhǎng)距離施工（表1）。

表1 工業(yè)水循環(huán)優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)比較

2 水系統(tǒng)計(jì)算

2.1 主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)熱功率

主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)熱功率

P電熱=P總×(1-η電)=2530×(1-96.4%)=91kW

式中 P總—主驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率，取2545kW；

η—主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的效率，取96.4%。

2.2 減速機(jī)的發(fā)熱功率

減速機(jī)的發(fā)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(jī)的效率，η減=98%3=0.941。

2.3 主驅(qū)動(dòng)齒輪箱的發(fā)熱功率

主驅(qū)動(dòng)齒輪箱的發(fā)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(qū)動(dòng)齒輪箱的效率，取η主=92%。

2.4 主驅(qū)動(dòng)電機(jī)變頻器的發(fā)熱功率

兩臺(tái)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)變頻器的發(fā)熱功率

P頻熱=50×2=100kW

單臺(tái)變頻器的總發(fā)熱功率為：ΔT≤9℃，單臺(tái)發(fā)熱功率為50kW。

2.5 空壓機(jī)部分的發(fā)熱功率

兩臺(tái)空壓機(jī)的發(fā)熱功率

P空熱=2×P空×(1-η空)= 2×80×(1-70%)=48kW

式中 P空—單臺(tái)空壓機(jī)功率為80kW；

η空—空壓機(jī)的效率為70%。

2.6 總發(fā)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(nèi)外循環(huán)水量的計(jì)算

所以需要系統(tǒng)內(nèi)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(dāng)外進(jìn)水溫度為25℃時(shí)，要對(duì)冷卻器進(jìn)行冷卻所需要的外循環(huán)水流量為

16.3×10-3m3/s=978L/min=58.68m3/h平均溫差計(jì)算

當(dāng)外進(jìn)水溫度為12℃時(shí)，要對(duì)冷卻器進(jìn)行冷卻所需要的外循環(huán)水流量為

平均溫差計(jì)算

如圖4所示，進(jìn)水溫度與進(jìn)水量之間的關(guān)系，項(xiàng)目施工方可以按照不同的水溫對(duì)應(yīng)的水量，適時(shí)的進(jìn)行調(diào)節(jié)進(jìn)水量。

圖4 進(jìn)水溫度和水量之間的關(guān)系

3 結(jié) 語(yǔ)

本文敘述了硬巖TBM掘進(jìn)機(jī)水系統(tǒng)的選取、冷卻水系統(tǒng)的計(jì)算，針對(duì)不同長(zhǎng)度的隧道選取合適的水系統(tǒng)，既保了證良好的散熱效果，又有效地減少施工量；通過(guò)水系統(tǒng)的計(jì)算，可以選擇合適的內(nèi)循環(huán)水泵的水量，分析了進(jìn)水溫度對(duì)進(jìn)水量的影響，提供給施工方相對(duì)應(yīng)水溫的洞外進(jìn)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(hào)］TU621

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］B

［文章編號(hào)］1001-1366(2015)06-0058-02

［收稿日期］2015-04-29