1、地質(zhì)因素分析 

　　主要從工程的地質(zhì)條件是否適宜掘進(jìn)機(jī)和影響開挖效率的因素來加以考慮，并根據(jù)不同的地質(zhì)情況選擇合適類型的掘進(jìn)機(jī)。 

　?。?）掘進(jìn)機(jī)對地質(zhì)條件的適應(yīng)性 


　　以下地質(zhì)條件一般不適宜掘進(jìn)機(jī)的施工。塑性地壓大的軟弱圍巖；類沙性土構(gòu)成的軟弱圍巖和具有中等發(fā)下膨脹性的圍巖；斷層破碎帶，巖溶發(fā)育帶，嚴(yán)重涌水地段，巖石單軸抗壓強(qiáng)度超過350MPa的極硬巖且節(jié)理不發(fā)育、高硬度或高拉伸強(qiáng)度及高磨蝕性巖石材料。


　　（2）影響掘進(jìn)效率的主要地質(zhì)因素 


　　巖石的單軸抗壓強(qiáng)度是影響掘進(jìn)效率的關(guān)鍵因素之一。一般掘進(jìn)機(jī)最適合掘進(jìn)抗壓強(qiáng)度為30-150MPa的硬巖。根據(jù)統(tǒng)計，大多數(shù)已建工程的巖石平均單軸抗壓強(qiáng)度為75-175MPa，最大單軸抗壓強(qiáng)度為350MPa。巖石的硬度和耐磨性越高，刀具消耗和施工成本就越高，造成停機(jī)換刀次數(shù)增加，影響掘進(jìn)速度，巖體的結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度，即巖體的裂隙化程度或巖體的完整程度與掘進(jìn)效率有很大的關(guān)系。抗壓強(qiáng)度、硬度、耐磨性相同或相近的巖體，若結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度不同，掘進(jìn)機(jī)的純掘進(jìn)速度的差異明顯。 

　　全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)一般分為敞開式和護(hù)盾式。敞開式通常用于圍巖穩(wěn)定的隧道（洞）的開挖。若巖石質(zhì)量指數(shù)為50%-100%、節(jié)理大于60cm，則首選敞開式。軟弱圍巖用敞開式掘進(jìn)機(jī)施工時支護(hù)量大，并限制了撐靴的支撐能力，影響掘進(jìn)進(jìn)度，因此，一般軟弱圍巖所占長度的比例較大時，可考慮選用護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)。對于地質(zhì)勘察不夠準(zhǔn)確的工程，用敞開式掘進(jìn)機(jī)更易及時探明前方地質(zhì)情況和對不良地質(zhì)進(jìn)行及時處理。使用敞開式掘進(jìn)機(jī)重點應(yīng)考慮支護(hù)設(shè)備的配置，如超前鉆機(jī)、錨桿鉆機(jī)、鋼拱架安裝器、掛網(wǎng)設(shè)施、混凝土噴射裝置等。而護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)需要考慮加大推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)力，設(shè)置輔助推進(jìn)系統(tǒng)，加強(qiáng)護(hù)盾設(shè)計和配置襯砌管片安裝器等。 

　　2、掘進(jìn)性能的要求 

　　選用掘進(jìn)機(jī)時，需要根據(jù)工期、工程地質(zhì)、工程設(shè)計和施工工藝等多種因素的要求，對掘進(jìn)性能提出相應(yīng)的要求，衡量掘進(jìn)性能的指標(biāo)主要為純掘進(jìn)速率、完好率、利用率和刀具消耗等。 

　?。?）純掘進(jìn)速率 

　　純掘進(jìn)速率為刀盤每轉(zhuǎn)進(jìn)尺毫米數(shù)乘以刀盤轉(zhuǎn)速。在此基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步預(yù)計出小時進(jìn)尺、日進(jìn)尺、周進(jìn)尺、月進(jìn)尺等。純掘進(jìn)速率主要受機(jī)器設(shè)計參數(shù)和地質(zhì)參數(shù)的影響。因此，根據(jù)工程地質(zhì)情況和工期要求，可以向掘進(jìn)機(jī)制造商提出合理的機(jī)器特性要求，并評判其設(shè)計參數(shù)是否滿足掘進(jìn)速度要求，或進(jìn)行掘進(jìn)速度預(yù)測。近20年來，掘進(jìn)技術(shù)水平大致為：20世紀(jì)80年代最高日進(jìn)尺為30-40mm，月平均進(jìn)尺為300-500mm，20世紀(jì)90年代最高日進(jìn)尺為45-60mm，月平均進(jìn)尺500-700mm。 

　?。?）完好率 

　　完好效率包括掘進(jìn)機(jī)的系統(tǒng)可靠度和維修度兩方面因素，在正確使用和維護(hù)要求前提下，這是一個主要取決于制造商的性能參數(shù)。維爾特（Wirth)公司生產(chǎn)的掘進(jìn)機(jī)在25個重要工程的應(yīng)用實踐表明，掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)完好率達(dá)70%-90%。 

　?。?）利用率 

　　利用率是掘進(jìn)時間占總施工時間的比例，其一方面取決于設(shè)備的完好率，另一方面取決于工程地質(zhì)情況和現(xiàn)場組織管理水平。常常因為巖石支護(hù)士作業(yè)、出渣作業(yè)、材料運輸?shù)仍蜓诱`造成停機(jī)，從而使利用率降低。按目前技術(shù)水平，平均利用率在40%左右。對于施工單位，一方面可以要求制造商提高機(jī)器的完好率；另一方面在選型設(shè)計中要考慮好掘進(jìn)、出渣、支護(hù)等各分系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)配置，并提高施工組織管理水平，以提高掘進(jìn)機(jī)的利用率。 

　?。?）刀具的消耗 

　　一定巖石條件下，刀具的消耗一方面取決于刀具的質(zhì)量和刀具在刀盤上的總體布置，也與刀具的使用和維護(hù)技術(shù)水平有關(guān)，選型設(shè)計時可要求制造商提供開挖單位立方米巖石刀具消耗費用或數(shù)量的參考值，以便進(jìn)行刀具質(zhì)量評判和刀具投資消耗預(yù)測。 

　　3、主要技術(shù)參數(shù)的選擇 

　　影響掘進(jìn)機(jī)的耐久性和性能的主要關(guān)鍵零部件為：刀盤、刀具、刀盤軸承、刀盤驅(qū)動系統(tǒng)、主機(jī)體、推進(jìn)系統(tǒng)和支撐系統(tǒng)等。而掘進(jìn)機(jī)設(shè)計的總趨勢是：提高刀具承載能力；增大刀盤推力和扭矩；提高刀盤轉(zhuǎn)速；增大掘進(jìn)行程。 

　?。?）刀盤 

　　刀盤的直徑應(yīng)根據(jù)開挖洞徑來決定，要求有一定的擴(kuò)挖能力。掘進(jìn)機(jī)直徑一般在2.5-12m之間，以3-6m居多，目前在向大直徑和微型掘進(jìn)機(jī)兩個方向發(fā)展的趨勢。為了降低不良地質(zhì)的影響，盡量設(shè)計為平面狀刀盤和凹狀的刀具安裝座。一般設(shè)計成背裝式換刀的刀盤，以保護(hù)作業(yè)人員的安全。刀盤設(shè)計的強(qiáng)度、剛度和耐磨性是需要重點考察的性能指標(biāo)。 

　?。?）刀具直徑和刀圈 

　　刀具的基本元件是：刀圈、刀體、刀軸、軸承組合件、密封、端蓋等，刀具及其在刀盤上的布置，對破巖效果、掘進(jìn)速度和刀具的消耗是至關(guān)重要的，為了增加刀具的切深和凈掘進(jìn)速率，刀具軸承和刀圈材料技術(shù)不斷發(fā)展，達(dá)到了較高的承載能力和耐磨性。同時，生產(chǎn)廠家提供了尺寸從300mm到400mm直徑系列的刀具選擇，432mm直徑刀具是目前常用的代表一定技術(shù)水平的刀具。 

　?。?）刀間距和刀具數(shù) 

　　每把刀的推力和刀間距是提高切深、進(jìn)而提高掘進(jìn)速度的最重要的參數(shù)。試驗表明，在給定地質(zhì)條件下，當(dāng)減少刀間距時，獲得一定掘進(jìn)速度所需的推力將下降。這意味著在巖石非常硬的情況下，維持每把刀推力不變，通過減少刀間距，可以增加掘進(jìn)速度；便是，相應(yīng)要求增加機(jī)器總推力，并產(chǎn)生更小的碎石屑。而碎石屑愈小，切削巖石要求的比能耗愈大，開挖過程的經(jīng)濟(jì)性就愈差。不同刀間距開挖巖石所消耗的能量表明，每種巖石有一個最佳的刀間距。這個最佳的刀間距主要是地質(zhì)的函數(shù)，在硬巖情況下，它大約是切深的10-20倍，在65-90mm之間；軟巖大約是100mm。在給定地質(zhì)條件和可比的刀距下，刀具數(shù)與開挖直徑成正比，適當(dāng)增加刀具數(shù)，有利于避免瞬間巖石物理特性太高而造成單個刀具及其相鄰刀具的加速損壞。而且，較多刀具與巖石接觸，還可降低掘進(jìn)進(jìn)的振動，并減小破碎巖層斷面巖塊洞穴的尺寸，從而可減少阻塞刀盤轉(zhuǎn)動的故障。 

　?。?）刀盤轉(zhuǎn)速 

   盤形滾刀的軸承和密封允許的圓周速度為150m/min左右。
 
　?。?）刀盤扭矩 

　　刀盤上所有刀具總滾動阻力決定扭矩大小。計算滾動阻力系數(shù)，即滾動力與推力的關(guān)系主要由刀圈直徑和切深來決定。粗略估計，滾動阻力作為推力的百分比平均是：硬巖達(dá)10%，易掘進(jìn)巖石為15%。刀盤的功率要求由轉(zhuǎn)速和扭矩來決定，扭矩則受地質(zhì)的影響。在可比的刀盤推力下，易掘進(jìn)巖石允許較大的切深，并由于滾動阻力增加，要求較大的切深，并由于滾動阻力增加，要求較大的刀盤扭矩。良好可鉆性的巖石在理論上可能的切深是不能采用的，是不經(jīng)濟(jì)的。 

　?。?）刀盤驅(qū)動系統(tǒng) 

　　刀盤驅(qū)動系統(tǒng)主要形式為液壓驅(qū)動、雙速電機(jī)驅(qū)動的變頻電機(jī)驅(qū)動。由于變頻控制技術(shù)可提高可靠性和降低成本，變頻電機(jī)驅(qū)動對不同巖石具有更好的適應(yīng)性，變頻電機(jī)驅(qū)動已成為近年來掘進(jìn)機(jī)驅(qū)動方式的發(fā)展方向和首選。目前8m直徑掘進(jìn)機(jī)的刀盤驅(qū)動功率在3000kW左右。 

　?。?）刀盤軸承 

　　刀盤軸承亦稱掘進(jìn)機(jī)主軸承，主要發(fā)展方向是采用三軸式滾子軸承（兩排推力，一排徑向）替代圓錐滾子軸承，以提高其承載力和壽命，特別是對大直徑掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計更是如此。目前，刀盤軸承壽命的技術(shù)水平為15000-20000h。由于刀盤軸承制造周期長（6個月左右），成本高，且施工中洞內(nèi)難以拆換，在選型時，其設(shè)計尺寸、制造質(zhì)量和使用壽命、潤滑和密封及其監(jiān)控、均應(yīng)成為重要的考核因素。 

　?。?）推進(jìn)系統(tǒng)和支撐系統(tǒng) 

　　推進(jìn)系統(tǒng)主要由液壓推進(jìn)缸等構(gòu)成。應(yīng)根據(jù)巖石情況、開挖直徑、刀具直徑和刀具數(shù)、提供足夠的推力，以便在較硬巖石情況下獲得一定的切深，一般根據(jù)總刀具推力、刀盤護(hù)盾摩擦阻力、后配套系統(tǒng)的牽引阻力等來考慮所需推力。支撐系統(tǒng)的支撐缸應(yīng)能抵抗刀盤傳遞過來的推力和扭矩，支撐靴要有足夠強(qiáng)度和面積，還應(yīng)核算與洞壁的接地比壓值大小。