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。


　?。?）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(jì)，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?？箟簭?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(shí)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(shí)，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(shí)探明前方地質(zhì)情況和對不良地質(zhì)進(jìn)行及時(shí)處理。使用敞開式掘進(jìn)機(jī)重點(diǎn)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(jì)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(shí)，需要根據(jù)工期、工程地質(zhì)、工程設(shè)計(jì)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(jì)出小時(shí)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(jì)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(jì)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(gè)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(gè)重要工程的應(yīng)用實(shí)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(shí)間占總施工時(shí)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?yàn)閹r石支護(hù)士作業(yè)、出渣作業(yè)、材料運(yùn)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(jì)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(jì)時(shí)可要求制造商提供開挖單位立方米巖石刀具消耗費(fèi)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(jì)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。 

　　（1）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(gè)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(jì)為平面狀刀盤和凹狀的刀具安裝座。一般設(shè)計(jì)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(jì)的強(qiáng)度、剛度和耐磨性是需要重點(diǎn)考察的性能指標(biāo)。 

　　（2）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(shí)，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。 

　　（3）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(yàn)表明，在給定地質(zhì)條件下，當(dāng)減少刀間距時(shí)，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(gè)最佳的刀間距。這個(gè)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(gè)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(jì)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(jì)，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(jì)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(gè)月左右），成本高，且施工中洞內(nèi)難以拆換，在選型時(shí)，其設(shè)計(jì)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。 

　　（8）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。