TBM掘进机水系统的设计探讨

张 凯，贾连辉，呼瑞红

(中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450000）

TBM掘进机水系统的设计探讨

张 凯，贾连辉，呼瑞红

(中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450000）

[摘 要]针对某引水工程的TBM水系统的设计，介绍了几种TBM水冷却系统形式，包括封闭式内外循环的水系统、非封闭式内外循环的水系统、封闭式内循环水和开放外循环水系统；通过对TBM各个设备发热的分析，计算出水系统的内循环的水量及洞外进水参数，根据以上两点选择合适的水系统。

[关键词]TBM；水系统形式；水系统计算

伴随铁路公路隧道、城市地下铁道、水利电力引输水隧洞、煤矿巷道等地下工程蓬勃建设，开发利用地下空间时代的来临，地下工程的施工机械化在迅猛发展。

岩石隧道掘进机（岩石tunnel boring machine，以下简称TBM）近年来更显现出发展势头，高科技成果的引进和开发应用，使其日益完善，更加适应于长大隧道现代化快速施工的需要。

TBM在整个施工过程中，TBM上的各个系统或设备都要发热，这些热量积累到一定程度，就会影响设备的正常工作，因此系统或设备产生的热量要及时地带走，所以需要冷却水来带走这些热量。下面介绍常见的TBM水系统形式。

1 TBM掘进机水系统的形式

1.1 采用完全封闭式内外循环的水系统

城市地铁隧道（施工距离为1～2km）中TBM设备的水系统如图1所示，水系统可分为内循环（内循环可采用蒸馏水，防止设备内部腔体结水垢）和外循环两部分。冷却水水从洞外经过冷却器与内循环水进行热量交换。内循环水流经主驱动电机、主驱动减速机、齿轮油系统、变频器等设备并携带设备产生的热量。

图1 完全封闭式内外循环水系统形式

1.2 采用非封闭式内外循环的水系统

穿山越岭的水力、铁路隧道（施工距离为10km以上）中TBM设备的水系统如图2所示，水系统可分为内循环和内循环补水两部分。内循环水携带走设备产生的热量并与冷水箱的水进行热交换，如果内循环水箱温度仍然高于40℃，内循环水箱自动排水，并不断地补充洞外新鲜水。

1.3 采用封闭内循环水和开放外循环水系统

某引水工程（施工距离为10km）TBM设备综合了以上两种方案的优缺点，如图3所示，内循环采用完全封闭式系统（内循环可采用蒸馏水，防止设备内部腔体结水垢）；外循环采用非封闭式系统，通过冷水泵循环与内循环交换热量，如果水温超过40℃，暖水箱自动排水。

图2 非封闭式内外循环的水系统

图3 封闭式内循环水和开放外循环水系统

采用图3的工业水循环，既可以保证关键设备（主驱动电机和减速机等）不结水垢，又可以减少管路铺设，方便施工方的长距离施工（表1）。

表1 工业水循环优点与缺点比较

2 水系统计算

2.1 主驱动电机的发热功率

主驱动电机的发热功率

P电热=P总×(1-η电)=2530×(1-96.4%)=91kW

式中 P总—主驱动电机功率，取2545kW；

η—主驱动电机的效率，取96.4%。

2.2 减速机的发热功率

减速机的发热功率

P减热=(P总-P电)×(1-η减)= (2530-91)×(1-0.941)=144kW

式中 η减—减速机的效率，η减=98%3=0.941。

2.3 主驱动齿轮箱的发热功率

主驱动齿轮箱的发热功率

P主热=(P总-P电-P减)×(1-η主)= (2530-91-144)×(1-92%)=184kW

式中 P总—主驱动齿轮箱的效率，取η主=92%。

2.4 主驱动电机变频器的发热功率

两台主驱动电机变频器的发热功率

P频热=50×2=100kW

单台变频器的总发热功率为：ΔT≤9℃，单台发热功率为50kW。

2.5 空压机部分的发热功率

两台空压机的发热功率

P空热=2×P空×(1-η空)= 2×80×(1-70%)=48kW

式中 P空—单台空压机功率为80kW；

η空—空压机的效率为70%。

2.6 总发热功率

P总热=P电热+P减热+P主热+P频热+P空热= 91+144+184+100+48=567kW

2.7 内外循环水量的计算

所以需要系统内的水流量至少为

式中 c—水的比热容，c＝4.18×103J/kg℃；

ρ—水的密度，ρ＝1.0×103kg/m3；

Δt—温度变化量，Δt＝7.7℃。

当外进水温度为25℃时，要对冷却器进行冷却所需要的外循环水流量为

16.3×10-3m3/s=978L/min=58.68m3/h平均温差计算

当外进水温度为12℃时，要对冷却器进行冷却所需要的外循环水流量为

平均温差计算

如图4所示，进水温度与进水量之间的关系，项目施工方可以按照不同的水温对应的水量，适时的进行调节进水量。

图4 进水温度和水量之间的关系

3 结 语

本文叙述了硬岩TBM掘进机水系统的选取、冷却水系统的计算，针对不同长度的隧道选取合适的水系统，既保了证良好的散热效果，又有效地减少施工量；通过水系统的计算，可以选择合适的内循环水泵的水量，分析了进水温度对进水量的影响，提供给施工方相对应水温的洞外进水量。

（编辑 张海霞）

Design and discussion of TBM driving machine water system

ZHANG Kai, JIA Lian-hui, HU Rui-hong

［中图分类号］TU621

［文献标识码］B

［文章编号］1001-1366(2015)06-0058-02

［收稿日期］2015-04-29