1、地質因素分析 

　　主要從工程的地質條件是否適宜掘進機和影響開挖效率的因素來加以考慮，并根據不同的地質情況選擇合適類型的掘進機。 

　?。?）掘進機對地質條件的適應性 


　　以下地質條件一般不適宜掘進機的施工。塑性地壓大的軟弱圍巖；類沙性土構成的軟弱圍巖和具有中等發下膨脹性的圍巖；斷層破碎帶，巖溶發育帶，嚴重涌水地段，巖石單軸抗壓強度超過350MPa的極硬巖且節理不發育、高硬度或高拉伸強度及高磨蝕性巖石材料。


　?。?）影響掘進效率的主要地質因素 


　　巖石的單軸抗壓強度是影響掘進效率的關鍵因素之一。一般掘進機最適合掘進抗壓強度為30-150MPa的硬巖。根據統計，大多數已建工程的巖石平均單軸抗壓強度為75-175MPa，最大單軸抗壓強度為350MPa。巖石的硬度和耐磨性越高，刀具消耗和施工成本就越高，造成停機換刀次數增加，影響掘進速度，巖體的結構面發育程度，即巖體的裂隙化程度或巖體的完整程度與掘進效率有很大的關系。抗壓強度、硬度、耐磨性相同或相近的巖體，若結構面發育程度不同，掘進機的純掘進速度的差異明顯。 

　　全斷面巖石掘進機一般分為敞開式和護盾式。敞開式通常用于圍巖穩定的隧道（洞）的開挖。若巖石質量指數為50%-100%、節理大于60cm，則首選敞開式。軟弱圍巖用敞開式掘進機施工時支護量大，并限制了撐靴的支撐能力，影響掘進進度，因此，一般軟弱圍巖所占長度的比例較大時，可考慮選用護盾式掘進機。對于地質勘察不夠準確的工程，用敞開式掘進機更易及時探明前方地質情況和對不良地質進行及時處理。使用敞開式掘進機重點應考慮支護設備的配置，如超前鉆機、錨桿鉆機、鋼拱架安裝器、掛網設施、混凝土噴射裝置等。而護盾式掘進機需要考慮加大推進系統的推進力，設置輔助推進系統，加強護盾設計和配置襯砌管片安裝器等。 

　　2、掘進性能的要求 

　　選用掘進機時，需要根據工期、工程地質、工程設計和施工工藝等多種因素的要求，對掘進性能提出相應的要求，衡量掘進性能的指標主要為純掘進速率、完好率、利用率和刀具消耗等。 

　?。?）純掘進速率 

　　純掘進速率為刀盤每轉進尺毫米數乘以刀盤轉速。在此基礎上，可以進一步預計出小時進尺、日進尺、周進尺、月進尺等。純掘進速率主要受機器設計參數和地質參數的影響。因此，根據工程地質情況和工期要求，可以向掘進機制造商提出合理的機器特性要求，并評判其設計參數是否滿足掘進速度要求，或進行掘進速度預測。近20年來，掘進技術水平大致為：20世紀80年代最高日進尺為30-40mm，月平均進尺為300-500mm，20世紀90年代最高日進尺為45-60mm，月平均進尺500-700mm。 

　?。?）完好率 

　　完好效率包括掘進機的系統可靠度和維修度兩方面因素，在正確使用和維護要求前提下，這是一個主要取決于制造商的性能參數。維爾特（Wirth)公司生產的掘進機在25個重要工程的應用實踐表明，掘進機系統完好率達70%-90%。 

　?。?）利用率 

　　利用率是掘進時間占總施工時間的比例，其一方面取決于設備的完好率，另一方面取決于工程地質情況和現場組織管理水平。常常因為巖石支護士作業、出渣作業、材料運輸等原因延誤造成停機，從而使利用率降低。按目前技術水平，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器的完好率；另一方面在選型設計中要考慮好掘進、出渣、支護等各分系統間的協調配置，并提高施工組織管理水平，以提高掘進機的利用率。 

　?。?）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量和刀具在刀盤上的總體布置，也與刀具的使用和維護技術水平有關，選型設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量的參考值，以便進行刀具質量評判和刀具投資消耗預測。 

　　3、主要技術參數的選擇 

　　影響掘進機的耐久性和性能的主要關鍵零部件為：刀盤、刀具、刀盤軸承、刀盤驅動系統、主機體、推進系統和支撐系統等。而掘進機設計的總趨勢是：提高刀具承載能力；增大刀盤推力和扭矩；提高刀盤轉速；增大掘進行程。 

　?。?）刀盤 

　　刀盤的直徑應根據開挖洞徑來決定，要求有一定的擴挖能力。掘進機直徑一般在2.5-12m之間，以3-6m居多，目前在向大直徑和微型掘進機兩個方向發展的趨勢。為了降低不良地質的影響，盡量設計為平面狀刀盤和凹狀的刀具安裝座。一般設計成背裝式換刀的刀盤，以保護作業人員的安全。刀盤設計的強度、剛度和耐磨性是需要重點考察的性能指標。 

　?。?）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、掘進速度和刀具的消耗是至關重要的，為了增加刀具的切深和凈掘進速率，刀具軸承和刀圈材料技術不斷發展，達到了較高的承載能力和耐磨性。同時，生產廠家提供了尺寸從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水平的刀具。 

　?。?）刀間距和刀具數 

　　每把刀的推力和刀間距是提高切深、進而提高掘進速度的最重要的參數。試驗表明，在給定地質條件下，當減少刀間距時，獲得一定掘進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，可以增加掘進速度；便是，相應要求增加機器總推力，并產生更小的碎石屑。而碎石屑愈小，切削巖石要求的比能耗愈大，開挖過程的經濟性就愈差。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的函數，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。在給定地質條件和可比的刀距下，刀具數與開挖直徑成正比，適當增加刀具數，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，還可降低掘進進的振動，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動的故障。 

　?。?）刀盤轉速 

   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，即滾動力與推力的關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10%，易掘進巖石為15%。刀盤的功率要求由轉速和扭矩來決定，扭矩則受地質的影響。在可比的刀盤推力下，易掘進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，是不經濟的。 

　?。?）刀盤驅動系統 

　　刀盤驅動系統主要形式為液壓驅動、雙速電機驅動的變頻電機驅動。由于變頻控制技術可提高可靠性和降低成本，變頻電機驅動對不同巖石具有更好的適應性，變頻電機驅動已成為近年來掘進機驅動方式的發展方向和首選。目前8m直徑掘進機的刀盤驅動功率在3000kW左右。 

　?。?）刀盤軸承 

　　刀盤軸承亦稱掘進機主軸承，主要發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機的設計更是如此。目前，刀盤軸承壽命的技術水平為15000-20000h。由于刀盤軸承制造周期長（6個月左右），成本高，且施工中洞內難以拆換，在選型時，其設計尺寸、制造質量和使用壽命、潤滑和密封及其監控、均應成為重要的考核因素。 

　?。?）推進系統和支撐系統 

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