大刀盘电机驱动土压平衡顶管机.doc

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大刀盘电机驱动土压平衡顶管机

黄均龙

摘要文章介绍了顶管机的研制发展概况及大刀盘电机驱动土压平衡顶管机的构造特点、

工作原理与应用情况。

关键词顶管机土压平衡大刀盘电机驱动

一、前言

顶管机是一种施工非开挖地下管道（外径可达3.8m）的专用掘进机械设备，它的形式由手掘式、挤压式发展到半机械式。

由于城市建设的发展，对施工周围的环境保护提出了较高的要求，随着施工经验的积累、科学技术的进步与机电制造水平的提高，使顶管机的形式向着机械旋转切削式、泥水平衡式、土压平衡式以及能适应软硬土层的先进机型发展。

世界上第一台具有切削刀盘的泥水平衡盾构掘进机（直径为3.1m）于1967年在日本开始使用；1974年日本又研制、使用了一台直径为3.72m的土压平衡盾构掘进机；20世纪80年代，日本开发了大刀盘电机驱动的泥水、土压平衡顶管机，还研制成功了具有二次破碎功能的顶管机；在1994年，由德国海瑞克公司制造的外径3.8m、具有二次破碎功能的顶管机，一次推进管道长度达2600m。

我国首台φ1200mm泥水平衡遥控式顶管掘进机，是由上海市政工程研究所在1988年参照引进的顶管机研制的，用于沪闵路污水管道工程；1990年，由上海市政工程研究所与上海隧道公司联合设计我国第一台Ф1650/1800mm两用型泥水平衡顶管机，并由上海隧道公司制造与应用；在1997年又研制、应用了内径为Ф2400mm、2200mm、2000mm的三用型泥水平衡顶管机；1987年上海市政二公司研制的Ф2360mm（外径Ф2.7m）多刀盘土压平衡顶管机，用于塘桥地区的排水管工程；1989年9月，上海隧道公司研制出我国第一台Ф2200mm（外径Ф2.66m）大刀盘液压驱动土压平衡顶管机，并于1991年又研制一台φ1800mm大刀盘液压驱动土压平衡顶管机；1992年，上海市政二公司设计、制造并成功应用了我国第一台Ф1400mm大刀盘电机驱动土压平衡顶管机，还与上海隧道设计院合作，研制1台Ф2400mm（外径Ф2.9m）大刀盘（面板式）电机驱动土压平衡顶管机，1997年，研制出当时国内最大口径（内径Ф3000mm、外径Ф3.54m）的大刀盘电机驱动土压平衡顶管机；1999年，上海隧道公司研制并成功应用了我国第一台3.8m×3.8m土压平衡式矩形顶管机；2002年，广东明远重工集团广州管通公司研制并成功应用了一台外径为Ф3.6m的大刀盘电机驱动土压平衡顶管机。

二、大刀盘电机驱动土压平衡顶管机

1、顶管机的结构

大刀盘电机驱动土压平衡顶管机主要由大刀盘、大刀盘驱动装置、前后壳体、止转装置、联接两壳体的纠偏油缸组和铰接密封装置、出土螺旋输送机、纠偏油缸液压动力站和液压管路、润滑油脂泵和油脂输送管路、加泥（水）装置、驱动电机电器柜及顶管操纵台等组成。

2、结构特点

⑴大刀盘无面板，由3～4根辐条或加强杆（圈板）与轴套构成，幅条前面根据不同土质设置不同切削刀头，辐条后面设置数根搅拌棒，能对密封土仓中的切削土进行不断地搅拌，使仓内土体具有很好的塑性、流动性与止水性，使土顺利地排出；刀盘中心有三角鱼尾形切削刀，在辐条上和刀盘中心处设有注浆孔；

⑵大刀盘采用中心支承，无大轴承；

⑶应用国产行星齿轮减速器和离合器的动力传递结构，整个刀盘驱动装置传动效率高、噪声小、发热低、安装和维护简单，工作可靠；

⑷采用电动机驱动、无中心轴的螺旋输送机出土口设在端面，形成较长的土塞，可以输送一定尺寸的石块或砾石；

⑸在前壳体的前半部装有隔仓板（其上设置注浆管和土压计），把前壳体分成密封土仓和动力仓，大刀盘驱动装置设在隔仓板中间，下部安装螺旋输送机；

⑹后壳体的左侧安放纠偏油缸液压动力站、电器柜与润滑油脂泵，右侧安放操纵台；

⑺出洞施工时不需液压动力设备的二次转换工艺，整套设备结构简单、施工方便、可靠性好。

3、顶管机的工作原理

先由工作井中的主顶进油缸推动顶管机前进，同时刀盘旋转切削土体，切削下的土体进入密封土仓与螺旋输送机并被挤压，形成一定的土压；再通过螺旋输送机的旋转，输送出切削的土体。

通过控制螺旋输送机的出土量或顶管机前进速度，来控制密封土仓内的土压力值，使此土压力与切削面前方的静止土压力和地下水压力保持平衡，从而保证开挖面的稳定，防止地面的沉降和隆起。

由于大刀盘无面板，其开口率接近100％，所以在隔仓板上的土压计所测得的土压力就近似于掘削面的土压力。

根据顶管机开挖面的不同地层特性，通过向刀盘正面和土仓内加入清水、粘土（或膨润土）、各种配比与浓度的泥浆或发泡剂等添加材料，使一般难以施工的硬粘土、砂土、含水砂土和砂砾土改变成具有塑性、流动性与止水性的泥状土，不仅能被螺旋输送机顺利排出，还能顶住开挖面上的土压力和地下水压力，保持刀盘前面的土体稳定。

若增加刀盘的驱动动力和变换刀盘体，还能在强风化、中风化砂岩与泥岩中掘进施工。

所以，这种顶管机对土层的适应性强，能用于易坍塌的含水砂层以及混有卵石的砂砾层等各种地层。

4、顶管机的技术参数

表1列出了日本大刀盘电机驱动土压平衡顶管机的技术参数，表2为国内几种典型大刀盘电机驱动土压平衡顶管机的技术参数表。

表1日本大刀盘电机驱动的土压平衡顶管机技术参数

公称

直径

外形尺寸

φD×L

（mm）

全长

L0

（mm）

力矩（kN.m）

 回转数

（r/min）

动力

（kW×set×V）

 纠偏油缸

（kN×st×set）

液压工作站

（kW×V）

螺旋输送机动力

（kW×V）

通过粒径（mm）

排土量

（m3/h）

50Hz

60Hz

50Hz

60Hz

有轴

无轴

50Hz

60Hz

φ1200

1460×2900

3500

91

76

2.40

2.88

7.5×3×400

270×50×8

3.7×400

2.2×3×400

115

200

5.5

6.6

φ1350

1630×2900

3900

133

111

2.19

2.63

7.5×4×400

420×50×8

3.7×400

7.5×400

120

230

7.0

8.5

φ1500

1810×3150

4150

176

147

1.83

2.19

11×3×400

450×50×8

3.7×400

7.5×400

120

230

7.0

8.5

φ1650

1980×3150

4300

234

195

1.83

2.19

11×4×400

550×50×8

3.7×400

11×400

145

260

12.

14.5

φ1800

2150×3150

4000

296

246

1.45

1.74

11×4×400

630×100×8

3.7×400

11×400

145

260

12.0

15.3

φ2000

2375×3150

4150

406

337

1.32

1.59

11×5×400

750×100×8

3.7×400

15×400

175

325

12.7

17.0

φ2200

2610×3180

4250

545

453

1.18

1.42

11×6×400

630×100×12

3.7×400

15×400

175

325

14.0

17.0

φ2400

2840×3180

4300

636

530

1.01

1.21

11×6×400

750×100×12

3.7×400

15×400

175

325

14.0

17.0

φ2600

3070×3180

4300

833

694

0.90

1.10

11×7×400

1000×100×8

5.5×400

18.5×400

175

325

14.0

17.0

φ2800

3300×3180

4600

980

820

0.77

0.92

11×7×400

1000×100×8

5.5×400

18.5×400

175

325

14.0

17.0

表2国内几种典型大刀盘电机驱动土压平衡顶管机的技术参数

项目

1400机型

1650机型

1800机型

2200机型

3000机型

掘进机外径（mm）

1440

2050

2220

2660

3540

刀盘转矩（kN.m）

57.7

131.3

157

267

665.4

刀盘转矩系数

2.1

1.5

1.46

1.45

1.5

刀盘转速（r/min）

3.14

2.9

2.4

1.93

1.95

螺旋输送机外径mm

－

320

400

螺旋输送机输送量（m3/min）

0.067

－

－

－

0.4

纠偏油缸顶力（kN）

390

400

1000

纠偏油缸数量（台）

4

8

8

最大纠偏角（º）

1.5

1.5

2

纠偏灵敏度

0.91

－

－

－

1.26

三、顶管机的应用

1、广东汕头市输水工程

大刀盘电机驱动的土压平衡顶管机顶进一条穿越汕头市主干道（金沙东路）的长为58m、外径为

1400mm的输水钢管。

管道顶进地层为砂土（以中砂为主，还含有一些直径为10~14mm的贝壳），地下水位在地表0.5m以下，管顶覆土厚3.3m，且有较复杂的地下管线要保护。

施工采用了半摇控式Ф1400mm土压平衡顶管机，在13天内完成了58m的顶程，地面沉降量在0~10mm。

2、上海合流污水治理一期工程

在第一台大刀盘电机驱动的Ф1400mm土压平衡顶管机应用成功的基础上，于1994年研制了第二

台大刀盘电机驱动的Ф1650mm土压平衡顶管机。

该机采用定速出土、变速顶进的土压平衡施工技术，应用于上海合流污水治理一期工程2.8标段施工，顶进距离157.8m，安全穿越了简陋房屋，达到了地面沉降小、方向控制好的施工效果。

3、其它工程

相继开发的Ф1800mm、Ф3000mm~Ф2000mm系列大刀盘电机驱动土压平衡顶管机，分别应用于

上海、北京、天津、西安、浙江、江苏、安徽、湖北、河南、广东等地区的市政工程地下管道的施工，顶管机穿过的土层有淤泥、粘土、粉砂土、砂土、砂砾土、强风化砂岩与中风化砂岩。

在某市天然气管道（过黄河）工程中，顶进管道为钢筋混凝土管节，管道内径为1650mm，顶程约320m，管底埋深约20m，穿过地层为泥质砂岩、泥岩。

四、结语

大刀盘电机驱动的土压平衡顶管机在我国得到了较广泛的应用，为充分发挥土压平衡顶管机操作简单、施工方便、土层适应广的优势，在砂土、砂砾土、强风化砂岩或中风化砂岩地层中使用时，应提高顶管机的动力参数、主轴密封的寿命和与砂土接触的结构件（包括刀具）的耐磨性，并保证润滑系统的正常工作；同时，应加强施工管理，完善施工工艺，根据不同土质向刀盘正面和土仓内加入不同配比与浓度的添加材料；还可应用管道泵送输土设备与技术，进一步提高顶管施工效率。

参考文献

1、胡胜利，乔世珊.泥水式盾构机.建筑机械，2000,（4）:

21～25.

2、程骁，潘国庆.盾构施工技术.上海科学技术出版社，1990.

3、上海市政工程志.上海社会科学出版社，1998.

4、上海市政局科技成果汇编.1990～1998.

5、余彬泉.Ф1400DK式掘进机的设计与使用.上海市政工程，1992,（4）:

40～42.

6、顶管机产品样本.日本RASA工业株式会社.

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