大刀盘电机驱动土压平衡顶管机
【提 要】：文章介绍了土压平衡式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
Abstract: The article presents general R&M development procedures for EPB pipe jacking machine, construction features, working principles and application circumstances of cutter disk driven by electric motor in EPB pipe jacking machine.
Keywords: pipe?jacking machine, EPB, cutter disk, electric motor driven.
1 前言
顶管机是一种非开挖施工地下管道(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。顶管掘进机切削刀盘的驱动形式有液压驱动和电机驱动之分。20世纪80年代初，日本开发了大刀盘电机驱动的土压平衡顶管机；我国第一台?1440mm大刀盘电机驱动土压平衡顶管机于1992年由上海研制成功，第二台是?2400mm面板式大刀盘电机驱动土压平衡顶管机，其外径为2900mm；在1994～1998年，上海又先后研制并成功应用了?1650mm、?1800mm、?3000mm(外径3540mm)与?2000mm几台大刀盘电机驱动的土压平衡顶管机；此后，镇江、扬州与湖北等地区的有关厂家也先后研制大刀盘电机驱动的土压平衡顶管机；北京市还把能适应砂砾土层的顶管机研制与应用技术列为北京市科委的科技开发项目，2002年，1台大刀盘电机驱动土压平衡顶管机应用于北京污水处理工程中的顶管施工；2002年末，广东研制并成功应用了1台外径为3600mm的大刀盘电机驱动土压平衡顶管机。目前，大刀盘电机驱动的土压平衡顶管机在我国已成系列，该顶管工法也被评为国家级工法，并得到了广泛的应用。
2 大刀盘电机驱动土压平衡顶管机
2.1 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。
2.2 结构特点
2.2.1 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的搅拌，使仓内土体具有很好的塑性、流动性和止水性，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；
2.2.2 大刀盘采用中心支承，无大轴承；
2.2.3 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；
2.2.4 采用电动机驱动、无中心轴的带式螺旋输送机，其出土口设在端面，能形成较长的土塞，还可以输送一定尺寸的石块和砾石；
2.2.5 顶管机前壳体中装有隔仓板(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，隔仓板下部安装螺旋输送机；
2.2.6 顶管机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，右侧安装操纵台；
2.2.7 该类顶管机在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。图1为大刀盘电机驱动的土压平衡顶管机结构示意图。
2.3 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，同时大刀盘旋转切削土体，切削下的土体进入密封土仓与螺旋输送机中，并被挤压形成具有一定土压的压缩土体；经过螺旋输送机的旋转，输送出切削的土体。密封土仓内的土压力值可通过螺旋输送机的出土量或顶管机的前进速度来控制，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，防止地面的沉降或隆起。
由于大刀盘无面板，其开口率接近100%，所以设在隔仓板上的土压计所测得的土压力值就近似于掘削面的土压力。
根据顶管机开挖面不同地层的特性，通过向刀盘正面和土仓内加入清水、粘土浆(或膨润土浆)、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、流动性和止水性的泥状土，不仅能被螺旋输送机顺利排出，还能顶住开挖面前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，还能在泥岩、强风化与中风化砂岩中掘进施工，也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，这种顶管机对土层的适应性较强。
2.4 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主要技术参数表。
表1 日本大刀盘电机驱动土压平衡顶管机的技术参数
3 顶管机的应用
3.1 广东汕头市输水工程
广东汕头市输水工程中有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。施工采用了半遥控式φ1400mm大刀盘电机驱动土压平衡顶管机(照片1)。
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。在13天内完成了58m的顶程，地面沉降量在0～10mm。
3.2 西安排水顶管工程
西安市有一条雨水截流总管，其中的B标段管道长512m，沿途穿越民房群与城市交通干道，设计纵向坡度7/10000，平均埋深9m，雨水管道采用规格为φ3000mm的钢筋混凝土管，管节长2.5m，施工采用了φ3000mm大刀盘电机驱动土压平衡顶管机，设置两个中继间。由于顶进土层为湿陷性粘土，土中有氧化斑点及贝壳碎片，层间夹砂，具湿陷性，呈硬塑～可塑状，土的粘聚力值高达45～55kPa，为此，除了在刀盘正面与螺旋机上有注水口，还在顶管机土仓的隔板上布置了8个注水孔，并在施工时，根据刀盘驱动电机的电流值，严格控制注水量，以保证湿陷性黄土的承载力。施工中房屋无裂缝，地面交通正常，施工后经测量，整个施工段管位高程、左右偏差均满足设计要求，沿线的地面沉降量小于5mm。
3.3 上海污水治理工程
φ1650mm(照片2)、φ1800mm、φ3000mm(照片3)与φ2000mm几种规格的大刀盘电机驱动土压平衡顶管机，先后应用于上海污水治理工程的顶管施工中，采用定速出土、变速顶进的土压平衡施工技术，安全地穿越了简陋房屋、铁路、交通繁忙的马路、地下管线、河川与堤岸防汛墙等建筑物，达到了地面沉降小、方向控制好的效果。
3.4 广州荔湾湖电力隧道工程
广州荔湾湖φ3000mm电力隧道工程全长400余米，采用外径为3600mm的大刀盘电机驱动土压平衡顶管机(照片4)进行顶进施工，管道覆土4～6m，处于粉细砂土层，地下水位较高。顶管施工从2002年12月初到2003年1月底结束，历时约两个月，安全穿越了黄沙大道、地下管线、荔湾湖与1幢楼房的基础(混凝土灌注桩)。
3.5 在其他工程中的应用
大刀盘电机驱动的土压平衡顶管机还应用于北京、天津、浙江、江苏、安徽、湖北、河南、广东、甘肃等地区的市政工程地下管道的施工。如广东东莞市截污主干管工程中，应用φ2000mm大刀盘电机驱动土压平衡顶管机顶进871m，φ2400mm大刀盘电机驱动土压平衡顶管机顶进400m；在天津市，西横堤顶管工程应用φ1800mm大刀盘电机驱动土压平衡顶管机顶进150m，跃进路顶管工程应用φ2000mm大刀盘电机驱动土压平衡顶管机顶进350m；φ1600mm大刀盘土压平衡顶管机应用于安徽蚌埠治准路污水管网工程，顶进长度740m；φ1650mm大刀盘电机驱动土压平衡顶管机应用于甘肃某市天然气管道过黄河工程中，顶进长度约150m，管底埋深约20m，穿越地层为泥质砂岩、泥岩；郑州市政总公司应用2台φ2600mm大刀盘电机驱动土压平衡顶管机进行顶进施工，累计每台顶管机顶进长度约3km。
4 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、土层适应性强的优势，在砂土、砂砾土或强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，重视与完善施工工艺，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；应用管道泵送设备与技术进行输土，可进一步提高顶管施工效率。
参考文献
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文章出处：《城市交通隧道工程最新技术》
