大刀盤電機驅(qū)動土壓平衡頂管機

【提 要】：文章介紹了土壓平衡式頂管機的研制發(fā)展概況及大刀盤電機驅(qū)動土壓平衡頂管機的構(gòu)造特點、工作原理與應(yīng)用情況。
【關(guān)鍵詞】：頂管機土壓平衡大刀盤電機驅(qū)動

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
頂管機是一種非開挖施工地下管道(外徑可達3.8m)的專用掘進機械設(shè)備，它的形式由手掘式、擠壓式發(fā)展到半機械式。由于城市建設(shè)的發(fā)展，對施工周圍的環(huán)境保護提出了較高的要求，隨著施工經(jīng)驗的積累、科學技術(shù)的進步與機電制造水平的提高，使頂管機的形式向著機械旋轉(zhuǎn)切削式、泥水平衡式、土壓平衡式以及能適應(yīng)軟硬土層的先進機型發(fā)展。頂管掘進機切削刀盤的驅(qū)動形式有液壓驅(qū)動和電機驅(qū)動之分。20世紀80年代初，日本開發(fā)了大刀盤電機驅(qū)動的土壓平衡頂管機；我國第一臺?1440mm大刀盤電機驅(qū)動土壓平衡頂管機于1992年由上海研制成功，第二臺是?2400mm面板式大刀盤電機驅(qū)動土壓平衡頂管機，其外徑為2900mm；在1994～1998年，上海又先后研制并成功應(yīng)用了?1650mm、?1800mm、?3000mm(外徑3540mm)與?2000mm幾臺大刀盤電機驅(qū)動的土壓平衡頂管機；此后，鎮(zhèn)江、揚州與湖北等地區(qū)的有關(guān)廠家也先后研制大刀盤電機驅(qū)動的土壓平衡頂管機；北京市還把能適應(yīng)砂礫土層的頂管機研制與應(yīng)用技術(shù)列為北京市科委的科技開發(fā)項目，2002年，1臺大刀盤電機驅(qū)動土壓平衡頂管機應(yīng)用于北京污水處理工程中的頂管施工；2002年末，廣東研制并成功應(yīng)用了1臺外徑為3600mm的大刀盤電機驅(qū)動土壓平衡頂管機。目前，大刀盤電機驅(qū)動的土壓平衡頂管機在我國已成系列，該頂管工法也被評為國家級工法，并得到了廣泛的應(yīng)用。

2 大刀盤電機驅(qū)動土壓平衡頂管機
2.1 頂管機的結(jié)構(gòu)
大刀盤電機驅(qū)動土壓平衡頂管機主要由大刀盤、大刀盤驅(qū)動裝置、前后殼體、止轉(zhuǎn)裝置、聯(lián)接兩殼體的糾偏油缸組和鉸接密封裝置、出土螺旋輸送機、糾偏油缸液壓動力站和液壓管路、潤滑油脂泵和油脂輸送管路、加泥(水)裝置、驅(qū)動電機電器柜及頂管操縱臺等組成。
2.2 結(jié)構(gòu)特點
2.2.1 大刀盤無面板，由3～4根輻條或加強桿(圈板)與軸套構(gòu)成，幅條前面根據(jù)不同土質(zhì)設(shè)置不同切削刀頭，輻條后面設(shè)置數(shù)根攪拌棒，能對密封土倉中的切削土進行不斷的攪拌，使倉內(nèi)土體具有很好的塑性、流動性和止水性，使土順利地排出；刀盤中心有三角魚尾形切削刀，在輻條上和刀盤中心處設(shè)有注漿孔；
2.2.2 大刀盤采用中心支承，無大軸承；
2.2.3 應(yīng)用國產(chǎn)行星齒輪減速器和離合器的動力傳遞結(jié)構(gòu)，整個刀盤驅(qū)動裝置傳動效率高、噪聲小、發(fā)熱低、安裝和維護簡單，工作可靠；
2.2.4 采用電動機驅(qū)動、無中心軸的帶式螺旋輸送機，其出土口設(shè)在端面，能形成較長的土塞，還可以輸送一定尺寸的石塊和礫石；
2.2.5 頂管機前殼體中裝有隔倉板(其上設(shè)置注漿管和土壓計)，把前殼體分成密封土倉和動力倉，大刀盤驅(qū)動裝置設(shè)在隔倉板中間，隔倉板下部安裝螺旋輸送機；
2.2.6 頂管機后殼體的左側(cè)安放糾偏油缸液壓動力站、電器柜與潤滑油脂泵，右側(cè)安裝操縱臺；
2.2.7 該類頂管機在出洞施工時不需液壓動力設(shè)備的二次轉(zhuǎn)換工藝，整套設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、可靠性好。圖1為大刀盤電機驅(qū)動的土壓平衡頂管機結(jié)構(gòu)示意圖。

2.3 頂管機的工作原理
先由工作井中的主頂進油缸推動頂管機前進，同時大刀盤旋轉(zhuǎn)切削土體，切削下的土體進入密封土倉與螺旋輸送機中，并被擠壓形成具有一定土壓的壓縮土體；經(jīng)過螺旋輸送機的旋轉(zhuǎn)，輸送出切削的土體。密封土倉內(nèi)的土壓力值可通過螺旋輸送機的出土量或頂管機的前進速度來控制，使此土壓力與切削面前方的靜止土壓力和地下水壓力保持平衡，從而保證開挖面的穩(wěn)定，防止地面的沉降或隆起。
由于大刀盤無面板，其開口率接近100%，所以設(shè)在隔倉板上的土壓計所測得的土壓力值就近似于掘削面的土壓力。
根據(jù)頂管機開挖面不同地層的特性，通過向刀盤正面和土倉內(nèi)加入清水、粘土漿(或膨潤土漿)、各種配比與濃度的泥漿或發(fā)泡劑等添加材料，使一般難以施工的硬粘土、砂土、含水砂土和砂礫土改變成具有塑性、流動性和止水性的泥狀土，不僅能被螺旋輸送機順利排出，還能頂住開挖面前的土壓力和地下水壓力，保持刀盤前面的土體穩(wěn)定。
若增加刀盤的驅(qū)動動力和變換刀盤體，還能在泥巖、強風化與中風化砂巖中掘進施工，也能用于易坍塌的含水砂層以及混有卵石的砂礫層等各種地層，這種頂管機對土層的適應(yīng)性較強。
2.4 頂管機的技術(shù)參數(shù)
表1列出了日本大刀盤電機驅(qū)動土壓平衡頂管機的技術(shù)參數(shù)，表2為國內(nèi)幾種典型大刀盤電機驅(qū)動土壓平衡頂管機的主要技術(shù)參數(shù)表。
表1 日本大刀盤電機驅(qū)動土壓平衡頂管機的技術(shù)參數(shù)

3 頂管機的應(yīng)用
3.1 廣東汕頭市輸水工程
廣東汕頭市輸水工程中有一條穿越汕頭市主干道(金沙東路)的長為58m、外徑為1400mm的輸水鋼管。施工采用了半遙控式φ1400mm大刀盤電機驅(qū)動土壓平衡頂管機(照片1)。

管道頂進地層為砂土(以中砂為主，還含有一些直徑為10～14mm的貝殼)，地下水位在地表0.5m以下，管頂覆土厚3.3m，且有較復(fù)雜的地下管線要保護。在13天內(nèi)完成了58m的頂程，地面沉降量在0～10mm。
3.2 西安排水頂管工程
西安市有一條雨水截流總管，其中的B標段管道長512m，沿途穿越民房群與城市交通干道，設(shè)計縱向坡度7/10000，平均埋深9m，雨水管道采用規(guī)格為φ3000mm的鋼筋混凝土管，管節(jié)長2.5m，施工采用了φ3000mm大刀盤電機驅(qū)動土壓平衡頂管機，設(shè)置兩個中繼間。由于頂進土層為濕陷性粘土，土中有氧化斑點及貝殼碎片，層間夾砂，具濕陷性，呈硬塑～可塑狀，土的粘聚力值高達45～55kPa，為此，除了在刀盤正面與螺旋機上有注水口，還在頂管機土倉的隔板上布置了8個注水孔，并在施工時，根據(jù)刀盤驅(qū)動電機的電流值，嚴格控制注水量，以保證濕陷性黃土的承載力。施工中房屋無裂縫，地面交通正常，施工后經(jīng)測量，整個施工段管位高程、左右偏差均滿足設(shè)計要求，沿線的地面沉降量小于5mm。
3.3 上海污水治理工程
φ1650mm(照片2)、φ1800mm、φ3000mm(照片3)與φ2000mm幾種規(guī)格的大刀盤電機驅(qū)動土壓平衡頂管機，先后應(yīng)用于上海污水治理工程的頂管施工中，采用定速出土、變速頂進的土壓平衡施工技術(shù)，安全地穿越了簡陋房屋、鐵路、交通繁忙的馬路、地下管線、河川與堤岸防汛墻等建筑物，達到了地面沉降小、方向控制好的效果。
3.4 廣州荔灣湖電力隧道工程
廣州荔灣湖φ3000mm電力隧道工程全長400余米，采用外徑為3600mm的大刀盤電機驅(qū)動土壓平衡頂管機(照片4)進行頂進施工，管道覆土4～6m，處于粉細砂土層，地下水位較高。頂管施工從2002年12月初到2003年1月底結(jié)束，歷時約兩個月，安全穿越了黃沙大道、地下管線、荔灣湖與1幢樓房的基礎(chǔ)(混凝土灌注樁)。

3.5 在其他工程中的應(yīng)用
大刀盤電機驅(qū)動的土壓平衡頂管機還應(yīng)用于北京、天津、浙江、江蘇、安徽、湖北、河南、廣東、甘肅等地區(qū)的市政工程地下管道的施工。如廣東東莞市截污主干管工程中，應(yīng)用φ2000mm大刀盤電機驅(qū)動土壓平衡頂管機頂進871m，φ2400mm大刀盤電機驅(qū)動土壓平衡頂管機頂進400m；在天津市，西橫堤頂管工程應(yīng)用φ1800mm大刀盤電機驅(qū)動土壓平衡頂管機頂進150m，躍進路頂管工程應(yīng)用φ2000mm大刀盤電機驅(qū)動土壓平衡頂管機頂進350m；φ1600mm大刀盤土壓平衡頂管機應(yīng)用于安徽蚌埠治準路污水管網(wǎng)工程，頂進長度740m；φ1650mm大刀盤電機驅(qū)動土壓平衡頂管機應(yīng)用于甘肅某市天然氣管道過黃河工程中，頂進長度約150m，管底埋深約20m，穿越地層為泥質(zhì)砂巖、泥巖；鄭州市政總公司應(yīng)用2臺φ2600mm大刀盤電機驅(qū)動土壓平衡頂管機進行頂進施工，累計每臺頂管機頂進長度約3km。

4 結(jié)語
大刀盤電機驅(qū)動的土壓平衡頂管機在我國得到了較廣泛的應(yīng)用，為充分發(fā)揮土壓平衡頂管機操作簡單、施工方便、土層適應(yīng)性強的優(yōu)勢，在砂土、砂礫土或強風化砂巖地層中使用時，應(yīng)提高頂管機的動力參數(shù)、主軸密封的壽命和與砂土接觸的結(jié)構(gòu)件(包括刀具)的耐磨性，并保證潤滑系統(tǒng)的正常工作；同時，應(yīng)加強施工管理，重視與完善施工工藝，根據(jù)不同土質(zhì)向刀盤正面和土倉內(nèi)加入不同配比與濃度的添加材料；應(yīng)用管道泵送設(shè)備與技術(shù)進行輸土，可進一步提高頂管施工效率。
參考文獻
［1］ 程驍，潘國慶.盾構(gòu)施工技術(shù).上海：上?？茖W技術(shù)出版社，1990
［2］ 上海市政工程志.上海：上海社會科學出版社，1998
［3］ 余彬泉. φ1400DK式掘進機的設(shè)計與使用.上海市政工程，1992(4)
［4］ 靳菊紅等.DK3000型土壓平衡掘進機在濕陷性黃土地區(qū)的應(yīng)用.建筑機械與施工機械化.2002(6)
［5］ 樂貴平等.鉆爆-頂管復(fù)合法隧道施工技術(shù).市政技術(shù)，2003(1)
［6］ DK式土壓平衡頂管工法.土木建筑國家級工法匯編.北京：中國計劃出版社.2002

文章出處：《城市交通隧道工程最新技術(shù)》