大刀盤電機驅動土壓平衡頂管機
【提 要】：文章介紹了土壓平衡式頂管機的研制發展概況及大刀盤電機驅動土壓平衡頂管機的構造特點、工作原理與應用情況。
【關鍵詞】：頂管機土壓平衡大刀盤電機驅動
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)的專用掘進機械設備，它的形式由手掘式、擠壓式發展到半機械式。由于城市建設的發展，對施工周圍的環境保護提出了較高的要求，隨著施工經驗的積累、科學技術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切削式、泥水平衡式、土壓平衡式以及能適應軟硬土層的先進機型發展。頂管掘進機切削刀盤的驅動形式有液壓驅動和電機驅動之分。20世紀80年代初，日本開發了大刀盤電機驅動的土壓平衡頂管機；我國第一臺?1440mm大刀盤電機驅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用了?1650mm、?1800mm、?3000mm(外徑3540mm)與?2000mm幾臺大刀盤電機驅動的土壓平衡頂管機；此后，鎮江、揚州與湖北等地區的有關廠家也先后研制大刀盤電機驅動的土壓平衡頂管機；北京市還把能適應砂礫土層的頂管機研制與應用技術列為北京市科委的科技開發項目，2002年，1臺大刀盤電機驅動土壓平衡頂管機應用于北京污水處理工程中的頂管施工；2002年末，廣東研制并成功應用了1臺外徑為3600mm的大刀盤電機驅動土壓平衡頂管機。目前，大刀盤電機驅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，并得到了廣泛的應用。
2 大刀盤電機驅動土壓平衡頂管機
2.1 頂管機的結構
大刀盤電機驅動土壓平衡頂管機主要由大刀盤、大刀盤驅動裝置、前后殼體、止轉裝置、聯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、驅動電機電器柜及頂管操縱臺等組成。
2.2 結構特點
2.2.1 大刀盤無面板，由3～4根輻條或加強桿(圈板)與軸套構成，幅條前面根據不同土質設置不同切削刀頭，輻條后面設置數根攪拌棒，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有注漿孔；
2.2.2 大刀盤采用中心支承，無大軸承；
2.2.3 應用國產行星齒輪減速器和離合器的動力傳遞結構，整個刀盤驅動裝置傳動效率高、噪聲小、發熱低、安裝和維護簡單，工作可靠；
2.2.4 采用電動機驅動、無中心軸的帶式螺旋輸送機，其出土口設在端面，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，大刀盤驅動裝置設在隔倉板中間，隔倉板下部安裝螺旋輸送機；
2.2.6 頂管機后殼體的左側安放糾偏油缸液壓動力站、電器柜與潤滑油脂泵，右側安裝操縱臺；
2.2.7 該類頂管機在出洞施工時不需液壓動力設備的二次轉換工藝，整套設備結構簡單、施工方便、可靠性好。圖1為大刀盤電機驅動的土壓平衡頂管機結構示意圖。
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；經過螺旋輸送機的旋轉，輸送出切削的土體。密封土倉內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。
根據頂管機開挖面不同地層的特性，通過向刀盤正面和土倉內加入清水、粘土漿(或膨潤土漿)、各種配比與濃度的泥漿或發泡劑等添加材料，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定。
若增加刀盤的驅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性較強。
2.4 頂管機的技術參數
表1列出了日本大刀盤電機驅動土壓平衡頂管機的技術參數，表2為國內幾種典型大刀盤電機驅動土壓平衡頂管機的主要技術參數表。
表1 日本大刀盤電機驅動土壓平衡頂管機的技術參數
3 頂管機的應用
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，且有較復雜的地下管線要保護。在13天內完成了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，設計縱向坡度7/10000，平均埋深9m，雨水管道采用規格為φ3000mm的鋼筋混凝土管，管節長2.5m，施工采用了φ3000mm大刀盤電機驅動土壓平衡頂管機，設置兩個中繼間。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，根據刀盤驅動電機的電流值，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，施工后經測量，整個施工段管位高程、左右偏差均滿足設計要求，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幾種規格的大刀盤電機驅動土壓平衡頂管機，先后應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，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(混凝土灌注樁)。
3.5 在其他工程中的應用
大刀盤電機驅動的土壓平衡頂管機還應用于北京、天津、浙江、江蘇、安徽、湖北、河南、廣東、甘肅等地區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，應用φ2000mm大刀盤電機驅動土壓平衡頂管機頂進871m，φ2400mm大刀盤電機驅動土壓平衡頂管機頂進400m；在天津市，西橫堤頂管工程應用φ1800mm大刀盤電機驅動土壓平衡頂管機頂進150m，躍進路頂管工程應用φ2000mm大刀盤電機驅動土壓平衡頂管機頂進350m；φ1600mm大刀盤土壓平衡頂管機應用于安徽蚌埠治準路污水管網工程，頂進長度740m；φ1650mm大刀盤電機驅動土壓平衡頂管機應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，穿越地層為泥質砂巖、泥巖；鄭州市政總公司應用2臺φ2600mm大刀盤電機驅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 結語
大刀盤電機驅動的土壓平衡頂管機在我國得到了較廣泛的應用，為充分發揮土壓平衡頂管機操作簡單、施工方便、土層適應性強的優勢，在砂土、砂礫土或強風化砂巖地層中使用時，應提高頂管機的動力參數、主軸密封的壽命和與砂土接觸的結構件(包括刀具)的耐磨性，并保證潤滑系統的正常工作；同時，應加強施工管理，重視與完善施工工藝，根據不同土質向刀盤正面和土倉內加入不同配比與濃度的添加材料；應用管道泵送設備與技術進行輸土，可進一步提高頂管施工效率。
參考文獻
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文章出處：《城市交通隧道工程最新技術》
