矩形頂管機刀盤的設(shè)計探討

1、<p>　　矩形頂管機刀盤的設(shè)計探討</p><p>　　摘要：介紹了矩形頂管機現(xiàn)有的幾種刀盤形式，包括DPLEX偏心多軸刀盤、組合刀盤形式、仿形刀盤和OHM刀盤，根據(jù)各種刀盤的運動原理及結(jié)構(gòu)特點，分析各種刀盤的優(yōu)缺點，總結(jié)各個刀盤的適用條件，為矩形頂管機的刀盤設(shè)計提供參考。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：矩形頂管機；DPLEX偏心多軸；組合刀盤；仿形刀盤；ohm刀盤； <

2、/p><p>　　Abstract: Introduces several kinds of cutter head of the rectangular pipe-jacking machine, including DPLEX cutter head, cutter head combination,copy cutter head and OHM cutter head, by the principle an

3、d structure of the cutter, analysis the advantages and disadvantages of various cutter, summarizes the applicableconditions of each design, which provide the reference for the rectangular pipe jacking machine cutter head

4、’s design. </p><p>　　Key words: rectangular pipe jacking machine; DPLEX; cutter head combination; copy cutter head; ohm cutter head； </p><p>　　中圖分類號: TU47 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號： </p><p><

5、b>　　0 引言 </b></p><p>　　隨著經(jīng)濟的發(fā)展，城市化進程逐漸加快，路面空間越來越小，地下隧道建設(shè)已經(jīng)成為當(dāng)前建筑施工領(lǐng)域的一個新方向。以往的地下隧道多為圓形隧道，主要用于雨水、污水、電力、地鐵等方面，現(xiàn)今隨著車流量的增加，地下人行通道、下穿車行道、等矩形截面的地下隧道需求量越來越大，且該種工程多位于鬧市中心或繁華地段，明挖法受到了很多條件的限制，比如地面有大量的人流、車流，還有

6、高架線路等限制，造成空間不足，機械設(shè)備無法施工。 </p><p>　　矩形頂管機是矩形隧道的施工機械，在日本發(fā)展起來的一種新式頂管機，它可用于建造地鐵車站、地下人行通道及水底隧道旁通道等。矩形管道相對于圓形管道的優(yōu)點在于大的過流斷面和少的維修費用（見圖1）。 </p><p>　　矩形頂管機與以前的圓形頂管機斷面相比，其有效使用面積較之增大20%以上，矩形截面的設(shè)計更符合以后地鐵出入站工

7、程的需要。 </p><p>　　圖1圓形隧道與矩形隧道的比較 </p><p>　　矩形頂管技術(shù)作為圓形頂管施工工藝的延伸，屬于高水平、高技術(shù)含量的隧道掘進技術(shù)。因為矩形頂管斷面利用率大、覆土淺、施工成本相對低廉等優(yōu)點，加之城市交通過街人行通道要求埋深淺，此項技術(shù)將必然在城市交通人行地道、車行地道、地下管線共同溝、引水和排水管道等隧道工程得到廣泛應(yīng)用，其省時、高效、安全、綜合造價低等明顯

8、優(yōu)勢也必然贏得可觀的市場前景。除此之外，也在很大程度上減少了施工過程中對城市環(huán)境以及交通的影響，保證了城市的潔凈舒適。 </p><p>　　在頂管施工中，設(shè)備的選型起到了重要的作用，而設(shè)備的關(guān)鍵在于刀盤。刀盤在頂管機中主要起到切削泥土，對切削下來的泥土進行攪拌，將土倉內(nèi)的土改良成具有止水性、流動性、塑性的三性土，便于螺旋輸送機出渣，形成土壓平衡的支撐面，為后續(xù)盾體及管片提供通道。 </p><

9、;p>　　下面介紹下常用的矩形刀盤形式： </p><p>　　1 矩形頂管刀盤形式 </p><p>　　DPLEX偏心多軸式刀盤 </p><p>　　該種刀盤的設(shè)計采用平行雙曲柄機構(gòu)的運動原理，四個偏心曲軸同步驅(qū)動一個矩形仿形刀盤，刀盤上的各個刀具繞著以各自支撐圓心點與曲軸回轉(zhuǎn)支撐點之間的距離為半徑作平面圓周運動，與軸向推進的方向合成來完成全斷面的切削掘

10、進。 </p><p>　　圖2偏心多軸刀盤的結(jié)構(gòu)形式 </p><p>　　刀盤位于頂管機最前端，置于前端殼體外，與刀盤驅(qū)動裝置的軸承支座用高強度螺栓連接，刀盤裝置包括：正面刀具、周邊刀具、長攪拌棒、短攪拌棒、刀盤盤體，由于采用偏心多軸驅(qū)動，使刀盤上的每把刀具以曲軸中心距為半徑作圓周運動，而刀具本身無旋轉(zhuǎn)運動，與軸向推進的方向合成來完成全斷面的切削掘進。正面刀具作為主要切削裝置位于最前方

11、，采用十字形結(jié)構(gòu)，它通過偏心曲軸與推進油缸的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動、頂進進行土體切削，周邊刀具作為輔助切削裝置位于刀盤的四周側(cè)面上，它通過刀盤盤體作為偏心旋轉(zhuǎn)的作用，將正面刀具切削過程中未能切削掉的土體進行補充切削，長攪拌棒、短攪拌棒作為輔助設(shè)施位于刀盤盤體的最后方，它通過刀盤盤體作為偏心旋轉(zhuǎn)的作用，對刀具切削的土體進行攪碎和攪拌土體，以便于螺旋機出土，刀盤盤體作為偏心旋轉(zhuǎn)的主體位于整個刀盤的中間，它通過偏心驅(qū)動軸的旋轉(zhuǎn)和推進油缸的頂進作用，使刀盤進

12、行偏心平面運動和朝前移動，帶動正面刀具和周邊刀具切削土體，同時，帶動后面的長短攪拌棒進行切削土的攪碎和攪拌。 </p><p>　　1.2 組合刀盤形式 </p><p>　　組合刀盤形式主要依靠前后刀盤開挖面的相互彌補，來盡可能地減少矩形區(qū)域的開挖盲區(qū)。 </p><p>　　常見的刀盤形式有1個大刀盤在前，4個小刀盤在后布置，大刀盤的開挖直徑略大于矩形開挖面的高

13、度，小刀盤的開挖直徑與管片的圓角外徑相同，其開挖率可以達到80~90%。大小刀盤可以各自控制，同時旋轉(zhuǎn)對土體進行切削、攪拌。 </p><p>　　圖3一大四小刀盤的結(jié)構(gòu)形式 </p><p>　　另外一種刀盤形式為六個刀盤前后交叉布置，臨近兩個刀盤之間保持一定的間隙，不發(fā)生相互干擾，刀盤開挖直徑比盾體高度方向的一半略大，這種刀盤布置形式開挖率可以達到90%左右，另在盾體的四周裝上特致的固

14、定刀具，可將開挖率擴大至100%。 </p><p>　　圖46個小刀盤交叉布置的結(jié)構(gòu)形式 </p><p>　　1.3仿形刀盤形式 </p><p>　　圖5仿形刀盤結(jié)構(gòu)形式 </p><p>　　仿形刀盤的工作原理為：利用控制理論，使刀盤的超挖刀在指定區(qū)域里伸出特定的長度，仿出正方形的形狀。 </p><p>　　

15、其結(jié)構(gòu)多采用圓形刀盤的輻條式結(jié)構(gòu)，在輻條的末端安裝有超挖刀，液壓油缸放置在輻條結(jié)構(gòu)內(nèi)，輻條后部不同半徑上布置有攪拌棒，對切削下來的土體進行攪拌。 </p><p>　　1.4 OHM工法刀盤 </p><p>　?。╝） OHM工法刀盤結(jié)構(gòu)簡圖 </p><p>　　（b） OHM工法刀盤軌跡 </p><p>　　圖6OHM刀盤的結(jié)構(gòu)及運動

16、軌跡 </p><p>　　Fig. 4Design of tunnel cross-section </p><p>　　OHM工法是 omnisectional（可以對付所有斷面），Hedge（圍攏）tunnelingMethod的略稱，是可作四方形形狀掘削的盾構(gòu)工法，一面由3根輻條組成的切削器裝置作旋轉(zhuǎn)，一面使切削整體按照所規(guī)定量的有限偏心，用3倍的速度與切削器旋轉(zhuǎn)的相反方向轉(zhuǎn)動，切

17、削器（輻條形狀）的旋轉(zhuǎn)軌跡遵循勒洛三角形理論，可以運行成正方形的形狀。 </p><p>　　2 各種刀盤方案的優(yōu)缺點 </p><p>　　2.1 偏心多軸刀盤的優(yōu)缺點 </p><p>　　偏心多軸刀盤利用了鉸鏈四桿機構(gòu)的工作原理，是一個平行雙曲柄機構(gòu)，其運動規(guī)律為刀盤上的各個點都以各自固定的圓心以曲柄的長度為半徑進行旋轉(zhuǎn)。 </p><p&

18、gt;　　它的優(yōu)點在于：根據(jù)開挖的截面設(shè)計出類似的仿形刀盤，附以一定的曲柄長度，即可做到全斷面開挖，不存在切削的盲區(qū)，可以大大減少頂管機掘進時的頂力；另外它的轉(zhuǎn)動半徑小，驅(qū)動所需的扭矩也小，大約是圓形刀盤的1/2；它采用了十字刀頭，每把刀的切削路徑都很相似，刀具的切削量和磨損量比較均勻。 </p><p>　　它的缺點也很明顯，由于各個點都圍繞各自的圓心做旋轉(zhuǎn)運動，其上面布置的刀具受到的反力無法相互抵消，切削反力

19、傳遞給盾體，容易造成對周邊土體的擾動，如果控制不好的話，極易造成開挖的沉降量超標(biāo)；另外其后部的攪拌棒的運行軌跡也是以曲柄長度為半徑的圓，其攪拌范圍相對于整個開挖面來說極其有限，布置數(shù)量少的話起不到改良土體的作用，布置數(shù)量多的話將大大增加刀盤的扭矩，且形成反作用力對盾體的平衡不利。 </p><p>　　2.2 組合刀盤的優(yōu)缺點 </p><p>　　組合刀盤的結(jié)構(gòu)形式利用了圓形刀盤的切削區(qū)

20、域前后交叉，驅(qū)動方式簡單可靠，相對于偏心多軸刀盤，圓形刀盤開挖過程中，刀盤的切削反力可以相互抵消，因此對周圍土體的擾動小，地面沉降比較容易控制；另其攪拌棒的運行半徑要遠大于偏心多軸刀盤，布置合理的話，幾乎可以覆蓋整個斷面，土體改良效果好，對于土壓平衡的形成有利，也更有利于地面沉降的控制，目前市場上6×4米矩形頂管機采用一大四小的刀盤組合形式或六刀盤組合形式的刀盤，在實際施工中，其地面沉降量可以控制+1cm---3cm之間。 &

21、lt;/p><p>　　但其每個刀盤的開挖范圍都是圓形，因此無論如何組合，都無法達到矩形截面的全斷面開挖，存在在盲區(qū)是其最大的缺點。 </p><p>　　2.3 仿形刀盤的優(yōu)缺點 </p><p>　　仿形刀盤形式主要用于日本的隧道開挖技術(shù)，它是基于控制理論來達到對矩形斷面的仿形開挖，多用在日系的盾構(gòu)機上。它的優(yōu)點在于其結(jié)構(gòu)對稱，受力均勻，對土體的擾動小，有利于機頭的

22、頂進，開挖率可以達到100%。 </p><p>　　但其傳動系統(tǒng)較復(fù)雜，長距離掘進的可靠性受到工作環(huán)境惡劣的制約。另外由于地下掘進工程的不可逆性和操作空間的限制，不能不對掘進設(shè)備的可靠性提出苛刻的要求。而且該種刀盤形式只適應(yīng)正方形斷面。應(yīng)用于矩形斷面，必須依靠搭配組成一定長寬比的矩形。 </p><p><b>　　3 結(jié)論與討論 </b></p>&

23、lt;p>　　上述幾種矩形頂管機的刀盤設(shè)計各有優(yōu)缺點，在設(shè)計矩形頂管機的時候，要結(jié)合工程周邊情況、項目造價、覆土深淺、管線情況等綜合考慮。通過對比得出以下結(jié)論： </p><p>　　1、偏心多軸刀盤適用于隧道埋深較大，隧道上部管線較少，隧道之間的間距較小的工程； </p><p>　　2、組合刀盤形式適用于隧道長寬比大約在3:2、管線情況較復(fù)雜、沉降量要求控制嚴(yán)格的隧道工程； &l

24、t;/p><p>　　3、仿形刀盤以及OHM工法刀盤在國內(nèi)未見運用，其性能有待驗證。 </p><p><b>　　參考文獻： </b></p><p>　　[1] 劉平,戴燕超.矩形頂管機的研究和設(shè)計.市政技術(shù).2005,(3):92～95. </p><p>　　[2] 呂建中，石元奇，樓如岳.大斷面矩形隧道偏心多軸頂管

25、機的設(shè)計和應(yīng)用.上海建設(shè)科技.2004，（2）:16～18. </p><p>　　[3] 邢蘇寧.矩形箱涵頂管掘進機刀盤仿形組合形式的研究.地質(zhì)裝備.2007，（8）:17～19. </p><p>　　[4] 葛金科，沈水龍，許燁霜.現(xiàn)代頂管施工技術(shù)及工程案例.中國建筑工業(yè)出版社.2009，200～211. </p><p>　　[5] 江中孚譯.多樣化盾構(gòu)掘進