大刀盤電機(jī)驅(qū)動(dòng)土壓平衡頂管機(jī)
【提 要】：文章介紹了土壓平衡式頂管機(jī)的研制發(fā)展概況及大刀盤電機(jī)驅(qū)動(dòng)土壓平衡頂管機(jī)的構(gòu)造特點(diǎn)、工作原理與應(yīng)用情況。
【關(guān)鍵詞】：頂管機(jī)土壓平衡大刀盤電機(jī)驅(qū)動(dòng)
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(jī)是一種非開挖施工地下管道(外徑可達(dá)3.8m)的專用掘進(jìn)機(jī)械設(shè)備，它的形式由手掘式、擠壓式發(fā)展到半機(jī)械式。由于城市建設(shè)的發(fā)展，對(duì)施工周圍的環(huán)境保護(hù)提出了較高的要求，隨著施工經(jīng)驗(yàn)的積累、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與機(jī)電制造水平的提高，使頂管機(jī)的形式向著機(jī)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(jìn)機(jī)型發(fā)展。頂管掘進(jìn)機(jī)切削刀盤的驅(qū)動(dòng)形式有液壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)之分。20世紀(jì)80年代初，日本開發(fā)了大刀盤電機(jī)驅(qū)動(dòng)的土壓平衡頂管機(jī)；我國第一臺(tái)?1440mm大刀盤電機(jī)驅(qū)動(dòng)土壓平衡頂管機(jī)于1992年由上海研制成功，第二臺(tái)是?2400mm面板式大刀盤電機(jī)驅(qū)動(dòng)土壓平衡頂管機(jī)，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(tái)大刀盤電機(jī)驅(qū)動(dòng)的土壓平衡頂管機(jī)；此后，鎮(zhèn)江、揚(yáng)州與湖北等地區(qū)的有關(guān)廠家也先后研制大刀盤電機(jī)驅(qū)動(dòng)的土壓平衡頂管機(jī)；北京市還把能適應(yīng)砂礫土層的頂管機(jī)研制與應(yīng)用技術(shù)列為北京市科委的科技開發(fā)項(xiàng)目，2002年，1臺(tái)大刀盤電機(jī)驅(qū)動(dòng)土壓平衡頂管機(jī)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(tái)外徑為3600mm的大刀盤電機(jī)驅(qū)動(dòng)土壓平衡頂管機(jī)。目前，大刀盤電機(jī)驅(qū)動(dòng)的土壓平衡頂管機(jī)在我國已成系列，該頂管工法也被評(píng)為國家級(jí)工法，并得到了廣泛的應(yīng)用。
2 大刀盤電機(jī)驅(qū)動(dòng)土壓平衡頂管機(jī)
2.1 頂管機(jī)的結(jié)構(gòu)
大刀盤電機(jī)驅(qū)動(dòng)土壓平衡頂管機(jī)主要由大刀盤、大刀盤驅(qū)動(dòng)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(jī)、糾偏油缸液壓動(dòng)力站和液壓管路、潤(rùn)滑油脂泵和油脂輸送管路、加泥(水)裝置、驅(qū)動(dòng)電機(jī)電器柜及頂管操縱臺(tái)等組成。
2.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
2.2.1 大刀盤無面板，由3～4根輻條或加強(qiáng)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(duì)密封土倉中的切削土進(jìn)行不斷的攪拌，使倉內(nèi)土體具有很好的塑性、流動(dòng)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(dòng)力傳遞結(jié)構(gòu)，整個(gè)刀盤驅(qū)動(dòng)裝置傳動(dòng)效率高、噪聲小、發(fā)熱低、安裝和維護(hù)簡(jiǎn)單，工作可靠；
2.2.4 采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、無中心軸的帶式螺旋輸送機(jī)，其出土口設(shè)在端面，能形成較長(zhǎng)的土塞，還可以輸送一定尺寸的石塊和礫石；
2.2.5 頂管機(jī)前殼體中裝有隔倉板(其上設(shè)置注漿管和土壓計(jì))，把前殼體分成密封土倉和動(dòng)力倉，大刀盤驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)在隔倉板中間，隔倉板下部安裝螺旋輸送機(jī)；
2.2.6 頂管機(jī)后殼體的左側(cè)安放糾偏油缸液壓動(dòng)力站、電器柜與潤(rùn)滑油脂泵，右側(cè)安裝操縱臺(tái)；
2.2.7 該類頂管機(jī)在出洞施工時(shí)不需液壓動(dòng)力設(shè)備的二次轉(zhuǎn)換工藝，整套設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便、可靠性好。圖1為大刀盤電機(jī)驅(qū)動(dòng)的土壓平衡頂管機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。
2.3 頂管機(jī)的工作原理
先由工作井中的主頂進(jìn)油缸推動(dòng)頂管機(jī)前進(jìn)，同時(shí)大刀盤旋轉(zhuǎn)切削土體，切削下的土體進(jìn)入密封土倉與螺旋輸送機(jī)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(jī)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(jī)的出土量或頂管機(jī)的前進(jìn)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(jì)所測(cè)得的土壓力值就近似于掘削面的土壓力。
根據(jù)頂管機(jī)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(rùn)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(dòng)性和止水性的泥狀土，不僅能被螺旋輸送機(jī)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(dòng)動(dòng)力和變換刀盤體，還能在泥巖、強(qiáng)風(fēng)化與中風(fēng)化砂巖中掘進(jìn)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(jī)對(duì)土層的適應(yīng)性較強(qiáng)。
2.4 頂管機(jī)的技術(shù)參數(shù)
表1列出了日本大刀盤電機(jī)驅(qū)動(dòng)土壓平衡頂管機(jī)的技術(shù)參數(shù)，表2為國內(nèi)幾種典型大刀盤電機(jī)驅(qū)動(dòng)土壓平衡頂管機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)表。
表1 日本大刀盤電機(jī)驅(qū)動(dòng)土壓平衡頂管機(jī)的技術(shù)參數(shù)
3 頂管機(jī)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(zhǎng)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(jī)驅(qū)動(dòng)土壓平衡頂管機(jī)(照片1)。
管道頂進(jìn)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(hù)。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(biāo)段管道長(zhǎng)512m，沿途穿越民房群與城市交通干道，設(shè)計(jì)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(zhǎng)2.5m，施工采用了φ3000mm大刀盤電機(jī)驅(qū)動(dòng)土壓平衡頂管機(jī)，設(shè)置兩個(gè)中繼間。由于頂進(jìn)土層為濕陷性粘土，土中有氧化斑點(diǎn)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(dá)45～55kPa，為此，除了在刀盤正面與螺旋機(jī)上有注水口，還在頂管機(jī)土倉的隔板上布置了8個(gè)注水孔，并在施工時(shí)，根據(jù)刀盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流值，嚴(yán)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(cè)量，整個(gè)施工段管位高程、左右偏差均滿足設(shè)計(jì)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(jī)驅(qū)動(dòng)土壓平衡頂管機(jī)，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(jìn)的土壓平衡施工技術(shù)，安全地穿越了簡(jiǎn)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(dá)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(zhǎng)400余米，采用外徑為3600mm的大刀盤電機(jī)驅(qū)動(dòng)土壓平衡頂管機(jī)(照片4)進(jìn)行頂進(jìn)施工，管道覆土4～6m，處于粉細(xì)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(shí)約兩個(gè)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(jī)驅(qū)動(dòng)的土壓平衡頂管機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)土壓平衡頂管機(jī)頂進(jìn)871m，φ2400mm大刀盤電機(jī)驅(qū)動(dòng)土壓平衡頂管機(jī)頂進(jìn)400m；在天津市，西橫堤頂管工程應(yīng)用φ1800mm大刀盤電機(jī)驅(qū)動(dòng)土壓平衡頂管機(jī)頂進(jìn)150m，躍進(jìn)路頂管工程應(yīng)用φ2000mm大刀盤電機(jī)驅(qū)動(dòng)土壓平衡頂管機(jī)頂進(jìn)350m；φ1600mm大刀盤土壓平衡頂管機(jī)應(yīng)用于安徽蚌埠治準(zhǔn)路污水管網(wǎng)工程，頂進(jìn)長(zhǎng)度740m；φ1650mm大刀盤電機(jī)驅(qū)動(dòng)土壓平衡頂管機(jī)應(yīng)用于甘肅某市天然氣管道過黃河工程中，頂進(jìn)長(zhǎng)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(tái)φ2600mm大刀盤電機(jī)驅(qū)動(dòng)土壓平衡頂管機(jī)進(jìn)行頂進(jìn)施工，累計(jì)每臺(tái)頂管機(jī)頂進(jìn)長(zhǎng)度約3km。
4 結(jié)語
大刀盤電機(jī)驅(qū)動(dòng)的土壓平衡頂管機(jī)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(jī)操作簡(jiǎn)單、施工方便、土層適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，在砂土、砂礫土或強(qiáng)風(fēng)化砂巖地層中使用時(shí)，應(yīng)提高頂管機(jī)的動(dòng)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(rùn)滑系統(tǒng)的正常工作；同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)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(jìn)行輸土，可進(jìn)一步提高頂管施工效率。
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文章出處：《城市交通隧道工程最新技術(shù)》
