矩形頂管機(jī)刀盤的設(shè)計(jì)探討

1、<p>　　矩形頂管機(jī)刀盤的設(shè)計(jì)探討</p><p>　　摘要：介紹了矩形頂管機(jī)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(yùn)動(dòng)原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析各種刀盤的優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)各個(gè)刀盤的適用條件，為矩形頂管機(jī)的刀盤設(shè)計(jì)提供參考。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：矩形頂管機(jī)；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(hào): TU47 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： </p><p><

5、b>　　0 引言 </b></p><p>　　隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化進(jìn)程逐漸加快，路面空間越來(lái)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(gè)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(lái)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(jī)械設(shè)備無(wú)法施工。 </p><p>　　矩形頂管機(jī)是矩形隧道的施工機(jī)械，在日本發(fā)展起來(lái)的一種新式頂管機(jī)，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(duì)于圓形管道的優(yōu)點(diǎn)在于大的過(guò)流斷面和少的維修費(fèi)用（見圖1）。 </p><p>　　矩形頂管機(jī)與以前的圓形頂管機(jī)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(jì)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(jìn)技術(shù)。因?yàn)榫匦雾敼軘嗝胬寐蚀?、覆土淺、施工成本相對(duì)低廉等優(yōu)點(diǎn)，加之城市交通過(guò)街人行通道要求埋深淺，此項(xiàng)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(shí)、高效、安全、綜合造價(jià)低等明顯

8、優(yōu)勢(shì)也必然贏得可觀的市場(chǎng)前景。除此之外，也在很大程度上減少了施工過(guò)程中對(duì)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(jī)中主要起到切削泥土，對(duì)切削下來(lái)的泥土進(jìn)行攪拌，將土倉(cāng)內(nèi)的土改良成具有止水性、流動(dòng)性、塑性的三性土，便于螺旋輸送機(jī)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(jì)采用平行雙曲柄機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理，四個(gè)偏心曲軸同步驅(qū)動(dòng)一個(gè)矩形仿形刀盤，刀盤上的各個(gè)刀具繞著以各自支撐圓心點(diǎn)與曲軸回轉(zhuǎn)支撐點(diǎn)之間的距離為半徑作平面圓周運(yùn)動(dòng)，與軸向推進(jìn)的方向合成來(lái)完成全斷面的切削掘

10、進(jìn)。 </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(jī)最前端，置于前端殼體外，與刀盤驅(qū)動(dòng)裝置的軸承支座用高強(qiáng)度螺栓連接，刀盤裝置包括：正面刀具、周邊刀具、長(zhǎng)攪拌棒、短攪拌棒、刀盤盤體，由于采用偏心多軸驅(qū)動(dòng)，使刀盤上的每把刀具以曲軸中心距為半徑作圓周運(yùn)動(dòng)，而刀具本身無(wú)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，與軸向推進(jìn)的方向合成來(lái)完成全斷面的切削掘進(jìn)。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(guò)偏心曲軸與推進(jìn)油缸的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)、頂進(jìn)進(jìn)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(guò)刀盤盤體作為偏心旋轉(zhuǎn)的作用，將正面刀具切削過(guò)程中未能切削掉的土體進(jìn)行補(bǔ)充切削，長(zhǎng)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(guò)刀盤盤體作為偏心旋轉(zhuǎn)的作用，對(duì)刀具切削的土體進(jìn)行攪碎和攪拌土體，以便于螺旋機(jī)出土，刀盤盤體作為偏心旋轉(zhuǎn)的主體位于整個(gè)刀盤的中間，它通過(guò)偏心驅(qū)動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)和推進(jìn)油缸的頂進(jìn)作用，使刀盤進(jìn)

12、行偏心平面運(yùn)動(dòng)和朝前移動(dòng)，帶動(dòng)正面刀具和周邊刀具切削土體，同時(shí)，帶動(dòng)后面的長(zhǎng)短攪拌棒進(jìn)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(bǔ)，來(lái)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(gè)大刀盤在前，4個(gè)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(dá)到80~90%。大小刀盤可以各自控制，同時(shí)旋轉(zhuǎn)對(duì)土體進(jìn)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(gè)刀盤前后交叉布置，臨近兩個(gè)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(dá)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(kuò)大至100%。 </p><p>　　圖46個(gè)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(zhǎng)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(duì)切削下來(lái)的土體進(jìn)行攪拌。 </p><p>　　1.4 OHM工法刀盤 </p><p>　?。╝） OHM工法刀盤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 </p><p>　　（b） OHM工法刀盤軌跡 </p><p>　　圖6OHM刀盤的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)

16、軌跡 </p><p>　　Fig. 4Design of tunnel cross-section </p><p>　　OHM工法是 omnisectional（可以對(duì)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(dòng)，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(yùn)行成正方形的形狀。 </p><p>　　2 各種刀盤方案的優(yōu)缺點(diǎn) </p><p>　　2.1 偏心多軸刀盤的優(yōu)缺點(diǎn) </p><p>　　偏心多軸刀盤利用了鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的工作原理，是一個(gè)平行雙曲柄機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律為刀盤上的各個(gè)點(diǎn)都以各自固定的圓心以曲柄的長(zhǎng)度為半徑進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。 </p><p&

18、gt;　　它的優(yōu)點(diǎn)在于：根據(jù)開挖的截面設(shè)計(jì)出類似的仿形刀盤，附以一定的曲柄長(zhǎng)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(jī)掘進(jìn)時(shí)的頂力；另外它的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑小，驅(qū)動(dòng)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(diǎn)也很明顯，由于各個(gè)點(diǎn)都圍繞各自的圓心做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其上面布置的刀具受到的反力無(wú)法相互抵消，切削反力

19、傳遞給盾體，容易造成對(duì)周邊土體的擾動(dòng)，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(yùn)行軌跡也是以曲柄長(zhǎng)度為半徑的圓，其攪拌范圍相對(duì)于整個(gè)開挖面來(lái)說(shuō)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(duì)盾體的平衡不利。 </p><p>　　2.2 組合刀盤的優(yōu)缺點(diǎn) </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(dòng)方式簡(jiǎn)單可靠，相對(duì)于偏心多軸刀盤，圓形刀盤開挖過(guò)程中，刀盤的切削反力可以相互抵消，因此對(duì)周圍土體的擾動(dòng)小，地面沉降比較容易控制；另其攪拌棒的運(yùn)行半徑要遠(yuǎn)大于偏心多軸刀盤，布置合理的話，幾乎可以覆蓋整個(gè)斷面，土體改良效果好，對(duì)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(chǎng)上6×4米矩形頂管機(jī)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(shí)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(gè)刀盤的開挖范圍都是圓形，因此無(wú)論如何組合，都無(wú)法達(dá)到矩形截面的全斷面開挖，存在在盲區(qū)是其最大的缺點(diǎn)。 </p><p>　　2.3 仿形刀盤的優(yōu)缺點(diǎn) </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(lái)達(dá)到對(duì)矩形斷面的仿形開挖，多用在日系的盾構(gòu)機(jī)上。它的優(yōu)點(diǎn)在于其結(jié)構(gòu)對(duì)稱，受力均勻，對(duì)土體的擾動(dòng)小，有利于機(jī)頭的

22、頂進(jìn)，開挖率可以達(dá)到100%。 </p><p>　　但其傳動(dòng)系統(tǒng)較復(fù)雜，長(zhǎng)距離掘進(jìn)的可靠性受到工作環(huán)境惡劣的制約。另外由于地下掘進(jìn)工程的不可逆性和操作空間的限制，不能不對(duì)掘進(jìn)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(zhǎng)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(jī)的刀盤設(shè)計(jì)各有優(yōu)缺點(diǎn)，在設(shè)計(jì)矩形頂管機(jī)的時(shí)候，要結(jié)合工程周邊情況、項(xiàng)目造價(jià)、覆土深淺、管線情況等綜合考慮。通過(guò)對(duì)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(zhǎng)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(guó)內(nèi)未見運(yùn)用，其性能有待驗(yàn)證。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　[1] 劉平,戴燕超.矩形頂管機(jī)的研究和設(shè)計(jì).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

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