应用于城市地下管廊建设的土压平衡矩形顶管机设计

任亚军

(辽宁装备制造职业技术学院自控学院，辽宁 沈阳 110161)

作者简介：〖HTSS〗任亚军（1983—），女，讲师，硕士，主要研究方向为机械设计制造及其自动化，64495858@qq.com.



摘要：针对目前城市地下管廊工程的建设需求，自主研发设计了10.8m×6.2m土压平衡矩形顶管机，可实现矩形掌子面全断面切削，较传统圆形截面空间利用率可提高20%以上。对该矩形顶管机的设计选型、主要结构、参数及性能进行了论述、计算和分析，并通过有限元分析的方法对主结构进行了强度和刚度校核。

关键词：地下管廊；矩形顶管；土压平衡；全断面切削

中图分类号：TH122   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2019)07-0074-05

城市地下管廊是指在城市地下集中用于敷设电力、通信、广播电视、给水、排水、热力、燃气等市政管线的公共隧道［1］。2014 年以来，国家鼓励地下管廊建设，并在苏州、哈尔滨、沈阳等25 个城市进行试点，推动各大城市探索适合各自发展的新思路和新方法，城市地下管廊建设将成为我国城市基础设施建设的重要内容之一［2］。目前，顶管机已广泛应用于人行地道、地下管廊的建设，其中矩形顶管机最为经济, 因此对矩形顶管机的研究和应用具有重要意义。本文自主研发了一款土压平衡矩形顶管机。

1 土压平衡矩形顶管机整体结构

所谓土压平衡顶管机，实际上就是把顶管机土仓内的土压力控制在顶管机所处土层中的主动土压力和被动土压力之间，这样在整个顶管机施工过程中，顶管机土仓内的土压力与顶管机所处土层中的土压力始终处于一种平衡的状态［3］。10.8m×6.2m土压平衡矩形顶管机主要由主机和推进系统构成，如图1所示。主机部分主要由刀盘切削系统、驱动系统、护盾系统及螺旋排渣系统组成。其中，刀盘切削系统由1个中心大刀盘和4个异形偏心小刀盘组成；驱动系统通过6台132kW电机来驱动中心大刀盘旋转，每个异形小刀盘则由3台30kW电机来驱动回转；护盾系统包括前盾、尾盾、铰接环及铰接油缸；螺旋排渣系统包括2台装机功率为150kW的螺旋输送机。推进系统主要由主推油缸、反力架及管片挡圈构成。施工时，刀盘切削系统对开挖面进行切削，土体通过螺旋输送机运送至渣车上，并转运至地面。推进系统中的主推油缸伸出，待完成一个推进行程后，主推油缸缩回，利用吊车将预制管片敷设至最后一环管片处，准备下一个推进行程。

2 关键部件设计

2.1 刀盘切削系统

刀盘切削系统作为土压平衡顶管机施工中最为关键的系统，其作用是采用切削的形式开挖掌子面土体，并搅拌注入改良浆液后的土体，以改善土体的流塑性，方便排出；此外，刀盘有支撑开挖面的作用，可以减少地表的下沉变形程度。刀盘切削系统结构如图2所示。由于开挖截面为矩形，为满足全断面切削，刀盘设计为一大四小形式，如图2（a）所示。中心大刀盘开挖直径为6 280mm，配有1把中心鱼尾刀、60把刮刀和24把撕裂刀。周边4个偏心小刀盘回转半径为300mm，配有圆柱刀，刀刃镶嵌硬质合金，可大大增加刀具的耐磨性，提高切削效率。刀具切削轨迹如图2（b）所示，矩形顶管机切削面积可达95%，基本实现了全断面切削。

2.2 驱动系统

中心大刀盘驱动系统根据切削扭矩选用6台132kW变频电机，留有10%的功率储备，大刀盘额定转速为1.2r/min，最高转速为3.2r/min，刀盘额定扭矩为5 677kN·m，其结构如图3所示。主轴承密封结构分为内外两层，外层密封为两道四爪密封，内层密封为两道背装式唇形密封。在内外两层密封圈之间需注入压力油脂进行连续的密封润滑，在压力作用下多余的油脂沿密封唇口通过迷宫密封溢出至土仓，将渣土及泥水封堵在主密封的外层，使其不能进入齿轮箱及主轴承处。每个偏心小〖CM(21*2〗刀盘由3台30kW电机驱动，小刀盘额定转速为2.2r/min，额定扭矩为357kN。小刀盘驱动曲轴回转半径为300mm，可满足全断面切削要求。

2.3 护盾系统

矩形顶管机前盾和尾盾钢结构是根据工程中的土压、水压、动载荷及掘进时产生的负载等条件进行针对性设计，其中前盾分为上下两半，如图4（a）所示。装配时，首先通过螺栓把和进行预装配，设备运输到施工现场后，再将螺栓把和面的法兰焊接，以保证结合面的连接强度。前盾承压隔板留有喷水口、泡沫口及添加剂注入口，用于改善土舱内土体流塑性。尾盾为焊接式箱型结构，如图4（b）所示。与前盾通过铰接油缸及铰接环连接，铰接油缸分布如图4（c）所示，行程为200mm，护盾调节范围为水平±1°，竖直±1°。铰接环设有两道密封圈，由集中润滑系统加注油脂，以起到润滑和止水的作用。