當(dāng)前，大多數(shù)頂管機(jī)僅適用于砂土、粘土、淤泥質(zhì)土、粉土等軟土地層，對(duì)于軟、硬巖交替出現(xiàn)的復(fù)雜地層還不具有普適性，在常規(guī)驅(qū)動(dòng)方式（電機(jī)驅(qū)動(dòng)）下，容易造成頂管機(jī)刀盤(pán)出現(xiàn)超扭矩或者卡滯現(xiàn)象，為了有效解決這一問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)一種能適應(yīng)復(fù)合地層施工的頂管機(jī)械設(shè)備。

工程概況

某城區(qū)道路淹水點(diǎn)整治工程為新建污水管道2.77km，主干管道管徑大小為2600~2800mm，管道埋深為12~17m，管道埋深部分地層主要以紅粘土和石灰?guī)r為主的軟硬交互巖層。管道沿線地下水主要以孔隙潛水和基巖裂隙水為主，采用DN2800泥水平衡頂管法進(jìn)行設(shè)計(jì)施工。

頂管機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)

DN2800型泥水平衡頂管機(jī)可針對(duì)不同地層，實(shí)現(xiàn)泥水平衡掘進(jìn)或者氣墊輔助泥水平衡掘進(jìn)兩種模式。該型號(hào)頂管機(jī)采用復(fù)合式的刀盤(pán)設(shè)計(jì)，并將剪切破碎裝置、泥水（氣墊）雙倉(cāng)結(jié)構(gòu)、***泥水沖刷系統(tǒng)等應(yīng)用到頂管機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，使得該型號(hào)頂管機(jī)適用于軟土、軟巖、硬巖以及軟硬巖交替地層的管道施工。

DN2800泥水平衡頂管機(jī)主要工作原理如下：

主頂進(jìn)油缸推動(dòng)頂管機(jī)向前移動(dòng)，同時(shí)液壓馬達(dá)中心帶動(dòng)頂管機(jī)復(fù)合刀盤(pán)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)切削；將滾刀一次破碎和錐板二次破碎后的渣土積聚到泥水倉(cāng)和排渣管道中；隨著倉(cāng)內(nèi)壓力的逐漸增大，可開(kāi)啟排漿泵并進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)整，將倉(cāng)內(nèi)壓力調(diào)整至設(shè)定值范圍之內(nèi)；開(kāi)挖過(guò)程中要保證排漿泵輸出量與進(jìn)漿泵流入的土渣總量相平衡，從而保持掌子面和周圍巖體受力平衡；開(kāi)挖過(guò)程中主要依靠激光導(dǎo)向系統(tǒng)實(shí)行掘進(jìn)軌跡和方向的監(jiān)測(cè)控制。DN2800泥水平衡頂管機(jī)液壓系統(tǒng)原理如下圖所示。

刀盤(pán)中心驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)

軟硬巖交替復(fù)合地層頂管施工過(guò)程中，會(huì)造成土倉(cāng)對(duì)刀盤(pán)的負(fù)載不均勻，從而在刀盤(pán)上形成較大的扭矩，使得刀盤(pán)容易發(fā)生振動(dòng)或者卡滯，因而要求刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)具有較好的抗沖擊和脫困能力。對(duì)頂管機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了針對(duì)性設(shè)計(jì)：刀盤(pán)采用閉式液壓驅(qū)動(dòng)方式，并根據(jù)刀盤(pán)轉(zhuǎn)速將其分為高速、低速和脫困三種模式，具體參數(shù)見(jiàn)下表；為了承受大扭矩和瞬時(shí)沖擊，采用三排滾子主軸承進(jìn)行支撐；為了提升掘進(jìn)過(guò)程中的可靠性，采用四道主密封。

刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)設(shè)計(jì)選型

在脫困模式下，刀盤(pán)***大設(shè)計(jì)扭矩為900kN·m，對(duì)應(yīng)的馬達(dá)輸出扭矩為38016N·m，排量為8425.53mL/r；在高速模式下，刀盤(pán)***大扭矩為400kN·m，對(duì)應(yīng)的馬達(dá)輸出扭矩為16896N·m，排量為3744.68mL/r。在高速模式和脫困模式下，存在較大的扭矩差和排量差，經(jīng)綜合評(píng)估，***終決定選用一臺(tái)具有兩種排量規(guī)格的低速大扭矩Hagglunds馬達(dá)。該馬達(dá)在一擋時(shí)的排量為8800mL/r，可用于低速和脫困模式，在二擋時(shí)的排量為4400mL/r，可用于高速模式。

刀盤(pán)液壓泵設(shè)計(jì)選型

在高速模式下，刀盤(pán)***大轉(zhuǎn)速為6r/min，馬達(dá)排量為4400mL/r，此時(shí)液壓泵需提供的流量為728.9L/min。在低速模式下，刀盤(pán)***大轉(zhuǎn)速為2.9r/min，馬達(dá)排量為8800mL/r，此時(shí)液壓泵需提供的流量為704.9L/min。因此，液壓泵系統(tǒng)需要輸出的***大流量為728.9L/min（489mL/r），對(duì)應(yīng)的***高壓力值為31.5MPa。經(jīng)綜合評(píng)估，選用2臺(tái)250mL/r的轉(zhuǎn)塞泵進(jìn)行串聯(lián)連接，同時(shí)采用力士樂(lè)A4VG柱塞泵（額定壓力為40MPa）作為主泵給系統(tǒng)提供高壓油。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)分析

管道所處地層為紅粘土軟巖和石灰?guī)r硬巖交替巖層，利用DN2800型泥水平衡頂管機(jī)在軟巖和硬巖地層兩種工況下分別進(jìn)行掘進(jìn)試驗(yàn)，并采集頂管機(jī)刀盤(pán)相關(guān)運(yùn)行參數(shù)，以驗(yàn)證刀盤(pán)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)也可為后續(xù)頂管機(jī)液壓系統(tǒng)的持續(xù)改進(jìn)提供理論依據(jù)。

軟巖地層

軟巖地層選用掘進(jìn)樁號(hào)為49~53.5m的紅粘土進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)下圖。從圖中可以看到：在紅粘土軟巖地層下，頂管機(jī)刀盤(pán)轉(zhuǎn)速較低，扭矩較大，***大轉(zhuǎn)速和***小轉(zhuǎn)速分別為2.1r/min和1.8r/min，***大扭矩和***小扭矩分別為448kN·m和354kN·m，整體上扭矩和轉(zhuǎn)速均控制在合理范圍內(nèi)。此時(shí)頂管機(jī)處于低速擋，符合刀盤(pán)在軟巖地層中施工狀態(tài)，同時(shí)在軟巖地層施工過(guò)程中，液壓油溫穩(wěn)定在47℃左右，表明液壓系統(tǒng)工作狀態(tài)比較平穩(wěn)。

軟巖地層刀盤(pán)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)

硬巖地層

硬巖地層選用掘進(jìn)樁號(hào)為86.5~91m的石灰?guī)r進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)下圖。從圖中可以看到：在石灰?guī)r硬巖地層下，頂管機(jī)刀盤(pán)轉(zhuǎn)速較高，扭矩較低，***大轉(zhuǎn)速和***小轉(zhuǎn)速分別為5.2r/min和4.4r/min，***大扭矩和***小扭矩分別為352kN·m和111.9kN·m，整體上扭矩和轉(zhuǎn)速均控制在合理范圍內(nèi)。此時(shí)頂管機(jī)處于高速檔，符合刀盤(pán)在硬巖地層中施工狀態(tài)，同時(shí)在硬巖地層施工過(guò)程中，液壓油溫穩(wěn)定在50℃左右，表明液壓系統(tǒng)在硬巖地層中的工作狀態(tài)也比較平穩(wěn)。

結(jié)語(yǔ)

針對(duì)軟硬交互巖層頂管施工過(guò)程中易出現(xiàn)超扭矩、卡滯現(xiàn)象，基于DN2800型泥水平衡頂管機(jī)，采用閉式液壓驅(qū)動(dòng)刀盤(pán)的方式，對(duì)刀盤(pán)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)，并在紅粘土軟巖地層和石灰?guī)r硬巖地層中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。結(jié)果表明：改進(jìn)后的頂管機(jī)可適應(yīng)軟硬交替復(fù)合地層的施工要求，可在軟巖地層和硬巖地層中實(shí)現(xiàn)刀盤(pán)低速模式和高速模式的自由切換，同時(shí)在掘進(jìn)施工過(guò)程中能夠保持較為穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

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