1、矩形顶管机刀盘的设计探讨摘要：介绍了矩形顶管机现有的几种刀盘形式，包括 DPLEX 偏心多轴刀盘、组合刀盘形式、仿形刀盘和 OHM 刀盘，根据各种刀盘的运动原理及结构特点，分析各种刀盘的优缺点，总结各个刀盘的适用条件，为矩形顶管机的刀盘设计提供参考。 关键词：矩形顶管机；DPLEX 偏心多轴；组合刀盘；仿形刀盘；ohm刀盘； Abstract: Introduces several kinds of cutter head of the rectangular pipe-jacking machine, including DPLEX cutter head, cutter head comb
2、ination,copy cutter head and OHM cutter head, by the principle and 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 heads design. Key w
3、ords: rectangular pipe jacking machine; DPLEX; cutter head combination; copy cutter head; ohm cutter head； 中图分类号: TU47 文献标识码：A 文章编号： 0 引言 随着经济的发展，城市化进程逐渐加快，路面空间越来越小，地下隧道建设已经成为当前建筑施工领域的一个新方向。以往的地下隧道多为圆形隧道，主要用于雨水、污水、电力、地铁等方面，现今随着车流量的增加，地下人行通道、下穿车行道、等矩形截面的地下隧道需求量越来越大，且该种工程多位于闹市中心或繁华地段，明挖法受到了很多条件的限制，比如地
4、面有大量的人流、车流，还有高架线路等限制，造成空间不足，机械设备无法施工。 矩形顶管机是矩形隧道的施工机械，在日本发展起来的一种新式顶管机，它可用于建造地铁车站、地下人行通道及水底隧道旁通道等。矩形管道相对于圆形管道的优点在于大的过流断面和少的维修费用（见图1） 。 矩形顶管机与以前的圆形顶管机断面相比，其有效使用面积较之增大 20%以上，矩形截面的设计更符合以后地铁出入站工程的需要。 图 1 圆形隧道与矩形隧道的比较 矩形顶管技术作为圆形顶管施工工艺的延伸，属于高水平、高技术含量的隧道掘进技术。因为矩形顶管断面利用率大、覆土浅、施工成本相对低廉等优点，加之城市交通过街人行通道要求埋深浅，此项
5、技术将必然在城市交通人行地道、车行地道、地下管线共同沟、引水和排水管道等隧道工程得到广泛应用，其省时、高效、安全、综合造价低等明显优势也必然赢得可观的市场前景。除此之外，也在很大程度上减少了施工过程中对城市环境以及交通的影响，保证了城市的洁净舒适。 在顶管施工中，设备的选型起到了重要的作用，而设备的关键在于刀盘。刀盘在顶管机中主要起到切削泥土，对切削下来的泥土进行搅拌，将土仓内的土改良成具有止水性、流动性、塑性的三性土，便于螺旋输送机出渣，形成土压平衡的支撑面，为后续盾体及管片提供通道。 下面介绍下常用的矩形刀盘形式： 1 矩形顶管刀盘形式 DPLEX 偏心多轴式刀盘 该种刀盘的设计采用平行双
6、曲柄机构的运动原理，四个偏心曲轴同步驱动一个矩形仿形刀盘，刀盘上的各个刀具绕着以各自支撑圆心点与曲轴回转支撑点之间的距离为半径作平面圆周运动，与轴向推进的方向合成来完成全断面的切削掘进。 图 2 偏心多轴刀盘的结构形式 刀盘位于顶管机最前端，置于前端壳体外，与刀盘驱动装置的轴承支座用高强度螺栓连接，刀盘装置包括：正面刀具、周边刀具、长搅拌棒、短搅拌棒、刀盘盘体，由于采用偏心多轴驱动，使刀盘上的每把刀具以曲轴中心距为半径作圆周运动，而刀具本身无旋转运动，与轴向推进的方向合成来完成全断面的切削掘进。正面刀具作为主要切削装置位于最前方，采用十字形结构，它通过偏心曲轴与推进油缸的旋转驱动、顶进进行土体
7、切削，周边刀具作为辅助切削装置位于刀盘的四周侧面上，它通过刀盘盘体作为偏心旋转的作用，将正面刀具切削过程中未能切削掉的土体进行补充切削，长搅拌棒、短搅拌棒作为辅助设施位于刀盘盘体的最后方，它通过刀盘盘体作为偏心旋转的作用，对刀具切削的土体进行搅碎和搅拌土体，以便于螺旋机出土，刀盘盘体作为偏心旋转的主体位于整个刀盘的中间，它通过偏心驱动轴的旋转和推进油缸的顶进作用，使刀盘进行偏心平面运动和朝前移动，带动正面刀具和周边刀具切削土体，同时，带动后面的长短搅拌棒进行切削土的搅碎和搅拌。 1.2 组合刀盘形式 组合刀盘形式主要依靠前后刀盘开挖面的相互弥补，来尽可能地减少矩形区域的开挖盲区。 常见的刀盘形
8、式有 1 个大刀盘在前，4 个小刀盘在后布置，大刀盘的开挖直径略大于矩形开挖面的高度，小刀盘的开挖直径与管片的圆角外径相同，其开挖率可以达到 8090%。大小刀盘可以各自控制，同时旋转对土体进行切削、搅拌。 图 3 一大四小刀盘的结构形式 另外一种刀盘形式为六个刀盘前后交叉布置，临近两个刀盘之间保持一定的间隙，不发生相互干扰，刀盘开挖直径比盾体高度方向的一半略大，这种刀盘布置形式开挖率可以达到 90%左右，另在盾体的四周装上特致的固定刀具，可将开挖率扩大至 100%。 图 46 个小刀盘交叉布置的结构形式 1.3 仿形刀盘形式 图 5 仿形刀盘结构形式 仿形刀盘的工作原理为：利用控制理论，使刀
9、盘的超挖刀在指定区域里伸出特定的长度，仿出正方形的形状。 其结构多采用圆形刀盘的辐条式结构，在辐条的末端安装有超挖刀，液压油缸放置在辐条结构内，辐条后部不同半径上布置有搅拌棒，对切削下来的土体进行搅拌。 1.4 OHM 工法刀盘 （a） OHM 工法刀盘结构简图 （b） OHM 工法刀盘轨迹 图 6OHM 刀盘的结构及运动轨迹 Fig. 4Design of tunnel cross-section OHM 工法是 omnisectional（可以对付所有断面） ，Hedge（围拢）tunnelingMethod 的略称，是可作四方形形状掘削的盾构工法，一面由 3根辐条组成的切削器装置作旋转，
10、一面使切削整体按照所规定量的有限偏心，用 3 倍的速度与切削器旋转的相反方向转动，切削器（辐条形状）的旋转轨迹遵循勒洛三角形理论，可以运行成正方形的形状。 2 各种刀盘方案的优缺点 2.1 偏心多轴刀盘的优缺点 偏心多轴刀盘利用了铰链四杆机构的工作原理，是一个平行双曲柄机构，其运动规律为刀盘上的各个点都以各自固定的圆心以曲柄的长度为半径进行旋转。 它的优点在于：根据开挖的截面设计出类似的仿形刀盘，附以一定的曲柄长度，即可做到全断面开挖，不存在切削的盲区，可以大大减少顶管机掘进时的顶力；另外它的转动半径小，驱动所需的扭矩也小，大约是圆形刀盘的 1/2；它采用了十字刀头，每把刀的切削路径都很相似，
11、刀具的切削量和磨损量比较均匀。 它的缺点也很明显，由于各个点都围绕各自的圆心做旋转运动，其上面布置的刀具受到的反力无法相互抵消，切削反力传递给盾体，容易造成对周边土体的扰动，如果控制不好的话，极易造成开挖的沉降量超标；另外其后部的搅拌棒的运行轨迹也是以曲柄长度为半径的圆，其搅拌范围相对于整个开挖面来说极其有限，布置数量少的话起不到改良土体的作用，布置数量多的话将大大增加刀盘的扭矩，且形成反作用力对盾体的平衡不利。 2.2 组合刀盘的优缺点 组合刀盘的结构形式利用了圆形刀盘的切削区域前后交叉，驱动方式简单可靠，相对于偏心多轴刀盘，圆形刀盘开挖过程中，刀盘的切削反力可以相互抵消，因此对周围土体的扰
12、动小，地面沉降比较容易控制；另其搅拌棒的运行半径要远大于偏心多轴刀盘，布置合理的话，几乎可以覆盖整个断面，土体改良效果好，对于土压平衡的形成有利，也更有利于地面沉降的控制，目前市场上 64 米矩形顶管机采用一大四小的刀盘组合形式或六刀盘组合形式的刀盘，在实际施工中，其地面沉降量可以控制+1cm-3cm 之间。 但其每个刀盘的开挖范围都是圆形，因此无论如何组合，都无法达到矩形截面的全断面开挖，存在在盲区是其最大的缺点。 2.3 仿形刀盘的优缺点 仿形刀盘形式主要用于日本的隧道开挖技术，它是基于控制理论来达到对矩形断面的仿形开挖，多用在日系的盾构机上。它的优点在于其结构对称，受力均匀，对土体的扰动
13、小，有利于机头的顶进，开挖率可以达到 100%。 但其传动系统较复杂，长距离掘进的可靠性受到工作环境恶劣的制约。另外由于地下掘进工程的不可逆性和操作空间的限制，不能不对掘进设备的可靠性提出苛刻的要求。而且该种刀盘形式只适应正方形断面。应用于矩形断面，必须依靠搭配组成一定长宽比的矩形。 3 结论与讨论 上述几种矩形顶管机的刀盘设计各有优缺点，在设计矩形顶管机的时候，要结合工程周边情况、项目造价、覆土深浅、管线情况等综合考虑。通过对比得出以下结论： 1、偏心多轴刀盘适用于隧道埋深较大，隧道上部管线较少，隧道之间的间距较小的工程； 2、组合刀盘形式适用于隧道长宽比大约在 3:2、管线情况较复杂、沉降量要求控制严格的隧道工程； 3、仿形刀盘以及 OHM 工法刀盘在国内未见运用，其性能有待验证。 参考文献： 1 刘平,戴燕超.矩形顶管机的研究和设计.市政技术.2005,(3):9295. 2 吕建中，石元奇，楼如岳.大断面矩形隧道偏心多轴顶管机的设计和应用.上海建设科技.2004， （2）:1618. 3 邢苏宁.矩形箱涵顶管掘进机刀盘仿形组合形式的研究.地质装备.2007， （8）:1719. 4 葛金科，沈水龙，许烨霜.现代顶管施工技术及工程案例.中国建筑工业出版社.2009，200211. 5 江中孚译.多样化盾构掘进技术OHM 工法.日本土木学会第 54回年次学术讲演会.1999
