當前，大多數(shù)頂管機僅適用于砂土、粘土、淤泥質(zhì)土、粉土等軟土地層，對于軟、硬巖交替出現(xiàn)的復雜地層還不具有普適性，在常規(guī)驅(qū)動方式（電機驅(qū)動）下，容易造成頂管機刀盤出現(xiàn)超扭矩或者卡滯現(xiàn)象，為了有效解決這一問題，需要設計一種能適應復合地層施工的頂管機械設備。

工程概況

某城區(qū)道路淹水點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泥水平衡頂管法進行設計施工。

頂管機改進設計

DN2800型泥水平衡頂管機可針對不同地層，實現(xiàn)泥水平衡掘進或者氣墊輔助泥水平衡掘進兩種模式。該型號頂管機采用復合式的刀盤設計，并將剪切破碎裝置、泥水（氣墊）雙倉結(jié)構、***泥水沖刷系統(tǒng)等應用到頂管機結(jié)構設計中，使得該型號頂管機適用于軟土、軟巖、硬巖以及軟硬巖交替地層的管道施工。

DN2800泥水平衡頂管機主要工作原理如下：

主頂進油缸推動頂管機向前移動，同時液壓馬達中心帶動頂管機復合刀盤進行旋轉(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和排渣管道中；隨著倉內(nèi)壓力的逐漸增大，可開啟排漿泵并進行轉(zhuǎn)速調(diào)整，將倉內(nèi)壓力調(diào)整至設定值范圍之內(nèi)；開挖過程中要保證排漿泵輸出量與進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；開挖過程中主要依靠激光導向系統(tǒng)實行掘進軌跡和方向的監(jiān)測控制。DN2800泥水平衡頂管機液壓系統(tǒng)原理如下圖所示。

刀盤中心驅(qū)動方案設計

軟硬巖交替復合地層頂管施工過程中，會造成土倉對刀盤的負載不均勻，從而在刀盤上形成較大的扭矩，使得刀盤容易發(fā)生振動或者卡滯，因而要求刀盤驅(qū)動具有較好的抗沖擊和脫困能力。對頂管機液壓系統(tǒng)進行了針對性設計：刀盤采用閉式液壓驅(qū)動方式，并根據(jù)刀盤轉(zhuǎn)速將其分為高速、低速和脫困三種模式，具體參數(shù)見下表；為了承受大扭矩和瞬時沖擊，采用三排滾子主軸承進行支撐；為了提升掘進過程中的可靠性，采用四道主密封。

刀盤驅(qū)動馬達設計選型

在脫困模式下，刀盤***大設計扭矩為900kN·m，對應的馬達輸出扭矩為38016N·m，排量為8425.53mL/r；在高速模式下，刀盤***大扭矩為400kN·m，對應的馬達輸出扭矩為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)綜合評估，***終決定選用一臺具有兩種排量規(guī)格的低速大扭矩Hagglunds馬達。該馬達在一擋時的排量為8800mL/r，可用于低速和脫困模式，在二擋時的排量為4400mL/r，可用于高速模式。

刀盤液壓泵設計選型

在高速模式下，刀盤***大轉(zhuǎn)速為6r/min，馬達排量為4400mL/r，此時液壓泵需提供的流量為728.9L/min。在低速模式下，刀盤***大轉(zhuǎn)速為2.9r/min，馬達排量為8800mL/r，此時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），對應的***高壓力值為31.5MPa。經(jīng)綜合評估，選用2臺250mL/r的轉(zhuǎn)塞泵進行串聯(lián)連接，同時采用力士樂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)場應用試驗分析

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型泥水平衡頂管機在軟巖和硬巖地層兩種工況下分別進行掘進試驗，并采集頂管機刀盤相關運行參數(shù)，以驗證刀盤液壓驅(qū)動系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時也可為后續(xù)頂管機液壓系統(tǒng)的持續(xù)改進提供理論依據(jù)。

軟巖地層

軟巖地層選用掘進樁號為49~53.5m的紅粘土進行試驗，結(jié)果見下圖。從圖中可以看到：在紅粘土軟巖地層下，頂管機刀盤轉(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)。此時頂管機處于低速擋，符合刀盤在軟巖地層中施工狀態(tài)，同時在軟巖地層施工過程中，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)。

軟巖地層刀盤運行狀態(tài)參數(shù)

硬巖地層

硬巖地層選用掘進樁號為86.5~91m的石灰?guī)r進行試驗，結(jié)果見下圖。從圖中可以看到：在石灰?guī)r硬巖地層下，頂管機刀盤轉(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)。此時頂管機處于高速檔，符合刀盤在硬巖地層中施工狀態(tài)，同時在硬巖地層施工過程中，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

針對軟硬交互巖層頂管施工過程中易出現(xiàn)超扭矩、卡滯現(xiàn)象，基于DN2800型泥水平衡頂管機，采用閉式液壓驅(qū)動刀盤的方式，對刀盤液壓系統(tǒng)進行了設計改進，并在紅粘土軟巖地層和石灰?guī)r硬巖地層中進行了現(xiàn)場試驗。結(jié)果表明：改進后的頂管機可適應軟硬交替復合地層的施工要求，可在軟巖地層和硬巖地層中實現(xiàn)刀盤低速模式和高速模式的自由切換，同時在掘進施工過程中能夠保持較為穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

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