方孔加工原理在矩形顶管中的应用研究

刘卫校+++王琴

摘 要：盾构与顶管机施工中，矩形断面有效使用面积比圆形断面大20%以上。因此，矩形盾构和顶管机的研究与应用对于工程施工有着重要的意义。文章针对与切削截面形状起决定作用的刀盘切削形式为切入点，在介绍现有盾构和顶管机切削形式的基础上，通过研究卢劳三角形原理在切削方孔中的应用，进行了该原理在矩形盾构与顶管机上的应用与研究。

关键词：盾构与顶管；矩形断面；卢劳三角形；切削形式

目前，公路、地铁、热力、电力及排水等城市隧道管网工程中，盾构机和顶管机已得到了广泛的应用。隧道断面由盾构机与顶管机自身截面形状决定，一般可分为圆形断面和矩形断面。通常情况下，矩形断面有效使用面积比圆形断面大20%以上，在诸如综合管廊、电缆沟和人行通道等城市市政隧道工程中的应用最为经济。因此，矩形盾构机和顶管机的研究与应用有着重要的实际意义[1]。

1 矩形盾构与顶管机常用切削形式[1]

刀盘切削形式的设计是矩形盾构与顶管机设计的主要难点。圆形断面的盾构与顶管机，刀盘的切屑形式基本上是一中心旋转大刀盘。相比来说，矩形断面的切削则远远复杂的多。目前，常用矩形断面切削主要有如下几种形式：

（1）小刀盘式：切削面积大概可达到矩形断面面积总体的60%～70%，仅能用于一般土层条件，较恶劣地层条件下无法满足使用要求。

（2）组合刀盘式：传动系统比较复杂，长距离掘进时恶劣的工作环境将对其可靠性产生制约，且仅能用于正方形断面。

（3）多偏心轴式：结构简单，传动可靠，可实现对任意形状断面的切削。相比其他方式，其优势明显，为优选方案。

2 新型方孔加工原理及在矩形盾构与顶管机的应用

2.1 新型方孔加工原理

如图1所示，齿轮1为内齿圈，齿轮2为行星齿轮，行星齿轮2绕定轴内齿圈1转动，二者中心距记为？着0。点A为行星齿轮2上一任意点，距圆心o'的距离记为ra，随行星齿轮2绕内齿圈1圆心o做公转运动的同时，自身亦绕行星齿轮2圆心O'做自转运动。若行星轮2以一定的转速v公绕圆心o公转，同时以1/3倍于公转速度的转速 v自绕圆心o'做反方向自转（即：v自=-1/3v公），则点A的运动轨迹为以圆心o为中心，边长为2（ra-？着0）的正方形。

2.2 在矩形盾构与顶管机的应用研究

2.2.1 在切削机构设计中的应用

设计刀盘切削机构如图2所示。切削机构分为切削器装置和偏心装置两部分。切削器装置设计为3根辐条的中心回转支承形式（回转中心 ），每根辐条长度为r，切削器装置整体安装在与盾构和顶管机主体中心点o有一偏心量ε的位置。盾构和顶管机主体与切削器装置整体共同组成偏心装置。切削器装置和偏心装置各自具有独立的驱动装置，其中，偏心装置按照切削器装置旋转方向相反的方向旋转，且速度为切削器旋转速度的3倍。则，切削器装置的切削断面是一边长为L的正方形，并与顶管机端面轮廓（边长为L的正方形）重合。偏心距ε与正方形边长L满足卢劳三角形理论公式[2]：

其中，L记为卢劳三角形一边边长，？着0记为卢劳三角形偏心量。

若正方形边长L一定时，通过改变偏心量ε的大小，切削器切削断面将按照海星形作相应变化，进而得到任意的形状，甚至当ε=0时，切削断面形状为圆形。

2.2.2 驱动方式设计

按照卢劳三角形原理设计的刀盘切削机构可以实现正方形断面的掘进。为了满足切削机构中，偏心装置偏心量为ε，切削器装置旋转方向与偏心装置转向相反，转速是偏心装置转速的1/3倍，可将切削机构驱动方式设计为复合轮系传动或偏心曲轴行星齿轮传动两种形式。

（1）复合轮系传动

图3 复合轮系传动

如图3所示，齿轮z1、z2、z3、z4、z5、z6为定轴齿轮，z1与z3、z2与z4的齿数比相等，行星齿轮z7自转转速是z3、z4转速的1/3倍，两者转速相反，z3、z4上各有一偏心距为ε的圆孔，刀盘轴穿过两圆孔，并可相互自由转动，刀盘轴固定在z7中心。该传动方式结构简单可靠，切削机构可承受较大偏心矩，可胜任地质条件相对较为恶劣的掘进工况。上世纪80年代日本开发的矩形隧道掘进机有很多采用了该传动形式，并在实际施工中得到了应用，取得了不错的效果[3]。

（2）偏心曲轴行星齿轮传动

图4 偏心曲轴行星齿轮传动

如图4所示，偏心轴输入端与内齿圈同心，行星齿轮与输出端相连，输入端与输出端轴线距离记为偏心量ε，刀盘由三根长度为L/2+ε的均布辐条组成，切削刀盘自转转速为其绕内齿圈轴线公转速度的1/3倍，且两者转向相反，L与ε满足卢劳三角形原理，切削机构的切削断面为正方形。动力通过偏心曲轴输出端传递到切削刀盘，完成断面掘进工作。结构简单，工作可靠，在地质条件较好的底层中可以得到很好的应用。近几年来，我国矩形顶管机得到了较大的发展，国内一些公司已开始采用该传动形式进行矩形顶管机的设计研发，并已有相应产品完成了加工制造[3]。

3 结束语

盾构与顶管机设计中，相比采用小刀盘式、组合刀盘式、多偏心轴式三种矩形断面切削方式的，按照卢劳三角形原理，采用复合轮系传动，切削与传动机构承载能力较高，切削断面除了四角处有小段圆弧外，整体上为接近标准的正方形，与要掘进断面大小重合，整机掘进能力较强；采用偏心曲轴行星齿轮传动设计的顶管机，切削及传动机构结构简单，传动可靠，切削断面与要掘进断面大小重合，同等地质条件下掘进能力较强。

参考文献

[1]刘平，戴燕超，等.矩形顶管机的研究和设计[J].市政技术，2005，23（2）：92-95.

[2]多样化盾构掘进机技术（连载讲座11）-OHM工法[Z].2005-9-6.

[3]熊诚.大截面矩形顶管施工在城市地下人行通道中的应用[J].建筑施工，2006，10（28）：776-777.endprint

摘 要：盾构与顶管机施工中，矩形断面有效使用面积比圆形断面大20%以上。因此，矩形盾构和顶管机的研究与应用对于工程施工有着重要的意义。文章针对与切削截面形状起决定作用的刀盘切削形式为切入点，在介绍现有盾构和顶管机切削形式的基础上，通过研究卢劳三角形原理在切削方孔中的应用，进行了该原理在矩形盾构与顶管机上的应用与研究。

关键词：盾构与顶管；矩形断面；卢劳三角形；切削形式

目前，公路、地铁、热力、电力及排水等城市隧道管网工程中，盾构机和顶管机已得到了广泛的应用。隧道断面由盾构机与顶管机自身截面形状决定，一般可分为圆形断面和矩形断面。通常情况下，矩形断面有效使用面积比圆形断面大20%以上，在诸如综合管廊、电缆沟和人行通道等城市市政隧道工程中的应用最为经济。因此，矩形盾构机和顶管机的研究与应用有着重要的实际意义[1]。

1 矩形盾构与顶管机常用切削形式[1]

刀盘切削形式的设计是矩形盾构与顶管机设计的主要难点。圆形断面的盾构与顶管机，刀盘的切屑形式基本上是一中心旋转大刀盘。相比来说，矩形断面的切削则远远复杂的多。目前，常用矩形断面切削主要有如下几种形式：

（1）小刀盘式：切削面积大概可达到矩形断面面积总体的60%～70%，仅能用于一般土层条件，较恶劣地层条件下无法满足使用要求。

（2）组合刀盘式：传动系统比较复杂，长距离掘进时恶劣的工作环境将对其可靠性产生制约，且仅能用于正方形断面。

（3）多偏心轴式：结构简单，传动可靠，可实现对任意形状断面的切削。相比其他方式，其优势明显，为优选方案。

2 新型方孔加工原理及在矩形盾构与顶管机的应用

2.1 新型方孔加工原理

如图1所示，齿轮1为内齿圈，齿轮2为行星齿轮，行星齿轮2绕定轴内齿圈1转动，二者中心距记为？着0。点A为行星齿轮2上一任意点，距圆心o'的距离记为ra，随行星齿轮2绕内齿圈1圆心o做公转运动的同时，自身亦绕行星齿轮2圆心O'做自转运动。若行星轮2以一定的转速v公绕圆心o公转，同时以1/3倍于公转速度的转速 v自绕圆心o'做反方向自转（即：v自=-1/3v公），则点A的运动轨迹为以圆心o为中心，边长为2（ra-？着0）的正方形。

2.2 在矩形盾构与顶管机的应用研究

2.2.1 在切削机构设计中的应用

设计刀盘切削机构如图2所示。切削机构分为切削器装置和偏心装置两部分。切削器装置设计为3根辐条的中心回转支承形式（回转中心 ），每根辐条长度为r，切削器装置整体安装在与盾构和顶管机主体中心点o有一偏心量ε的位置。盾构和顶管机主体与切削器装置整体共同组成偏心装置。切削器装置和偏心装置各自具有独立的驱动装置，其中，偏心装置按照切削器装置旋转方向相反的方向旋转，且速度为切削器旋转速度的3倍。则，切削器装置的切削断面是一边长为L的正方形，并与顶管机端面轮廓（边长为L的正方形）重合。偏心距ε与正方形边长L满足卢劳三角形理论公式[2]：

其中，L记为卢劳三角形一边边长，？着0记为卢劳三角形偏心量。

若正方形边长L一定时，通过改变偏心量ε的大小，切削器切削断面将按照海星形作相应变化，进而得到任意的形状，甚至当ε=0时，切削断面形状为圆形。

2.2.2 驱动方式设计

按照卢劳三角形原理设计的刀盘切削机构可以实现正方形断面的掘进。为了满足切削机构中，偏心装置偏心量为ε，切削器装置旋转方向与偏心装置转向相反，转速是偏心装置转速的1/3倍，可将切削机构驱动方式设计为复合轮系传动或偏心曲轴行星齿轮传动两种形式。

（1）复合轮系传动

图3 复合轮系传动

如图3所示，齿轮z1、z2、z3、z4、z5、z6为定轴齿轮，z1与z3、z2与z4的齿数比相等，行星齿轮z7自转转速是z3、z4转速的1/3倍，两者转速相反，z3、z4上各有一偏心距为ε的圆孔，刀盘轴穿过两圆孔，并可相互自由转动，刀盘轴固定在z7中心。该传动方式结构简单可靠，切削机构可承受较大偏心矩，可胜任地质条件相对较为恶劣的掘进工况。上世纪80年代日本开发的矩形隧道掘进机有很多采用了该传动形式，并在实际施工中得到了应用，取得了不错的效果[3]。

（2）偏心曲轴行星齿轮传动

图4 偏心曲轴行星齿轮传动

如图4所示，偏心轴输入端与内齿圈同心，行星齿轮与输出端相连，输入端与输出端轴线距离记为偏心量ε，刀盘由三根长度为L/2+ε的均布辐条组成，切削刀盘自转转速为其绕内齿圈轴线公转速度的1/3倍，且两者转向相反，L与ε满足卢劳三角形原理，切削机构的切削断面为正方形。动力通过偏心曲轴输出端传递到切削刀盘，完成断面掘进工作。结构简单，工作可靠，在地质条件较好的底层中可以得到很好的应用。近几年来，我国矩形顶管机得到了较大的发展，国内一些公司已开始采用该传动形式进行矩形顶管机的设计研发，并已有相应产品完成了加工制造[3]。

3 结束语

盾构与顶管机设计中，相比采用小刀盘式、组合刀盘式、多偏心轴式三种矩形断面切削方式的，按照卢劳三角形原理，采用复合轮系传动，切削与传动机构承载能力较高，切削断面除了四角处有小段圆弧外，整体上为接近标准的正方形，与要掘进断面大小重合，整机掘进能力较强；采用偏心曲轴行星齿轮传动设计的顶管机，切削及传动机构结构简单，传动可靠，切削断面与要掘进断面大小重合，同等地质条件下掘进能力较强。

参考文献

[1]刘平，戴燕超，等.矩形顶管机的研究和设计[J].市政技术，2005，23（2）：92-95.

[2]多样化盾构掘进机技术（连载讲座11）-OHM工法[Z].2005-9-6.

[3]熊诚.大截面矩形顶管施工在城市地下人行通道中的应用[J].建筑施工，2006，10（28）：776-777.endprint

摘 要：盾构与顶管机施工中，矩形断面有效使用面积比圆形断面大20%以上。因此，矩形盾构和顶管机的研究与应用对于工程施工有着重要的意义。文章针对与切削截面形状起决定作用的刀盘切削形式为切入点，在介绍现有盾构和顶管机切削形式的基础上，通过研究卢劳三角形原理在切削方孔中的应用，进行了该原理在矩形盾构与顶管机上的应用与研究。

关键词：盾构与顶管；矩形断面；卢劳三角形；切削形式

目前，公路、地铁、热力、电力及排水等城市隧道管网工程中，盾构机和顶管机已得到了广泛的应用。隧道断面由盾构机与顶管机自身截面形状决定，一般可分为圆形断面和矩形断面。通常情况下，矩形断面有效使用面积比圆形断面大20%以上，在诸如综合管廊、电缆沟和人行通道等城市市政隧道工程中的应用最为经济。因此，矩形盾构机和顶管机的研究与应用有着重要的实际意义[1]。

1 矩形盾构与顶管机常用切削形式[1]

刀盘切削形式的设计是矩形盾构与顶管机设计的主要难点。圆形断面的盾构与顶管机，刀盘的切屑形式基本上是一中心旋转大刀盘。相比来说，矩形断面的切削则远远复杂的多。目前，常用矩形断面切削主要有如下几种形式：

（1）小刀盘式：切削面积大概可达到矩形断面面积总体的60%～70%，仅能用于一般土层条件，较恶劣地层条件下无法满足使用要求。

（2）组合刀盘式：传动系统比较复杂，长距离掘进时恶劣的工作环境将对其可靠性产生制约，且仅能用于正方形断面。

（3）多偏心轴式：结构简单，传动可靠，可实现对任意形状断面的切削。相比其他方式，其优势明显，为优选方案。

2 新型方孔加工原理及在矩形盾构与顶管机的应用

2.1 新型方孔加工原理

如图1所示，齿轮1为内齿圈，齿轮2为行星齿轮，行星齿轮2绕定轴内齿圈1转动，二者中心距记为？着0。点A为行星齿轮2上一任意点，距圆心o'的距离记为ra，随行星齿轮2绕内齿圈1圆心o做公转运动的同时，自身亦绕行星齿轮2圆心O'做自转运动。若行星轮2以一定的转速v公绕圆心o公转，同时以1/3倍于公转速度的转速 v自绕圆心o'做反方向自转（即：v自=-1/3v公），则点A的运动轨迹为以圆心o为中心，边长为2（ra-？着0）的正方形。

2.2 在矩形盾构与顶管机的应用研究

2.2.1 在切削机构设计中的应用

设计刀盘切削机构如图2所示。切削机构分为切削器装置和偏心装置两部分。切削器装置设计为3根辐条的中心回转支承形式（回转中心 ），每根辐条长度为r，切削器装置整体安装在与盾构和顶管机主体中心点o有一偏心量ε的位置。盾构和顶管机主体与切削器装置整体共同组成偏心装置。切削器装置和偏心装置各自具有独立的驱动装置，其中，偏心装置按照切削器装置旋转方向相反的方向旋转，且速度为切削器旋转速度的3倍。则，切削器装置的切削断面是一边长为L的正方形，并与顶管机端面轮廓（边长为L的正方形）重合。偏心距ε与正方形边长L满足卢劳三角形理论公式[2]：

其中，L记为卢劳三角形一边边长，？着0记为卢劳三角形偏心量。

若正方形边长L一定时，通过改变偏心量ε的大小，切削器切削断面将按照海星形作相应变化，进而得到任意的形状，甚至当ε=0时，切削断面形状为圆形。

2.2.2 驱动方式设计

按照卢劳三角形原理设计的刀盘切削机构可以实现正方形断面的掘进。为了满足切削机构中，偏心装置偏心量为ε，切削器装置旋转方向与偏心装置转向相反，转速是偏心装置转速的1/3倍，可将切削机构驱动方式设计为复合轮系传动或偏心曲轴行星齿轮传动两种形式。

（1）复合轮系传动

图3 复合轮系传动

如图3所示，齿轮z1、z2、z3、z4、z5、z6为定轴齿轮，z1与z3、z2与z4的齿数比相等，行星齿轮z7自转转速是z3、z4转速的1/3倍，两者转速相反，z3、z4上各有一偏心距为ε的圆孔，刀盘轴穿过两圆孔，并可相互自由转动，刀盘轴固定在z7中心。该传动方式结构简单可靠，切削机构可承受较大偏心矩，可胜任地质条件相对较为恶劣的掘进工况。上世纪80年代日本开发的矩形隧道掘进机有很多采用了该传动形式，并在实际施工中得到了应用，取得了不错的效果[3]。

（2）偏心曲轴行星齿轮传动

图4 偏心曲轴行星齿轮传动

如图4所示，偏心轴输入端与内齿圈同心，行星齿轮与输出端相连，输入端与输出端轴线距离记为偏心量ε，刀盘由三根长度为L/2+ε的均布辐条组成，切削刀盘自转转速为其绕内齿圈轴线公转速度的1/3倍，且两者转向相反，L与ε满足卢劳三角形原理，切削机构的切削断面为正方形。动力通过偏心曲轴输出端传递到切削刀盘，完成断面掘进工作。结构简单，工作可靠，在地质条件较好的底层中可以得到很好的应用。近几年来，我国矩形顶管机得到了较大的发展，国内一些公司已开始采用该传动形式进行矩形顶管机的设计研发，并已有相应产品完成了加工制造[3]。

3 结束语

盾构与顶管机设计中，相比采用小刀盘式、组合刀盘式、多偏心轴式三种矩形断面切削方式的，按照卢劳三角形原理，采用复合轮系传动，切削与传动机构承载能力较高，切削断面除了四角处有小段圆弧外，整体上为接近标准的正方形，与要掘进断面大小重合，整机掘进能力较强；采用偏心曲轴行星齿轮传动设计的顶管机，切削及传动机构结构简单，传动可靠，切削断面与要掘进断面大小重合，同等地质条件下掘进能力较强。

参考文献

[1]刘平，戴燕超，等.矩形顶管机的研究和设计[J].市政技术，2005，23（2）：92-95.

[2]多样化盾构掘进机技术（连载讲座11）-OHM工法[Z].2005-9-6.

[3]熊诚.大截面矩形顶管施工在城市地下人行通道中的应用[J].建筑施工，2006，10（28）：776-777.endprint