束合管幕行星多刀盘方形顶管机的研制与工程应用

彭世宝 （1.上海隧道工程有限公司，上海 200232；2.上海盾构设计试验研究中心有限公司，上海 200137）

自 1971 年，日本首次采用管幕法至今，管幕法施工设备与施工技术已经有超过 50 a 的历史。在这段漫长的发展过程中，为了适应不同的地质条件和施工要求，并伴随现代科学技术的不断发展，各种不同形式的管幕施工工法和掘进设备应运而生。

管幕工法，也叫排管顶进法，是利用小口径顶管机建造大断面地下空间的施工技术，是一种新型的地下暗挖技术。

束合管幕工法，是一种通过纵向预应力控制管幕的变形，通过横向预应力提高管幕的整体性，从而达到更高的安全性和经济性的施工方法。从 1980 年至今，日本已有大大小小近 90 个成功的工程案例。

目前管幕工法仍处于发展阶段，更多的仍是在实际工程中总结出的工程经验。尤其是有关束合管幕工法的文献，均以介绍施工方法居多，并且有关束合管幕的成功工程实例均在日本，世界上其他各国均无案例，在理论分析层面上具有相当高的研究价值。且目前对于束合管幕工法横向束合管幕结构的设计及施工方面还没有成熟的规范或指导标准。

目前大部分管幕顶管施工工程中，其管幕结构多采用圆形钢管结构，该管幕结构中钢管之间不能协同工作且仅为单向受力，支护效率较差。新提出的束合管幕工法横向预应力矩形钢管管幕结构，即采用矩形钢管，并通过沿环向施加预应力，使其各个钢管之间协同受力，并双向承载，达到减小构件尺寸、提高管幕结构的整体刚度和承载能力的效果。束合管幕工艺在国内无工程案例，针对上海轨道交通 14 号线武定路站首次应用束合管幕顶管施工断面的要求，需要1 m×1 m 切削断面的顶管设备，因开挖土层埋深为超浅覆土，并且土质为加固土和软土，为了有效控制地表沉降，满足小断面方形钢管掘进施工，对此发明研制了一种土压平衡泥水输送式行星多刀盘全断面切削方形顶管机。

1 顶管机设计方案

如图 1 所示 1 m×1 m 断面行星三刀盘方形顶管机由刀盘切削装置、刀盘驱动装置、铰接装置、主顶进装置和控制系统构成。其中刀盘切削装置主要有三个“叶子状”异型小刀盘和铲齿结构组成，主要完成开挖面土体的切削和搅拌；刀盘驱动主要由四组液压马达提供动力，刀盘轴行星齿轮内啮合使刀盘做自转和公转运动；铰接装置主要完成顶管机的姿态纠偏，由四组铰接油缸、前后铰接壳体和齿形铰接密封圈组成；主顶进装置主要功能是顶管机开挖过程提供主顶力，并且为整个顶进过程中导向和管节拼接提供支撑作用；控制系统主要包括电气控制系统、液压控制系统、泥水系统和集中润滑系统，是顶管机实现掘进的执行机构和工具。

图1 顶管机示意图

如图 2 所示，行星三刀盘方形顶管机的工作原理：刀盘切削动力由四组液压马达提供，四只液压马达小齿轮与回转支承内齿轮内啮合传动，带动驱动转轴和密封转盘转动，三个刀盘齿轮轴上的小齿轮与大齿轮内啮合，使刀盘在随驱动转轴和密封转盘公转的同时自身在齿轮啮合的作用下做自转运动，刀盘做行星式方形断面切削；前端刀盘区域为土仓区，壳体土仓区四角布置土压传感器用来测量反馈土仓土压力，刀盘盘体后端面设置搅拌棒与刀盘盘体结构本身进行土体搅拌；密封转盘前端设计有泥水仓，土仓区的土体搅拌稀释成泥浆流入泥水仓，通过泵送排出，泥水仓两个排浆口处设有水压传感器用来测量反馈泥水压力，进排浆泵驱动电机为无极变速，通过调节电机转速以及反馈的土压和水压力值来调节控制压力平衡，密封转盘泥水仓内设计有搅拌棒可防止泥浆固化，保证泥浆顺利排出；常规铰接装置能够完成 4 个方向的正负 1.5° 的纠偏功能，保证顶管机掘进的轴线精度。

图2 驱动结构示意图

行星三刀盘方形顶管机的切削断面是 1 m×1 m 的正方形。如图 3 所示，刀盘结构设计成“叶子状”异型刀盘，刀盘周边设有切刀和刮刀，轴心位置处安装有十字型先行刀。方形断面内三组刀盘呈品字形布置，其中心彼此之间相隔 120°，刀盘之间的中心夹角为 120°，三个刀盘的中心距离大齿圈的中心的距离相等。初始时三个刀盘依次在 0°、120°、240° 的位置，每个刀盘的中心均处于水平方向，三个刀盘同时切削土体，并拥有相同的切削轨迹。该布置方式保证了行星轮传动受力平衡和传动平衡。

图3 刀盘形式及轨迹

异型（叶子状）刀盘轮廓由开挖断面尺寸、刀盘布置形式和刀盘运动形式决定，通过以下曲线方程式计算得出。

如图 3 所示，其中，θ∈（-90°，90°） 时刀盘轮廓与开挖断面的边长 OA 相切，θ∈（90°，180°）∪（-90°，-180°） 时刀盘的切削轨迹在正方形开挖断面边界内。同时，刀盘轮廓的曲线方程保证了刀盘的切削轨迹的包络线能最大程度逼近正方形的开挖断面，同时又避免了在正方形开挖断面的边角可能产生的超挖现象。

2 工程应用

上海轨道交通 14 号线武定路站 1 号出入口采用束合管幕工法施工。束合管幕段单根管节长度 15.3 m，管幕内净尺寸 6.4 m×4.2 m，覆土约 4 m，如图 4 所示 管幕由 4 根1.4 m×1.4 m 和 16 根 1 m×1 m 方形管节组成，管幕钢管节双侧有 CT 型锁扣。

图4 管幕断面示意图

行星三刀盘方形顶管机在 14 号线武定路站管幕施工中得到了成功应用。掘进施工中行星三刀盘公转自转式运动的切削效果非常理想，断面行星式覆盖切削，三个异型刀盘的切削率高达 98%，结合铲齿四角盲区切削，实现全断面切削；顶管机在掘进过程中小刀盘出现了卡死现象，因为顶管土仓空间小，刀盘结构在土仓空间占用率大，刀盘存在对土体向四周的滚压现象，造成土体固化卡住刀盘，如图 5 所示 该刀盘结构需要进行优化改制成类辐条式结构，减小刀盘挤压土体接触面，后续需要进一步进行改制刀盘切削试验验证。

图5 刀盘改制方案

完成了管幕掘进施工之后，对顶管机的刀盘扭矩、刀盘转速、刀盘轴力和推力等进行数据选取、整理和分析。以刀盘扭矩和转速为例，对比图 6 和图 7 的数据，在起始的一段时间内，刀盘转速普遍控制在 2 r/min，扭矩呈下降趋势，说明顶管机在此阶段切削十分顺利，当对刀盘进行反转并停止推进时，刀盘扭矩会进一步下跌，随后刀盘反转转速提升至 2 r·min-1，至停止推进时，扭矩总体趋势均为下降，这表明反转起到了一定的切削改善效果。时间 800×16 s 时再次开始推进，当刀盘转速提升至 1.5 r/min，刀盘扭矩达至一个较大的峰值（约 30 kN·m），该峰值是前期推进峰值的 2 倍，出现这种现象的原因可能与推力猛然提升至一个较高值有关，后期通过降低推力和刀盘反转的方式使得扭矩可降低至可控范围。

图6 刀盘扭矩图

图7 刀盘转速图

通过对顶管机匀速掘进阶段的土压力和水压力数据进行分析。当顶管机以转速 2 r/min 在软土层进行正常掘进施工时，如图 8 所示，顶管机土仓内上部和下部的土压力平稳控制在 0.1～1.0 bar；如图 9 所示，泥浆仓排浆口处的水压力控制在 0.3～0.8 bar；此时的排浆效果较之理想，顶管机的土仓内实现了土压平衡，土转液装置也能较好的将土体转化进入泥水仓并顺利泵送排出。

图8 土仓土压力

图9 泥浆仓水压力

5 结 语

研制的土压平衡泥水输送式行星多刀盘全断面切削方形顶管机利用行星轮的原理，在行星单刀盘的切削基础上，将多刀盘行星式切削结构应用于顶管机中；创新地将土压平衡和泥水输送两种出土方式合理有效的合并应用于小型顶管机内，形成了一种新型的土压平衡泥水输送式的土转液出土形式；这种顶管机解决了束合管幕工程中方形断面管节的掘进施工。顶管机的成功管幕工程应用，探索了束合管幕新工法，完善了软土地层暗挖法施工地下出入口通道的整套关键技术，大大丰富了地下空间的实施手段，为今后类似工程提供借鉴。