广州市自来水工程公司 广东广州
摘要：笔者结合工程实例，简述了在深层隧道排水系统中多样化复杂地质机械顶管刀盘的设计与应用，用以解决传统的滚刀和刮刀刀盘在复杂地质中使用的技术难题。
关键词：复杂地质；机械顶管；刀盘；设计与应用
一、前言
顶管施工是一种不开挖或者少开挖的管道埋设施工技术，该技术在我国沿海经济发达地区广泛用于城市地下给排水管道、天然气石油管道、通讯电缆等各种管道的非开挖铺设。随着城市化进程的进一步加快，加之人们对环境保护意识的增强，顶管技术将在我国地下管线的施工中起到越来越重要的地位和作用。本文通过结合工程实例，简述了在深层隧道排水系统中多样化复杂地质机械顶管刀盘的设计与应用。
二、工程概况
“广州市深层隧道排水系统东濠涌试验段工程”的顶管施工主要采用泥水平衡施工工艺，管道直径3米（含管壁在内为3.6米）。管道埋设位置地质复杂，管道断面位于砂层和岩层的交界面，从上至下土质分别为：0.7~1.2米厚的砂层、0.5~1.0米强风化泥岩（质地较软岩层）、其余为中风化岩层（质地较硬岩层）。鉴于以上的软、硬结合的复杂地质情况，在本工程中自主研发了“多样化复杂地质机械顶管刀盘”，用以解决滚刀在软岩地层中刀具与岩层不对抗（容易偏磨打滑）或使用传统的刮刀带来的技术难题，以便在施工过程中有效地控制地表沉降、避免顶管机抬头等不利影响。
三、多样化复杂地质机械顶管刀盘的设计
1.顶管机械设备的选型及构造
根据本项目地质情况，拟采用泥水平衡顶管机，主要由切削破碎系统、动力系统、纠偏及液压系统、壳体、机内排泥系统、测量显示系统、电气操作系统组成。
切削破碎刀盘布置在顶管机的最前端，刀盘的后方为破碎仓，最后方为泥水仓。切削破碎刀盘由放射状的切削刀具排刀盘的正面上。刀盘与动力箱之间有一组特殊的密封装置，它能确保在工作过程中封住泥土和水，不让其侵入到机内。刀盘的切削破碎共有三处，第一是由刀盘前方的切削刀具完成；第二是由刀盘后方刀臂与前壳体的棱体完成；第三是刀盘最后方的多边形与前壳体的多边形完成。
顶管机的刀盘切割面安装有合金滚动截齿刀具，截齿子弹头均采用合金式材质，以增加刀具的耐磨性。
2.刀盘动力系统
本机刀盘由6台30KW-4级电动机驱动。采用电动机驱动比采用液压驱动的优点多：一是效率高，功耗损失小；二是结构紧凑，不受油箱、散热等因素的制约；三是操作维修较液压的方便。刀盘动力箱内需加N220号齿轮油进行润滑，在施工过程中，应定期检查油面的高度，严禁在缺油少油下工作。
刀盘大轴承采用的中间传动形式的三轴式回转轴承。回转轴承内的润滑油是通过轴承内圈上的加油枪加油，并通过松开内圈上的堵头检查加油情况。
3.截齿刀的破岩原理
顶管机通过刀盘上的截齿刀对岩石表面施加荷载，使岩石所受到的荷载超过其强度极限而破碎。截齿刀与刀盘平面形成45度角安装，顶管顶进过程中截齿刀借助后方千斤顶的顶进力进入掌子面的岩层中，再借助刀盘同心转动让截齿刀挖掘岩体连续公转，使岩层崩裂，同时在后方千斤顶不断的顶进使掘进崩裂的岩石土体进入泥浆仓顶进管道。
截齿刀压入岩石并形成破岩碎片主要由以下几个过程组成：岩石在正压力作用下发生弹塑性变形；截齿刀正下方岩石被挤压破碎；压碎岩石被进一步压密，并形成密实核，此时密实核作为传力介质，使截齿刀正下方产生裂纹并扩展；裂纹贯通，产生大块岩石碎片。
破岩施工控制可通过减少顶进速度、增加刀盘转速、减少刀盘数量及截齿刀厚度的方法来降低顶进破岩过程的刀盘转矩。刀盘数量影响破岩效率，不宜过少；滚刀厚度与其耐磨性，不宜过薄。因此降低刀盘转矩主要通过调整顶进速度和刀盘转速来实现。
顶管机的刀盘和泥土仓是个多棱体，且刀盘是围绕主轴作偏心转动，经过刀盘对前方土体切割，当有大块土体或块石进入顶管机泥土仓，经刀盘转动时就会被轧碎，碎块泥土小于顶管机的隔栅孔就进入泥水仓被泥水循环管输送走。
4.截齿刀的设计
截齿刀选用优质合金钢材和高强度硬度合金，通过国内先进的银基钎焊技术，将钢体与合金完美的结合，使刀具具有高强耐磨性和超长寿命，保证了刀具能适用于各种恶劣底层。
（1）优质合金结构钢辅以先进热处理工艺，保证了刮刀钢体具有优良的机械性能，同时钢体表面敷焊新型耐磨材料，有效提高了钢体的耐磨性。刀具钢体背面采用钎焊方形合金块设计，与钢体敷焊耐磨材料相比，刀具耐磨性更强，寿命更长。
（2）银基钎焊技术：将银基钎焊技术运用于刮刀产品，极大降低了钎焊对钢体的热影响，进一步保证钢体强度，焊缝强度大于250MPa。
（3）合金块的选择应用：合金块的选择上将合金的形状、强度、硬度与地层进行了均衡匹配，实现了截齿刀的设计与地层适应性的完美匹配。所有合金块与基体，以及合金块之间的角度通过计算机三维辅助设计，计算精确，严格保证配合间隙。
（4）刀盘采用截齿子弹头配置，配置采用高、中、低刀形式，分别为两排错位布置，高中刀高低错位高度为20mm，中低刀高低错位高度为10mm，截齿间距为150mm。
（5）高刀截齿高度为133mm，低刀截齿高度为103mm，中心刀动力区采用刮刀配置，在刀盘周围设置边刀，边刀采用合金式子弹头，成45°角布置，间距为300mm。整个刀盘开口率为32%，截齿刀具与掌子面的结合采用焊接方式进行连接。
5.二次破碎仓的设计
二次破碎仓整合在顶管机的前端，与刀盘共同形成对大块岩石第二次破碎。刀盘开口允许进入的最大颗粒尺寸为DN200mm。当大块石块经刀盘开口进入二次破碎舱后，刀盘背部的牛腿与锥形破碎舱下部的突起耐磨破碎筋组成剪切破碎机构。耐磨破碎筋为破碎机构的前端；刀盘牛腿为破碎机构的运动端。两者配合形成剪切机构。
6.刀盘及工作参数确定
（1）破岩施工基本参数计算
D3000砼管外径为3600mm，确定顶管机外径为3600mm、刀盘切削外径为3640mm。初步计算如下：
（2）刀盘转矩：
（经验系数α）取值15~40）
根据施工经验、以及外国顶管机参数的对比。则：∅³=3.55³=44.74T
（3）刀盘转速： （刀盘外周线速度Vmax取值11~15m/min）
（4）刀盘驱动功率：
同时切削岩体的截齿钻取50颗，每颗切削力取10KN；
刀盘驱动功率：50*10KN=500KN=50T
（5）刀盘的总扭矩之和为：44.74+50=94.74T
总功率取整：N=94.74KW，即用6台30KW电机驱动可满足功率要求。
7.顶管机刀盘技术参数确定如下表：
8.通过以上全面理论和计算，顶管机有足够的工作切削动力和抗扭结构强度，刀盘滚刀的最大破岩强度为15MPa，对于15MPa以下的岩层均能够切削破坏，能在各种复杂地质中破除硬度15MPa以下岩层地质，并保证连续顶进施工。附刀盘平面及剖面图：
四、多样化复杂地质机械顶管刀盘的应用
本次设计的多样化复杂地质机械顶管刀盘成功应用在“广州市深层隧道排水系统东濠涌试验段工程”中，根据理论分析及顶管机的参数，在实现最佳破岩效率情况下，顶进速度应为40mm/min，在额定工作扭矩情况下，顶进速度应为50mm/min。工程施工过程中，实际顶进速度控制为15-60mm/min，顶管机运行情况较好，岩石的破碎效果比较理想。
在施工应用过程中，在刀盘转动的过程中由第一排高刀的转动破碎岩面以后，第二排高刀补进，如在施工过程中因特殊情况至第一排截齿刀具损坏将由第二排截齿刀具弥补其切割功能，如两排截齿刀具磨损过大，将由低刀再进行切割弥补，截齿子弹头均采用合金式材质，以增加刀具的耐磨性。
五、结论
通过以上全面理论和计算，结合顶管施工的实际工程经验，多样化复杂地质机械顶管刀盘成功控制了顶进的速度、控制了泥浆仓到刀盘掌子面的泥水压力以及泥水浆的浓度等，解决了滚刀在软岩地层中刀具与岩层不对抗（容易偏磨打滑），成功解决了传统使用的刮刀带来的技术难题，提高了施工功效，保障了工程质量，又降低了施工安全风险，取得了较大的保障和社会效益。
论文作者:苏丽嫦
论文发表刊物:《基层建设》2017年第14期
论文发表时间:2017/10/9
标签：顶管论文; 刀具论文; 岩层论文; 地质论文; 合金论文; 岩石论文; 泥水论文; 《基层建设》2017年第14期论文;