DN3000土压泥水平衡顶管机的设计及应用

摘 要：内蒙古乌海市乌兰布和生态沙产业示范区巴音湖输水穿沙管道工程，设计直径3米的钢筋混凝土顶管，流沙厚度3～50米，全长1580米。为满足项目施工需要，现设计DN3000土压泥水平衡两用顶管机应用于该项目，本文在分析DN3000土压泥水平衡顶管机构造原理的基础上，对顶管机的主要技术参数、各种系统的配置装置、各种保护装置及设备结构特点进行了详细的介绍，该机的成功应用将会产生巨大的经济效益和社会效益，大大推进了我国城市地下管网建设的速度。

关键字：土压泥水平衡顶管机；设计；应用

中图分类号：S611 文献标识码： A

一、DN3000土压泥水平衡顶管机的主要技术参数

2、顶管机总长：7126mm；

3、顶管机总功率：约 268kW；

4、顶管机刀盘驱动功率： 180kW；

6、顶管机刀盘转速：0～1.1r/min（变频调速）；

7、纠偏油缸：150t×8台；

8、最大纠偏角度：2.5度；

9、纠偏油泵电机功率： 5.5kW；

10、顶进速度：0～80mm/min。

二、顶管机的各种系统及配置说明

1、DN3000土压泥水平衡顶管机的主轴驱动装置

顶管机的主轴驱动装置由6台30kW电机为驱动力，分别通过259.1：1的行星减速机减速后，带动们m=

1

8、z=13的小齿轮再共同带动m=

1

8、z=81的大齿轮驱动主轴选转。主轴最大输出转速0.91 rpm，通过VVVF调速后可获得0.1～0.91 rpm之间的任意转速，以应对各种情况。

主轴密封采用多组组合的密封形式，并可向密封面上注0号锂基脂以减少密封圈和主轴的磨损。

在主轴上，我们还设计了一个主轴套，一是起做轴承的挡圈，二是避免主轴磨损后给修理带来的不便和节约修理成本，三是缩短修理周期。主轴中心设有两道注浆孔一道通向中心刀，另一道通向各个刀排。

2、DN3000土压泥水平衡顶管机的螺旋输送机

由于顶管机的最大推进速度要求为80mm/min，即螺旋输送机的最大排土量不得小于30m3/h。

螺旋输送机驱动采用30kW四极电机，选用摆线针轮减速器减速，同时用变频调速。最大输出转速n=13rpm，最大转矩为50kN-m，螺杆叶片外径D=560mm，芯杆外径d=133mm，节距t=380mm，叶片厚度b=40mm。

3、DN3000土压泥水平衡顶管机的纠偏油缸

DN3000土压泥水平衡顶管机的纠偏油缸尾部设有一个特殊的测压装置，它把所测得的顶管机全断面的土压力通过压力传感器显示在触摸屏上，只要把这个压力控制在设定的范围以内就可达到土压平衡的目地。普通的隔膜式压力表测不准全断面的土压力，所以无法建立起精确的土压来进行平衡。

4、DN3000土压泥水平衡顶管机的刀盘

DN3000土压泥水平衡顶管机的刀盘，带有部分面板，开口率在50%以上，这主要是为了改善在粘土中顶进效果。刀盘中间的筋板有两个作用：一是避免太大的块状物进入土仓；二是改换成泥水加压模式时可以再安装几块面板，以减小刀盘的开口率，从而提高挖掘面的稳定性。

刀盘外周加一个护圈，可增加周边刀的数量，防止周边刀在长距离顶进中磨损而产生的不良影响。主切削刀、先行刀和刀圈上的周边刀等，这种设计主要都是从超长距离顶进的角度考虑。

5、YGDT等推力双级主顶油缸

图1

它的工作原理如下。当大活塞杆伸9出时，它的推力为大活塞充油区3的油压力与大活塞面积之乘积。当小活塞杆8伸出时，它的推力由两部分叠加而成：一部分为小活塞充油区7的油压力与小活塞有效面积（扣除芯杆断面）之乘积；另一部分为辅助活塞充油区13的油压力与辅助活塞11面积之乘积。从理论上讲，等推力双级油缸大小活塞杆伸出时的推力相等。

三、各种保护装置的说明

1、DN3000土压泥水平衡顶管机的触电、漏电保护器

DN3000土压泥水平衡顶管机的供电方式采用三相五线的方式接入综合动力柜，该电柜具有二级漏电保护，至最终主要设备有三级保护，其中二级为漏电保护，另针对电机等设备在控制方面还有相应的保护措施。

2、DN3000土压泥水平衡顶管机防滚动增大的措施

DN3000土压泥水平衡顶管机的量轴倾斜仪除了可以观测到顶管机的俯仰姿态外，还可以观测到顶管机的滚动。倾斜仪的最大滚动值为±10°，无论刀盘是顺时针还是逆时针转动，当到达此值时，都会将影响顶管机的滚动继续发展的该方向的转动被禁止。

3、DN3000土压泥水平衡顶管机出洞防滚动措施

当洞口破除以后，可开启顶管机刀盘，用主顶油缸徐徐把顶管机推入洞中。

在这一过程中应该注意：是要慢慢地顶，需防止刀盘嵌入加固土中不转而顶管机壳体旋转。DN3000土压泥水平衡顶管机底部有一个防偏转装置，如图2所示，它用一根丝杆调节。如当顶管机按顺时针偏转时，把左边一根丝杆向顺时针旋转，如图左边所示的那样，防偏转圆杆就处于伸出状态而卡在导轨上，不让顶管机偏转。 图2

当两边的圆杆都伸出时，就可防止顶管机朝两个方向的任意一边偏转。当防偏转装置即将接近洞口时，把丝杆向逆时针旋转，使圆杆缩回

4、DN3000土压泥水平衡顶管机出洞防后退措施

DN3000土压泥水平衡顶管机出洞时还要防止主顶油缸一松，顶管机会后退。这种情况大多出现在覆土比较深、管径又比较大、土质又比较软的条件下。这是由于当松开主顶油缸时，作用在顶管机上的主动土压力大大超过了顶管机与基坑导轨间的摩擦阻力所至。必须充分地认识到：这种后退所产生的后果是灾难性的，有时还可能导致伤亡事故的发生。如果洞口加固得不好，它还会在洞口上方产生大面积的塌陷，而且会使顶管机爬高到无法控制的程度。这是因为塌陷上方松散土体的土压力低，加之塌陷土体在顶管机前方形成一个坡度，所以，顶管机会延此坡度爬升。

我们的顶管机已考虑设有应对上述现象的措施，即在顶管及后壳体中部靠后的左右两侧均设有安装孔，只要在每个安装孔内各插入一个止退翼。

四、设备结构特点

由于DN3000土压泥水平衡顶管机的刀盘、主轴等部件的重量重，若采用油尼龙、铜套等滑动轴承，在顶进长距离后就会产生较大的磨损，一旦滑动轴承磨损后便使主轴密封圈损坏。因此，我们将主轴改用滚动轴承支座，前后用4个滚动轴承来支撑主轴和承受作用在刀盘上的轴向力，设计的最大正面土压力可高达50t/m2。

本机可以采用土压平衡模式或采用泥水加压模式顶进，不仅可以加泥对土质进行改良，而且可以有效断面土压力显示，使施工沉降小。

结束语

通过DN3000土压泥水平衡顶管机设计，并在乌兰布和生态沙产业示范区巴音湖输水穿沙管道工程的成功应用，利用非开挖先进的科学技术与社会需求相结合的实用新型技术，解决了沙漠地区直径大、埋深较深的输水管道工程，确保了生态效益、杜会效益和经济效益同步提升的格局。