大刀盘土压平衡式顶管机开发与应用技术报告

大刀盘土压平衡式顶管机开发与应用技术报告
1999年1月我公司承接了泰国北榄污水治理SC-23标工程。

结合工程的具体情况，我们自行开发了顶管直径为2.5米的大刀盘土压平衡式顶管机。

该机在泰国工程中发挥了较好的作用，圆满完成了2421米长的顶管施工任务，其中包括多种复杂工况下的顶管施工，满足了合同质量，工期的要求，其性能得到业主和国外同业的承认。

充分显示了该机适应性强，驱动能力强，控制性好，在技术复杂的工程上具有的优势。

由于基本性能与国外产品相当，而价格远低于进口，性价比高，因此在国际市场有一定的竞争能力。

现对大刀盘土压平衡式顶管机的开发与应用技术报告如下：
1、顶管机总体方案的确定
1.1顶管机型式的确定
2500mm直径管道施工特点：施工场所地处交通十分繁忙的交通主干道路上，施工场地紧张；顶管穿越的土层分为在-14.5~-17.5m和-4.2~-7.2m之中, -14.5~-17.5m土层属于中硬至硬土层(有2031m顶管),最大含水量77%,平均含水量47-50%,抗剪强度4.8-5.2t/m2；-4.2~-7.2m土层属于软土层中层(有398m顶管), 最大含水量85%,平均含水量57%左右,抗剪强度1.40t/m2；部分线路采用曲线顶管，并通过较密集的钢筋混凝土桩群，桩的规格和位置资料不全；部分线路管顶覆盖层浅，并且需要通过河水或沿河边顶进。

针对上述具体情况我们确定采用大刀盘土压平衡式顶管机。

土压平衡式顶管机具有排出泥土处理简单，施工占地面积较小的特点；大刀盘土压平衡式顶管机适应土质范围非常广、施工后地面沉降小、可在浅覆土层中施工，考虑到部分区域土质较硬及有可遇到的混凝土物体，在刀盘上设计硬质合金刀头。

1.2 顶管机档次的定位
按合同规定投入该工程的设备要经过业主严格审查认可方能使用，其它标段都是采用德国、日本生产的顶管机，作为欧美国家的监理人员对中国生产的设备一般是持怀疑态度的，从工程本身来看施工难度较大、工期紧、工程质量要求高，设备档次不高显然不能满足要求。

为此我们引进消化了国外九十年代大刀盘土压平衡式顶管机的先进技术。

采用全液压动力、可编程控制器为主要元件、触摸显示屏实现人机对话，主要液压、电器元件采用国际知名产品，使整机性能在国内处于领先地位，接近、达到国际同类产品的水平。

2、顶管机的构造和液压、控制系统的设置
2.1顶管机工作原理
顶管机刀盘旋转切削下来的土被刀盘后面的搅拌棒在土仓中搅拌后由螺旋取土机取出送入排泥泵，排泥泵将泥土输送至地面，顶管机在总站或中继站千斤顶的推动下向前顶进。

为阻止挖掘面产生塌方或受到压力过高的破坏，应使泥土仓内的压力与挖掘面的地下水压力和土压力达到平衡，泥土仓内的压力通过调节总站（中继站）的推进速度或螺旋取土机的取土速度来实现。

顶管机的方向由四组纠偏千斤顶来控制。

依据顶管机的工作特点、施工现场工况，参照国内外同类顶管机的优点开发顶管机。

2 . 2主要技术参数
机身：外壳直径φ3010mm
前管长 2200mm
后管长 3075mm
组装长 5543mm
刀盘直径φ3030mm
重量 38000kg
刀盘：形式六辐条、双向旋转、全断面切削
动力电机功率110kw、液压传动
最大扭距 320kNm
最大转速 2rpm
纠偏千斤顶：数量 4组、每组2只、共8只
顶力800KN
行程100mm
螺旋取土机：动力电机功率45kw、液压驱动
内径350mm
最大扭力20kNm
最大转速30rpm
最大出土量30m3/h
2.3基本结构
顶管机主要由前后段筒体、刀盘机构、纠偏机构、螺旋取土机、液压
顶管机壳体采用两段式，由前后筒体组成，中间设有可调节松紧的橡胶密封圈防止泥水侵入。

筒体前端泥仓隔板上设有人孔装置，必要时可以打开，供人员到泥仓内检查、工作。

在后筒体前端（与前筒体接合处）壳体四周设有四个润滑用泥浆注入孔。

泥仓隔板上布置土压传感器六只、注浆孔四个、注水孔两只。

土压传感器将泥仓内的压力数据传送给程控器和压力显示仪表，依据这些数据控制系统自动或人工调整螺旋取土机的转速或后方推进速度。

刀盘采用轮辐式，中心轴驱动方式，由两只液压马达经过各自的行星减速器将动力传递给输出轴与刀盘主轴相联的大减速箱驱动刀盘，可正反转。

刀盘正面设有数十个合金刀头，中心刀头设在刀盘的中心，它不但具有正反转切削功能，而且具备强劲的破碎能力，刀盘条辐和轮圈装有可正反转切削的刀头，从而构成可正反转全断面切削刀盘。

刀盘背面上的动搅拌棒与泥仓隔板上的静止搅拌棒构成泥土搅拌机。

刀盘外圈刀头设置成单边超切15mm，使管子外表面与泥土之间存在间隙，这样就可由注入的润滑泥浆在管子与泥土之间形成泥浆润滑层。

螺旋取土机前低后高斜置在顶管机内，采用液压马达经行星减速器驱动，可正反转，取土口设在泥土仓底部。

螺旋取土机采用有轴式螺杆，驱动端设有两只圆锥滚子轴承，轴承前设有防止泥水侵入的J形橡胶密封机构，下端（取土口处）未设轴承为浮动式。

螺旋机出口处设有液压油缸驱动的抽插式闸门，闸门关闭一般由螺旋机的工作情况连锁控制，也可根据需要人工控制。

纠偏机构设置四组纠偏千斤顶，分别布置在前后筒体圆周的45度、135度、225度、315度处，四组纠偏千斤顶通过铰接的形式将前后筒体联接在一起。

每组千斤顶为两只，双作用式。

每组千斤顶设有行程传感器，它将千斤顶的行程数额提供给控制系统和显示仪表，控制系统按设定的数据自动调整千斤顶的行程。

调整千斤顶行程可使前筒体轴线相对后筒体轴线产生任意方向的曲折，从而改变顶管机的顶进方向。

液压油泵组分主油泵组和付油泵组，设置在顶管机内两侧，共用同一个油箱，为刀盘、取土机、纠偏等装置提供动力。

润滑脂自动供给机通过分配阀将润滑脂自动供给刀盘驱动机构、螺旋取土机的轴承，使其得倒良好的润滑。

电源控制箱内设有电源开关及保护电路、控制用继电器。

操作控制箱面板上设有触摸显示屏及备用控制按钮和备用显示仪表，
2.4顶管机液压系统的设置
液压系统良好的运转性和可靠性是顶管机的关键，为排除主要运行机构在工作时相互干扰，防止因顶管施工环境差造成系统的污染，对顶管机的主要运行机构—刀盘和螺旋取土机液压系统分别采用独立的闭式系统，另设纠偏及取土机闸门控制液压系统、冷却和辅助控制系统，见图二、图三、图四、图五。

液压系统的主要元器件选择国际知名厂家生产的产品，见表一，其它元件用质量过硬的国产元件（因液压油泵、马达中内藏有控制所需的大多数元件，其它元件用量很少）。

顶管机内设备的动力由主、付油泵组提供，主泵组由一台电动机驱动同轴的主油泵、补油泵及两台冷却油泵，主油泵、补油泵与两台刀盘驱动液压马达构成闭式刀盘液压系统，冷却油泵将油箱内的液压油泵送至冷却器循环冷却构成冷却系统，付油泵组由一台电动机驱动同轴的付油泵、补油泵、纠偏油泵，付油泵、付油泵与驱动螺旋取土机的液压马达构成闭式取土机液压系统，纠偏油泵为纠偏千斤顶及取土机出土闸门控制千斤顶提供动力构成纠偏及闸门控制液压系统。

主要液压元器件一览表（表一）
阀、电控调速阀、伺服油缸马达内集成了梭形阀、溢流阀等元件，二者结合即组成了完整的可调速、换向的刀盘液压系统，基本无需外加元件。

电控调速器控制电控阀动作，电控阀的控制油控制液控阀的开度大小及开关，经过液控阀的压力油使伺服油缸带动油泵的变量斜盘摆动，油泵实现变量和换向，液压马达实现无级调速和正反转运行。

油马达两端的压力差使梭形阀动作，保证油马达回油一侧的于溢流阀接通，使回油的一部分经溢流阀进入油马达和油泵壳体，对油马达和油泵进行冷却。

为确保系统的清洁度，除油泵自带的过滤器外，系统中另设置多个过滤器。

纠偏及闸门控制液压系统（见图四）。

纠偏油泵采用齿轮泵的形式，设置为开式系统。

泵出口单向阀前设置电控卸荷阀，纠偏油缸和闸门控制油缸不工作时，电控卸荷阀可自动卸载，使油泵空载运行。

纠偏油缸为双作用式，每组
油缸都设置液压控制阀组一套，其中包括溢流阀两只、液控单向阀两只、电磁式三位四通换向阀一只；调整溢流阀设置系统安全压力，两只液控单向阀组成的液压锁将油缸活塞杆锁定在任何位置上，电磁式三位四通换向阀控制油缸的伸缩。

冷却和辅助控制系统（见图五）。

为了保证液压系统正常工作，系统专门设置油温冷却系统。

系统中设置两台齿轮式油泵，串接在主泵的通轴上，主泵工作时冷却油泵同时工作，将油箱中的油加压经过单向阀、溢流阀、过滤器、冷却器回到油箱，冷却器中有冷水对油进行冷却。

过滤器设有报警装置，滤芯阻塞时会
自动报警，压力传感器和温度表用来显示液压油的压力和温度。

油箱上设置液位控制器、油标、回油滤油器、空器滤清器、泄放阀等装置，保证液压系统正常工作。

图五: 冷却和辅助控制系统
2.5顶管机电器控制系统的设置
为提高控制系统的自动化程度和可靠性能，压缩控制元件在顶管机中占用的空间，系统中采用FX型可编程控制器及相应的控制模块及实现人机对话的触摸显示屏。

实现了对顶管机内设备各功能的连锁控制，按设顶的要求自动进行纠偏、取土、驱动刀盘，对驱动功率自动调整、限制，自动检测设备故障并报警，记录存储顶管机运行的各项数据，触摸显示屏显示顶管机的运行状况，并通过其输入、设定操作指令。

由于采用先进的、操作、控制元件及控制系统，稍加改动可实现顶管机的地面遥控操作。

设置的备用操作装置，当触摸显示屏发生故障时，用备用控制按钮和备用显示仪表仍然可以操作控制顶管机工作。

电器控制系统由主电路、数据采集、控制系统及安全连锁报警系统组成。

主电路系统采用自动开关对系统进行保护，设有主、付泵组电机的“星/三角”起动装置。

数据采集系统通过FX-4AD、SAD24、FX-4AD-PT模块，12位精度的A/D 转换器等元器件对液压系统的压力和温度、纠偏油缸行程、土仓和螺旋机内的土压参数进行采集、处理。

控制系统采用可编程控制器FX-80MT主机及FX-4AD、FX-4AD-PT、FX-4DA三个模块作为系统主控制器，并采用HITECH公司的PWS-3720触摸显示屏作为操作、显示的人机界面。

触摸显示屏中设有“主监控屏”、油泵控制“、刀盘控制”、取土控制“、纠偏控制”、顶推控制“、故障查询”等七个画面，集中了全部系统操作功能和监控所需的各种参数。

人机界面中有板有32K存储器，可存入各种报警内容及运行参数，并备有打印机接口。

在可编程控制器软件中，对刀盘及取土机进行最大功率限制处理，当负载较大，油马达油压较高时，按电机额定功率计算出油马达允许最高转速，把它作为转速限制值，以保证电机不超负荷运行。

纠偏控制采用顶位自动控制，当操作人员选择了纠偏油缸行程后，系统会自动叛断油缸柱塞杆是否到位，并进行微调以保持位置正确。

系统还设置了中继站控制接口，可控制中继站并显示中继站油缸行程及油压。

安全联锁报警系统。

为保证顶管机安全、正常地运行，控制软件采用必要的安全连锁错措施及故障和超限报警。

如：主油泵电机未运行时不能起动刀盘，付油泵电机未运行时不能取土、开关门、纠偏等操作，纠偏和取土闸门动作时电磁卸荷阀关闭、动作完后电磁卸荷阀打开卸荷，取土机闸门关闭时取土机不能正转（即出土）。

当油泵电机过热、刀盘和取土机驱动过载、刀盘和取土机油压过高、纠偏油压过高、油箱油温过高、滤油器堵塞、油箱油位过低、土仓和取土机内压力过高时系统报警并存储记录。

3、管机在泰国污水治理工程中的应用
3.1应用概况
该机2000年上半年在泰国投入使用。

第一段施工时，由于管节的质量问题、国产泥土泵不配套、操作人员熟练程度问题及顶管机设计缺陷等原因，顶管施工极不顺利，总长506米的顶管施工进行了四个月，从第二段开始月进度由350
米上升到398米（840井~860井除外），顶管统计情况见表二，经过14个月的施工，共完成顶管施工2421米。

在河水中浅覆盖层条件下顶进成功。

尤其是在整个北榄污水治理工程中，有德国、日本顶管机和顶管技术同场竟技的情况下，唯有我们进行了“S”形长距离曲线顶管，并且穿越了无法避让的桩群，破除钢筋混凝土桩20余根，唯有我们在管线两侧土质不均（一侧为河水，一侧为公路）的情况下实现了曲线顶进，并且曲线进洞成功。

由于接收井的尺寸不够，机头采用了分段取出的方法。

3.2使用与操作
顶管现场布见图六。

其中除泥土泵是德国产（PUTZMEISTER）的，其它都由我们自行开发、配套，如：中继站液压系统、总站液压系统、总站千斤顶（3000KN 二级等推力式）、注浆系统等。

机头操作人员打开电源开关，接通电源，触摸显示屏开始工作。

先起动主、付油泵组，正常情况下应使刀盘在较轻的负载下起动，因此当土仓土压较高时，可先开启取土机出土闸门、启动取土机取土，待土仓压力降低一些，再启动刀盘。

按设定的土压值控制土仓内的土压，防止地面沉降或隆起，当土仓土压超过设定值时，机头操作人员可通过通信系统指示中继站、总站操作人员停止顶进或降低顶进速度，也可提高取土速度；当土仓土压低于设定值时，机头操作人员可通过通信系统指示中继站、总站操作人员顶进或提高顶进速度，也可降低取土速度；一般情况下，机头操作人员根据经验将顶进速度控制在一个稳定的速度上，通过微调取土速度来实现土压平衡，如果进一步完善后方配套设备，修改控制软件，自动控制土压平衡也是可能的。

根据测量情况及机头前后段上装设的倾斜、旋转指示仪确定机头的纠偏控制。

通过触摸显示屏输入各组纠偏油缸行程量，确认后，系统将自动完成纠偏控制，并锁定纠偏油缸的行程直到有新的纠偏指令，当油缸或控制元件原因使纠偏行程发生变化时，系统还能自动调整保持设定的纠偏行程。

当系统对设备故障、工作设值超限报警时，应及时采取相应的措施。

定期将存储在触摸显示屏中的运行参数、报警记录打印或输入计算机，可较完整的分析顶管机设备运行情况，以便确定顶管机的报养及改进措施，可较完整的分析顶管机的工作过程，以便根据不同的工况进一步完善顶进施工操作技术。

4、大刀盘土压平衡式顶管机特点评述
4．1由于装置了大扭矩切削刀盘和螺旋取土机（扭矩分别为32t-M、2t-M），刀盘正面上设置了高强度合金刀头，刀盘中心设置了破碎刀头，使顶管机具备较强的通过地下障碍物的能力。

在840-860段顶进施工中破电线杆基础、档土墙、公路桥钢筋混凝土桩20余根，直径12mm的螺纹钢筋通过取土机拉断排出。

4．2 可有效保持挖掘面的稳定，对周围土体扰动小，操作灵活，控制性能好，有能在浅覆盖土层中顶进施工的能力。

施工中显示地面沉降小，一般小于10mm，个别地方接近20mm。

在777-778段顶进施工中，顺利顶进通过了管顶以上覆盖泥土层仅1-1.5米、水深3米的河床，偏差小于25mm。

777-770段管线为“S”形曲线，而且沿河而下，左侧临河水，管子外表面距河水水沫线1.5米，采用右转弯曲线进洞成功。

4．3 可适用较小的工作井和接收井。

在机壳上加临时牛腿，使工作井的长度减小到7.5米（管节长3米）；对于接收井可采取将机体拆分成两段
的方法，大大减小井的尺寸，顶管机在778号井进洞吊出，就是采用分段的方法，其井长3.5米。

4．4 可适应的土质范围大。

大刀盘全断面切削功能及泥土搅拌装置的运用，使得可开挖的土体范围广大，通过向土仓内注入泥浆或水，再经过搅拌可改良土的性质，使得泥土的输送性能改善。

各项动作
4．5 性能稳定可靠。

顶管机结构设置合理，采用了先进的液压驱动系统和主要元器件选用国际知名厂家产品，设置了故障自动检测报警系统。

4．6 控制系统先进，操作方便。

采用可编程控制器和触摸显示屏为主的控制系统，实现了对设备各功能连锁控制，按设定的要求自动完成各项动作，通过触摸显示屏使操作者实现了与机器对话。

如有必要可通过修改软件调整、改进连锁控制及各项功能的动作。

增加机内监控设备，完善测量系统实现地面遥控是很方便的。

该机在使用过程中也发现一些问题，如螺旋取土机轴承处密封设计不合理，使泥水进入轴承，造成多次拆修螺旋取土机，经过现场改进，已经有了明显效果。

还有土压传感器、纠偏行程传感器质量不稳定，需要改进。

5结语
大刀盘土压平衡式顶管机作为国产顶管设备首次参与国际竞争，并获得了成功，不仅给本单位带来了良好的经济效益，而且为进一步开发性能更好的、自动化程度更高的国产顶管设备垫定了基础。