土压平衡顶管机与土压平衡顶管

例如，在粘性土的河床底下顶管中，出洞和出洞前后的一段土质往往比较 硬一些，而河床底下土质往往会比较软一些，在河床复土深度较浅时更是如此。 这时，如果这类顶管机的开口率设计得比较大，对穿越河床是有利的。但是，在 进出洞前后的顶进就有可能产生一些问题。
最严重的是由于刀盘的开口率较小，在遇到比较硬、自立性又比较好的土 时，如果顶进速度和螺旋输送机的排土又不相一致，土压的平衡就无法维持。假 设这时主顶油缸推进速度较慢，而螺旋输送机的排土较快，那么，泥土仓内的土 压力会下降。这时，安装在泥土仓隔板上的土压力表所显示出来的仅仅是泥土仓 压力，而并非是刀盘前所平衡的挖掘面上的土压力。若刀盘的进土量少，挖掘面 上的土压力可能很大。挖掘面上的土压力与泥土仓内的土压力，这两者之间会有 一个压力差，即△P，通常的规律是土越硬，开口率越小，这个△P 就可能越大；
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比较均匀了，再通过后面的搅拌棒，就可把这些混和得比较均匀的且经过改良的
土体变成了具有良好的塑性、流动性和止水性。有时为了增加注浆量和扩大注浆
面，在刀排的前面也设有注浆孔。
当接通刀盘电动机的电源开关，顶管机的刀盘就被驱动，设在刀盘前面的刀
片在切削地下土砂的同时与设在刀盘后的搅拌棒对泥土仓内的泥土进行搅拌。如
多刀盘土压平衡顶管机有它的局限性，只能用在含水量较高的软粘性土中， 若遇到沙性土时必须注入粘土浆液对沙性土进行改良。另外，顶管机一旦产生了 顺时针或逆时针的滚动偏转就不太容易纠正。
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二、加泥式土压平衡顶管机 加泥式土压平衡顶管机，也称大刀盘土压平衡顶管机、辐条式土压平衡顶管 机等，它可用于多刀盘土压平衡顶管机所无法顶进的固结性粘土和砂土。 该机如图—2 所示，可分为：1—测量靶、2—压力表、3—刀盘、4—土压仓、 5—刀盘动力箱、6—行星减速器、7—纠偏油缸、8—前壳体、9—刀盘驱动电机、 10—螺旋输送机、11—电气控制箱、12—后壳体、13—操纵台等组成。其中，刀 盘是最能体现加泥式顶管机特点的一个主要部件，它由刀排座、刀排、切土切座、 切土刀片、中心刀、搅拌棒等零件组成。刀排呈放射状布臵，与中间的刀排座焊 成一体，刀排座则通过联接键与主轴联接。在刀排座的前端，焊有一个呈三角形 状的中心刀。在中心刀底部的刀排座上设有一注浆孔，该孔通过中空的主轴和主 轴后的旋转接头与注浆管连接。
一、多刀盘土压平衡顶管机 多刀盘土压平衡顶管机只适用于软土地层、并且外径要大于 1800mm 以上的 一种大口径的土压平衡顶管机。
图—1 多刀盘土压平衡顶管机
它的结构比较简单，请参见图 4—1：1—土压仓、2—隔舱板、3—前壳体、 4—减速器、5—土压力表、6—纠偏油缸、7—刀盘电机、8—螺旋输送机、9—后 壳体、10—刀盘、11—人孔。
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反之则越小。因此，面板式顶管机往往达不到真正平衡效果。 然而，加泥式顶管机是无面板的，其开口率达 100%。虽然，土压力表同样
设在泥土仓的隔板上，但它所测得的压力却完全与挖掘面上的平衡土压力相等， △P=0。因此，它的平衡效果要好许多，适用的土质范围也宽许多。
它的第四个特点是结构简单、重量轻。 加泥式刀盘无面板，其结构也比较简单，螺旋输送机又是悬臂式，总体结 构简单，因而它的重量也比有面板的土压平衡掘进机轻一些。顶管的自重如果超 过它所排开同体积土的重的 70%，施工中就容易使顶管机产生下沉现象，尤其在 粉细砂土质中，这种现象更为常见。 产生这种现象的原因是由于顶管机在工作过程中，有许多运转着的零部件， 它们都会产生着各种振动，而这些振动会使粉细砂土质中间隙水压力发生变化， 从而迅速导致土的液化，进而降低了土的承载力，于是，顶管机也就慢慢地下沉。 克服这种现象的办法一方面是尽量降低顶管机的自重，选择好的机型。
加泥，这是它的第一个特点。从目前的土压式顶管机来看，可以加泥的有下列几
种：
1.辐条式加泥式顶管机
2.一般加泥式顶管机
加泥式顶管机
3.泥浆式加泥顶管机
4.多刀盘加泥顶管机
5.密闭加泥顶管机
以往，遇到纯砂或砂砾一类土质，是不能采用土压平衡式顶管机进行施工的。
可是，自从有了加泥式土压平衡顶管机以后，情况就改变了，使加泥式土压平衡
土压仓内均布有四个刀盘，刀盘由电机通过安装在隔舱板上的减速器驱动、 旋转。它们在切削土体的同时可对土体进行搅拌。下部设有螺旋输送机的喂料口。 切削下来的土体通过螺旋输送机排出。由于前壳体被隔舱板隔离成前面的土压仓
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和后面的动力仓两部分，地下水无法渗透进来，所以多刀盘土压平衡顶管机可在 地下水位以下进行顶管施工。由于多刀盘土压平衡顶管机四个刀盘切削土体的面 积只占顶管机全断面的 60%左右，其余部分的土体都是通过挤压、搅拌，最终被 螺旋输送机排出的，这种结构决定了多刀盘土压平衡顶管机只适用于含水量比较 大的软土地层。在泥土仓的隔仓板上部和中部两侧各设有三个土压力表。
顶管机变成了适合于除岩石以外的全土质的顶管机了。它使土压平衡顶管机适用
的土质范围一下子扩展了许多。
在砂或砂砾土质中，加入作泥材料制成的浆液wenku.baidu.com后，不仅流动性和塑性变好
了，而且止水性能也变好了。有这样良好的止水性的土充满螺旋输送机的壳体内
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时，地下水就不会产生喷发，因而，加泥式土压平衡顶管机还可在地下水位高的 土质条件下施工，例如在河道底下施工，而且十分安全。
前后壳体之间安装有壳体密封圈，壳体前后是用四组“井”字形布臵的纠偏 油缸联结起来。在后壳体内设有液压动力站，以控制各组纠偏油缸的伸缩，从而 达到控制顶管机顶进的方向。
它的工作原理如下：顶进过程中，需根据土质、覆土深度等条件设定一个控 制土压力 P，当泥土仓内的土压力＞P 时，让螺旋输送机排土；当泥土仓内的土 压力＜P 时，让螺旋输送机停止排土。只要推进速度与排土量相匹配，就可做到 连续排土。同时，也可把土压力控制在 P±20kPa 范围以内。
果顶管机处在砂或砂层中，则必须注入作泥材料的浆液，把它与被切削下来的土
砂一起搅拌。只有当泥土仓内的泥土被搅拌成具有较好的塑性，流动性和止水性
这“三性”时，搅拌才算成功，作泥材料的添加也才算合理。
在上述动作过程中，主顶油缸徐徐推进，泥土仓内的压力就慢慢上升。由于
泥土仓内的泥土具有较好的塑性和流动性，因此，泥土仓内的土压力是比较均匀
图—2 加泥式土压平衡顶管机构造 在刀排的前端，焊有切土刀座，在切土刀座上镶有硬质合金刀片。刀座及刀 片的形状及材料与顶管机顶进的土层有着密切的关系。施工时，应根据不同土层 而选择不同刀座及刀片。在刀排的后面，焊有多根搅拌棒。 通过注入一定比例的粘土浆，再通过搅拌棒的搅拌，就可把原来不具塑性、 流动性和止水性的砂或砂卵石土质，变有具有良好的塑性、流动性和止水性的土 体。这就使辐条式顶管机完全具有改良土体的功能。 有的土压平衡顶管机在隔仓板上开个注浆孔，注入泥浆后似乎也有土体改善 功能，其实并不然。因为隔仓板上注入的泥浆容易通过隔仓板与砂土之间的空隙， 直接流动下部的螺旋输送机取土口形成短路而被螺旋输送机排出。而辐条式的浆 液是直接注到挖掘面上去的，它在切削的同时已把浆液与挖掘下来的土砂混和得
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图—5 无面板式土压平衡顶管机 （二）、面板式土压平衡顶管机
面板式土压平衡顶管机如图—6 所示，是日本伊势机公司土压平衡顶管机产品的 一种。它的特点是刀盘用面板封起来的，刀盘上安装数条刀排，刀排的两侧开有进土 槽。进土槽总面积与刀盘面积之比为开口率。开口率的大小与土的软硬程度有关：土 越软，开口率越小；土越硬，开口率越大，这一点与面板式泥水平衡顶管机有相同之 处，但它用螺旋输送机出土。
土压平衡顶管机与土压平衡顶管
姓名：余彬泉 单位：扬州广鑫重型设备有限公司 摘要：土压平衡顶管施工是借助于各种土压平衡顶管机来实现的，每一种土压平 衡顶管机都有一定的适用范围。但其基本原理是一样的：即用土仓内的土来平衡 土压力和地下水压力，排出的弃土是可以用车辆运送的。土压平衡顶管一大特点 是可以对土体进行改良。 关键词：土压平衡顶管 土压平衡顶管顶管机 土体改良 运土方式
的。从理论上讲，只要把泥土仓内的压力始终控制在大于顶管机所处土层的主动
土压力和小于该被动土压力之间，在顶管机的工作过程中就不会产生地表沉陷和
隆起。然而在实际施工过程中，规定的控制范围要比上述的窄许多，它规定泥土
仓内的压力要与掘进机所处土层的土静止土压力和地下水压力之和相等。
该机有以下几个特点：
首先，加泥式土压平衡顶管机可以向泥土仓中注入作泥材料的浆液，简称
三、其他的土压平衡顶管机 （一）、海瑞克公司的 EPB 顶管机 图—3 是德国海瑞克公司生产的 EPB1800 顶管机的外形，EPB 是土压平衡顶 管机的英文缩写。
图—3 EPB1800 顶管机
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图—4 EPB1800 顶管机结构 图—4 是 EPB1800 顶管机的结构：1—刀盘、2—喂料仓、3—刀盘主轴、4— 主轴减速器、5—刀盘驱动电机、6—螺旋输送机、7—螺旋机驱动装臵、8—纠偏 油缸、9—壳体密封、10—液压油箱、11—油泵电动机、12—电器箱、13—ELS 电子激光靶、14—螺旋机关门油缸、15—螺旋机门、16—排土口、17—卷扬机、 18—运土斗车。 EPB1800 顶管机有两大特点，第一，它的螺旋输送机的驱动装臵是设在螺 旋输送机中部的，在螺旋输送机的输出端联结一个很长的排土口，并且排土口的 位臵设的很高，这样，运土斗车就可以做得较大，装的土也多，工作效率就比较 高。 第二，顶管机内安装有 ELS 电子激光靶，可进行自动测量。所谓的 ELS 电 子激光靶其实是一个具有三维空间视觉仪。当安装在其后一定距离的激光全站仪 发出的激光束射在 ELS 电子激光靶时，计算机可精确地计算出激光束的的重心 （是一个精确到 0.001mm 的点）即激光束的中心点，这样，激光束射与 ELS 电子 激光靶中心的相对位臵就可以确定了。然后根据所布臵的倾斜传感器、棱镜等传 回的数据输入计算机经处理，就可得知顶管机现在所处的位臵和顶管机设计所处 位臵的相差值。顶管机操作人员可根据这些相差值来修正顶管机的行进姿态，使 顶管机按设计所要求的轨迹推进。 它的弃土由螺旋输送机的排土口排出，落到运土斗车中。运土斗车的进出分 别是通过设在机内和工作坑内的两台卷扬机拉动的。 图—5 是海瑞克公司的另一种无面板式土压平衡顶管机。
多刀盘土压平衡顶管机的整机重量轻，顶进时不易产生沉降。顶管机的用电 也比同口径的大刀盘土压平衡顶管机少 30%～40%。多刀盘土压平衡顶管机还有 它一个独特的功能就是可以利用某个刀盘的转动或停止转动来有效的达到纠正 顶管机方向偏差的这一目的。例如，当顶管机在上层土软、下层土硬这样上下两 层软硬不同的土中顶进时，顶管机往往会向软的一层土偏过去，即顶管机会爬高。 这时，如果让顶管机上部的两个刀盘停止转动，继续往前顶的话，很快就会发现， 随后顶管机已停止爬高，并会出现趋稳或往下的走势。
在上海龙华地区的一施工单位用 2400 多刀盘土压平衡顶管机顶管，起先， 一直很正常，但在距接收井还有 45 到 36m 这一段距离中，一下子偏左 42cm，如 果按这种偏差的速率继续往前顶，到时肯定进不了洞。经分析原因判断：左边可 能遇到了已填埋的水塘或河道，决定让他们把左边上下两个刀盘停掉，放慢速度、 控制好土压力和刀盘电流继续往前顶，结果顶管机很快就开始往右回正，最终安 全进了洞。
在加泥过程中应做到： 1、对于不同的土质应选用不同的泥浆配比； 2、对于不同的土质应注入不同的泥浆量； 3、对于注入泥浆的管理必须引起足够的重视； 4、对于注入泥浆的管理必须讲科学。
刀排的后焊有多根搅拌棒这是它的第二个特点。加泥以后只有通过搅拌棒的 不断搅拌，才能使由作泥材料制成的浆液与挖掘下来土沙拌和得很均匀，也只有 这样才能使改良后的土体变得具有良好的塑性、流动性和止水性。
它的第三个特点是开口率达到 100%。在所有土压平衡的顶管机中，只有 DK 式的开口率达 100%，其它或多或少都有面板，且根据不同的土质，开口率从 20 —60%不等，这也是它适用土质范围不广的原因之一，而且也使得它们所测得的 土仓内的压力不一定也机挖掘面上的土压力相等的主要原因。
有面板的顶管机之所以要设计成面板，其原因就是要用面板来防止挖面上 土的坍塌。因此，土质越软，面板所占的断面积就越大，开口在整修断面中所占 的面积就越小；反之，则相反。可是，在实际顶进过程中，尤其是在长距离顶管 或者是在复杂条件下的顶管中，土质变化很大，使这种设计难以适应。