弱风化凝灰熔岩地层下的顶管机刀盘

盘直接作用于地层，刀盘结构和刀具布置能否与复杂
引言
高、环保等优点
［１⁃３］
，特别是在穿越河流、铁路、建筑物
等特殊地形的情况下， 更是一种不可替代的施 工 方
法
［４］
。 顶管法作为我国较早使用的一种非开挖施工
的地层条件相适应对顶管机的顶进工作至关重要。 因
此，进行顶管机的刀盘结构和刀具布置研究具有重要
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ Ｐｉｐｅ ｊａｃｋｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ； Ｃｕｔｔｅｒｈｅａｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ； Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ； Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ： ＸＵ ＸｉａｎＦｅｎｇ， Ｅ⁃ｍａｉｌ：１５０４１４５４５＠ ｑｑ．ｃｏｍ， Ｆａｘ：＋８６⁃５７２⁃２１１８４８９
摘要 弱风化凝灰熔岩地层作为一种极硬岩地层，岩体抗压强度高，顶管施工难度大，若刀盘强度和刚度不足则极
易发生安全事故。 为研究 Ｄ２０００ 复合地层泥水平衡顶管机刀盘在凝灰熔岩地层下的力学性能，对刀盘模型进行静力学
分析，得到了刀盘的等效应力和变形云图，确定危险位置位于正面滚刀安装侧板底部，最大等效应力值为 １７８ ２１ ＭＰａ，
在顶管机顶进过程中，刀盘上的刀具直接与岩土
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第 ４４ 卷第 ６ 期
１３８９
徐先锋等：弱风化凝灰熔岩地层下的顶管机刀盘轻量化设计
接触，因此应根据地层条件选择不同的刀具，刀具的合
理选用将直接影响顶进速度和顶进效果，而对刀具合
理布置则能提高刀具的切削性能、改善刀盘受力、延长
ＣＨＥＮ ＺｈｏｕＸｉａｏ１
ＨＵＡＮＧ ＺｈｉＧａｎｇ２ ＸＩＮＧ ＰｅｎｇＦｅｉ １
（１． Ｎｕｃｌｅａｒ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｊｉｎｇｘｉａｎｇ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．， Ｈｕｚｈｏｕ ３１３０００， Ｃｈｉｎａ）
（２． Ｆｕｚｈｏｕ Ｐｉｎｇｔａｎ Ｗａｔｅｒ Ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．， Ｆｕｚｈｏｕ ３５０７９９， Ｃｈｉｎａ）
鞋厂 ～ 详 谦 农 场 段 输 水 管 道 （ ＱＣ０ ＋ ０００ ０００ ～ ＱＣ２ ＋
６８９ ００１） 长度为 ２ ６８９ ｋｍ，采用 ＤＮ１６００ 钢管；详谦农
场 ～ 城 门 水 厂 段 输 水 管 道 （ ＱＣ２ ＋ ６８９ ００１ ～ ＱＣ３ ＋
８３３ ９０３） 长度为 １ １４５ ｋｍ，采用 ＤＮ２０００ 钢管。 详谦
城门输水支线顶管段拟建场地自上而下各土层分
别为：人工填土、淤泥、中砂、粉质黏土、强风化凝灰岩、
中风化凝灰岩、弱风化凝灰岩。 埋管段管道大部分位
于淤泥或细砂层、残积土层上，土层主要有淤泥、弱⁃强
风化熔岩、砂质黏土与全风化基岩，在淤泥和中砂层中
的顶管施工较为容易，而在后段约 ５４１ ｍ 的弱⁃强风化
熔岩中顶管施工难度较大。
非开挖技术相较于传统的管网改造与建设施工方
方法，广泛应用于热力管道、煤气管道、电力管道、通信
电缆 ［５］ 等施工中，且表现出较高的社会价值和经济效
益。 顶管机作为现代顶管施工中必不可少的机械设
法，能在不开挖地表的条件下完成各种管道或电缆的
备，直接影响着整个顶管施工的质量和进度，顶管机刀
铺设，且具有不影响交通和居民日常生活工作、效率
ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｎｅｐｈｏｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｃｕｔｔｅｒｈｅａｄ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ． Ｉｔ ｗａｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄａｎｇｅｒｏｕｓ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｗａｓ ｌｏｃａｔｅｄ ａｔ ｔｈｅ ｂｏｔｔｏｍ ｏｆ
ｔｈｅ ｆｒｏｎｔ ｃｕｔｔｅｒ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ｓｉｄｅ ｐｌａｔｅ． Ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｓｔｒｅｓｓ ｖａｌｕｅ ｗａｓ １７８ ２１ ＭＰａ， ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｗａｓ
管道区地表多为第四系全断统长乐组冲海积层淤泥和
中砂层覆盖，厚 ３０ ｍ ～ ５０ ｍ，管道区地下水类别主要为
孔隙潜水，乌龙江河道水深 ５ ｍ ～ １５ ｍ，两岸地下室埋
深于第四系全断统长乐组冲海积层淤泥中，地下水位
０ ｍ ～ １ ５ ｍ。
图 ２ 面板式刀盘
Ｆｉｇ．２ Ｐａｎｅｌ ｔｙｐｅ ｃｕｔｔｅｒｈｅａｄ
刀具和刀盘轴承寿命。
２ ２ 刀具选择
配置在刀盘上的刀具可分为切削型刀具、滚刀型
Ｆ Ｖ ， 所以顶管机的推力 Ｆ 可表示为
Ｆ ＝ Ｆ０ ＋ Ｆｆ ＋
ｎ１
ｎ２
Ｆ ｑｔｉ ＋ ∑ Ｆ Ｖｋ
∑
ｉ＝１
ｋ＝１
（２）
式中， ｎ １ 为顶管机刀盘上的刮刀数量，取 １８ 把； ｎ ２ 为
顶管机刀盘上的滚刀数量，取 １２ 把。
２ 刀盘设计及刀具配置
刀盘是顶管机的最重要部件之一，位于顶管机的
最前端，在顶管机中承担切削、扒进、破碎、搅拌土石和
超挖、成孔等功能，其设计合理性与顶管机性能直接相
关。 由于顶管机刀盘直接作用于地层，而地层条件复
杂多变，因此刀盘结构和刀具布置需要符合不同地层
条件的要求，以使得刀盘有足够的刚度和强度，刀具有
本文根据凝灰熔岩地层参数，综合刀盘结构、刀具
布置及刀具载荷，建立了顶管机刀盘载荷模型，并结合
有限元方法对刀盘的强度和刚度进行了分析，最后对
刀盘进行了轻量化设计，在满足其力学性能要求的同
时，降低了驱动难度和施工成本，为实际工程中的顶管
机刀盘设计提供了一定参考和依据。
图 １ 城门水厂输水管道平面图
Ｆｉｇ．１ Ｐｌａｎ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｏｆ Ｃｈｅｎｇｍｅｎ ｗａｔｅｒ ｐｌａｎｔ
ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｃｕｔｔｅｒｈｅａｄ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ． Ｔｈｅ ｍａｓｓ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｉｓ ｒｅｄｕｃｅｄ ｂｙ
８ ２３％ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈａｔ ｂｅｆｏｒｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ， ｗｈｉｃｈ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｃｕｔｔｅｒｈｅａｄ．
刀盘支撑筋进行了优化设计，提高了刀盘的抗振能力
及刚度。 以上的研究多以盾构 ／ ＴＢＭ 刀盘为主，而针
对顶管机刀盘的力学性能分析较少，相较于盾构 ／ ＴＢＭ
刀盘而言，顶管机刀盘直径较小，且在凝灰熔岩地层
下，岩体强度高，刀盘需要有足够的强度和刚度以满足
掘进要求，而传统的设计方法又过于保守，使得顶管机
刀盘偏重，导致施工成本增加。
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ
２０２２， ４４（６） ： １３８７⁃１３９４
ＤＯＩ： １０ １６５７９ ／ ｊ．ｉｓｓｎ．１００１ ９６６９ ２０２２ ０６ ０１７
弱风化凝灰熔岩地层下的顶管机刀盘轻量化设计 ∗
ＬＩＧＨＴＷＥＩＧＨＴ ＤＥＳＩＧＮ ＯＦ ＴＨＥ ＣＵＴＴＥＲ ＨＥＡＤ ＯＦ 强 度
２０２２ 年
目前，针对顶管机刀盘结构设计与力学性能的研
究较少，国内外学者对于掘进机刀盘的研究主要集中
在盾构 ／ ＴＢＭ 刀盘上，ＳＵＮ Ｈ Ｙ 等 ［６］ 提出了一种综合
考虑 ＴＢＭ 刀盘剖面轮廓及焊缝约束条件的滚刀布局
设计方法，优化了刀盘的力学性能。 吴恩启等 ［７］ 针对
最大变形量为 ０ ５０ ｍｍ，结果符合刀盘材料强度和刚度要求。 对刀盘进行轻量化设计，得到最大应力、最大变形量以及
刀盘质量随刀盘厚度减小的量变化规律，改进后的刀盘应力和变形满足优化约束条件，且其质量与未优化前相比减小
８ ２３％，满足刀盘轻量化设计要求。
关键词 顶管机 刀盘结构设计 有限元分析 优化
的工程意义。
∗２０２１０３２１ 收到初稿， ２０２１０８２７ 收到修改稿。 核工业井巷建设集团有限公司科技基金项目 （２０２０００１） 资助。
∗∗徐先锋， 男， １９７０ 年 １ 月生， 安徽潜山人， 核工业井巷建设集团有限公司高级工程师， 学士， 主要从事地下工程施工与管理。
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１ 工程概况
较高的切削性能和较长的寿命， 保证顶管机的 顶 进
球山隆鞋厂详谦农场城门水厂输水管道是福建省
平潭及闽江口水资源配置工程中大樟溪福州、长乐输
水工程城门支线的重要组成部分。 城门输水支线管道
穿越乌龙江，输水管道平面图如图 １ 所示，共有工作井
３ 座（４ ＃ 工作井兼作接收井） ，接收井 ２ 座，其中球山隆
０ ５０ ｍｍ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｕｔｔｅｒｈｅａｄ ｍａｔｅｒｉａｌ ｗａｓ ｍａｄｅ ｏｆ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ． Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ
ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｃｕｔｔｅｒ ｈｅａｄ， ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｓｔｒｅｓｓ， ｍａｘｉｍｕｍ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｕｔｔｅｒ ｈｅａｄ ｍａｓｓ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ
类矩形盾构刀盘建立了受力模型，并采用有限元方法
建立了刀盘受力与等效应力的关系。 暨智勇等 ［８］ 通
过单把滚刀的受力模型，对不同刀具布置形式下的刀
盘倾覆力矩进行了研究。 程永亮等 ［９］ 对某工程所用
ＴＢＭ 刀盘进行地质适应性设计，并对该刀盘的力学性
能和出碴性能进行了数值模拟。 霍军周等 ［１０］ 对 ＴＢＭ
定地下水的压力来满足开挖面水土压力稳定，面板式
刀盘结构形式如图 ２ 所示。
研究对象，５ ＃ 工作井 ～ ４ ＃ 工作井（ 顶管） 全长 １ １４５ ｍ，
其中穿越地下岩石层 ５４１ ｍ，穿越砂层 ６０４ ｍ。
１ １ 地质条件
乌龙江主河道宽约 ２ ９５１ ｋｍ，河道底高程 － ５ ｍ ～
１５ ｍ。 两岸地形右岸较缓而左岸较陡，根据钻孔揭示，
农场 ～ 城门水厂段输水管道的顶管施工为本文的主要
效率。
２ １ 刀盘选型
顶管机的刀盘为钢结构焊接件，常采用的刀盘形
式主要有面板式、辐条式以及同时具有辐条和面板的
辐板式 ［１１］ 。 本次设计的刀盘最大切削外径 Ｄ 为 ２ １２０
ｍｍ，采用面板式结构以稳定开挖面土压力，同时将泥
水舱内的压力调整到比地下水压力高 ０ ０１ ＭＰａ，以稳
ＪＡＣＫＩＮＧ ＭＡＣＨＩＮＥ ＵＮＤＥＲ ＴＨＥ ＷＥＡＫＬＹ ＷＥＡＴＨＥＲＥＤ
ＴＵＦＦ ＬＡＶＡ ＦＯＲＭＡＴＩＯＮ
徐先锋 ∗∗１
陈周晓１
黄智刚２
邢鹏飞１
（１． 核工业井巷建设集团有限公司， 湖州 ３１３０００）
（２． 福州水务平潭引水开发有限公司， 福州 ３５０７９９）
ＸＵ ＸｉａｎＦｅｎｇ１
中图分类号 ＴＶ６２
ＴＶ８８２ １
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｕｔｔｅｒｈｅａｄ ｏｆ Ｄ２０００ Ｓｌｕｒｒｙ ｂａｌａｎｃｅｄ ｐｉｐｅ
ｊａｃｋｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ｆｏｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ， ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｕｔｔｅｒｈｅａｄ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ， ａｎｄ ｔｈｅ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ
Ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔ ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｐｒｏｊｅｃｔ ｏｆ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｊｉｎｇｘｉａｎｇ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．
（ Ｎｏ．２０２０００１） ．
Ｍａｎｕｓｃｒｉｐｔ ｒｅｃｅｉｖｅｄ ２０２１０３２１， ｉｎ ｒｅｖｉｓｅｄ ｆｏｒｍ ２０２１０８２７．
工程穿越地层主要为弱风化凝灰熔岩地层，岩体
。 切削型刀具主要用于切削土
强度高，顶管机顶进时，刀具受载较大，因此需要结合
滚刀型刀具主要用来切削岩石类地层，滚刀在刀盘的