泥水平衡顶管机与泥水平衡顶管

摘要：泥水平衡顶管施工是借助于各种泥水平衡顶管机来实现的，每一种泥水平衡顶管机都有一定的适用范围。

但其基本原理是一样的：即用一层坚实的泥膜覆盖在挖掘面上，用一定压力和一定比重及一定黏度泥水来平衡地下水压力和土压力。

它是把弃土搅成泥水后再用泵来输送的。

有的泥水平衡顶管机具有破碎功能。

关键词：泥水平衡顶管泥水平衡顶管顶管机进水排泥破碎功能一、面板式刀盘的泥水平衡顶管机日本伊势机公司是最先进入中国的外国顶管机专业制造公司，他们早在1985年就把当时先进的φ800Telemole泥水平衡顶管机销到了上海。

（一）、MEP型和Telemole型泥水平衡顶管机为1000mm，最大口径为3000mm，它的外形如图—1所示。

MEP型泥水平衡顶管机是一种适用软土土质的泥水平衡顶管机，它的详细构造请参见图—2。

图—2 MEP型泥水平衡顶管机构造在图—2中，1—刀排和切削刀、2—刀排拉杆螺栓、3—刀盘面板、4—芯轴、5—刀排联接套、6—隔仓扳、7—顶管机壳体、8—主轴套、9—进排泥管、10—大齿轮、11—小齿轮、12—推力轴承、13—主轴、14—主轴控制油缸、15—主轴油缸缸体、16—刀排控制油缸、17—行星减速器、18—芯轴轴承、19—芯轴端套、20—电动机。

MEP型泥水平衡的最大特点是它的刀盘和刀排都可以前后伸缩。

从图5—2中可以看到：刀盘和主轴是联接在一起的，刀盘的伸缩是通过套在主轴后部的主轴控制油缸来实现的。

主轴控制油缸可以在主轴油缸缸体内进行前后运动，从而也带动刀盘的伸缩。

由于主轴控制油缸的两端都安装有轴承，所以，当顶管机主轴旋转时主轴控制油缸是不旋转的。

在顶进过程中，通过油泵始终向主轴控制油缸的后腔供给一定压力的液压油，用这个供给压力来平衡刀盘所承受的土压力。

当在覆土较深的状况下顶进，刀盘所承受的土压力高时，可把这个供给压力调高些；当在覆土较浅的状况下顶进，刀盘所承受的土压力低时，可把这个供给压力调低些。

就这样，利用机械（液压）的方式来达到刀盘平衡其所承受的土压力的目的。

刀盘前伸时，其数值为“＋”，即是正值；刀盘后缩时，其数值为“－”，即是负值；当刀盘平面和顶管机壳体前端面一样平时，其数值为“0”。

MEP型顶管机刀排的前后伸缩是通过刀排控制油缸来实现的：当刀排控制油缸回缩时，芯轴前伸，带动与刀排联结的刀排拉杆螺栓和刀排联接套一起前伸，（由于刀排控制油缸是倒装的，所以它的动作正好与刀排的动作相反）。

当刀排控制油缸前伸时，芯轴回缩，带动与刀排联结的刀排拉杆螺栓和刀排联接套一起回缩。

在顶管施工之前，根据土质条件和覆土深度，计算出一个控制土压力P，同时，把刀盘的供给压力设定到与控制土压力P相等。

在顶进过程中，当顶管机刀盘所承受的实际土压力比设定土压力P小时，刀盘就前伸。

若此时刀排控制油缸不动，进土口的开度就越来越小，当然，进的土也就越来越少了。

这样，刀盘所承受的土压力就会越来越大，一直到刀盘所承受的土压力与设定土压力P相等，才达到平衡。

若反之，在顶进过程中，当顶管机刀盘所承受的实际土压力比设定土压力P 大时，刀盘就回缩。

若此时刀排控制油缸不动，进土口的开度就越来越大，当然，进的土也就越来越多了。

这样，刀盘所承受的压力就会越来越小，一直到刀盘所承受的压力与设定土压力P相等，也达到平衡。

这就是MEP型泥水平衡顶管机的机械平衡土压力的原理。

MEP型泥水平衡顶管机除了有机械平衡土压力的功能以外，还有泥水平衡土压力的功能。

泥水平衡土压力的功能与普通的泥水平衡的原理是一样的：即用顶管机泥水仓内有一定压力和一定比重的泥水，依靠在挖掘面上行成的泥膜来平衡土压力和地下水压力。

MEP型顶管机都是在机内操作的，为了让MEP型顶管机更加适合小口径顶管，伊势机公司把MEP型机内操作的顶管机变成在可在机外远距离操作的顶管机。

Telemole型泥水平衡顶管机，如图5—3所示，最小口径为600mm。

图—3 φ800Telemole泥水平衡顶管机（二）、刀盘不伸缩的泥水平衡顶管机由于MEP型泥水平衡顶管机的刀盘是可以伸缩，并以此来平衡顶管机所在土层土压力的，它在含水量很高的淤泥质土和粉土等一些软土地层中很适用，而且，在这些软土地层中用MEP型泥水平衡顶管机施工后的地面沉降也很小。

但是，在一些含水量很低的硬土地层中施工，MEP型顶管机的刀盘往往无法正常的前伸，这是由于实际的土压力大于MEP型顶管机刀盘设计最大的平衡土压力的结果，于是乎就有了刀盘不伸缩的泥水平衡顶管机，如图—4所示。

缩可以控制进土口的大小，从而达到控制进土量，最终达到控制刀盘平衡土压力的目的。

该顶管机的其他结构与Telemole型顶管机的结构基本相同，也是远距离控制的。

（三）、刀盘和刀排都不能伸缩的泥水平衡顶管机刀盘和刀排都不能伸缩的泥水平衡顶管机是泥水平衡顶管机的最早期产品，它们主要是用泥水仓内的泥水压力以及它在挖掘面上形成的泥膜来平衡地下水压力和土压力的，用刀盘上进土口的大小来控制进土量的。

把刀盘上进土口的开口面积与刀盘整个断面积之比称之为开口率。

开口率的大小与土质有很大的关系：土质越软开口率就越小，土质越硬开口率就越大。

正因为如此，这类泥水平衡顶管机适应的土质范围很窄，通用性不强。

图—5是这类泥水平衡顶管机的代表。

而且在一些盾构施工也还常常被采用。

它的关键是：首先，必须针对施工的土质设计出开口率合理的顶管机；其次，必须再加上一套严格、科学的泥水管理操作程序。

只有这样，它的施工效果还是相当令人满意的。

二、TCC型土压平衡泥水顶管机TCC型泥水平衡顶管机是日本伊势机公司开发成功的一种具有破碎功能的多用途、适应土质较为广泛的顶管机，小口径TCC型土压平衡泥水顶管机的详细构造请参见图—6。

图—6 小口径TCC型泥水平衡顶管机图中，1—切削刀、2—刀排、3—端盖、4—锁紧螺母、5—锥形刀盘、6—边缘刀、7—偏心主轴、8—压紧弹簧、9—耐磨环、10—格栅板、11—齿轮、12—内齿圈、13—起吊环、14—主轴密封、15—顶管机壳体、16—锁紧螺母、17—进排泥管、18—壳体密封、19—放油口、20—行星减速器、21—后壳体、22—防偏转装置、23—电动机。

从图—6中可以看出它的构思的确很巧妙，整个顶管机的主轴箱和锥形刀盘其实就是一个少齿差减速器：顶管机壳体上固定有少齿差减速器的内齿圈，锥形刀盘上固定有少齿差减速器的齿轮，电动机通过一节行星减速器带动偏心主轴旋转，从而也带动少齿差减速器的齿轮旋转。

由耐磨环与内齿圈和弹簧组成机械密封。

图—7 大口径TCC型泥水平衡顶管机大口径TCC型泥水平衡顶管机的详细构造请参见图—7。

1—喇叭状进土口、2—前端盖、3—锁紧螺母、4—锥形刀盘（安装有少齿差减速器内齿圈）、5—偏心主轴、6—主轴密封、7—少齿差减速器齿轮、8—耐磨环、9—少齿差减速器齿轮安装座、10—偏心轴大齿轮、11—偏心轴小齿轮、12—行星减速器、13—电动机、14—后座、15—后端盖。

与小口径TCC型泥水平衡顶管机不同的是大口径TCC型泥水平衡顶管机偏心轴是带动其内齿圈旋转，而少齿差减速器的齿轮是固定的，同时可有多台电动机带动偏心轴旋转，由一副耐磨环和弹簧组成机械密封。

TCC型泥水平衡顶管机的破碎是通过偏心轴旋转时产生的偏心距来实现的，所以，其破碎的次数就是偏心轴旋转次数。

其破碎的砾石的强度P可通过下式计算出来：P=T÷e式中：P——破碎强度，（kPa）T——顶管机刀盘的转矩（kN－m）e——偏心距（m）TCC型泥水平衡顶管机的主轴密封件除了做旋转运动之外，还伴随有平面的位移，所以机械密封成了它的唯一选择。

所以，最大的缺陷也就在于它的机械密封。

第一、机械密封的结构复杂、安装要求高。

当然，制造成本也高。

第二、机械密封的寿命短，一般说来，顶一、二百米就必须维修或更换。

第三、机械密封的结构不太适用于大口径的顶管机。

首先，因为大口径顶管机的机械密封直径大，旋转的线速度快，容易磨损。

其次，大直径的机械密封两密封平面之间即使有一个很小张角，其间隙也会较大，这就破坏了它的密封效果。

然而，这一由轴承游隙形成的张角是无法避免的。

第四、尽管TCC型泥水平衡顶管机的刀盘在旋转过程中它与喇叭状进土口之间的间隙在不断的变化，可以让一部分较软的泥土挤进泥水仓，但是遇到固结性的泥土还是有些适应不了的。

固结性的泥土会把整个泥土仓堵塞，让顶管机无法顶进也无法排土。

三、德国海瑞克公司的泥水平衡顶管机德国海瑞克公司也是活跃在中国的盾构机、顶管机专业制造商，尤其是他的盾构机的销售，在中国占有很大的份额和良好的影响。

（一）、小口径泥水顶管机图—8是德国海瑞克公司的小口径泥水顶管机的外形，它适用于250mm～700mm口径的钢筋混凝土管。

图—8 小口径泥水顶管机外形图—9 小口径泥水顶管机的结构图—9是小口径泥水顶管机的结构。

它主要由1—刀盘、2—切削刀头、3—泥土仓兼破碎腔、4—喷水孔、5—主轴与动力箱、6—油马达、7—壳体密封、8—纠偏油缸、9—排泥管、10—进水管、11—ELS目标靶、12—激光束、13—排泥阀、14—液压控制阀等部件组成。

小口径泥水顶管机的主轴与动力箱的内齿圈为一个整体，是一种中间传动的主轴驱动方式，油马达旋转时其小齿轮带动内齿圈作为一级减速后再带动主轴和刀盘一起旋转切削、搅拌土体，破碎石块。

当土块、砾石等进入泥土仓后被旋转的主轴外套和喇叭状的破碎腔碾碎后，再进入设在主轴后部的Y形的排泥管，再通过排泥阀被排出。

由于Y形的排泥管是旋转的，它与后面的排泥管之间设有一个旋转接头。

进水则设在喇叭状的泥土仓外，进水是通过许多喷水孔喷入泥土仓内。

由于所顶的管径小，挖掘面上比较稳定，除了在砂砾层以外，若在其他土质中顶进时，进水不一定要用泥水而可以用清水。

ELS目标靶所接收的测量数据被用于计算和确定顶管机的所在位置，同时与以前的各种测量数据、计算结果等一起储存起来，然后，通过计算机把这些数据变成三维坐标，用于确定顶管机的现在位置和以后的顶进方向。

因为这种小口径泥水顶管机的动力是油马达，所以它有许多优点：首先，可以省去以电动机为动力的行星减速器等，结构可以大大简化。

其次，加之油泵、油箱等部件都可以放置在工作坑内，用高压油管把压力油送到顶管机内的油马达内，就可以使油马达转动，所以很适合小口径顶管机。

还有，它不会产生漏电、触电等事故。

但是它也有些缺点：首先，如果顶进距离比较长，高压油管会产生较大的压降，会使效率降低。

其次，高压油管的接头或油口如果一旦被泥水污染，就会造成液压系统产生故障。

还有，就液压传动而言，其自身的效率也比行星齿轮传动来得低。

（二）、中口径泥水顶管机图—10是德国海瑞克公司的中口径泥水顶管机外形，图—11是该中口径泥水顶管机的结构。

它主要由1—刀盘、2—切削刀头、3—刮板、4—喷水口、5—动力箱、6—油马达、7—壳体密封、8—纠偏油缸、9—排泥管、10—ELS目标靶、11—激光束、12—旁通阀、13—液压阀等组成。