当前，大多数顶管机仅适用于砂土、粘土、淤泥质土、粉土等软土地层，对于软、硬岩交替出现的复杂地层还不具有普适性，在常规驱动方式（电机驱动）下，容易造成顶管机刀盘出现超扭矩或者卡滞现象，为了有效解决这一问题，需要设计一种能适应复合地层施工的顶管机械设备。

工程概况

某城区道路淹水点整治工程为新建污水管道2.77km，主干管道管径大小为2600~2800mm，管道埋深为12~17m，管道埋深部分地层主要以红粘土和石灰岩为主的软硬交互岩层。管道沿线地下水主要以孔隙潜水和基岩裂隙水为主，采用DN2800泥水平衡顶管法进行设计施工。

顶管机改进设计

DN2800型泥水平衡顶管机可针对不同地层，实现泥水平衡掘进或者气垫辅助泥水平衡掘进两种模式。该型号顶管机采用复合式的刀盘设计，并将剪切破碎装置、泥水（气垫）双仓结构、***泥水冲刷系统等应用到顶管机结构设计中，使得该型号顶管机适用于软土、软岩、硬岩以及软硬岩交替地层的管道施工。

DN2800泥水平衡顶管机主要工作原理如下：

主顶进油缸推动顶管机向前移动，同时液压马达中心带动顶管机复合刀盘进行旋转切削；将滚刀一次破碎和锥板二次破碎后的渣土积聚到泥水仓和排渣管道中；随着仓内压力的逐渐增大，可开启排浆泵并进行转速调整，将仓内压力调整至设定值范围之内；开挖过程中要保证排浆泵输出量与进浆泵流入的土渣总量相平衡，从而保持掌子面和周围岩体受力平衡；开挖过程中主要依靠激光导向系统实行掘进轨迹和方向的监测控制。DN2800泥水平衡顶管机液压系统原理如下图所示。

刀盘中心驱动方案设计

软硬岩交替复合地层顶管施工过程中，会造成土仓对刀盘的负载不均匀，从而在刀盘上形成较大的扭矩，使得刀盘容易发生振动或者卡滞，因而要求刀盘驱动具有较好的抗冲击和脱困能力。对顶管机液压系统进行了针对性设计：刀盘采用闭式液压驱动方式，并根据刀盘转速将其分为高速、低速和脱困三种模式，具体参数见下表；为了承受大扭矩和瞬时冲击，采用三排滚子主轴承进行支撑；为了提升掘进过程中的可靠性，采用四道主密封。

刀盘驱动马达设计选型

在脱困模式下，刀盘***大设计扭矩为900kN·m，对应的马达输出扭矩为38016N·m，排量为8425.53mL/r；在高速模式下，刀盘***大扭矩为400kN·m，对应的马达输出扭矩为16896N·m，排量为3744.68mL/r。在高速模式和脱困模式下，存在较大的扭矩差和排量差，经综合评估，***终决定选用一台具有两种排量规格的低速大扭矩Hagglunds马达。该马达在一挡时的排量为8800mL/r，可用于低速和脱困模式，在二挡时的排量为4400mL/r，可用于高速模式。

刀盘液压泵设计选型

在高速模式下，刀盘***大转速为6r/min，马达排量为4400mL/r，此时液压泵需提供的流量为728.9L/min。在低速模式下，刀盘***大转速为2.9r/min，马达排量为8800mL/r，此时液压泵需提供的流量为704.9L/min。因此，液压泵系统需要输出的***大流量为728.9L/min（489mL/r），对应的***高压力值为31.5MPa。经综合评估，选用2台250mL/r的转塞泵进行串联连接，同时采用力士乐A4VG柱塞泵（额定压力为40MPa）作为主泵给系统提供高压油。

现场应用试验分析

管道所处地层为红粘土软岩和石灰岩硬岩交替岩层，利用DN2800型泥水平衡顶管机在软岩和硬岩地层两种工况下分别进行掘进试验，并采集顶管机刀盘相关运行参数，以验证刀盘液压驱动系统的稳定性。同时也可为后续顶管机液压系统的持续改进提供理论依据。

软岩地层

软岩地层选用掘进桩号为49~53.5m的红粘土进行试验，结果见下图。从图中可以看到：在红粘土软岩地层下，顶管机刀盘转速较低，扭矩较大，***大转速和***小转速分别为2.1r/min和1.8r/min，***大扭矩和***小扭矩分别为448kN·m和354kN·m，整体上扭矩和转速均控制在合理范围内。此时顶管机处于低速挡，符合刀盘在软岩地层中施工状态，同时在软岩地层施工过程中，液压油温稳定在47℃左右，表明液压系统工作状态比较平稳。

软岩地层刀盘运行状态参数

硬岩地层

硬岩地层选用掘进桩号为86.5~91m的石灰岩进行试验，结果见下图。从图中可以看到：在石灰岩硬岩地层下，顶管机刀盘转速较高，扭矩较低，***大转速和***小转速分别为5.2r/min和4.4r/min，***大扭矩和***小扭矩分别为352kN·m和111.9kN·m，整体上扭矩和转速均控制在合理范围内。此时顶管机处于高速档，符合刀盘在硬岩地层中施工状态，同时在硬岩地层施工过程中，液压油温稳定在50℃左右，表明液压系统在硬岩地层中的工作状态也比较平稳。

结语

针对软硬交互岩层顶管施工过程中易出现超扭矩、卡滞现象，基于DN2800型泥水平衡顶管机，采用闭式液压驱动刀盘的方式，对刀盘液压系统进行了设计改进，并在红粘土软岩地层和石灰岩硬岩地层中进行了现场试验。结果表明：改进后的顶管机可适应软硬交替复合地层的施工要求，可在软岩地层和硬岩地层中实现刀盘低速模式和高速模式的自由切换，同时在掘进施工过程中能够保持较为稳定的工作状态。

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