顶管施工主要施工机械设备及主要设备选型

1、第 页顶管施工主要施工机械设备序号机械或设备名称型规号格数量国别产地制造年份额定功率（KW） 生产能力用于施工部位备注1 挖掘机 WY100 1.0 2 中国2002 年 330 良好土方工程开工进场2 推土机 T140 2 中国2000 年 114 良好土方工程开工进场3 压路机 YL9/16 1 中国1999 年 100 良好土方工程开工进场4 振动碾 YZT16 2 中国2002 年 128 良好土方工程开工进场5 自卸汽车 TB342 8T 8 中国2001 年 99 良好土方工程开工进场6 载重汽车 CA141 5T 2 中国1999 年 99 良好材料运输开工进场7 翻斗车 Qs1

2、 1t 8 中国2003 年 8.8 良好运输开工进场8 砼搅拌机 JZC350 3 中国2003 年 8.0 良好混凝土工程开工进场9 汽车吊 QY50 2 中国2001 年 162 良好起重开工进场10 汽车吊 QY16 3 中国1999 年 155 良好起重开工进场11 卷扬机 JJM12 2t 2 中国2004 年 7.5 良好起重开工进场12 钢筋弯曲机 GW-40 2 中国2003 年 3.0 良好钢筋工程开工进场13 钢筋调直机 GT4-14 2 中国2002 年 5.5 良好钢筋工程开工进场14 钢筋对焊机 LN-75 2 中国2003 年 75kw 良好钢筋工程开工进场15

3、钢筋切割机 G140 2 中国2004 年 4.0 良好钢筋工程开工进场16 木工圆锯 MJ104A 2 中国2004 年 3.0 良好模板工程开工进场17 木工刨床 MB106A 1 中国2003 年 7.5 良好模板工程开工进场18 潜水泵 QY-25 10 中国2004 年 良好排水工程开工进场19 发电机 200GF 2 中国2001 年 良好临时供电开工进场20 台钻 13MM 1 中国1999 年 良好模板工程开工进场21 电焊机 BX1-500 10 中国2002 年 22 良好顶管工程开工进场22 顶管设备 DTN1200 2 中国2001 年 良好顶管工程开工进场23 电动振

4、动锤 DZ150 1 中国2002 年 良好桩基工程开工进场24 注浆泵 BW150 2 中国2003 年 4.0 良好防渗工程开工后2 个月25 轴流风机 2 中国2004 年 11.5 良好顶管工程开工进场26 驳船 2 中国2002 年 良好沉管开工进场27 起重船 4 中国2002 年 良好沉管开工进场28 剪板机 2 中国2003 年 良好钢管制作开工进场29 卷板机 2 中国2003 年 良好钢管制作开工进场30 刨边析 2 中国2003 年 良好钢管制作开工进场31 平板拖车 1 中国2000 年 良好运输开工进场32 钢板校平机 2 中国2003 年 良好钢管制作开工进场33

5、试压泵 1 中国2002 年 良好管道试压开工进场34 氩弧焊机 1 中国2002 年 良好不锈钢管焊接开工进场计划用于本工程的检验、测量、试验设备表序号仪器设备名称规格型号单位数量备注一、检验试验仪器（一）建材类1砂子标准筛10-0.16mm套1自有2石子标准筛100-2.5mm套1自有3压碎值仪台1自有（二）砼圬土类1坍落度套1自有2保护层测定仪HBY-84台1自有3渗透仪HS-40台1自有4回弹仪HT225台2自有5砂浆稠度仪SC145台1自有6试模150150150组10自有7试模70.770.770.7组10自有8试模抗渗组3自有（三）土工类1标准箱10-0.074mm套12流限仪L

6、X-1套13标准击实仪轻重两用套14相对密度仪WJ-2台15环刀法容测定仪100mt套3（四）通用类1秤、天平各类套1自有2电烘箱300台1自有（五）检测类1激光经纬仪台2自有2普通经纬仪台2自有3水准仪台3自有4柜式水平仪台1自有5超生波探伤仪CTS-21台1自有6磁粉探伤仪DCF-C台1自有7测厚仪CCH-30台1自有8高压检漏仪台2自有4.3 保证机械出勤率的措施（1）根据工期紧任务重、施工条件复杂、技术要求标准高，特别是顶管工程和取水泵房施工量大，是保证工程质量、工期的重中之重，所以施工前期要以机械顶管工程和取水泵房施工为龙头，配合土方机械、砼搅拌设备、配电设备、钢制卷管等做好进场组织

7、工作，并保证进场设备的完好使用状态。（2）配备足够的常用机具设备，如钢筋机械、木工机械、机钳加工机具等，由负责施工的各专业施工队自行配备，做到施工现场，人到机到，保证加工制作需要，并配置足够的备用机械。（3）所有大型、专用机械设备，如机械顶管设备，挖掘机，钻机，大型吊车，滚筒搅拌机设备，钢制卷管机械统一由公司调集进场，并做好大型设备的进场、路路调查和保证措施。（4）专用设备、大型设备的操作人员要定人定机，由培训的操作、驾驶司机从事施工，确保设备安全和工程质量。（5）做好备用设备计划，保证应急需要。（6）做好维修保养工作，使所有用于施毁的机械处于良好的运转状态。第 页顶管机设备选型方案目录 TO

8、C o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc22751 1 顶管机选型原则及顶管来源 PAGEREF _Toc22751 h 2 HYPERLINK l _Toc12105 2 拟采用顶管机设计特点及各系统介绍 PAGEREF _Toc12105 h 2 HYPERLINK l _Toc8092 2.1 刀盘 PAGEREF _Toc8092 h 2 HYPERLINK l _Toc28059 2.2 地面变形控制技术 PAGEREF _Toc28059 h 6 HYPERLINK l _Toc31142 2.3 主驱动技术 PAGEREF _Toc31142 h 6 HYPE

9、RLINK l _Toc15004 2.4 前后壳铰接 PAGEREF _Toc15004 h 7 HYPERLINK l _Toc13027 2.5 泥水环流系统 PAGEREF _Toc13027 h 8 HYPERLINK l _Toc6470 2.6 电气控制系统 PAGEREF _Toc6470 h 10 HYPERLINK l _Toc13928 2.7 推进系统 PAGEREF _Toc13928 h 11 HYPERLINK l _Toc29774 3 顶管机性能参数 PAGEREF _Toc29774 h 12 HYPERLINK l _Toc10279 3.1 整机参数 P

10、AGEREF _Toc10279 h 12 HYPERLINK l _Toc31661 3.2 顶管机及刀盘图纸 PAGEREF _Toc31661 h 13 HYPERLINK l _Toc19671 4 主要系统部件分析验算 PAGEREF _Toc19671 h 14 HYPERLINK l _Toc27478 4.1 刀盘抗扭强度计算 PAGEREF _Toc27478 h 14 HYPERLINK l _Toc14930 4.2 壳体强度计算 PAGEREF _Toc14930 h 14 HYPERLINK l _Toc27813 4.3 刀盘强度计算 PAGEREF _Toc278

11、13 h 16 HYPERLINK l _Toc23491 5 换刀工况分析 PAGEREF _Toc23491 h 17 HYPERLINK l _Toc4180 5.1 常压换刀 PAGEREF _Toc4180 h 17 HYPERLINK l _Toc28756 5.2 常压换刀 PAGEREF _Toc28756 h 18顶管机选型原则及顶管来源本工程区间穿湖段顶管共设4座竖井，主要穿越地层为 5-1 强风化泥质砂岩层、5-2 中风化泥质砂岩层等岩层以及 2-2 淤泥质黏土层、2-2b 粉质黏土层、2-3 粉质黏土层、3-1 黏土层、3-3黏土层、3-5 黏质中细砂、3-6 砾卵石层

12、等土层。选型原则：根据本工程特点，在确保可以顺利完成施工的前提下，通过科学组织施工和减少设备投资，显著降低成本，减少项目不必要的支出。选型关键点：（1）、针对性应对长距离岩层施工，出渣排浆系统需可靠高效； （2）、单顶距离同截面最长，设备的可靠性要求； （3）、穿湖施工，埋深较大，顶管机密封性要求；（4）、顶管机防结泥饼、防沉渣设计；（5）、针对强风化砂岩与普通土层结合的地层，尤其是过程中上软下硬一段土体，刀盘布置，刀具选型必须兼具可靠性和耐久性。综上，拟采用一台复合刀盘岩石泥水平衡顶管机施工1#2#、3#2#顶管段，其中1#2#顶管段为强/中风化泥质砂岩，3#2#顶管段为土层与岩层混合地层，

13、（其中存在上部土层下部岩层）；另外采用一台普通泥水平衡顶管机施工4#3#顶管段，该段为以黏土、粉质黏土为主的土层。拟采用顶管机设计特点及各系统介绍刀盘（一）针对1#2#和3#2#顶管段复合地层，本工程顶管机刀盘设计具有如下特点：（1）刀盘采用四辐条+四面板，辐条采用Q345板材，厚度为90mm，宽度为240mm，保证刀盘骨架强度和刚度，背后刀箱安装控件，必要时可实现先行刀更换滚刀，节省改造成本。（2）辐条采用拼板式结构，刀盘中心区域后部加撑筋结构，力学性能稳定可靠。（3）刀盘整体开口率为33，其中刀盘外周部采用适当小开口结构，在水土易流失的地层中施工，可有效避免在开挖过程中因土体坍塌而出现地面

14、沉降；为了防止刀盘结泥饼，开口采用中心大进渣口（因为泥饼最初形成是在中心处），并在中心部位配备多路刀盘冲刷口，提高渣土流塑性。（4）刀盘耐磨设计：为了减少长距离刀盘本体的磨损，刀盘外环采用导流槽耐磨结构设计，整个刀盘采用密集耐磨焊：50 x50密集耐磨网格。（5）刀具布置设计：为增强滚刀破岩能力，减少滚刀磨损，增加滚刀寿命，刀盘外圈弧形区域采用9把单刃滚刀布置，刀间距按照线性，梯度减小，正面采用双刃滚刀布置，刀间距80。保证刀盘受力均匀，降低震动。其中双刃滚刀15寸10把，单刃滚刀15寸10把，中心滚刀15寸4把，弧形边刮刀8把，正刮刀60把，贝壳刀撕裂刀共计24把。 图-刀盘布置示意图（6）

15、刀盘刀具适应性地层分析： 3#2#顶管段复合地层适应性分析见下表。表-1工程部位主要穿越地质描述3#-2#桩号范围长度/m地层描述备注K8+780K8+320460粉质黏土、淤泥粉质黏土全断面土层K8+220K8+120100粉质黏土和黏土、砾卵石全断面土层，局部砾卵石K7+480K7+240240泥质粉砂岩、砾卵石全断面泥质粉砂岩，局部砾卵石刀盘及工法适应性分析上述地层主要难点为黏土掘进，次要为破岩；为了防止滚刀在黏土地层不转偏磨，采用15寸重型楔形镶齿滚刀，适当调低滚刀启动扭矩（本地层为22Nm）以此应对滚刀在软地层中偏磨不转等异常损害。同时该滚刀应对后面的中风化泥质粉砂岩也能保证破岩能力

16、和效率。贝壳刀设置在刀盘外圈，起到保径减少磨损的作用，同时贝壳刀和撕裂刀可以应对卵砾石。撕裂刀起到先行的作用，可以对掌子面土层进行剥离破碎，改善刀盘前方渣土流动性，同时降低刮刀的切削扭矩，提高刮刀的切削效率，减少刮刀磨损，滚刀高出盘面125，撕裂刀高出盘面105，刮刀高出盘面85。同时刀盘布置有高压冲洗装置。除了机械结构外，目前针对黏土糊刀盘泥仓的方法还有化学法：黏土分散剂进行黏土改良，黏土分解形成流动性泥土，降低刀具土体摩擦力，减少扭矩，改善土体流动性，同时也减少刀具偏磨和磨损。所以合理的机械结构设计+黏土分散剂是针对复合顶管机黏土掘进的主流办法。同时顶管顶进过程中，施工方法采取：高转速、慢

17、推进、强冲刷、大循环十二字方针进行施工，寻求掘进速度和循环系统相对平衡的关系。表-2工程部位主要穿越地质描述1#-2#桩号范围长度/m地层描述备注K8+120K7+480460粉质黏土、黏土、粉质黏土夹粉土、砾卵石、强风化泥质粉砂岩上软下硬地层，局部砾卵石刀盘及工法适应性分析此段上部为黏土，下部为泥质粉砂岩，上软下硬容易造成顶管机出现抬头现象，软硬交接面刀具容易受到瞬时冲击，易崩坏。因此采取合理的施工方法可以减少此项危害：掘进过程中严格控制掘进参数，采用低贯入度，慢转速，观察参数变化，根据刀盘电流和推力波动情况以及出渣量，控制掘进速度在10mm/min以下。对于参数突变，应立即停机分析，不可盲

18、目推进。对于顶管机姿态向上抬情况，勤纠、少量纠的方法对机头进行轴线调整；避免猛纠偏对刀具造成损伤。（二）针对4#3#段顶管，顶管所在地层为以粉质黏土和黏土为主的纯土层，拟选择普通泥水平衡顶管机刀盘具有如下特点：刀盘外径：D4840mm，超挖外径：D4880mm刀具形式为：中心鱼尾刀+保径贝壳刀+先行撕裂刀+正刮刀组合，正反旋转出渣。为了应对淤泥质黏土采用双排出渣口设计，刀盘进碴口采用锥形设计，有利于碴土顺畅地流入土舱，避免碴土堆积，刀盘背部配置有搅拌棒，可对碴土进行搅拌，增强碴土的流动性降低刀盘切削扭矩，减少渣土聚集粘结的可能性，降低刀盘本体磨损，刀盘开口率达到17.6%；盘面增加600 x4

19、00 检修盖，必要时可作为清障孔方便操作人员进入刀盘前方的掌子面作业。图-2刀盘布置示意图中心鱼尾刀安装在刀盘中心位置；刀刃采用撕裂刀组合排列设计而成，可延长刀具使用寿命；同时可改善土体切削和搅拌的效果，并能应对卵砾石，硬土等其他地质。先行撕裂刀采用大尺寸的耐磨硬质合金设计可延长刀具使用寿命；刀头设计为带45尖角结构形式，有效提高了切削剥离碴土的能力。保径贝壳刀焊在刀盘外围部分，作用是保护刀盘的外缘，降低对刀盘外缘的直接磨损。 图-3 刀盘检修孔示意图（清障孔）地面变形控制技术常规顶管掘进施工中，为较好地控制地面的沉降，通常采用泥仓工作压力略大于 掌子面土压和水压之和，能够保证顶管机在掘进过程

20、中最大限度的减少对土体的扰动，可最大限度的保护原土体结构，对地面变形控制也更为有利。主驱动技术主轴、大齿轮、小齿轮均采用锻打高强度合金结构钢，经过探伤、调质、精加工、表面淬火、外圆磨、等多道工序加工而成，主轴与齿轮间均采用滚动轴承的结构方式。齿轮箱内部采用闭式齿轮箱齿轮油润滑。密封件采用油脂泵单独自动定时供油润滑。（1）8台45KW变频电机驱动。配置的主轴承为双列圆柱滚子轴承，推力调心滚子轴承，有效使用寿命10000小时（2）刀盘额定扭矩2148KNm（3）轴向受力动态承受载荷为12144KN；（4）径向受力承受载荷为6500KN（5）润滑：闭式齿轮油润滑。（6）主轴密封：集迷宫密封、沙密封、

21、水密封、油密封等为一体的密封结构。承受额定水压4bar。（7）镶嵌轴承钢套，便于维修更换。根据顶管机刀盘扭矩经验设计公式：T=aD，T为刀盘扭矩，D为4000顶管机刀盘外径4.84米，a为经验系数，另外T=9550*P/1000n，P为总功率8*45KW=360KW，所以经计算的刀盘扭矩为2148KN.m,刀盘转速为1.6r/min，a经验系数为19，满足德国泥水盾构扭矩系数14-23范围之内，因此刀盘扭矩满足施工负载要求。图-4 主驱动结构图前后壳铰接（1）顶管机采用主动铰接技术，有利于顶管机掘进姿态调整。（2）设计有两道Y型密封圈。考虑长距离掘进，增强密封的安全性、可靠性，在铰接密封的地方

22、可以人工打油脂（3）纠偏角度为2.5，总推力为8x200吨。图-5铰接示意图进行纠偏时推力需要满足：FL*/3*D*2Pl/d=5375KN，由于每组有4台油缸，所以每台油缸推力需大于1344KN，也就是134吨，我们实际设计为每台油缸推力200吨。注解：L为前壳长度，D为壳体外径，P为平均土压力500Kpa，d为纠偏油缸分度圆，长度为l.泥水环流系统为应对不同地层环境，本工程顶管机共设有针对性的三种供水方式：图-6供水系统（1）前供水：当设备在粘性土壤中掘进时，需要启动锥形破碎板前部的进浆喷嘴。可有效地防止粘泥质地层掘进刀盘结泥饼、糊刀盘等问题。图-7前供水示意图（2）后供水：如设备在砂土和

23、卵石层中掘进时，则需启动位于锥形破碎板后部的进浆喷嘴。可有效防止砂卵石在排渣口的沉淀和堵管。图-8后供水示意图（3）外供水：如设备在岩石层中掘进时，为了防止管底沉渣，出现抱死情况，需启用设备的外供水功能，达到减少管底沉渣的目的。工作泥浆从顶管机的壳体流出，顺着壳体与超挖形成的岩洞之间的缝隙向顶管机前方流动，通过刀盘和泥仓，流入到排泥管中。图-9外供水示意图电气控制系统采用远程控制，整个控制系统集成于地面控制室，控制内容包括设备启停、主机掘进、导向操作、中继间、主顶油缸等。控制室内还配置有主机内视频监控系统,可清晰观看到主驱动、电控柜、排渣泵等运行情况。控制系统：刀盘正反转控制、纠偏操作、机内备

24、用控制、主顶控制、各类辅助泵控制。监控系统：刀盘的电流、刀盘的转速、顶管机的倾转角、四台纠偏的位移数据、刀盘受力反馈压力、供水管、泥仓的土压力、实时报警信息、报警记录查询等。保护系统：电气短路、断路、缺相、漏电的断电保护；电压过低、电流超载的停机保护；机内水位过高、电源相序接反的报警提醒功能。图-10长距离电控系统电压：采用8x45KW动力，在施工中对主电源要求必须克服远距离施工带来的压降，可以采用升降压变压器的方案实现，即在地面采用AC400V变成AC800V的变压器，在机尾第3或第4节管道里面安装一个将AC800V变成AC400V的变压器，高压传输可有效解决降压问题（客户有其他类型的变压器

25、也可使用，满足现场使用条件即可）。视频：采用网络信号转同轴电缆再转网络信号的模式，可以传输1.5KM。通讯：通讯采用的是485通讯方式，通讯电缆选择质量好的话，理论上可以传输1.2KM，正常情况可以传输1.1KM，通过在通讯线路的中间安装一个通讯放大器的电箱，正常可以传输2.4KM。推进系统以3#2#顶管段分析：顶管施工顶力估算采用公式F=*D*L*f+P=3.14*4.84*1500*0.5+/4*4.84*4.84*18*20=18000KN，约为1800吨，注：F为总顶力；D为管道外径；L为距离；f为采用触变泥浆，管壁与土之间形成稳定泥浆套取的摩阻力0.5；P为机头迎面阻力。设计采用10

26、个200吨行程3.5米的推进油缸，总推力2000吨，管材设计允许顶力为2000t。当总推力达到1200吨时候，必须启动中继间。根据众多长距离工程案例经验，长距离顶进约每200米需设置一个中继间，其中第一个中继间设置在机头后3050m处，因此需设置约8个中间间，中继间最大推力2000t，采用40个行程0.5米的50t油缸组成，中继间密封形式采用3道Y型止水带，并增设注油孔，此结构保障密封可靠性。长距离顶进过程中采用机头尾部和后三节水泥管同步注浆的施工方法，同时沿线管材采用1:1的形式来布置补浆布局，根据实际情况做到同步注浆、及时补浆的施工原则。图-11中继间示意图顶管机性能参数整机参数所选顶管机

27、主要参数见下表：表-3顶管机整机主要参数表项目主要参数（岩石机）主要参数（普通机）开挖直径4910mm4880mm盾体直径4840mm4840mm机身长度6200mm5500 mm开口率约33%约11.6%刀盘转速01.62.8rpm01.3 rpm刀盘驱动功率8*45kw7*37kw额定扭矩2148kNm1902 kNm纠偏油泵功率7.5kw7.5kw纠偏角度2.52.5最大推力10*200t10*200t装机功率380kw270kw排泥管尺寸6寸6寸总重145t80t表-4顶管机重要零部件配置表序号部件名称材质和配件1壳体Q3452刀盘Q3453滚刀武汉江钻4主轴42Crmo 锻件5齿轮3

28、5Crmo 锻件6减速机卢州邦立/湖北行星7轴承瓦房店/哈尔滨8阀组北京华德9电机六安江淮10PLC日本三菱/西门子11电气系统主要元件西门子，辅助元件正泰/德力西12配电柜正泰/德力西13变频器英威腾/森兰14润脂泵浙江流遍顶管机及刀盘图纸 图-12复合刀盘泥水岩石顶管机图-13普通泥水顶管机主要系统部件分析验算刀盘抗扭强度计算根据顶管机刀盘扭矩经验设计公式：T=aD，T为刀盘扭矩，D为4000顶管机刀盘外径4.84米，a为经验系数，另外T=9550*P/1000n，P为总功率8*45KW=360KW，所以经计算的刀盘扭矩为2148KN.m,刀盘转速为1.6r/min，a经验系数为19，满足

29、德国泥水盾构扭矩系数14-23范围之内，因此刀盘扭矩满足施工负载要求。岩石顶管机抗扭强度计算：8x45动力系统，受力主轴d=750mm,材料42CrMO;=T/Wt=268.5Mpa材料42CrMO的许用剪切力【】为0.7倍的抗拉强度极限即0.7b为756Mpa；【】=756MPa大于=268.5MPa,所以主轴受扭转力在安全范围内。壳体强度计算顶管机壳体强度采用SolidWorks静应力分析，整个边界条件采用埋深30米，水土不分离计算，土体比重水土合算取18kN/m3，则四米顶管机前壳受到的土压力为540kN/m2；在进行三维建模时，模型的每一个部件都使用与实际形状、大小相等尺寸建立，建立模型时内部环筋之间的连接筋板省略，进行了相关简化，壳体材料为Q345厚度为30毫米，内部环筋为40毫米。下图为四米顶管机前壳，以前壳动力安装隔仓板为固定条件（蓝色区域），此时，前壳铰接密封上方壳体受力为最大条件，以此进行合位移、应力分析。结果如下图：最大变形量为0.798mm，位置在前壳铰接密封上方壳体，此变形量在安全范围内。图-14前壳位移变形量下图为应力参数，从图中可以清楚看到前