1 引言
在城市隧道中人行地道、電纜溝、綜合管廊等市政隧道工程中，與(yu) 圓形斷麵相比，矩形斷麵有效使用麵積通常大20%以上。因此，矩形盾構與(yu) 頂管機在城市市政工程中得到越來越多的應用。目前，國內(nei) 矩形頂管主要有多刀盤組合型、偏心多軸式仿形刀盤型、以及大刀盤與(yu) 偏心多軸式仿形刀盤組合型三種。前者由多個(ge) 圓形刀盤組合而成，但刀盤切削存在盲區，後兩(liang) 者雖然為(wei) 全斷麵切削，但偏心多軸式仿形刀盤體(ti) 作平動對高強度混凝土構件的切削性能較差。為(wei) 實現矩形頂管全斷麵無盲區切削混凝土構件，專(zhuan) 門研製一種新型行星式刀盤全斷麵切削矩形頂管，並可以通過不同組合形式實現不同切削斷麵要求。
本文介紹了一種新型全斷麵切削矩形頂管的設計原理和結構組成，並通過混凝土構件切削試驗，優(you) 化了頂管刀具選型及布置形式，驗證了頂管相關(guan) 設計參數及全斷麵切削混凝土的切削性能。為(wei) 今後采用頂管法全斷麵直接切削混凝土構件施工工程應用提供相應的技術參數與(yu) 經驗積累。
2 行星式刀盤矩形頂管研製
2.1 方形全斷麵切削軌跡
根據實際情況，擬采用行星式刀盤實現矩形頂管的全斷麵切削。以正方形的中心為(wei) 圓心設置一個(ge) 內(nei) 齒圈，再設置一個(ge) 與(yu) 內(nei) 齒圈有一個(ge) 偏心量e且與(yu) 內(nei) 齒圈相齧合的外齒輪（行星輪），內(nei) 齒圈與(yu) 外齒輪的齒數比為(wei) 4：3；以正方形底邊到外齒輪中心為(wei) 一個(ge) 刀排的長度，然後按120°均布設置另外2根刀排；以正方形頂邊到外齒輪中心的距離R為(wei) 半徑作一個(ge) 圓，再分別從(cong) 三根刀排的頂點向該圓作六條切線，剪去多餘(yu) 的圓弧後就構成了刀盤輪廓線，如圖1所示。假設內(nei) 齒圈的半徑為(wei) R，其圓心為(wei) O，而行星輪的半徑為(wei) r，其圓心為(wei) O1，A是刀盤上的某個(ge) 點，即與(yu) 行星輪固定的一個(ge) 偏心點（也可把它延長到內(nei) 齒圈的外側(ce) ，看成刀盤外周刀的刀尖），則偏心距e=O1A，如圖2所示。
圖1 刀盤輪廓線
圖2 內(nei) 齒圈與(yu) 行星齒輪位置圖
由運動學原理可知，當行星輪在做上述純滾動時，其A點的坐標為(wei)
由於(yu) 行星輪在做上述純滾動時，圓O節圓的弧長與(yu) 圓O1節圓的弧長是相等的，故有：
代入設計的合適尺寸R、r與(yu) e，再取a=0°~360°中的不同值代入式（2），求出相應的XA與(yu) YA，並作出其軌跡圖，如圖3所示。
圖3 刀盤切削形成的正方形軌跡圖像
2.2 行星式刀盤頂管試驗機
行星式刀盤切削試驗機由主機與(yu) 電機控製裝置組成。主機主要結構由1-刀盤、2-端蓋、3-壓環、4-內(nei) 齒圈蓋、5-鋼球、6-軸承1、7-行星齒輪、8-軸承2、9-軸承2、10-軸承3、11-軸、12-內(nei) 齒圈、13-安裝座、14-減速機、15-殼體(ti) 、16-電機等。主機主要結構如圖4所示。
圖4 試驗機主要結構組成圖
當電機旋轉時，通過行星減速器減速後帶動偏心軸一起旋轉，偏心軸帶動行星齒輪在沿內(nei) 齒圈作公轉的同時也作自轉，並帶動刀盤作公轉的同時也作自轉，從(cong) 而使切削刀具作正方形軌跡運動，並不停的切削土體(ti) 。如用以地下掘進，就會(hui) 形成一個(ge) 正方形的切削斷麵。
3 頂管切削試驗概況
3.1 頂管試驗平台
為(wei) 了了解行星式刀盤全斷麵切削方形頂管切削混凝土的性能，專(zhuan) 門研製一台0.5mx0.5m行星式刀盤全斷麵切削的頂管試驗機。試驗樣機如圖5所示。頂管切削試驗在專(zhuan) 用的試驗平台上進行，平台包括三部分，由左至右分別為(wei) 混凝土試塊安放裝置A、頂管放置裝置B和推進驅動裝置C。整個(ge) 試驗平台長2236mm。試驗機的驅動裝置為(wei) 油缸行程300mm的液壓千斤頂。頂管切削試驗平台詳如圖6所示。
圖5 頂管試驗機
3.2 混凝土試塊製作
普通混凝土中的粗骨料以硬質的青石、麻石和花崗岩為(wei) 主，其骨料強度高、破碎難、體(ti) 積含量高，是製約混凝土可切削性能的關(guan) 鍵因素。綜合多種因素最終選定石灰石作為(wei) 混凝土配比中粗骨料，即可有效提高刀盤的切削性能。由於(yu) 在上海等軟土地層，頂管切削刀具以切削式刀具為(wei) 主，為(wei) 了確保頂管刀盤的切削效果，混凝土配比中粗骨料用石灰石替換，以便於(yu) 切削刀具切削。本次切削試驗采用前期研究成果，製作了強度等級為(wei) C30的石灰石粗骨料配比的混凝土試塊用於(yu) 切削試驗研究，以驗證頂管試驗機的切削性能及刀具的切削效果。
4 矩形頂管刀具選型及優(you) 化
4.1 常見的刀具形式
目前已開發應用了適應各類地層的刀具型式，通常可根據不同的地質情況選用不同類型的刀具及刀具組合。目前頂管或盾構常用刀具有切刀、刮刀、齒刀、單（雙）刃滾刀、先行刀、仿形刀等，根據它們(men) 的開挖方式可將常用刀具歸納為(wei) 切削式刀具、撓取式刀具、破碎式刀具3種類型。常見刀具類型如圖7所示。
4.2 初始刀具選型及布置、
通常切削高強度混凝土用滾刀切削較合適，但研製的試驗機刀盤為(wei) 幅條式，3根幅條長約250mm、寬約100mm，結構尺寸小，無法布設滾刀，且滾刀式複合刀盤造價(jia) 非常高，因此，頂管設計不考慮采用滾刀式複合刀盤。根據切削試驗機刀盤的實際情況，刀具隻能從(cong) 切削式刀具中研究選擇或改進。圖8為(wei) 試驗頂管初始刀具選型及布置形式，圖9為(wei) 采用初始刀具布置切削強度等級為(wei) C30石灰石混凝土試塊後的切削軌跡及效果，從(cong) 試驗過程來看，頂管刀具切削效果較差，切削速度極慢，頂管推力及刀盤扭矩很大，頂管切削十分困難。
圖7 常見刀具型
圖8 初始刀具選型及布置
圖9 初始刀具切削效果
圖10 優(you) 化後刀具布置
圖11 優(you) 化後切削效果
4.3 切削刀具的優(you) 化及效果
目前國內(nei) 頂管刀盤上常用的切削式刀具主要是切削諸如粘土、砂土、砂卵石，還未見有專(zhuan) 用於(yu) 切削抗壓強度達30MPa的整塊混凝土的切削式刀具。為(wei) 此，我們(men) 在設計切削式刀具的形狀時，關(guan) 鍵是考慮刀具對高強度混凝土、軟土地層的切削適應性。根據試驗頂管刀盤切削軌跡采用嵌入式切削刀具，在刀體(ti) 上開槽，使硬質合金刀片嵌入槽內(nei) 並與(yu) 刀體(ti) 焊接。此刀具的特點是安裝牢固，不易脫落，強度較高。
混凝土構件的抗壓強度較高，但屬於(yu) 脆性材料，切削刀具作行星式旋轉與(yu) 前進的複合運動中，混凝土同時受壓與(yu) 受剪，先產(chan) 生壓縮變形，進而從(cong) 刀刃起沿某平麵產(chan) 生剪切變形，形成裂斷型土屑與(yu) 剪斷型土屑。刀具布置時，綜合優(you) 化刀具的幾何角度，使每把刀具運行切削產(chan) 生的混凝土破壞麵相互重疊，無切削盲區曰強化切削刃，同時使高強度混凝土構件切削碎顆粒能從(cong) 切削區自由流出，從(cong) 而減小切削力，延長刀具壽命。改進後的頂管刀具布設如圖10所示。圖11為(wei) 試驗頂管刀具改進後切削後排出的混凝土碎屑。
5 結論
本文提出一種新型矩形全斷麵切削刀盤形式，研製出一種矩形全斷麵切削頂管。通過強度等級為(wei) C30混凝土切削試驗，優(you) 化了頂管刀具選型及布置形式，驗證了頂管試驗機全斷麵切削混凝土的切削性能。為(wei) 今後相關(guan) 工程應用提供相應的技術參數與(yu) 經驗積累，具有一定工程推廣價(jia) 值。