时间：2009年08月21日　作者：王维升 程国亮 王俊彬 信息来源：非开挖技术　阅读：  671次

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本文在广州市市政工程维修处2001年-2004年竣工的十几段顶管工程实例的基础上，从泥水平衡式顶管机构成的角度，就德国海瑞克AVN系列、日本伊势机TCC系列和国产扬州DPN系列等3种类型的泥水平衡式机械顶管机曾出现的问题进行了分析，探讨了泥水平衡式顶管机在应用方面的一些施工理论。

一、破碎系统

伊势机TCC系列刀盘采用偏心破碎，偏心频率25次／转，破碎效果较好，是全土质型，破碎后颗粒最大粒径φ40mm。扬州DPN系列也是偏心破碎，但该机采用轴固定偏心，偏心频率1次／转。轴偏心使八边形刀盘与圆锥形土压舱形成的空间宽窄有序，破碎正是依靠旋转中这空间的宽窄有序变化来实现的。与前两者不同的是，海瑞克AVN系列未采用偏心破碎，而是仅利用刀盘轴空间的锥形漏斗来破碎，破碎后颗粒较大，最大粒径约φ70mm。三类机中伊势机的破碎效果最好，即使在粘土中顶进也很少因破碎效果不佳而发生泥水管线堵塞；而海瑞克AVN和扬州DPN系列在粘土中顶进，因破碎效果不佳，经常发生泥水管线堵塞，降低了顶进速度。

    伊势机TCC系列由于偏心结构独特，采用了机械密封。机械密封对再加工（粗磨和精磨）要求比较高，而目前的再加工水平有限，很难接近真实施工工况，所以机械密封部位漏油、进水进砂很难避免。再加工的好则漏油和进水进砂较少，需要再次加工的顶进里程延长，按厂家说明加工1次／公里就是正常情况。同时由于机械密封的问题，伊势机TCC系列的保养较麻烦。

二、刀盘结构

根据刀盘扭矩可分别计算三套设备机头可切削的土质强度。其中伊势机TCC刀盘扭距最大，海瑞克AVN次之，扬州DPN最小。故扬州机DPN能切削的土质强度最小，这与实际施工情况是符合的。

三类设备刀盘刀具质量差别不大，但刀具分布密度不同。海瑞克AVN刀盘刀具分布密度为D600=39.5个／m2、D800=17.2个／m2、D1200=14.3个／m2；扬州DPN刀盘刀具分布频率为D1200=12个／m2、D1350=9.9个／m2；伊势机TCC刀盘上刀具分布密度为D1650=9.6个／m2、D1800=9.1个／m2、D2000=8个／m2。不难看出，刀盘直径越大，刀具分布密度越低。直径相同，三者相比，扬州DPN刀具分布密度最小，所以该类机对小型障碍物的定位破碎能力较差，小型障碍物卡死刀盘的几率较高。

三、泥水运输系统

1、泥水舱结构

  海瑞克AVN泥水舱内共有5条进水管，而伊势机TCC和扬州DPN各有1条（见图1）。

即每段开始顶进时，泥水循环总是先无法带出泥土，然后无法正常出水，直至地面被进水击穿。等闷顶10m多后，就可以形成正常泥水循环。这是因为闷顶一段后，一方面泥水舱完全被泥土充填，泥土隔断“短路”，使得进水可以参与泥水舱的搅拌；另一方面长期的进水使得机头周围的原状土流态化，易于被运输。这样形成的泥水循环是不稳定的，容易发生再次堵塞。一方面是因为天然屏障的不稳定和形成环流效果不好，容易再次“短路”；一方面由于泥水舱完全被泥土充填，在排泥口“偶尔”堵塞的时候，无法容纳暂时未排走的泥土，使泥水循环无喘息机会。

针对这个问题，可以仿造伊势机TCC泥水舱进行改造 (见图2)。其基本原理是隔断进水口和排泥口的“短路”，使得进水在泥水舱形成环流。

2、进排泥泵

海瑞克AVN的进排泥泵都可以无级调速，从而方便、快速、准确地实现泥水循环的动态平衡，以适应土质、顶进速度和刀盘转速的变化。伊势机TCC和扬州DPN出厂配置的进排泥泵一般是无法无级调速。数段工程实践证明，进排泥泵的无级调速可减少因泥水堵塞、过量进排泥带来的问题（地面凸起凹陷、地面冒水、机头下沉等），有助于顶进施工快速顺利、高质量的完成。给进排泵各自配备一个同等功率的变频器，通过变频器控制进排泥泵，即可实现进排泵的无级调速。

工程实践还证明，进排泥泵可以使用国产泵。虽然进口泵质量较好，但国产泵完全可以满足生产需要，且性价比高。选用进排泵时要考虑耐磨性、配备的泥水管线口径（常见4英寸或6英寸）、需要的泥水流量和土质等主要因素，同时要协调搭配好进水泵和排泥泵的功率等参数。一般进排泥泵的额定流量要≥90L／min，进水泵的功率不宜大于22KW，排泥泵的功率最好大于22KW，排泥泵的通过颗粒大些比较好（最好大于7cm）。在没有经验的情况下，安装变频器是一个很好的选择，变频器可根据实际情况无级调速进排泵，使得他们达到较好的匹配。

四、纠偏系统

1、海瑞克AVN系列

海瑞克AVN的纠偏采用电脑控制，具有人机互动和智能自动纠偏两种方式。该机的纠偏动作(纠偏油缸的伸出方位和伸出量)、纠偏反馈（倾斜角、水平角、滚动角、标准激光位置和机头姿态的点状图形显示）都可以在电脑里真实反映（见图3），操作人员可随时根据纠偏反馈情况进行纠偏，且纠偏动作的效果能及时通过纠偏反馈系统反映出来，作为再次纠偏的依据。如此反复进行，可达到完美的纠偏效果。所有控制和反馈当量都是毫米级，非常精确。控制的好，完全可以达到1cm内的管道偏差。海瑞克AVN自动纠偏使用的是模糊控制（FUZZY CONCTROL）。模糊控制以丰富的施工经验参数为验算基础，根据验算出的特征和灰色当量（无法用数字准确表达的）来估算施工预控参数。经验表明，自动纠偏效果一般，特别是在偏差较大时，纠偏过快。对熟练的操作手来说，建议不要使用自动纠偏。

2、伊势机TCC系列

如果把海瑞克AVN的纠偏系统比作是数码照相机，那么伊势机TCC的纠偏系统就是一个进口的傻瓜光学照相机。光学照相机是指其完全依靠模拟信号控制，模拟信号包括标靶系统的摄像视频信号、倾斜仪反馈信号和开关控制信号等。进口“傻瓜机”是比喻它的RSG反射诱导纠偏系统（见图3）简单方便、精确。该纠偏系统由激光位置标靶、激光反射镜和激光反射位置标靶（即纠偏标靶）组成。根据三角形相似原理，标准激光经反射镜反射在纠偏标靶上的点就是机头最前端的点，该点的移动准确表示了机头最前端的动态。参考标准激光点（反映机头尾部的姿态，与管道的位置基本一致）的微动方向，控制纠偏标靶上反射点的移动方向，就能最快地预先控制机头的姿态，达到完美的纠偏效果。RSG反射诱导纠偏系统不需要知道纠偏油缸伸出量，简单依靠2个主要激光点和1个辅助激光点的移动进行纠偏，管道偏差也可以控制在1cm以内。

3、扬州DPN

如果伊势机TCC的纠偏系统是进口傻瓜式的光学照相机，扬州DPN的纠偏系统则是较复杂的国产专业光学照相机。一方面它的倾斜仪、纠偏油缸伸出量等模拟量已经转化为数字，但有时不准确；另一方面它没有配备与RSG反射诱导同等功能的纠偏反馈系统。纠偏只能依靠倾斜仪和纠偏油缸的伸出量来间接判断，无从准确判断和控制机头最前端的姿态。故扬州DPN的纠偏有一定的滞后性（特别是水平方向）、模糊性和不准确性，管道偏差有时比较大。

目前扬州DPN顶管机的和第五代在这方面已经有所改良，有些施工单位也成功进行了改造。

五、控制系统（主要指弱电控制）

泥水平衡式顶管机的控制系统相对都比较复杂。本文不分析其原理和细微构成，只从施工中常出现的问题分析各系统的优缺点。从三类顶管机的施工表现来看，问题的焦点在于控制信号传送的方式和传送介质（电缆）质量的不同，本文着重从这两方面分析。

1、传统控制方式

传统方式即电缆直接传送控制信号的方式，每一对或单个控制量占用一个专用通道，有多少对和多少个单个信号，控制电缆就至少需要多少个芯。控制台的控制信号通过多芯电缆的专用通道与机头的动作信号一一对应。伊势机TCC、扬州机DPN第一至和大多数顶管机都采用这种方式。伊势机TCC的控制电缆共有41芯，分别承担着机头电源、刀盘转动、纠偏系统的各级动作、内旁通和工作阀动作、倾斜仪和刀盘扭矩量回馈等信号传送任务。扬州DPN第一至的控制电缆芯数有所差异，但基本都在50芯左右，差异是因为增加或合并了某些功能。

伊势机TCC的控制电缆和电缆接头都是日本生产的，质量较好，很少发生没有信号或信号误差（电缆接头进水引起）等问题。而扬州DPN第一至使用的都是国产电缆和接头，由于国内生产条件有限，这些电缆有时会断芯，电缆接头常产生断脚或接触不良。所以经常发生纠偏等系统无法控制等异常，影响顶进施工的正常进行。

2、PLC（可编程序控制器）控制

   这是一种微电脑控制方式，即在控制台和机头各安装一台PLC，分别称为PLC1和PLC2，都具有各自的CPU、I/O板、内存块和电源等。控制台将控制信号传送给PLC1，PLC1传给PLC2，PLC2再传给机头各部位；反过来机头各部位将动作信号回馈给PLC2，PLC2传给PLC1，PLC1再回馈给控制台的各仪表。虽然控制台和PLC1、 PLC2和机头的通讯采用传统控制方式，但PLC1和PLC2之间则是按照通讯协议，由程序分批依次接收、处理信号完成通讯。经过编程软件处理，这种批处理和PC一样快速，使得控制台和机头可以快速而准确的实现控制。PLC1和PLC2之间采用的是两芯、四芯或六芯的连接电缆，不但细（和视频线粗细差不多），而且非常轻。这种电缆每根长度可达200米左右，大大减少了接头数量，提高了通讯质量，使得控制准确且稳定。因其轻便，非常易于拖拉和安装，给施工带来方便。

扬州DPN第五代顶管机成功地应用了PLC控制（ABB牌），以两条6芯通讯电缆代替了50芯电缆。不但提高了顶管机控制系统的稳定性，而且节约了成本。广州市市政工程维修处于2004底成功应用西门子PLC对扬州DPN第一代顶管机进行了改造，只使用了1条2芯电缆通讯，且系统运行非常稳定。这方便了长距离顶管施工（PLC通信范围可达1km，甚至更远），是中国顶管行业在这方面的一个可喜进步。

3、工控电脑的自动化控制

在PLC控制的基础上， 将PLC1和控制台之间的信号采集、传递和处理交由工控电脑控制，就实现了顶管机的集成化、自动化和可视化控制。在工控电脑的硬件基础上，通过软件编程控制，可以实现信号的集中采集、滤波等处理，信号图形化和数字化直观表示，实现自动或半自动控制顶管机。

海瑞克AVN系列顶管机是一个工控电脑自动化控制的半成品。该类机使用了工业电脑和PLC，但PLC使用了1个，只在控制台安装了PLC。所以在控制台实现了信号的集成化、自动化和可视化处理，但控制台PLC和机头之间依然要依靠37芯的控制电缆进行一对一的通信。虽然海瑞克AVN的进口电缆和接头质量非常好，不影响控制系统的稳定性，但同伊势机TCC一样，存在成本大、施工不方便、难以进行长距离顶管的缺点。

六、液压系统

在机械顶管机中，液压系统主要包括机头的液压马达、机头纠偏液压站和后方主顶液压站。

1、海瑞克AVN

该类机机头内有液压马达，没有纠偏液压站，因此机头内基本没有电路系统，有良好的防水性能。同时由于液压马达（驱动刀盘）远比电机运行稳定，具有过载保护等优点，所以该类机机头的故障率很低，因此开挖机头的几率较低。

海瑞克AVN后方主顶液压站相当精密而强劲，由于进口液压泵、液压马达对液压油质的要求相当高，所以该站配备了完善的过滤系统，做到了各级层层过滤。该站不但给后方千斤顶提供动力，还给机头刀盘和纠偏系统提供动力，集成化水平较高。这种设计是机头结构防水性的需要。但由于机头刀盘和纠偏系统的动力直接来源于后方主顶液压站，所以机头和控制室（位于地面）之间使用了4条，顶进施工装管时很不方便；对施工环境的要求也较高，特别是纠偏等系统的较细，容易进污物而发生油路堵塞。

2、伊势机TCC和扬州DPN

伊势机TCC和扬州DPN在液压系统的构造上基本一样，不同的只是液压元件的质量有所差异。这两类机机头没有液压马达，采用电机驱动刀盘，同时在机头设有纠偏系统的液压站，故机头的防水性都比较差。在施工中应该充分重视此问题，防止机头进水，否则处理问题极为困难，甚至要开天窗挖机头。

七、结论

海瑞克AVN刀盘扭距大，整体强度高，所以能适应的土质范围较广，甚至距离不长（50m左右）的中风化泥岩或砂岩都可以。该类机独特的泥水舱设计和优异的工控半自动控制系统使得顶进施工控制准确，反应快速，掘进中与土体形成的动态平衡良好，施工质量最容易控制。同时该机采用液压驱动，系统运行稳定，但不方便进行长距离顶管。

伊势机TCC具有优异的偏心破碎功能和大扭矩，几乎是全土质的设备（N>15岩石除外），特别在粘土中顶进非常快，明显优于其他两类机。独特的RSG反射诱导纠偏系统非常简单实用，可靠性和性价比高。

扬州机最大的优势就是价格低廉，但设备性能一般。不完善的纠偏系统和设计不合理的泥水舱是该机最大的缺憾，应该进行改造。该类机最大的亮点就是采用了PLC控制系统，既方便施工，又方便进行长距离顶管。

总之，泥水平衡式顶管机最重要的部分是泥水平衡系统，其次是纠偏系统、破碎系统、控制系统，再次是刀盘、液压等系统。在实际工程中，进行设备选型和优化配置时，应根据各部分重要性的不同考虑问题，使设备具有最佳性价比。下载本文