1 引言
在城市隧道中人行地道、电缆沟、综合管廊等市政隧道工程中，与圆形断面相比，矩形断面有效使用面积通常大20%以上。因此，矩形盾构与顶管机在城市市政工程中得到越来越多的应用。目前，国内矩形顶管主要有多刀盘组合型、偏心多轴式仿形刀盘型、以及大刀盘与偏心多轴式仿形刀盘组合型三种。前者由多个圆形刀盘组合而成，但刀盘切削存在盲区，后两者虽然为全断面切削，但偏心多轴式仿形刀盘体作平动对高强度混凝土构件的切削性能较差。为实现矩形顶管全断面无盲区切削混凝土构件，专门研制一种新型行星式刀盘全断面切削矩形顶管，并可以通过不同组合形式实现不同切削断面要求。
本文介绍了一种新型全断面切削矩形顶管的设计原理和结构组成，并通过混凝土构件切削试验，优化了顶管刀具选型及布置形式，验证了顶管相关设计参数及全断面切削混凝土的切削性能。为今后采用顶管法全断面直接切削混凝土构件施工工程应用提供相应的技术参数与经验积累。
2 行星式刀盘矩形顶管研制
2.1 方形全断面切削轨迹
根据实际情况，拟采用行星式刀盘实现矩形顶管的全断面切削。以正方形的中心为圆心设置一个内齿圈，再设置一个与内齿圈有一个偏心量e且与内齿圈相啮合的外齿轮（行星轮），内齿圈与外齿轮的齿数比为4：3；以正方形底边到外齿轮中心为一个刀排的长度，然后按120°均布设置另外2根刀排；以正方形顶边到外齿轮中心的距离R为半径作一个圆，再分别从三根刀排的顶点向该圆作六条切线，剪去多余的圆弧后就构成了刀盘轮廓线，如图1所示。假设内齿圈的半径为R，其圆心为O，而行星轮的半径为r，其圆心为O1，A是刀盘上的某个点，即与行星轮固定的一个偏心点（也可把它延长到内齿圈的外侧，看成刀盘外周刀的刀尖），则偏心距e=O1A，如图2所示。
图1 刀盘轮廓线
图2 内齿圈与行星齿轮位置图
由运动学原理可知，当行星轮在做上述纯滚动时，其A点的坐标为
由于行星轮在做上述纯滚动时，圆O节圆的弧长与圆O1节圆的弧长是相等的，故有：
代入设计的合适尺寸R、r与e，再取a=0°~360°中的不同值代入式（2），求出相应的XA与YA，并作出其轨迹图，如图3所示。
图3 刀盘切削形成的正方形轨迹图像
2.2 行星式刀盘顶管试验机
行星式刀盘切削试验机由主机与电机控制装置组成。主机主要结构由1-刀盘、2-端盖、3-压环、4-内齿圈盖、5-钢球、6-轴承1、7-行星齿轮、8-轴承2、9-轴承2、10-轴承3、11-轴、12-内齿圈、13-安装座、14-减速机、15-壳体、16-电机等。主机主要结构如图4所示。
图4 试验机主要结构组成图
当电机旋转时，通过行星减速器减速后带动偏心轴一起旋转，偏心轴带动行星齿轮在沿内齿圈作公转的同时也作自转，并带动刀盘作公转的同时也作自转，从而使切削刀具作正方形轨迹运动，并不停的切削土体。如用以地下掘进，就会形成一个正方形的切削断面。
3 顶管切削试验概况
3.1 顶管试验平台
为了了解行星式刀盘全断面切削方形顶管切削混凝土的性能，专门研制一台0.5mx0.5m行星式刀盘全断面切削的顶管试验机。试验样机如图5所示。顶管切削试验在专用的试验平台上进行，平台包括三部分，由左至右分别为混凝土试块安放装置A、顶管放置装置B和推进驱动装置C。整个试验平台长2236mm。试验机的驱动装置为油缸行程300mm的液压千斤顶。顶管切削试验平台详如图6所示。
图5 顶管试验机
3.2 混凝土试块制作
普通混凝土中的粗骨料以硬质的青石、麻石和花岗岩为主，其骨料强度高、破碎难、体积含量高，是制约混凝土可切削性能的关键因素。综合多种因素最终选定石灰石作为混凝土配比中粗骨料，即可有效提高刀盘的切削性能。由于在上海等软土地层，顶管切削刀具以切削式刀具为主，为了确保顶管刀盘的切削效果，混凝土配比中粗骨料用石灰石替换，以便于切削刀具切削。本次切削试验采用前期研究成果，制作了强度等级为C30的石灰石粗骨料配比的混凝土试块用于切削试验研究，以验证顶管试验机的切削性能及刀具的切削效果。
4 矩形顶管刀具选型及优化
4.1 常见的刀具形式
目前已开发应用了适应各类地层的刀具型式，通常可根据不同的地质情况选用不同类型的刀具及刀具组合。目前顶管或盾构常用刀具有切刀、刮刀、齿刀、单（双）刃滚刀、先行刀、仿形刀等，根据它们的开挖方式可将常用刀具归纳为切削式刀具、挠取式刀具、破碎式刀具3种类型。常见刀具类型如图7所示。
4.2 初始刀具选型及布置、
通常切削高强度混凝土用滚刀切削较合适，但研制的试验机刀盘为幅条式，3根幅条长约250mm、宽约100mm，结构尺寸小，无法布设滚刀，且滚刀式复合刀盘造价非常高，因此，顶管设计不考虑采用滚刀式复合刀盘。根据切削试验机刀盘的实际情况，刀具只能从切削式刀具中研究选择或改进。图8为试验顶管初始刀具选型及布置形式，图9为采用初始刀具布置切削强度等级为C30石灰石混凝土试块后的切削轨迹及效果，从试验过程来看，顶管刀具切削效果较差，切削速度极慢，顶管推力及刀盘扭矩很大，顶管切削十分困难。
图7 常见刀具型
图8 初始刀具选型及布置
图9 初始刀具切削效果
图10 优化后刀具布置
图11 优化后切削效果
4.3 切削刀具的优化及效果
目前国内顶管刀盘上常用的切削式刀具主要是切削诸如粘土、砂土、砂卵石，还未见有专用于切削抗压强度达30MPa的整块混凝土的切削式刀具。为此，我们在设计切削式刀具的形状时，关键是考虑刀具对高强度混凝土、软土地层的切削适应性。根据试验顶管刀盘切削轨迹采用嵌入式切削刀具，在刀体上开槽，使硬质合金刀片嵌入槽内并与刀体焊接。此刀具的特点是安装牢固，不易脱落，强度较高。
混凝土构件的抗压强度较高，但属于脆性材料，切削刀具作行星式旋转与前进的复合运动中，混凝土同时受压与受剪，先产生压缩变形，进而从刀刃起沿某平面产生剪切变形，形成裂断型土屑与剪断型土屑。刀具布置时，综合优化刀具的几何角度，使每把刀具运行切削产生的混凝土破坏面相互重叠，无切削盲区曰强化切削刃，同时使高强度混凝土构件切削碎颗粒能从切削区自由流出，从而减小切削力，延长刀具寿命。改进后的顶管刀具布设如图10所示。图11为试验顶管刀具改进后切削后排出的混凝土碎屑。
5 结论
本文提出一种新型矩形全断面切削刀盘形式，研制出一种矩形全断面切削顶管。通过强度等级为C30混凝土切削试验，优化了顶管刀具选型及布置形式，验证了顶管试验机全断面切削混凝土的切削性能。为今后相关工程应用提供相应的技术参数与经验积累，具有一定工程推广价值。