CN103398214A - 一种泥水平衡顶管机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种泥水平衡顶管机，该泥水平衡顶管机包括一钢制圆柱外壳，一设置于钢制圆柱外壳前端的切削刀盘，以及容纳和支承于钢制圆柱外壳内的一刀盘驱动单元、一铰接单元、一电仪控制单元和一泥浆输送及循环单元；切削刀盘用于在掘进时切削土体，刀盘驱动单元用于驱动切削刀盘正反转，铰接单元用于拟合掘进曲线，尤其适用于小半径曲线推进，电仪控制单元用于控制各部件的相应动作，泥浆输送及循环单元用于输送泥浆和建立开挖面平衡。本发明的顶管机采用泥水平衡式，在不稳定的地层中当开挖面受阻时，可以采用泥水加压，能使开挖面保持稳定，对所顶管子周围的土体扰动比较小，引起的地面沉降也比较小。本发明能够用于穿越道路、河流和建筑物等的传输管道工程，操作简单、速度快、成本低。

Description

一种泥水平衡顶管机

技术领域

本发明涉及一种掘进设备，具体涉及一种用于管道非开挖工程施工的泥水平衡顶管机。

背景技术

随着社会经济的发展，基础设施的完善，特别是城市化进程加快，城市内外穿越道路、河流和建筑物的液、气态介质的传输管道工程日趋增多，非开挖技术得到广发的应用。作为非开挖技术的一种，泥水平衡式顶管技术因其具有适应土层广，掘进面稳定，地面沉降小的优点，在大中型管道穿越道路、河流和跨越其它管线(城市给排水，综合管线等)工程中适应性强，因此得到广发应用。

现有的顶管机大多为土压平衡式和泥水平衡式，在开挖切削面土压力控制方面，土压平衡式的渣土通过螺旋输送机将渣土排出，呈泥团状；泥水平衡式的渣土通过排泥管将泥浆排出，呈泥浆状。在排渣效率方面，泥水平衡式排渣是不间断排渣，土压平衡式排渣是间断排渣，所以泥水平衡式的排渣效率高，隧道推进的速度快。然而现有的大型顶管机往往为土压平衡式，结构设计较为复杂，排渣效率低，且在纯砂地层中掘进时不能很好地控制地面沉降。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的提供一种用于管道非开挖工程施工的泥水平衡顶管机。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种泥水平衡顶管机，其特征在于，该泥水平衡顶管机包括：一钢制圆柱外壳，一设置于所述钢制圆柱外壳前端的切削刀盘，以及容纳和支承于所述钢制圆柱外壳内的一刀盘驱动单元、一铰接单元、一电仪控制单元和一泥浆输送及循环单元；

其中，所述钢制圆柱外壳包括一前段壳体、一中段壳体和一后段壳体；所述前段壳体与中段壳体焊接成一体，所述后段壳体铰接在所述中段壳体后端；所述前段段壳体与切削刀盘之间设置有一密封隔仓板，所述密封隔仓板的前部为泥浆仓，后部为工作仓；所述中段壳体与后段壳体之间设置有后段竖梁；

所述切削刀盘包括一设置于所述前段壳体前端的圆形箱式刀盘面板，其主要受力构件为从所述刀盘面板中心沿径向设置、均布的六根辐条，所述刀盘面板中心位置设置有一座中心刀；所述辐条自所述刀盘面板的中心向边缘方向呈放射状均匀排列，以将所述刀盘面板分割成六个面积相等的区域；每一所述辐条两侧呈八字形对称设置有若干对切削刀，且一部分成对的所述切削刀之间设置有先行刀；在所述刀盘面板的其中两个区域，以所述中心刀为对称中心对称地设置有两个能开闭的圆形进土口；在所述刀盘面板的剩余四个区域内各设置有一矩形开口，每一所述矩形开口的两侧呈一字形对称设置有若干对刮刀，所述刮刀之间为狭长的进土口；

所述刀盘驱动单元包括电动机、行星减速器、小齿轮、大齿轮和主轴；所述电动机与所述行星减速器联接成一体并固定在位于所述工作仓一侧的所述刀盘驱动单元的驱动箱体上；所述小齿轮安装在所述行星减速器的输出轴上，所述小齿轮与安装在所述主轴上的所述大齿轮啮合，所述主轴贯穿所述密封隔仓板后，其前端通过花键与所述刀盘面板紧固连接；

所述铰接单元包括等分为四组的8个铰接油缸，四组所述铰接油缸环向均布于所述密封隔仓板后部的所述中段壳体中；每一所述铰接油缸的缸体与焊接在所述后段竖梁上的油缸座铰接，每一所述铰接油缸的输出端与焊接在所述密封隔仓板后部的双耳环铰接；

所述电仪控制单元包括紧固连接于所述后段竖梁上的电仪控制柜，以及设置于所述工作仓中的液压泵站；所述电仪控制柜连接所述电动机和液压泵站，所述液压泵站通过控制阀件、管路及行程传感器连接各所述铰接油缸；

所述泥浆输送及循环单元包括进浆管、排渣管、反冲管和液动球阀，所述进浆管两端分别为泥浆出口和泥浆进口，所述排渣管两端分别为泥渣进口和泥渣出口，所述进浆管的泥浆出口和所述排渣管的泥渣进口穿过所述密封隔仓板伸入所述泥浆仓；所述泥水平衡顶管机后方及井口外设置有泥浆泵和泥渣泵，所述进浆管的泥浆进口和所述排渣管的泥渣出口伸出所述后段外壳，并分别与所述泥浆泵和泥渣泵连接；所述反冲管设置在所述进浆管和排渣管之间，所述进浆管、排渣管和反冲管上均设置有液动球阀，所述液动球阀与所述电仪控制单元的液压泵站连接。

在一个优选的实施例中，在所述中段壳体和后段壳体之间安装有防止所述铰接单元动作时产生渗漏的铰接密封圈。

在一个优选的实施例中，在每一辐条的一侧顶缘均设置有外圆先行刀。

在一个优选的实施例中，在所述刀盘面板后部的不同高度上设置有若干防止石块和泥土沉淀与粘结在所述泥浆仓内的刮泥板。

在一个优选的实施例中，所述刀盘单元的开口率为18.4％。

在一个优选的实施例中，所述刀盘面板上还焊接有一与所述矩形开口内缘相切的环肋，所述环肋与所述辐条之间焊接；同时，在所述环肋与所述中心刀盘之间呈放射状均匀焊接有六个竖肋。

在一个优选的实施例中，所述电动机采用变频控制，通过频率设定来改变所述切削刀盘的转速，频率设定范围为10～50Hz。

在一个优选的实施例中，所述铰接单元的铰接灵敏度为L/D＝0.78，其中L为泥水平衡顶管机的长度，D为泥水平衡顶管机的直径。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明的顶管机采用泥水平衡式，在不稳定的地层中当开挖面受阻时，可以采用泥水加压，能使开挖面保持稳定，对所顶管子周围的土体扰动比较小，引起的地面沉降也比较小。

2、本发明与土压平衡顶管机比较，掘进时的总推力比较小，尤其是在粘土层、砂性土施工时表现得更为突出，适宜于长距离管道非开挖工程施工。

3、本发明在密封隔仓板后部的中段壳体中环向均布有四组铰接油缸，四组铰接油缸可以实现单独、编组、全伸、全缩四种全方位动作，利用铰接油缸的支点调整，可带动圆柱外壳沿轴向变位，迅速拟合掘进曲线，实现精确转向。

4、本发明采用泥浆输送及循环单元输送泥浆和泥渣，不存在吊土、搬运土方等容易发生危险的作业，因此作业环境比较好，作业也比较安全。

5、本发明采用泥浆输送及循环单元连续不断地输送泥渣，因此施工时的速度比较快。

6、本发明在切削刀盘的每一辐条两侧呈八字形对称设置有若干对切削刀，且一部分成对的切削刀之间设置有先行刀，这样无论是切削刀盘正转还是反转都可以切土。同时，本发明还在切削刀盘的刀盘面板中心位置设置有高出刀盘表面较多的中心刀，这样中心刀在施工中可以超前钻进，形成一个先导钻孔，以释放工作面中心的地层压力，同时防止粘土在刀盘面板上的粘结。

7、本发明在切削刀盘的刀盘面板上对称地设置有两个可开闭的圆形进土口，该进土口在砂土或软土等纯砂土层施工时闭合，而在含卵砾石层、漂石等的复杂土层施工时打开，以便于大块的卵石等能顺利进入泥浆仓内，因此不仅适用于砂土或软土等纯砂土层，也适用于含卵砾石层、漂石等的复杂土层。

8、本发明在切削刀盘的每一辐条一侧顶缘均设置有外圆先行刀，可在土中掘削成一个直径与顶管机外径相等或者比顶管机外径大一些的隧洞，这样在掘进过程中，可以减少土体与顶管机的摩擦力，便于顶管机的推进。

9、本发明在刀盘面板后部的不同高度上设置有若干刮泥板，刮泥板能将进入泥浆仓的大块卵石进一步破碎成小粒径的碎块，最后由泥水循环系统携带走，避免掘进过程中，遇到硬土层出现无法掘进需要更换刀具的问题。

10、本发明在泥浆输送及循环单元的进浆管和排渣管之间设置有反冲管，因此可以在需要时使进浆管和排渣管换向。

本发明能够用于穿越道路、河流和建筑物等的传输管道工程，操作简单、速度快、成本低。

附图说明

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是图1的A向视图；

图3是图1的B-B剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

图1显示了根据本发明提供的泥水平衡顶管机100，该泥水平衡顶管机100包括圆柱外壳1、切削刀盘2、刀盘驱动单元3、铰接单元4、电仪控制单元5以及泥浆输送及循环单元6。

其中，圆柱外壳1为钢制结构，用于容纳和支承刀盘驱动单元3、铰接单元4、电仪控制单元5和泥浆输送及循环单元6。在本实施例中，圆柱外壳1包括一前段壳体10、一中段壳体11和一后段壳体12。前段壳体10与中段壳体11焊接成一体，后段壳体12铰接在中段壳体11后端。同时，在前段壳体10与中段壳体11之间设置有一密封隔仓板13，密封隔仓板13的前部为泥浆仓14，后部为工作仓15。此外，在中段壳体11与后段壳体12之间还设置有若干后段竖梁16。

在一个优选的实施例中，为了防止铰接单元4动作时产生的渗漏，在中段壳体11和后段壳体12之间安装有铰接密封圈17。

如图1、图2所示，本发明的切削刀盘2设置于圆柱外壳1的前段壳体10前端，其包括一个直径比前段壳体10略小的圆形箱式刀盘面板20、六根辐条21以及一中心刀22。辐条21设置于刀盘面板20的径向，六个辐条21自刀盘面板20的中心向边缘方向呈放射状均匀排列，从而将刀盘面板20分割成六个面积相等的区域。每一辐条21两侧呈八字形对称设置有若干对切削刀23，且一部分成对的切削刀23之间设置有先行刀24，这样无论是切削刀盘2正转还是反转都可以切土。中心刀22通过螺栓固定在刀盘面板20的中心位置，并且高出刀盘面板20较多，这样中心刀22在施工中可以超前钻进，形成一个先导钻孔，以释放工作面中心的地层压力，同时防止粘土在刀盘面板20上的粘结。在刀盘面板20的其中两个区域，以中心刀22为对称中心对称地设置有两个可开闭的圆形进土口25，该进土口25在砂土或软土等纯砂土层施工时闭合，而在含卵砾石层、漂石等的复杂土层施工时打开，以便于大块的卵石等能顺利进入泥浆仓14内。在刀盘面板20的剩余四个区域内各设置有一矩形开口，每一矩形开口的两侧呈一字形对称设置有若干对刮刀26，并在刮刀26之间形成狭长的进土口27，以使切削下的砂土顺利进入泥浆仓14。

在一个优选的实施例中，在每一辐条21的一侧顶缘均设置有外周先行刀28，该外周先行刀28可在土中掘削成一个直径与顶管机外径相等或者比顶管机外径大一些的隧洞，这样在掘进过程中，可以减少土体与顶管机的摩擦力，便于顶管机的推进。

在一个优选的实施例中，为了防止石块和泥土沉淀与粘结在泥浆仓14内，在刀盘面板20后部的不同高度上设置有若干刮泥板29，刮泥板29能将进入泥浆仓14的大块卵石进一步破碎成小粒径的碎块，最后由泥水循环系统6携带走，避免掘进过程中，遇到硬土层出现无法掘进需要更换刀具的问题。

在一个优选的实施例中，切削刀盘2的开口率为18.4％。

在一个优选的实施例中，刀盘面板20上还焊接有一与矩形开口内缘相切的环肋201，环肋201与辐条21之间焊接；同时，在环肋201与中心刀盘22之间呈放射状均匀焊接有六个竖肋202。

如图1所示，刀盘驱动单元3包括电动机30、行星减速器31、小齿轮32、大齿轮33和主轴34。电动机30与行星减速器31联接成一体并固定在位于工作仓15一侧的驱动单元箱体上。小齿轮32安装在行星减速器31的输出轴上，小齿轮32与安装在主轴上34的大齿轮33啮合，主轴34贯穿密封隔仓板13后，其前端通过花键与切削刀盘2的刀盘面板20紧固连接。这样电动机30通过行星减速器31带动小齿轮32，小齿轮32再带动安装在主轴34上的大齿轮33，主轴34则带动切削刀盘2转动进行切削掘进。

在一个优选的实施例中，电动机30采用变频控制，可通过频率设定来改变切削刀盘2的转速，频率设定范围为10～50Hz。

如图1、图3所示，铰接单元4包括等分为四组的8个铰接油缸40，四组铰接油缸40环向均布于密封隔仓板13后部的中段壳体11中。每一铰接油缸40的缸体与焊接在后段竖梁16上的油缸座铰接，每一铰接油缸40的输出端与焊接在密封隔仓板13后部的双耳环铰接。四组铰接油缸40可以实现单独、编组、全伸、全缩四种全方位动作，利用铰接油缸40的支点调整，可带动圆柱外壳1沿轴向变位，迅速拟合掘进曲线，实现精确转向。

在一个优选的实施例中，铰接单元4的铰接灵敏度为L/D＝0.78，其中L为泥水平衡顶管机100的长度，D为泥水平衡顶管机100的直径。

电仪控制单元5包括紧固连接于后段竖梁16上的电仪控制柜50以及设置在工作仓15中的液压泵站(图中未示出)，电仪控制柜50连接刀盘驱动单元3的电动机30及液压泵站。液压泵站通过控制阀件、管路及行程传感器连接各铰接油缸40，控制铰接油缸40的各种动作。

泥浆输送及循环单元6包括进浆管60、排渣管61、反冲管62和液动球阀63，进浆管60两端分别为泥浆出口和泥浆进口，排渣管61两端分别为泥渣进口和泥渣出口，进浆管60的泥浆出口和排渣管61的泥渣进口穿过密封隔仓板13伸入泥浆仓14。泥水平衡顶管机100后方及井口外设置有泥浆泵和泥渣泵(图中未示出)，进浆管60的泥浆进口和排渣管61的泥渣出口伸出圆柱外壳1分别与泥浆泵和泥渣泵连接。反冲管62设置在进浆管60和排渣管61之间，以在需要时使进浆管60和排渣管61换向。进浆管60、排渣管61和反冲管62上均设置有液动球阀63，液动球阀63与电仪控制单元5的液压泵站连接，并在电仪控制柜50上可以控制各液动球阀63的动作。

本发明在工作时，在地面控制台通过电仪控制单元5启动刀盘驱动单元3带动切削刀盘2转动进行切削掘进；同时，在地面泥浆池中，将泥水调整到适合地层地质状态后由泥浆泵加压经进浆管60送到开挖面泥浆仓14；泥浆在稳定开挖面的同时，将切削刀盘2切削下来的土砂作成浓泥浆，再由泥渣泵经排渣管61输送到地面；被输送到地面的泥渣，根据土砂颗粒的直径，通过一级分离和二级分离设备将土泵分离，脱水后弃渣；分离后的泥浆，经泥浆池进行再次调整后，使其成为优质泥浆，再次循环到开挖面。

本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (8)

1.一种泥水平衡顶管机，其特征在于，该泥水平衡顶管机包括：

一钢制圆柱外壳，

一设置于所述钢制圆柱外壳前端的切削刀盘，以及

容纳和支承于所述钢制圆柱外壳内的一刀盘驱动单元、一铰接单元、一电仪控制单元和一泥浆输送及循环单元；

其中，所述钢制圆柱外壳包括一前段壳体、一中段壳体和一后段壳体；所述前段壳体与中段壳体焊接成一体，所述后段壳体铰接在所述中段壳体后端；所述前段段壳体与切削刀盘之间设置有一密封隔仓板，所述密封隔仓板的前部为泥浆仓，后部为工作仓；所述中段壳体与后段壳体之间设置有后段竖梁；

所述切削刀盘包括一设置于所述前段壳体前端的圆形箱式刀盘面板，其主要受力构件为从所述刀盘面板中心沿径向设置、均布的六根辐条，所述刀盘面板中心位置设置有一座中心刀；所述辐条自所述刀盘面板的中心向边缘方向呈放射状均匀排列，以将所述刀盘面板分割成六个面积相等的区域；每一所述辐条两侧呈八字形对称设置有若干对切削刀，且一部分成对的所述切削刀之间设置有先行刀；在所述刀盘面板的其中两个区域，以所述中心刀为对称中心对称地设置有两个能开闭的圆形进土口；在所述刀盘面板的剩余四个区域内各设置有一矩形开口，每一所述矩形开口的两侧呈一字形对称设置有若干对刮刀，所述刮刀之间为狭长的进土口；

所述刀盘驱动单元包括电动机、行星减速器、小齿轮、大齿轮和主轴；所述电动机与所述行星减速器联接成一体并固定在位于所述工作仓一侧的所述刀盘驱动单元的驱动箱体上；所述小齿轮安装在所述行星减速器的输出轴上，所述小齿轮与安装在所述主轴上的所述大齿轮啮合，所述主轴贯穿所述密封隔仓板后，其前端通过花键与所述刀盘面板紧固连接；

所述铰接单元包括等分为四组的8个铰接油缸，四组所述铰接油缸环向均布于所述密封隔仓板后部的所述中段壳体中；每一所述铰接油缸的缸体与焊接在所述后段竖梁上的油缸座铰接，每一所述铰接油缸的输出端与焊接在所述密封隔仓板后部的双耳环铰接；

所述电仪控制单元包括紧固连接于所述后段竖梁上的电仪控制柜，以及设置于所述工作仓中的液压泵站；所述电仪控制柜连接所述电动机和液压泵站，所述液压泵站通过控制阀件、管路及行程传感器连接各所述铰接油缸；

所述泥浆输送及循环单元包括进浆管、排渣管、反冲管和液动球阀，所述进浆管两端分别为泥浆出口和泥浆进口，所述排渣管两端分别为泥渣进口和泥渣出口，所述进浆管的泥浆出口和所述排渣管的泥渣进口穿过所述密封隔仓板伸入所述泥浆仓；所述泥水平衡顶管机后方及井口外设置有泥浆泵和泥渣泵，所述进浆管的泥浆进口和所述排渣管的泥渣出口伸出所述后段外壳，并分别与所述泥浆泵和泥渣泵连接；所述反冲管设置在所述进浆管和排渣管之间，所述进浆管、排渣管和反冲管上均设置有液动球阀，所述液动球阀与所述电仪控制单元的液压泵站连接。

2.如权利要求1所述的一种泥水平衡顶管机，其特征在于，在所述中段壳体和后段壳体之间安装有防止所述铰接单元动作时产生渗漏的铰接密封圈。

3.如权利要求1所述的一种泥水平衡顶管机，其特征在于，在每一辐条的一侧顶缘均设置有外圆先行刀。

4.如权利要求1所述的一种泥水平衡顶管机，其特征在于，在所述刀盘面板后部的不同高度上设置有若干防止石块和泥土沉淀与粘结在所述泥浆仓内的刮泥板。

5.如权利要求1所述的一种泥水平衡顶管机，其特征在于，所述切削刀盘的开口率为18.4％。

6.如权利要求1所述的一种泥水平衡顶管机，其特征在于，所述刀盘面板上还焊接有一与所述矩形开口内缘相切的环肋，所述环肋与所述辐条之间焊接；同时，在所述环肋与所述中心刀盘之间呈放射状均匀焊接有六个竖肋。

7.如权利要求1所述的一种泥水平衡顶管机，其特征在于，所述电动机采用变频控制，通过频率设定来改变所述切削刀盘的转速，频率设定范围为10～50Hz。

8.如权利要求1所述的一种泥水平衡顶管机，其特征在于，所述铰接单元的铰接灵敏度为L/D＝0.78，其中L为泥水平衡顶管机的长度，D为泥水平衡顶管机的直径。

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