CN1041123C - 盾构装置 - Google Patents

Abstract

一盾构装置，包括一圆柱形盾构体、一由盾构体绕盾构体的轴可转动地支承的曲轴，在盾构体前部沿轴向连续设置的多个转动体，以及使曲轴绕轴转动的驱动机构，其中转动体相互连续地限定出一大致上为圆锥形或截砂圆锥形的外表面，毗连的转动体相对于盾构体的轴相互沿不同的方向偏心。

Description

盾构装置

本发明涉及一种用于构筑水平和垂直孔洞、隧道或类似的地下设施的掩护装置。

作为用于不需挖掘泥土而使用如打桩驱动机那样压实泥土来构筑隧道或类似设施的一种盾构装置，已公开的这类装置之一包括一个圆柱形盾构体，一根由盾构体绕自身轴可转动地支承并带有一个偏心部的曲轴，一个位于盾构体前面并由曲轴以偏心部分可转动地支承的转动体，转动体具有一大致上为圆锥形或截头圆锥形的外表面，以及一用于使曲轴绕盾构体轴转动的驱动机构(日本专利公开No.59-192193)。

这种本身已公知的盾构装置由位于启动轴或类似装置上的管推动装置推进，而曲轴由驱动机构旋转。转动体根据曲轴的回转而绕曲轴的旋转轴作回转运动(公转)，并绕曲轴的偏心部分作旋转运动(自转)，通过绕曲轴的偏心部分的转动使转动体的外圆周表面与泥土接触。因而，这种本身已知的盾构装置在以转动体的外表面压实泥土的同时在泥土中形成孔洞，如隧道。

在这种盾构装置中，由于转动体对泥土的压实作用而使得反作用力沿盾构体或将要形成的孔洞的径向作用于其上。作用在盾构体上的反作用力将盾构体推靠在泥土上从而在盾构体前进时，在盾构体和泥土之间产生一摩擦力。这种摩擦力的强度对使盾构体前进所需推力影响很大。

然而，由于在上述已知盾构装置中只用了一个转动体，作用在盾构体上的反作用力与作用在转动体上的一样。其结果，盾构体和泥土之间的摩擦力较大，因而需要一大的推力来使盾构体前进。此外，上述反作用力象一个弯曲力矩那样作用在盾构体上，从而使盾构装置的前进方向不稳定。

作为其它的不需挖掘泥土而仅对其压实来构筑隧道或类似设施的装置之一，美国专利No.3,926,267公开了一种装置，它包括一驱动机构，一由驱动机构转动的曲轴，以及多个位于驱动机构前面并可转动地由曲轴支承的转子。驱动机构上设有一壳体和多个从壳体上伸出的凸出部以与由转动体的回转和旋转运动形成的孔洞的内表面接触。

在这种已知的装置中，驱动机构壳体的外径小于所要形成的孔的内径。由于这个原因，在形成孔洞的过程中，围绕壳体的孔洞由围绕孔洞而压实的泥土保持，并且转动体的回转和旋转所引起的转动反作用力通过凸出部被传到泥土中。

然而，在壳体外径小于所要形成的孔的内径的装置中，壳体不与围绕孔洞的泥土接触。因此，孔洞径向反作用力引起的摩擦力不会引起任何问题。

然而，在外径小于要形成的孔洞的内径的装置中，由于壳体不具有防止孔洞周围的泥土坍塌的作用，不能防止孔洞周围的泥土坍塌。因而，上述装置在实际上不可行。

本发明的一个目的是提供一盾构装置，它在压实泥土的时候通过使沿径向作用在盾构体上的反作用力最小并减小由反作用力引起的泥土和盾构体之间的摩擦力来稳定盾构装置前进方向。

本发明的盾构装置，包括：一圆柱形盾构体；一由所述盾构体支承并可绕所述盾构体的纵向轴线转动的曲轴；在所述盾构体前部沿所述轴线方向连续设置并由所述曲轴可转动地支承的多个转动体；以及一使所述曲轴绕所述轴线转动的驱动机构；其中，所述转动体相互配合而限定出一大致上为圆锥形或截头圆锥形的外表面；其特征在于：所述相邻转动体相对于所述轴线沿相互相反的方向偏心；并且所述盾构体包括一第一圆柱形部分；一与第一圆柱形部分的后部相连的第二圆柱形部分；一位于所述第一圆柱形部分前端的壁部，以将所述第一圆柱形部分的内部与所述前部分开；以及多个使所述第一和第二圆柱形部分相互连接的千斤顶，所述千斤顶绕所述轴线相间设置，所述曲轴由所述壁部可转动地支承。

盾构装置由管推进机构或类似机构推进，而曲轴由驱动机构转动。每一转动体据曲轴的转动绕曲轴转动轴作回转运动(公转)，并且绕轴的偏心部分的轴作旋转运动(自转)，通过回转可使外圆周表面与泥土接触。因而，盾构装置通过其转动体的外表面压实泥土前进而在泥土中形成例如隧道的孔洞。

当泥土被压实时，在每一转动体上产生一沿盾构体的径向的反作用力。然而，由于毗连的转动体相对于盾构体的轴相互沿不同的方向偏心，每个转动体的反作用力的方向不同。由于产生于每一转动体上的反作用力相互抵消，因而作用于盾构体上的反作用力变小。结果，由于作用于盾构体上的反作用力而引起的泥土和盾构体之间的摩擦力变小，进而使所需的使盾构体前进的推力变小。此外，由于相应的反作用力的减小，作用于盾构体上的弯曲力矩减小，盾构装置的前进方向变得稳定。

根据本发明，如上所述，由于使用了多个转动体并且毗连转动体相对于盾构体的轴相互沿不同方向偏心，当压实泥土时产生于每一转动体的反作用力相互抵消。结果，由于沿径向作用于盾构体的反作用力变小，而使反作用力引起的泥土和盾构体之间的摩擦力变小，并且作用在盾构体上的弯曲力矩变小。这样，装置的前进方向变得稳定。

最好盾构体上设一圆柱形部分和位于圆柱形部分前端的壁部，该壁部将圆柱形部分的内部与盾构体的前部区域分开，并且曲轴可转动地由壁部支承。因此，可防止泥砂进入盾构体中。

最好使毗连转动体相对于盾构体的轴相互沿相反的方向偏心。由于反作用力减小的量变大，作用在盾构体上的反作用力以及由此在盾构体和泥土之间产生的摩擦力变小。

曲轴上可设有多个在前部区域相互毗连并分别支承转动体的偏心部。偏心部沿曲轴的轴向连续形成，毗连的偏心部相对于盾构体的轴相互沿不同的方向偏心。

最好还包括一围绕曲轴连续延伸的机械密封，它相对于毗连的转动体而设置，并用作毗连转动体之间的密封，以及另一个相对于盾构体和靠近盾构体的转动体设置并围绕曲轴连续延伸的机械密封，它用作盾构体和靠近盾构体的转动体之间的密封。

因此，尽管毗连的盾构体、转动体和靠近盾构体的转动体沿盾构体的径向相对移动，可防止泥沙通过毗连的转动体以及盾构体和靠近盾构体的转动体之间的间隙进入转动体和曲轴之间的间隙。

最好在位于盾构装置的前端的转动体的前端安装一切割部，该部根据转动体的转动而绕转动体的轴挖掘泥沙。由于对围绕盾构体轴的泥土进行挖掘，盾构体的直线运动的能力得到改善，与当不对围绕盾构体的轴的泥土挖掘时相比，所需推力变小。

最好圆柱形部分有一其上带有壁部的第一圆柱形部分和通过多个千斤顶与第一圆柱形部分相连的第二圆柱形部分，千斤顶绕轴线相隔一定距离安装。因而，由于采用了多个相对于盾构体的轴相互沿不同的方向偏心的转动体，可容易地校正盾构装置的前进方向。

本发明的上述和其它的目的和特征通过下面参照附图对本发明优选实施例的描述将变得更加明显，附图中：

图1为本发明优选实施例的盾构装置的截面图；

图2为图1所示盾构装置的部分放大的截面图；

图3为反作用力的示意图；

图4为从图3左侧看的透视图及另一个显示反作用力的示意图。

参见图1和图2，一盾构装置10包括一具有一轴12的圆柱形盾构体14，一由盾构体14支承并可绕轴12转动的曲轴16，多个沿轴12方向连续设置于盾构体14前部区域并由曲轴16可转动地支承的转动体18和20，以及一使曲轴16绕轴12转动的驱动机构22。

盾构体14上设有一第一圆柱形部分24，一部分地安装在第一圆柱形部分24后端的第二圆柱形部分26，一安装在第一圆柱形部分24的前端并将盾构体14的内部与盾构体14的前部区域分开的壁部28以及多个环绕轴线12相隔一定间距设置并用来使第一和第二圆柱形部分24和26相互连接的液压千斤顶30。

正如公知的那样，可通过使至少一个千斤顶30伸出或缩回预定的量来调整圆柱形部分26相对于第一圆柱形部分24的方向。由此校正盾构装置10的前进方向。

曲轴16有一主轴部32和多个连续接在主轴部32一端的偏心部34和36，主轴部32由多个轴承40支承在形成于壁部28上的凸出部38上，从而偏心部34和36从壁部28向前伸出。转动体18和20分别由多个轴承42和44支承于偏心部34和36上。转动体18和20的外表面相互连接并形成近似圆锥或截头圆锥形。

在所示实施例中，提供了两个转动体18和20，且在曲轴16上设有两个偏心部34和36。因此，在所示实施例中，转动体18和20相对于轴线12在相反的方向上的偏心距离为e₁和e₂。当然，也可使用三个或更多个转动体。

安装轴承40、42和44的空间中充有润滑油。为保护润滑油中不进泥沙，在壁部28和转动体18以及毗邻的转动本18和20之间分别设有机械密封52和54。此外，在驱动机构22和凸出部38之间还设有一密封件(图中未示)。

机械密封52包括一安装在形成于转动体18后表面的凹部中并围绕曲轴16延伸的垫圈56和多个给垫圈施加压力使其靠压在壁部28前表面上的压缩螺旋弹簧58。每个弹簧58设置于围绕轴12以等角距形成于转动体18上的凹槽中。当然，也可将垫圈56和弹簧58设在壁部28上，从而将垫圈56压靠在转动体18的后表面上。

机械密封54包括一安装在形成于转动体18前表面的凹部中并围绕曲轴16延伸的垫圈60和多个给垫圈施加压力使其靠压在转动体20后表面上的压缩螺旋弹簧62。每个弹簧62设置于围绕轴12以等角距形成于转动体18上的凹槽中。当然，也可将垫圈60和弹簧62设在转动体20上，以便垫圈60压靠在转动体18的前表面上。

此外，在位盾构装置尖端的转动体20的前端设一用于根据转动体20绕轴12的转动来挖掘泥沙的切割部64。

由于所示实施例是作为一种用于管椎进方法中的盾构装置，盾构装置10通过连接在盾构体14后部的一个或多个管子66而接受一来自管推进机构或类似机构的推力而与管66一起推进。然而，盾构装置的前移可由设置于管66之间安装在盾构体14的尖端和后部的多个千斤顶来完成。

当盾构装置10接受推力时，曲轴16由转动机构22带动而转动。转动体18和20根据曲轴16的转动分别绕轴12作回转运动(公转)，并绕曲轴16的偏心部分34和36的轴线作旋转运动(自转)，从而使其外圆周表面与泥土接触。其结果，盾构装置10在地下形成孔(例如地道)，并用转动体18和20的外表面将泥土压实。

当地面被压实时，在转动体18和20上产生一沿盾构体14径向的反作用力。当反作用力被传到盾构体14时，盾构体被紧紧压靠在泥土上。因此，在盾构体14和泥土之间产生一大的摩擦力，其结果需要一大的推力来使盾构体14前进。

由于盾构装置10中毗连的转动体18和20沿相互相反的方向相对于轴12偏心，因而作用在转动体18上的反作用力的方向与作用在转动体20上的反作用力的方向相反。因此，作用在转动体18和20上的反作用力相互抵消，因而，作用在盾构体14上的反作用力变小。其结果，由反作用力引起的泥土和盾构体之间的摩擦力变小，因而使盾构体前进所需的推力变小。

如果产生在转动体上的反作用力方向相互相同，则反作用力在盾构体上形成一弯曲力矩。当在盾构体上作用有这样的弯曲力矩时，盾构装置的前进方向变得不稳定。尤其在图中所示实施例中，当采用一种利用千斤顶30来校正第一圆柱形部分24相对第二圆柱形部分26的方向，从而校正盾构体的前进方向的装置时，盾构装置10的前进方向由于作用在盾构体上的弯曲力矩而变得不稳定。其结果，必须经常进行方向校正，校正方向的操作变得复杂，并且方向控制变得不稳定。

然而，在盾构装置10中，由于产生于转动体18和20上的反作用力方向相互抵消，转动体18和20的反作用力相互减小，因此，作用在盾构体14上的反作用力产生的弯曲力矩变小。其结果，盾构装置10的前进方向变得稳定。此外，尽管将装置10特别设计成方向可控制，盾构装置10的前进方向被稳定，方向校正的频率降低，方向校正的操作变得容易并且方向控制变得稳定。

在如图3和4所示的实施例中，转动体18的反作用力F18被分解成一作用在盾构体14上的反作用力F14和另一作用在转动体20上的反作用力F20。作用在盾构体14上的反作用力F14与当转动体18和20相对于盾构体的轴沿相同方向偏心时作用在盾构体上的反作用力相比显著减小。也就是说，在所示实施例中，作用在盾构体14上的反作用力由下式给出：

F14＝F18-F20

然而，当转动体18和20相对于盾构体轴沿相同方向偏心时，反作用力由下式给出：

F14＝F18+F20

反作用力F14与反作用力F20的比率由盾构体14的受压面积与转动体20的受压面积的比率确定。作用在盾构体14上的反作用力F14可通过增加使用的转动体的数量来减小。当使用三个或更多个转动体时，可使转动体的偏心方向绕轴12以相等的角间距设置。不然的话，可使毗连的转动体的偏心方向相对于轴12沿相反方向设置。

Claims (5)

1.一盾构装置，包括：

一圆柱形盾构体；

一由所述盾构体支承并可绕所述盾构体的纵向轴转动的曲轴；

在所述盾构体前部沿所述轴线方向连续设置并由所述曲轴可转动地支承的多个转动体；以及

一使所述曲轴绕所述轴线转动的驱动机构；

其中，所述转动体相互配合而限定出一大致上为圆锥形或截头圆锥形的外表面；

其特征在于：

所述相邻转动体相对于所述轴线沿相互相反的方向偏心；并且

所述盾构体包括一第一圆柱形部分；一与第一圆柱形部分的后部相连的第二圆柱形部分；一位于所述第一圆柱形部分前端的壁部，以将所速第一圆柱形部分的内部与所述前部分开；以及多个使所述第一和第二圆柱形部分相互连接的千斤顶，所述千斤顶绕所述轴线相间设置，所述曲轴由所述壁部可转动地支承。

2.根据权利要求1盾构装置，其特征在于，所述曲轴有多个沿所述轴线方向连续形成在所述前部的部分上的用于分别支承所述转动体的偏心部分，其中所述毗连的偏心部分相对于所述轴线相互沿相对的方向偏心。

3.根据权利要求1的盾构装置，还包括：

围绕所述曲轴连续延伸的第一机械密封，该密封相应于所述毗连转动体设置并有作所述相应转动体之间的密封；和

围绕所述曲轴连续延伸的第二机械密封，它相应于所述盾构体和最靠近盾构体的转动体设置并用作盾构体和所述相应的转动体之间的密封。

4.根据权利要求1的盾构装置，其特征在于，位于盾构装置顶端的转动体有一位于所述转动体前端的切割部分，该切割部根据所述转动体的转动绕所述轴线挖掘泥沙。

5.根据权利要求1的盾构，其特征在于，所述曲轴具有一对相互相邻地沿所述轴线的方向形成在所述前部，并用于分别支承所述转动体的偏心部分，并且所述偏心部分相对于所述轴线方向相互沿相反的方向偏置。

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