CN104153784B - 一种泥水平衡式马蹄形盾构机 - Google Patents

Abstract

本发明为一种用于隧道建设的泥水平衡式马蹄形盾构机，包括盾构机壳，机壳前方的刀盘组，刀盘后方的泥浆循环系统、布置在盾构壳体周围的推进千斤顶、可移动双头管片拼装机和其他辅助装置。其工作原理是：利用圆形刀盘和异形刀盘组成的刀盘组切削出马蹄形隧道；利用有压泥浆保持开挖面稳定性；盾尾设置三道钢丝盾尾刷并用油脂填充密封，其中最后一道可以进行更换；盾壳末端设有一道向盾尾方向倾斜的止浆钢板防止泥浆渗漏；切削下来的土体通过出浆管送至地面，同时由进浆管补充新鲜泥浆以保持泥水压力；利用可移动双头管片拼装机拼装弧形管片和非弧形管片。

Description

一种泥水平衡式马蹄形盾构机

技术领域

本发明涉及一种隧道挖掘机械，特别涉及一种用于建造地下建筑物的泥水平衡式马蹄形盾构机。

背景技术

目前，盾构法已经成为城市隧道掘进的主要方式之一，该施工方法对地层扰动轻微，对环境破坏较小。现有的盾构机断面形式多为圆形，其优点是结构形式较好，特别是在软弱地层中，圆形隧道能够使管片处于相对合理的受力状态中。然而，圆形隧道的问题就是其空间利用率较低，且不是所有地质条件都需要建设圆形隧道，在侧压力系数较小的地层中，圆形隧道的结构优势就无法充分发挥出来。矩形隧道的空间利用效率高于圆形隧道，圆形隧道的结构形式优于矩形隧道，两种结构形式的结合—马蹄形隧道在结构形式和空间利用方面均具有一定的优势。马蹄形隧道一般都采用矿山法或新奥法等方法进行开挖，其缺点是对地层的扰动和环境的影响均较大，且难以控制，不能满足城市中日益严格的环境保护要求，这大大限制了马蹄形隧道的适用范围。

因此，研发一种结构形式合理且空间利用效率较高的新型盾构是一项具有长远意义的课题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于隧道建设的泥水平衡式马蹄形盾构机，其开挖面是以一定压力的泥浆维持的，它既具有较高的空间利用率和相对合理的结构形式，又兼具盾构法隧道的各种优势。

本发明是通过如下技术方案实现的：一种应用于城市隧道建设的泥水平衡式马蹄形盾构机，包括盾构壳体、刀盘组、进浆管、出浆管、滑道和推进千斤顶；

刀盘组位于盾构壳体1前部，用于切削土体，由圆形刀盘2和异形刀盘5组成，圆形刀盘2位于上方，异形刀盘5位于下方，圆形刀盘2突出于异形刀盘5前一段距离；圆形刀盘和异形刀盘上设置有刮刀18；圆形刀盘2中心处通过轴3与动力系统连接，其两边对称处连接主轴承，切削范围为与其直径相同的圆形区域；异形刀盘5形状为曲边槽形，曲边为半径略大于上方圆形刀盘2的圆弧，通过两个曲轴4与动力系统连接，其切削范围为略大于异形刀盘5的曲边槽形区域，进而与圆形区域组成马蹄形区域；

进浆管6位于盾构壳体1内上部，其一端位于盾构壳体1后端中部，另一端位于盾构壳体1前端上部，且位于圆形刀盘2顶部；出浆管7位于盾构壳体1内下部，其一端位于盾构壳体1后端中部，另一端位于盾构壳体1前端下部；

滑道10垂直布置于盾构壳体1内，升降机11位于滑道10上，且能上下转动；

双头管片拼装机13由弧形管片拼装机19、非弧形管片拼装机20、拼装机轴承12和液压千斤顶21组成，弧形管片拼装机19通过液压千斤顶21连接拼装机轴承12，非弧形管片拼装机20通过液压千斤顶21连接拼装机轴承12，使双头管片拼装机13能在拼装机轴承12为轴进行旋转，拼装机轴承12连接升降机11，使双头管片拼装机13能上下移动，通过液压千斤顶21调整双头管片拼装机13的长度，以满足管片拼装的需要；所述弧形管片拼装机19一端为弧形吸盘，用于拼装拱顶的弧形管片；所述非弧形管片拼装机20为由两个平面吸盘22组成的可伸缩式吸盘，用于拼装非弧形管片，两个吸盘22能独立旋转，两个吸盘22之间的角度可调节，以吸附不同形状的管片；

推进千斤顶9均匀布置于盾构壳体1四周，一端连接液压系统，另一端的支顶顶在已拼装好的管片16上，以提供推进反力；

盾构壳体1的尾部设有三道钢丝盾尾刷15，三道钢丝盾尾刷15之间充填满盾尾油脂，盾构壳体1壳末端设有一道向盾尾方向倾斜的止浆钢板14，起到防止开挖面泥浆渗漏的作用。

本发明中，曲轴4与异形刀盘5的连接采用间隙配合并用脂润滑，使异形刀盘仅产生平动而不发生转动。

本发明中，位于盾构壳体1尾部的最后一道钢丝盾尾刷可以进行更换。

本发明中，所述管片16通过电瓶车17运送到双头管片拼装机13处。

本发明的工作原理是：利用刀盘组切削前方土体；通过泥浆循环系统，调整支护压力以保持开挖面稳定性；切削下来的土体通过刀盘组的开口进入泥水舱，再由泥浆循环系统输送至地面泥水处理池；盾尾设有三道钢丝盾尾刷，在三道盾尾刷之间填充盾尾油脂，其中靠近盾构机头的一道盾尾刷前在设置一道向盾尾方向倾斜的止浆钢板。

上述盾构机环形刀盘组采用滚刀和刮刀相结合的方式，其组合形式可以根据实际地层情况进行调整，以提高该盾构机的适用范围。

上述盾构机的异形刀盘由动力系统通过两个曲轴驱动，两个曲轴以同样的角速度带动异形刀盘切削土体。曲轴与异形刀盘的连接采用间隙配合，并用脂润滑，使异形刀盘仅产生平动而不发生转动。

上述盾构机采用新型双头管片拼装机，其自身可以上下移动，一端为弧形吸盘，用于拼装拱顶的弧形管片；另一端为由两个平面吸盘组成的可伸缩式吸盘，同时两个吸盘也可以转动。当两个吸盘并拢时，可用于拼装侧墙及底板的矩形管片，当用于拼装侧墙和底板交界处的L形管片时，可转动两个吸盘使其夹角为一定的度数，同时调整拼装机的数值位置和拼装臂的长度。在拼装非弧形管片时，拼装完成后必须缩短拼装臂长度以拼装机能够旋转。

根据上述技术方案，本发明具有以下优点：

1.利用圆形刀盘和异形刀盘对盾构前方土体进行切削，可以开挖不同形式的马蹄形断面的隧道。

2.通过调整刀盘的开口率、刮刀和滚刀的组合及布置，以及膨润土泥浆的配比可以提高本发明的地层适应性，拓展其适用范围；

3.为保证刀盘组的正常工作，盾构机采用两套独立的动力系统，分别用于驱动圆形刀盘和异形刀盘，并可根据地层情况，调整其输出功率。

4.所采用的新型双头管片拼装机经过专门的设计，集成了两种拼装设备，能同时适用于不同形状管片的拼装，无需为非弧形管片单独配置一个拼装机，节省了盾构机内的空间，并降低了盾构机的成本。

附图说明

图1为马蹄形盾构机结构示意图；

图2为圆形刀盘构造图；

图3为异形刀盘构造图；

图4为A-A剖面图，即双头管片拼装机构造图；

图5为双头管片拼装机管片拼装示意图。其中：(a)为L形管片，(b)为矩形管片，(c)为弧形管片。

图中标号：1为盾构壳体，2为圆形刀盘，3为轴，4为曲轴，5为异形刀盘，6为进浆管，7为出浆管，8为主轴承，9为推进千斤顶，10为滑道，11为升降机，12为拼装机轴承，13为双头管片拼装机，14为止浆钢板，15为钢丝盾尾刷，16为管片，17为18为刮刀，19为弧形管片拼装机，20为非弧形管片拼装机，21为液压千斤顶，22为吸盘。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。

实施例1：如图1、图2和图3所示，本发明的马蹄形盾构机包括：盾构壳体1，盾构壳体1前端的刀盘组（由圆形刀盘2和异形刀盘5组成），双头管片拼装机13及其他辅助装置。圆形刀盘2和异形刀盘5上设置刮刀18。刀盘2通过轴3与盾构壳体1连接，并由主轴承8与动力系统相连；刀盘5同过曲轴4与盾构壳体1连接，并由主轴承8与动力系统连接。

如图1所示，刀盘组后为进浆管6和出浆管7。盾构机切削下来的土体通过出浆管7运送至地面，同时由进浆管6补充新泥浆，整个循环过程的同时需保持一定的泥浆压力以维持开挖面稳定。

如图1所示，沿着盾构壳体1四周布置着推进千斤顶9，推进千斤顶9支顶在已拼装好的管片16上以提供推进的反力，从而保证盾构的平衡推进。

如图1所示，双头管片拼装机13连接在拼装机轴承12上，可来回移动和旋转，拼装机轴承连接在升降机11上，升降机11可沿垂直的滑道10上下移动，通过液压千斤顶21调整臂长，以满足管片拼装的需要。

如图4所示，双头管片拼装机13一端为弧形管片拼装机19，另一端为非弧形管片拼装机20，在弧形管片拼装机19、非弧形管片拼装机20与拼装机轴承12之间装有液压千斤顶21。非弧形管片拼装机20由两个独立可旋转的吸盘22组成，两个吸盘22之间的角度可以调节，以吸附不同形状的管片16。管片16由电瓶车17运送至双头管片拼装机16处。

如图1所示，盾构壳体1的盾尾设有三道钢丝盾尾刷15，在三道钢丝刷之间充填满盾尾油脂（未标出），用以封堵泥浆。盾壳末端设有一道向盾尾方向倾斜的止浆钢板14，起到防止开挖面泥浆渗漏的作用。盾构推进过程中，可不断补充密封油脂和更换盾尾刷，以保持其密封作用。

如图5所示，为双头管片拼装机13在拼装不同形状管片时的姿态示意图。

Claims (4)

1.一种泥水平衡式马蹄形盾构机，包括盾构壳体、刀盘组、进浆管、出浆管、滑道和推进千斤顶；其特征在于：

刀盘组位于盾构壳体(1)前部，用于切削土体，由圆形刀盘(2)和异形刀盘(5)组成，圆形刀盘(2)位于上方，异形刀盘(5)位于下方，圆形刀盘(2)突出于异形刀盘(5)前一段距离；圆形刀盘和异形刀盘上设置有刮刀(18)；圆形刀盘(2)中心处通过轴(3)与动力系统连接，其两边对称处连接主轴承，切削范围为与其直径相同的圆形区域；异形刀盘(5)形状为曲边槽形，曲边为半径略大于上方圆形刀盘(2)的圆弧，通过两个曲轴(4)与动力系统连接，其切削范围为略大于异形刀盘(5)的曲边槽形区域，进而与圆形区域组成马蹄形区域；

进浆管(6)位于盾构壳体(1)内上部，其一端位于盾构壳体(1)后端中部，另一端位于盾构壳体(1)前端上部，且位于圆形刀盘(2)顶部；出浆管(7)位于盾构壳体(1)内下部，其一端位于盾构壳体(1)后端中部，另一端位于盾构壳体(1)前端下部；

滑道(10)垂直布置于盾构壳体(1)内，升降机(11)位于滑道(10)上，且能上下转动；

双头管片拼装机(13)由弧形管片拼装机(19)、非弧形管片拼装机(20)、拼装机轴承(12)和液压千斤顶组成，弧形管片拼装机(19)通过第一液压千斤顶连接拼装机轴承(12)，非弧形管片拼装机(20)通过第二液压千斤顶连接拼装机轴承(12)，使双头管片拼装机(13)能在拼装机轴承(12)为轴进行旋转，拼装机轴承(12)连接升降机(11)，使双头管片拼装机(13)能上下移动，通过液压千斤顶调整双头管片拼装机(13)的长度，以满足管片拼装的需要；所述弧形管片拼装机(19)一端为弧形吸盘，用于拼装拱顶的弧形管片；所述非弧形管片拼装机(20)为由两个平面吸盘(22)组成的可伸缩式吸盘，用于拼装非弧形管片，两个吸盘(22)能独立旋转，两个吸盘(22)之间的角度可调节，以吸附不同形状的管片；

推进千斤顶(9)均匀布置于盾构壳体(1)四周，一端连接液压系统，另一端的支顶顶在已拼装好的管片(16)上，以提供推进反力；

盾构壳体(1)的尾部设有三道钢丝盾尾刷(15)，三道钢丝盾尾刷(15)之间充填满盾尾油脂，盾构壳体(1)壳末端设有一道向盾尾方向倾斜的止浆钢板(14)，起到防止开挖面泥浆渗漏的作用。

2.根据权利要求1所述的泥水平衡式马蹄形盾构机，其特征在于曲轴(4)与异形刀盘(5)的连接采用间隙配合并用脂润滑，使异形刀盘仅产生平动而不发生转动。

3.根据权利要求1所述的泥水平衡式马蹄形盾构机，其特征在于位于盾构壳体(1)尾部的最后一道钢丝盾尾刷可以进行更换。

4.根据权利要求1所述的泥水平衡式马蹄形盾构机，其特征在于所述管片(16)通过电瓶车(17)运送到双头管片拼装机(13)处。