CN104196538B - 一种复合式双护盾隧道掘进机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合式双护盾隧道掘进机，包括刀盘、前盾、人仓、主驱动、内外伸缩盾、主推进系统（V型布置）、铰接系统、支撑盾、撑靴系统、尾盾、辅助推进系统、双模出渣系统和集成支护系统等。可实现双护盾包括“撑靴+管片衬砌”及“撑靴+锚喷支护”、单护盾及EPB四种工作模式，在硬岩、砂土、软土地质条件下高效掘进、出渣、支护。该掘进机具有以下突出特点：该型双护盾隧道掘进机可实现单台设备适用多种、复杂地质的掘进施工要求，极大提高隧道掘进机的地质适用性，降低隧道施工中更换掘进机的频率，大大提高了生产效率。

Description

一种复合式双护盾隧道掘进机

技术领域

本发明涉及机械设备，尤其涉及一种复合式双护盾隧道掘进机。

背景技术

目前，掘进机被广泛的用于地铁隧道和穿山隧道等隧道结构的开挖现场，掘进机根据开挖地质的不同分为：土压平衡掘进机（简称：EPB）和全断面硬岩掘进机（简称：TBM）；土压平衡掘进机用于掘进软土或砂土地质，而全断面硬岩掘进机用于掘进硬岩地质。全断面硬岩掘进机通常有开敞式和护盾式两种，护盾式又可分为单护盾和双护盾类型。双护盾TBM最大的特点是可以实现开挖掘进与隧洞衬砌的交叉作业，当地质条件不良时，也可在单护盾模式下工作。

20世纪90年代后，随着城市化进程的加快，城市地下空间的进一步利用，对环境保护和施工质量要求相对较高的城市地铁隧道的需求越来越大，为了满足这一需求，我国开始大规模地引进、应用国际先进的掘进机施工技术和设备。同时，国内许多企业开展了掘进机设备的研制和相关技术的开发，自行设计和开发了适用的掘进机和相关的施工技术，制造了多种形式的掘进机，但目前的掘进机仅能适用于周围环境要求不高和地质条件单一的地区，不适合建筑密集地区、管线复杂地区、地质条件复杂的地区。在构造和使用中存在：刀盘刀具不能更换；推进系统、防扭系统不能合并及占用空间较大；渣土出料口位置较高；管片拼装机及超前钻机、锚杆钻机占用空间大，导致掘进机整体长度增加，不适用于城市地铁施工始发空间小的问题；TBM模式管片衬砌时，喷射豆砾石及注浆时容易进入尾盾外侧与围岩缝隙的问题。

发明内容

本发明提供一种比传统技术的隧道掘进机功能更加完善的复合式双护盾隧道掘进机，以解决上述现有技术存在的诸多问题。从而实现双护盾包括“撑靴+管片衬砌”及“撑靴+锚喷支护”、单护盾及EPB四种工作模式，以便在硬岩、砂土、软土地质条件下高效掘进、出渣、支护。

为实现本发明的上述目的，本发明采取的技术方案是：一种复合式双护盾隧道掘进机，包括刀盘、主驱动和盾构机构，所述盾构机构包括前盾、人仓、外伸缩盾、内伸缩盾、支撑盾和尾盾，主驱动安装在前盾上，刀盘连接在主驱动的前端，人仓的前端连接在前盾的后端；所述外伸缩盾的前端连接在前盾的后端，内伸缩盾连接在所述支撑盾的前端，外伸缩盾与内伸缩盾滑动伸缩地套装在一起；前盾与支撑盾的前端之间通过主推进油缸连接，所述支撑盾的后端与尾盾的前端连接；在前盾的外周设有径向的可伸缩的辅助支撑靴，在所述支撑盾外周设置有径向可伸缩的径向撑靴，后端设有轴向的可伸缩的辅助推进油缸；在前盾与刀盘之间形成渣土仓，其特征在于，在所述的渣土仓的中部和下部分别设有上出渣口和下出渣口，在该渣土仓内设有可折叠的集渣料斗；还配备有能够移动位置的皮带输送机，该皮带输送机前端的入口能够移入或移出该上出渣口，以及配备有能够与该下出渣口对接的可拆卸的螺旋输送机。

所述的尾盾包括半环式半封闭尾盾、全环尾盾和带盾尾刷尾盾，该半环式半封闭尾盾由位于上部的半个环状筒体及其后端的钢刷组成。半环式半封闭尾盾的主要功能是对主机进行防护，防止喷锚支护作业时有杂物或围岩掉落损坏主机。

全环尾盾由全环状筒体和后端的内外止浆弹簧钢板组成，该全环尾盾作用是在管片拼装时提供支撑，后端的内外止浆板作用是防止在豆砾石与注浆回填时，豆砾石与浆液进入盾体内部及盾体及围岩之间的空隙。

该带盾尾刷尾盾由筒体、后端的止浆钢刷和盾尾刷组成，在全环状的筒体的后端设有后端止浆钢刷，在筒体后部的内周面设有盾尾刷。该尾盾作用是在管片拼装时提供支撑，盾尾刷及后端钢刷主要起密封作用，防止水或浆液等进入盾体内部。

在所述的支撑盾沿圆周设有多个径向伸缩的撑靴。

在所述的皮带输送机的前部上面和螺旋输送机的后部上面各设有铰接耳；所述的人仓的后端与一吊挂油缸的一端铰接，该吊挂油缸的另一端与所述的皮带输送机或螺旋输送机上的铰接耳铰接。

所述的皮带输送机的前端入口部分与后面的主体部分铰接，该入口部分能够向下偏转一定角度（一般为10-25度，让开螺旋输送机即可）。

所述的可折叠的集渣料斗由移动前板、曲折面、固定后板和支架组成，移动前板和固定后板为倒梯形板，在该移动前板与固定后板的斜边之间分别连接曲折面的两边，两个曲折面展开后与移动前板和固定后板组成下小上大的四棱锥形状的集渣料斗，该固定后板的外侧通过支架与机体的固定部位连接；该集渣料斗的下端位于所述出渣口的上方。

所述的主推进油缸沿圆周均匀设置多个，相邻的主推进油缸呈V型布置。

在所述的支撑盾的后面设有支撑横梁，在该支撑横梁上装有管片拼装机。

在所述的管片拼装机上装有可拆卸的锚杆钻机，在所述管片拼装机上装有可拆卸的超前钻探/加固系统。

在所述的支撑盾的内壁沿圆周方向设置有多个辅助推进油缸。

与传统隧道掘进机相比，本发明的优点和积极效果有：通过更换不同的刀具，同时可调节刀盘上的开口率大小调节渣料的进入量，实现不同地层地质的高效快速掘进；通过“V型布置的主推进油缸，实现主推进系统与防扭系统两种系统合并，大大节省了空间；通过设置两个出料口，使石渣、土渣分开收集、输送，大大提高渣料的出渣效率；集管片/仰拱块拼装、超前钻探/加固、锚杆加固等功能于一体，可实现锚固支护及管片衬砌两种隧道支护模式，缩短了隧道掘进机(TBM)长度，降低了设备制造维护成本；通过设置三种不同结构形式的尾盾，可实现在不同工作模式下的隧洞衬砌、支护要求，阻挡豆砾石、浆液、水等进入盾体内部及盾体与围岩之间的缝隙。

本发明满足了复杂地层的隧道掘进，能够满足不同地质条件的施工要求，扩宽了使用范围。

附图说明

图1为本发明“撑靴+锚喷支护”双护盾TBM掘进工作模式实施例的结构示意图；

图2为本发明在“撑靴+管片衬砌”双护盾或单护盾TBM工作模式实施例的结构示意图；

图3为本发明EPB模式实施例的结构示意图；

图4为本发明主推进油缸V型布置的结构示意图；

图5为图4的A-A剖视图；

图6为图1中的集渣料斗的放大示意图；

图7为图6的俯视示意图。

附图标记说明：1、刀盘，2、主驱动，3、盾体，31、前盾，32、支撑盾，33、尾盾，34、人仓，35、外伸缩盾，36、内伸缩盾，4、主推进油缸，5、集渣料斗，6、皮带输送机，61、皮带机铰接耳，611、皮带机提升油缸，7、螺旋输送机，9、（半环尾盾尾盾的）钢刷，10、渣土仓，101、上出渣口，102、下出渣口，11、内外止浆钢板，12、止浆钢刷，13、支撑横梁，30、刀盘隔板，81、锚杆钻机，82、超前钻机，83、拼装机，84、辅助推进油缸，85、喷混装置，311、辅助撑靴，330、径向撑靴。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面结合各实施例和相应的附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图7所示，本实施例一种复合式双护盾隧道掘进机，包括刀盘1、主驱动2和前盾31、支撑盾32、尾盾33、人仓34、外伸缩盾35和内伸缩盾36。主驱动2设置在前盾31上，刀盘1连接在主驱动2上，外伸缩盾35连接在前盾31上，前盾31（后部）设置有可伸缩的辅助撑靴311，前盾31与支撑盾32之间通过主推进油缸4连接，保持与刀盘连接的主驱动2、前盾31、人仓34等部件稳定，防止后方部件在工作过程中发生扭转现象，内伸缩盾36连接在支撑盾32上，支撑盾32与尾盾33连接在一起，在支撑盾32内设置有能沿掘进隧道径向伸缩的径向撑靴330，前盾31与刀盘1之间形成有渣土仓10，渣土仓10上设置有上出渣口101、下出渣口102，渣土仓10中还设置有可折叠的集渣料斗5，集渣料斗5位于上出渣口101的上方；上出渣口101中设置有位置可调的皮带输送机6，下出渣口102中设置有可拆卸的螺旋输送机7。在各盾体（包括前盾31、支撑盾32、尾盾33、人仓34、外伸缩盾35和内伸缩盾36）之间以及径向撑靴330处均设有密封。支撑盾32设置有支撑横梁13，集成支护系统（含管片拼装机83、超前钻机82及锚杆钻机81）通过支撑横梁13与支撑盾32相连。

具体而言，本实施例适用于复杂地层的掘进机能够根据掘进的环境需要满足EPB（土/砂质）和TBM（硬岩）两种工作环境的要求，可实现双护盾包括“撑靴+管片衬砌”及“撑靴+锚喷支护”、单护盾及EPB四种工作模式。为了实现方便快捷的以上四种工作模式的转换，本实施例通过可更换刀具的刀盘1、可折叠的集渣料斗5、位置可调的皮带输送机6和可拆卸的螺旋输送机7、集成支护系统、可拆卸的尾盾33实现的。

具体的，当本实施例掘进岩石等硬地质且围岩稳定时，采用“撑靴+锚喷” 模式，如图1所示。刀具更换为滚刀、刀盘加装隔板、调节刀盘1开口率的大小（现有技术）。尾盾33更换为半环式半封闭尾盾，掘进机依靠支撑盾32上的径向撑靴330撑在隧洞两侧岩壁，提供向前掘进的反力，在主推进油缸4的作用下，旋转的刀盘1和前盾31一起向前推进。集渣料斗5处于打开状态，皮带输送机6插在上出渣口101中并位于打开的集渣料斗5下方，刀盘1掘出的石块掉落到渣土仓10中通过集渣料斗5的引导落到皮带输送机6上被输送出，在刀盘1切削岩石的同时，可采用锚杆钻机81、喷混装置85对隧洞进行锚喷、支护。当主推进油缸4完全展开时，一个掘进循环完成，径向撑靴330收回，主推进油缸4（带动内、外伸缩盾35和36）缩回，支撑盾32前进。支撑盾32前进过程中，掘进机的支撑由前盾31的稳定装置和辅助推进油缸84来保证，在新的位置，径向撑靴330再次伸出进行下一个掘进循环，从而实现围岩稳定时双护盾模式硬岩地质的掘进。

如图2所示，当硬岩地质围岩不稳时，采用“撑靴+管片”模式，此时尾盾33更换为全环尾盾，其他设置同图1所示的“撑靴+锚喷”模式。此时掘进机依靠支撑盾32上的径向撑靴330撑在隧洞两侧岩壁，提供向前掘进的反力，在主推进油缸4的作用下，旋转的刀盘1和前盾31一起向前推进。在刀盘1切削岩石的同时，可采用管片拼装机83进行管片831的拼装、隧洞衬砌。当主推进油缸4完全展开时，一个掘进循环完成，径向撑靴330收回，主推进油缸4（带动伸缩盾）缩回，支撑盾32前进。支撑盾32前进过程中，掘进机的支撑由前盾的稳定装置和辅助推进油缸来保证，在新的位置，径向撑靴330再次伸出进行下一个掘进循环，从而实现围岩不稳时双护盾模式硬岩地质的掘进。

在围岩的抗压强度低、岩石自稳性较差的地层，可在单护盾模式下工作。单护盾工作模式设备配置同“撑靴+管片”模式。此时主推进油缸4不工作，单由盾尾辅助推进液压缸84支撑在已拼装的预制管片831上以推进刀盘1破岩前进。由于单护盾TBM 掘进需靠衬砌管片831来承受后坐力，因此在安装管片831时必须停止掘进，掘进和管片安装不能同步进行。

如图3所示，当遇到强风化、岩层破碎带或者砂土层时，需要改变掘进模式为EPB模式并改变支护方式。更换刀盘1的刀具及拆除周边隔板30、调节刀盘开口率的大小，拆除锚杆钻机81，折叠起集渣料斗5，把皮带输送机6移出前盾31外，把放置一侧或后部的螺旋输送机7安装在下出渣口102中（二者的外壳通过法兰对接），重新调整皮带输送机6的位置，将带输送机6的入口移至螺旋输送机7的出料口下方，尾盾33更换为带盾尾刷331的尾盾，这样就从硬岩地质方式换成软土地质。

EPB模式掘进时，径向撑靴330和主推进油缸4不用，辅助推进油缸84顶在铺设的管片831上，向前推进，同时刀盘1更换为软地质刀盘，刀盘1刀具更换为刮刀式刀具、拆除刀盘周边的隔板、调节刀盘开口率的大小，旋转并向前掘进，螺旋输送机7启动控制出土量，保持刀盘1前后土压平衡，排出的土渣落在皮带输送机6上送往后部。掘进一个行程后停止推进，辅助推进油缸84中的部分保持不动顶住不使刀盘1后退，剩余部分回缩让出空间，管片拼装机83铺装管片831，然后再伸出顶在刚铺设的管片831上。所有管片831铺设完毕后，一个掘进循环结束；刀盘1旋转，辅助推进系统84推出进入下一个掘进循环。

本发明的主推进油缸4沿圆周均匀设置多个，相邻的主推进油缸呈V型布置（参见图4和图5）。这种结构的主要作用：1. 在TBM模式下推动刀盘1前进，实现掘进；2.排列为“V”型布置，防止活动链接部分发生扭转变形；3.刀盘1可进行微角度的调整，实现掘进过程中的调整。

所述的尾盾33包括半环式半封闭尾盾、全环尾盾和带盾尾刷尾盾，在TBM模式下，隧洞采用喷锚支护时，采用半环尾盾（如图1所示）；在TBM模式下，隧洞全环管片衬砌时采用带内外止浆钢板11的尾盾（如图2所示）；在EPB模式下，采用带盾尾刷的尾盾（如图3所示）。

参见图1，该半环式半封闭尾盾33由位于上部的半个环状筒体及其后端的钢9组成。半环式半封闭尾盾的主要功能是对主机进行防护，防止喷锚支护作业时有杂物或围岩掉落损坏主机。

参见图2，全环尾盾33由全环状筒体和后端的内外止浆钢板11组成，该全环尾盾作用是在管片拼装时提供支撑，后端的内外止浆板11作用是防止在豆砾石与注浆回填时，豆砾石与浆液进入盾体内部及盾体及围岩之间的空隙。

参见图3，该带盾尾刷尾盾33由筒体、后端的止浆钢刷12和盾尾刷331组成，在全环状的筒体的后端设有后端止浆钢刷12，在筒体后部的内周面设有盾尾刷331。该尾盾作用是在管片拼装时提供支撑，盾尾刷331及后端的止浆钢刷12主要起密封作用，防止水或浆液等进入盾体内部。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种复合式双护盾隧道掘进机，包括刀盘、主驱动和盾构机构，所述盾构机构包括前盾、人仓、外伸缩盾、内伸缩盾、支撑盾和尾盾，主驱动安装在前盾上，刀盘连接在主驱动的前端，人仓的前端连接在前盾的后端；所述外伸缩盾的前端连接在前盾的后端，内伸缩盾连接在所述支撑盾的前端，外伸缩盾与内伸缩盾滑动伸缩地套装在一起；前盾与支撑盾的前端之间通过主推进油缸连接，所述支撑盾的后端与尾盾的前端连接；在前盾的外周设有径向的可伸缩的辅助支撑靴，在所述支撑盾外周设置有径向可伸缩的径向撑靴，后端设有轴向的可伸缩的辅助推进油缸；在前盾与刀盘之间形成渣土仓，其特征在于，在所述的渣土仓的中部和下部分别设有上出渣口和下出渣口，在该渣土仓内设有可折叠的集渣料斗；还配备有能够移动位置的皮带输送机，该皮带输送机前端的入口能够移入或移出该上出渣口，以及配备有能够与该下出渣口对接的可拆卸的螺旋输送机；

所述的尾盾包括半环式半封闭尾盾、全环尾盾和带盾尾刷尾盾，该半环式半封闭尾盾由位于上部的半个环状筒体及其后端的钢刷组成；全环尾盾由全环状筒体和后端的内外止浆弹簧钢板组成；该带盾尾刷尾盾由筒体、后端的止浆钢刷和盾尾刷组成，在全环状的筒体的后端设有后端止浆钢刷，在筒体后部的内周面设有盾尾刷；

通过可更换刀具的刀盘、可折叠的集渣料斗、位置可调的皮带输送机和可拆卸的螺旋输送机、集成支护系统、可拆卸的尾盾实现双护盾、单护盾及EPB四种工作模式的转换，其中双护盾包括“撑靴+管片衬砌”及“撑靴+锚喷支护”。

2.根据权利要求1所述的复合式双护盾隧道掘进机，其特征在于，在所述的支撑盾沿圆周设有多个径向伸缩的撑靴。

3.根据权利要求1所述的复合式双护盾隧道掘进机，其特征在于，在所述的皮带输送机的前部上面和螺旋输送机的后部上面各设有铰接耳；所述的人仓的后端与一吊挂油缸的一端铰接，该吊挂油缸的另一端与所述的皮带输送机或螺旋输送机上的铰接耳连接。

4.根据权利要求1所述的复合式双护盾隧道掘进机，其特征在于，所述的皮带输送机的前端入口部分与后面的主体部分铰接，该入口部分能够向下偏转一定角度。

5.根据权利要求1所述的复合式双护盾隧道掘进机，其特征在于，所述的可折叠的集渣料斗由移动前板、曲折面、固定后板和支架组成，移动前板和固定后板为倒梯形板，在该移动前板与固定后板的斜边之间分别连接曲折面的两边，两个曲折面展开后与移动前板和固定后板组成下小上大的四棱锥形状的集渣料斗，该固定后板的外侧通过支架与机体的固定部位连接；该集渣料斗的下端位于所述出渣口的上方。

6.根据权利要求1所述的复合式双护盾隧道掘进机，其特征在于，所述的主推进油缸沿圆周均匀设置多个，相邻的主推进油缸呈V型布置。

7.根据权利要求1所述的复合式双护盾隧道掘进机，其特征在于，在所述的支撑盾的后面设有支撑横梁，在该支撑横梁上装有管片拼装机。

8.根据权利要求7所述的复合式双护盾隧道掘进机，其特征在于，在所述的管片拼装机上装有可拆卸的锚杆钻机，在所述管片拼装机上装有可拆卸的超前钻探/加固系统。

9.根据权利要求1所述的复合式双护盾隧道掘进机，其特征在于，在所述的支撑盾的内壁沿圆周方向设置有多个辅助推进油缸。