CN107091099B - 一种用于非圆断面隧道掘进施工的射流辅助盾构机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于非圆断面掘进施工的射流辅助盾构机，包括前盾及设于所述前盾端面的多个刀盘，还包括用于切割刀盘无法切削区域断面土层的射流组件，所述射流组件设于所述前盾端面上，并与所述刀盘错开布置，所述射流组件的喷射行程覆盖所述刀盘的切削盲区。本发明具有实现非圆断面有效切割、盾构机掘进安全性高、通用性强等优点。

Description

一种用于非圆断面隧道掘进施工的射流辅助盾构机

技术领域

本发明涉及隧道掘进施领域，尤其涉及一种用于非圆断面隧道掘进施工的射流辅助盾构机。

背景技术

在隧道施工中，经常会遇到非圆断面要求的隧道，现有的掘进方式通常利用多个圆形刀盘拟合以实现非圆断面的掘进，但在刀盘之间会存在无法重合的部分其主要为断面直线位置处，此时，断面底部的余土因靠近排土排渣装置可方便去除，而断面顶部和侧面的余土会在前盾推进过程中挤入土仓内壁，该部分软土将粘附、板结在土仓内壁，造成刀盘旋转和盾构机推进困难。

为解决上述技术问题，现有的方式是采用机械清根装置，利用可移动的铲刀将粘附在内壁的土体刮铲下来，但清根装置的工作范围有限，无法对土仓内壁的所有粘附、板结的软土有效清除，存在安全隐患；且清根装置需根据机型专门配备，通用性差，成本高，同时其结构复杂，制造装配精度要求高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种的实现非圆断面有效切割、盾构机掘进安全性高、通用性强的用于非圆断面隧道掘进施工的射流辅助盾构机。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种用于非圆断面掘进施工的射流辅助盾构机，包括前盾及设于所述前盾端面的多个刀盘，还包括用于切割刀盘无法切削区域断面土层的射流组件，所述射流组件设于所述前盾端面上，并与所述刀盘错开布置，所述射流组件的喷射行程覆盖所述刀盘的切削盲区。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述射流组件包括多个扇形喷嘴，多个所述扇形喷嘴的射流扇面相互平行，且各所述扇形喷嘴的射流与掌子面相交于掘进断面轮廓线。

当所述刀盘切削盲区的断面轮廓线长度为L时，所述扇形喷嘴的数量n、所述射流扇面的扩散角α、所述扇形喷嘴与掌子面的距离d满足n*d*2*tg(α/2)不小于断面轮廓线长度L。

所述射流扇面与所述盾构机掘进方向的夹角β为5～10°。

所述射流组件还包括设于所述刀盘切削盲区中心位置的射流喷头，所述射流喷头包括一冲散喷嘴及多个径向喷嘴，所述冲散喷嘴沿盾构机掘进方向设置，所述径向喷嘴沿所述冲散喷嘴的周向设置，所述径向喷嘴的射流作用点超出所述前盾端面。

所述射流组件还包括喷杆及高压供水管，所述射流喷头通过喷杆与高压供水管连通，所述喷杆可带动所述射流喷头沿盾构机掘进方向移动。

所述射流喷头及喷杆外套设有保护管，所述保护管上设有与各所述径向喷嘴一一对应设置的多个避让通孔。

多个所述径向喷嘴相交点的轴线偏离所述喷杆的中心轴线，所述射流喷头与喷杆之间设有旋转接头。

所述喷杆连接有驱动喷杆旋转的旋转驱动件，所述喷杆与高压供水管之间设有旋转接头。

所述射流组件的喷射压力不小于35MPa。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明在前盾端面上设有射流组件，射流组件与刀盘错开布置，使得射流组件可用于切割刀盘无法切削区域的断面土层，从而实现非圆断面隧道掘进中土体的有效开挖；采用射流组件可有效切割和冲刷岩土，实现对所有粘附、板结软土的有效清除，其盾构机掘进安全性高，且在不改变结构尺寸的情况下，通过调整射流组件的压力、流量、角度、转速等参数可解决不同硬度、成分、粘度土体的破碎剥离，其可适用于各类断面形状土体的切割与破碎，通用性强，避免了采用机械清根装置通用性差，结构复杂的问题；同时，采用射流组件推进功耗低，且简化了盾构机结构。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明扇形喷嘴的正视图。

图3是本发明扇形喷嘴的剖视图。

图4是本发明射流喷头的正视图。

图5是本发明射流喷头的剖视图。

图6是本发明自旋转射流喷头的正视图。

图7是本发明自旋转射流喷头的剖视图。

图8是本发明强制旋转射流喷头的剖视图。

图中各标号表示：

1、前盾；2、刀盘；21、切削盲区；3、射流组件；31、扇形喷嘴；311、射流扇面；32、射流喷头；321、冲散喷嘴；322、径向喷嘴；323、圆柱形细射流；33、喷杆；34、高压供水管；35、保护管；351、避让通孔；36、旋转接头；37、自旋转射流喷头；371、偏置射流；38、强制旋转射流喷头；4、掌子面；5、土体。

具体实施方式

下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例的用于非圆断面掘进施工的射流辅助盾构机，包括前盾1、多个刀盘2及射流组件3，多个刀盘2设于前盾1的端面，射流组件3同样设于前盾1的端面，且射流组件3与刀盘2错开布置，射流组件3的喷射行程覆盖刀盘2的切削盲区21，利用射流组件3可冲刷断面土层，使土体5从地层中剥离破碎并排出。本发明在前盾1端面上设有射流组件3，射流组件3与刀盘2错开布置，使得射流组件3可用于切割刀盘2无法切削区域的断面土层，从而实现非圆断面隧道掘进中土体5的有效开挖；采用射流组件3可有效切割和冲刷岩土，实现对所有粘附、板结软土的有效清除，其盾构机掘进安全性高，且在不改变结构尺寸的情况下，通过调整射流组件3的压力、流量、角度、转速等参数可解决不同硬度、成分、粘度土体的破碎剥离，其可适用于各类断面形状土体的切割与破碎，通用性强，避免了采用机械清根装置通用性差，结构复杂的问题；同时，采用射流组件3推进功耗低，且简化了盾构机结构。

如图1所示，本实施例中，射流组件3设于前盾1端面的上半部，以解决掘进断面顶部和侧面的余土在掘进过程中挤入土仓内壁造成刀盘2旋转和盾构机推进困难的问题，在其实施例中，也可同时在前盾1端面的下半部设置射流组件3。

如图2、图3所示，本实施例中，射流组件3包括多个扇形喷嘴31，扇形喷嘴31固定设置，多个扇形喷嘴31的射流扇面311相互平行，使得射流覆盖面广，且避免了射流间的相互干涉；各扇形喷嘴31朝向前盾1壳体设置，各扇形喷嘴31的射流与掌子面4相交于掘进断面轮廓线，使得扇形喷嘴31的射流扇面311对掘进断面土层表面进行冲挖，避免了扇形喷嘴31超挖造成的土体5垮塌问题。

本实施例中，当切削盲区21的断面轮廓线长度为L时，扇形喷嘴31的数量n、射流扇面311的扩散角α、扇形喷嘴31与掌子面4的距离d满足n*d*2*tg(α/2)不小于断面轮廓线长度L，通过断面轮廓线长度L来确定扇形喷嘴31的数量n、射流扇面311的扩散角α、扇形喷嘴31与掌子面4距离d的数值。

本实施例中，射流扇面311与盾构机掘进方向的夹角β为5～10°，其保证了扇形喷嘴31的射流扇面311可喷至掘进断面轮廓线，若射流扇面311与盾构机掘进方向的夹角β过大，则扇形喷嘴31与掌子面4的距离d过长，此时扇形喷嘴31的射流衰减大、耗能大，且容易与刀盘2产生干涉。

如图4、图5，本实施例中，射流组件3还包括射流喷头32，射流喷头32设于切削盲区21的中心位置，射流喷头32包括一冲散喷嘴321及多个径向喷嘴322，冲散喷嘴321沿盾构机掘进方向设置，用于冲散前方土体5，减少径向喷嘴322的喷射作用力；径向喷嘴322沿冲散喷嘴321的周向设置，且径向喷嘴322的射流作用点超出前盾1的端面，以将土体5切割破碎成长条和小块土体。本实施例中，径向喷嘴322的射流为圆柱形细射流323，在其他实施例中，也可为具有一定散射角的扇形或圆锥形射流，其进一步提高了冲刷和破碎效率。

本实施例中，射流组件3还包括喷杆33及高压供水管34，射流喷头32通过喷杆33与高压供水管34连通，同时，喷杆33可带动射流喷头32沿盾构机掘进方向移动，射流喷头32伸出最远位置应保证径向喷嘴322的射流作用点超出前盾1的端面，使得射流喷头32可伸入土体5进行切割破碎。在优选实施例中，射流喷头32及喷杆33外套设有保护管35，保护管35上设有与各径向喷嘴322一一对应设置的多个避让通孔351，使得径向喷嘴322的射流可有效喷出，工作时，通过推动保护管35可带动射流喷头32及喷杆33伸入土体5。

如图6、图7所示，本实施例中，多个径向喷嘴322相交点的轴线偏离喷杆33的中心轴线，径向喷嘴322数量至少为两个，使得径向喷嘴322在喷射反作用力下形成力矩，从而带动喷头自行旋转，形成自旋转射流喷头37，自旋转射流喷头37形成偏置射流371，其无需外部动力，能量利用率高。本实施例中，通过自旋转射流喷头37沿盾构机掘进方向伸缩及旋转两者结合的方式，扩大了射流对土体5的冲击范围，可实现高效冲刷。

本实施例中，自旋转射流喷头37与喷杆33之间设有旋转接头36，其在有效输送高压水的同时，可实现自旋转射流喷头37的有效旋转；同时，自旋转射流喷头37的旋转方向与旋转接头36、喷杆33间的连接螺纹拧紧方向一致，以防止旋转时自旋转射流喷头37的松开脱落。

如图8所示，本实施例中，喷杆33连接有驱动喷杆33旋转的旋转驱动件，使得喷头在外力作用下按一定速度旋转，形成强制旋转射流喷头38，利用外部动力驱动强制旋转射流喷头38旋转可提高射流能量利用效率，且克服土体5与喷头接触时摩擦力对旋转的阻碍。本实施例中，通过强制旋转射流喷头38沿盾构机掘进方向伸缩及旋转两者结合的方式，扩大了射流对土体5的冲击范围，可实现高效冲刷。本实施例中，旋转驱动件可为齿轮、蜗轮蜗杆、皮带等传动机构。

本实施例中，喷杆33与高压供水管34之间设有旋转接头36，其在有效输送高压水的同时，可实现强制旋转射流喷头38的有效旋转；同时，强制旋转射流喷头38的旋转方向与旋转接头36、高压供水管34间的连接螺纹拧紧方向一致，以防止旋转时强制旋转射流喷头38松开脱落。

本实施例中，射流组件3的各喷嘴碰头的喷射压力不小于35MPa，以保证掘进效率。本实施例中，射流组件3可根据掘进需求进行选择，如图1，在刀盘2的切削盲区21分别设置扇形喷嘴31、射流喷头32、自旋转射流喷头37及强制旋转射流喷头38，在其他实施例中，也可选择其中一种或多种喷嘴喷头进行设置。

本实施例中，射流组件3通过阀门控制各喷头喷嘴同时或交替喷射。在实际使用中，可在各刀盘2的切削盲区21布置多组喷头喷嘴，当一组喷头喷嘴因磨损或堵塞无法工作时，可切换至备用喷头，以减少停机检修时间。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (8)

1.一种用于非圆断面掘进施工的射流辅助盾构机，包括前盾及设于所述前盾端面的多个刀盘，其特征在于，还包括用于切割刀盘无法切削区域断面土层的射流组件，所述射流组件设于所述前盾端面上，并与所述刀盘错开布置，所述射流组件的喷射行程覆盖所述刀盘的切削盲区，

所述射流组件包括多个扇形喷嘴，多个所述扇形喷嘴的射流扇面相互平行，且各所述扇形喷嘴的射流与掌子面相交于掘进断面轮廓线，

当所述刀盘切削盲区的断面轮廓线长度为L时，所述扇形喷嘴的数量n、所述射流扇面的扩散角α、所述扇形喷嘴与掌子面的距离d满足n*d*2*tg(α/2)不小于断面轮廓线长度L。

2.根据权利要求1所述的用于非圆断面掘进施工的射流辅助盾构机，其特征在于，所述射流扇面与所述盾构机掘进方向的夹角β为5～10°。

3.根据权利要求1或2所述的用于非圆断面掘进施工的射流辅助盾构机，其特征在于，所述射流组件还包括设于所述刀盘切削盲区中心位置的射流喷头，所述射流喷头包括一冲散喷嘴及多个径向喷嘴，所述冲散喷嘴沿盾构机掘进方向设置，所述径向喷嘴沿所述冲散喷嘴的周向设置，所述径向喷嘴的射流作用点超出所述前盾端面。

4.根据权利要求3所述的用于非圆断面掘进施工的射流辅助盾构机，其特征在于，所述射流组件还包括喷杆及高压供水管，所述射流喷头通过喷杆与高压供水管连通，所述喷杆可带动所述射流喷头沿盾构机掘进方向移动。

5.根据权利要求4所述的用于非圆断面掘进施工的射流辅助盾构机，其特征在于，所述射流喷头及喷杆外套设有保护管，所述保护管上设有与各所述径向喷嘴一一对应设置的多个避让通孔。

6.根据权利要求5所述的用于非圆断面掘进施工的射流辅助盾构机，其特征在于，多个所述径向喷嘴相交点的轴线偏离所述喷杆的中心轴线，所述射流喷头与喷杆之间设有旋转接头。

7.根据权利要求5所述的用于非圆断面掘进施工的射流辅助盾构机，其特征在于，所述喷杆连接有驱动喷杆旋转的旋转驱动件，所述喷杆与高压供水管之间设有旋转接头。

8.根据权利要求1或2所述的用于非圆断面掘进施工的射流辅助盾构机，其特征在于，所述射流组件的喷射压力不小于35MPa。