CN107165647B - 一种用于软土层隧道施工的盾构机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及软土层隧道掘进施工技术领域，特别是涉及一种用于软土层隧道掘进施工的盾构机。用于软土层隧道施工的盾构机包括用于切割硬质障碍物的水射流切割装置。在盾构机上采用灵活轻便的高压水射流切割装置来解决现有盾构机中机械刀具无法切割部分障碍物的问题，可以实现硬质障碍物的快速切断，从而提高施工效率。
Description
技术领域
本发明涉及软土层隧道掘进施工技术领域，特别是涉及一种用于软土层隧道掘进施工的盾构机。
背景技术
在软土地层隧道掘进施工中，在断面边缘和中间不可避免会出现硬质障碍物，如孤石、桩基等。在这种情况下，刀盘上主要用于刮铲软土的刀具难以将其破碎剥离。在现有技术中，一般通过在刀盘上预设一些强力破岩滚刀来解决这个问题。
在非圆断面隧道掘进施工中，一般采用多个刀盘拟合的方式实现。但是，总有部分边缘、特别是直线边缘，不能被刀具覆盖到。目前，一般采用在刀具覆盖不到的边缘部分的盾壳前缘布置尖刃切刀，以推进力促使切断的方法。但是，这种方法的切断能力有限，需要采用另外挖掘、爆破、拔桩等手段处理。因此，造成了掘进施工效率低。
在圆形断面隧道掘进施工中，对于掘进断面边缘的硬质障碍物一般通过在刀盘周边设置边刀进行切割。但是，边刀的切割能力有限，工作负荷大，从而造成掘进施工效率低。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种用于软土层隧道施工的盾构机，包括用于切割硬质障碍物的水射流切割装置。
在盾构机上采用灵活轻便的高压水射流切割装置来解决现有盾构机中机械刀具无法切割部分障碍物的问题，可以实现硬质障碍物的快速切断，从而提高施工效率。
对于上述技术方案，还可进行如下所述的进一步的改进。
在一个实施例中，用于软土层隧道施工的盾构机包括盾构外壳，水射流切割装置与盾构外壳的内壁活动连接。具体地，水射流切割装置包括移动式安装座及布置在安装座上的主喷头，和与主喷头连接的供水管路。安装座与盾构外壳的内壁活动连接。
在应用于非圆断面隧道掘进的盾构机中，以轻便灵活的高压水射流切割装置辅助机械刀具实现机械刀具无法切割区域硬质障碍物的快速切断，高压水射流装置通过移动式的安装座与盾构外壳活动连接，可以灵活实现沿盾构外壳内壁仿形移动，从而可以实现机械刀具无法覆盖区域硬质障碍物的快速切断破障，达到提高掘进施工效率的目的。
在一个实施例中，用于软土层隧道施工的盾构机包括刀盘，水射流切割装置沿刀盘的圆周方向布置。并且，用于软土层隧道施工的盾构机还包括旋转接头。具体地，水射流切割装置包括安装座及布置在安装座上的主喷头，和供水管路。安装座布置在刀盘上。供水管路通过旋转接头与主喷头连接。
在应用于圆形断面隧道掘进的盾构机中，将高压水射流切割装置安装在旋转刀盘外径边沿，通过旋转刀盘带动高压水射流切割装置快速切断掘进断面边缘的硬质障碍物，减轻边刀工作负荷，从而提高了盾构机掘进速度。
在一个实施例中，用于软土层隧道施工的盾构机包括驱动油缸。驱动油缸与水射流切割装置连接，并且驱动水射流切割装置沿刀盘的径向移动。
在应用于圆形断面隧道掘进的盾构机中，可以采用驱动油缸与高压水射流切割装置连接通过液压系统的控制作用实现切割装置沿旋转刀盘的径向移动。对于厚度和长度都很大的硬质障碍物，可以通过切割装置沿旋转刀盘的径向移动实现分层切割。
优选地，主喷头喷射方向略超出盾构机的顶部。主喷头的喷射方向与盾构机的顶部轮廓线夹角为10～20度。
主喷头喷射方向略超出盾壳外缘，可以形成少量超挖，从而可以使盾构机顺利推进。射流与盾构外壳的顶部轮廓线呈10～20度夹角，可以实现障碍物的根部彻底清除。
在一个实施例中，用于软土层隧道施工的盾构机包括与主喷头呈确定夹角布置的辅助喷头。辅助喷头布置在安装座上。
对于厚度较大的硬质障碍物，主喷头形成的高压水射流切割深度难以贯通切断时，可以启动与主喷头呈确定夹角布置的辅喷头，辅喷头的高压水射流形成的切缝与主喷头的高压水射流形成的切缝贯通，逐步推进直至完全将硬质障碍物切断。
在一个实施例中，用于软土层隧道施工的盾构机包括盾壳前缘，辅助喷头前端不超过盾壳前缘。辅助喷头的喷射方向与主喷头的喷射方向呈35～50度夹角。
这个夹角范围不但可以确保主喷头的高压水射流形成的切缝深度与辅喷头的高压水射流形成的切缝深度贯通，还可以确保主喷头和辅喷头形成的切槽面积和深度大，从而进一步提高了掘进施工效率。
在一个实施例中，安装座上设有1～3组备用喷头。
由于高压水射流切割喷头磨损较快，需要在安装座上布置1～3组备用喷头，当工作喷头因磨损造成压力下降而无法有效切割时，为了不影响施工效率，可以通过切换管路启用备用喷头。磨损的喷头可以在检修时集中更换。
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示意性显示了本发明的实施例1的盾构机；
图2示意性显示了本发明的实施例2的盾构机；
图3示意性显示了本发明的实施例3的盾构机；
图4示意性显示了可用于本发明的盾构机的备用喷头的布置方式；
图5示意性显示了可用于实施例1的另一种切割装置布置方式；
图6示意性显示了可用于实施例2和3的另一种切割装置布置方式。
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但并不因此而限制本发明的保护范围。
实施例1
图1示意性显示了本发明的一个实施例的用于软土层隧道施工的盾构机10。如图1所示，本实施例的用于软土层隧道施工的盾构机10，包括用于切割硬质障碍物的水射流切割装置1和盾构外壳2。水射流切割装置1与盾构外壳2的内壁活动连接。水射流切割装置1包括移动式安装座3及布置在安装座3上的主喷头4，和与主喷头4连接的供水管路5。供水管路5为柔性软管。安装座3与盾构外壳2的内壁活动连接。安装座3上设置滚轮轴6，通过套设在滚轮轴6上的导向滚轮7带动安装座3沿盾构外壳2的内壁做仿形移动。导向滚轮7在垂直于盾构壳体的外力作用下贴紧壳体内壁，外力包括但不局限于电磁或永磁吸力、真空吸力等。
在盾构机上采用灵活轻便的高压水射流切割装置来解决现有盾构机中机械刀具无法切割部分障碍物的问题，可以实现硬质障碍物的快速切断，从而提高施工效率。
在应用于非圆断面隧道掘进的盾构机中，以轻便灵活的高压水射流切割装置辅助机械刀具实现机械刀具无法切割区域硬质障碍物的快速切断，高压水射流装置通过移动式的安装座与盾构外壳活动连接，可以灵活实现沿盾构外壳内壁仿形移动，从而可以实现机械刀具无法覆盖区域硬质障碍物的快速切断破障，达到提高掘进施工效率的目的。
如图1所示，本实施例中，主喷头4的喷射方向略超出盾构机10的顶部。主喷头4的喷射方向与盾构机10的顶部轮廓线夹角α为10～20度，优选为12～15度。主喷头喷射方向略超出盾壳外缘，可以形成少量超挖，从而可以使盾构机顺利推进。射流与盾构外壳的顶部轮廓线呈确定夹角，可以实现障碍物的根部彻底清除。
如图1所示，本实施例中，还包括与主喷头4呈确定夹角布置的辅助喷头8。辅助喷头8布置在安装座3上。对于厚度较大的硬质障碍物，主喷头形成的高压水射流切割深度难以贯通切断时，可以启动与主喷头呈确定夹角布置的辅喷头，辅喷头的高压水射流形成的切缝与主喷头的高压水射流形成的切缝贯通，逐步推进直至完全将硬质障碍物切断。辅助喷头8前端不超过盾壳前缘9。辅助喷头8的喷射方向与主喷头4的喷射方向夹角β为35～50度，优选为38～45度。这个夹角范围不但可以确保主喷头的高压水射流形成的切缝深度与辅喷头的高压水射流形成的切缝深度贯通，还可以确保主喷头和辅喷头形成的切槽面积和深度大，从而进一步提高了掘进施工效率。
本实施例中，安装座3采用电机驱动，可以确保安装座运动平稳，速度控制精度高。主喷头4、安装座3和导向滚轮7、滚轮轴6进行防锈处理。盾构外壳2内设有密闭防护盒15，水射流切割装置1安装在密闭防护盒15内，密闭防护盒15前端开口，开口前端设有可移动启闭的活动挡板151，活动挡板151可采用气动、液压、电磁等方式驱动。盾构机10正常推进时，活动挡板151关闭，防止渣土进入密闭防护盒15内造成卡滞而影响水射流切割装置1移动。当需要切割硬质障碍物时，先降低盾构机内土舱的压力，再开启活动挡板151，使高压水射流从密闭防护盒15前端开口喷出进行切割。在土舱压力较高的部位，如底部位置，开启活动挡板151前先打开密闭防护盒15的加压冲洗阀152，输入略高于土舱压力的压力水或压缩空气，阻止并排出渣土，确保水射流切割装置1的顺畅移动。主喷头4和辅喷头8形成的水射流优选为前混式磨料水射流。主喷头4和辅喷头8的工作压力为30～100MPa，优选为50～70MPa。
如图4所示，本实施例中，安装座3上设有1～3组备用喷头，优选为2组。当工作的主喷头或者辅喷头磨损导致无法正常工作时，可以通过切换阀切换启用备用喷头，从而可以确保切割工作顺利进行，不中断。由于前混式磨料水射流切割喷头磨损较快，需要在安装座上布置备用喷头，当工作喷头因磨损造成压力下降而无法有效切割时，为了不影响施工效率，可以通过切换管路启用备用喷头。磨损的喷头可以在检修时集中更换。
如图5所示，本实施例中，为了提高工作效率，沿切割路径均匀布置多个水射流切割装置，优选为1～7个。各切割装置切缝前后互相衔接。此时各切割装置的驱动运动长度为切割总长度与切割装置的个数之比。
实施例2
图2示意性显示了本发明的一个实施例的用于软土层隧道施工的盾构机11。如图2所示，本实施例的用于软土层隧道施工的盾构机11包括用于切割硬质障碍物的水射流切割装置21和刀盘22以及旋转接头23。水射流切割装置21沿刀盘22的圆周方向布置。水射流切割装置21包括安装座31及布置在安装座31上的主喷头41，和供水管路51。安装座31布置在刀盘22上。供水管路51通过旋转接头23与主喷头41连接。供水管路51为柔性软管。在水射流切割装置21工作时，刀盘不连续回转，而是正反交替旋转，旋转角度不大于365度，这样可以避免供水管路51缠绕影响正常工作。
在盾构机上采用灵活轻便的高压水射流切割装置来解决现有盾构机中机械刀具无法切割部分障碍物的问题，可以实现硬质障碍物的快速切断，从而提高施工效率。
在应用于圆形断面隧道掘进的盾构机中，将高压水射流切割装置安装在旋转刀盘外径边沿，通过旋转刀盘带动高压水射流切割装置快速切断掘进断面边缘的硬质障碍物，减轻边刀工作负荷，从而提高了盾构机掘进速度。
如图2所示，本实施例中，主喷头41的喷射方向略超出盾构机11的顶部。主喷头41的喷射方向与盾构机11的顶部轮廓线夹角为10～20度，优选为12～15度。主喷头喷射方向略超出盾壳外缘，可以形成少量超挖，从而可以使盾构机顺利推进。射流与盾构外壳的顶部轮廓线呈确定夹角，可以实现障碍物的根部彻底清除。
如图2所示，本实施例中，还包括与主喷头41呈确定夹角布置的辅助喷头81。辅助喷头81布置在安装座31上。对于厚度较大的硬质障碍物，主喷头形成的高压水射流切割深度难以贯通切断时，可以启动与主喷头呈确定夹角布置的辅喷头，辅喷头的高压水射流形成的切缝与主喷头的高压水射流形成的切缝贯通，逐步推进直至完全将硬质障碍物切断。辅助喷头81前端不超过盾壳前缘91。辅助喷头81的喷射方向与主喷头41的喷射方向夹角为35～50度，优选为38～45度。这个夹角范围不但可以确保主喷头的高压水射流形成的切缝深度与辅喷头的高压水射流形成的切缝深度贯通，还可以确保主喷头和辅喷头形成的切槽面积和深度大，从而进一步提高了掘进施工效率。
主喷头41和辅喷头81形成的水射流优选为前混式磨料水射流。主喷头41和辅喷头81的工作压力为30～100MPa，优选为50～70MPa。
如图4所示，本实施例中，安装座31上设有1～3组备用喷头，优选为2组。由于前混式磨料水射流切割喷头磨损较快，需要在安装座上布置备用喷头，当工作喷头因磨损造成压力下降而无法有效切割时，为了不影响施工效率，可以通过切换管路启用备用喷头。磨损的喷头可以在检修时集中更换。
如图6所示，本实施例中，为了提高工作效率，沿旋转刀盘圆周方向均匀布置多个水射流切割装置21，优选为1～5个。各切割装置切缝前后互相衔接。完成整个圆形断面的切割，刀盘旋转的度数为360度与切割装置的个数之比。
实施例3
图3示意性显示了本发明的一个实施例的用于软土层隧道施工的盾构机12。如图3所示，本实施例的用于软土层隧道施工的盾构机12与上述实施例2中的用于软土层隧道施工的盾构机11的区别是：包括驱动油缸13。水射流切割装置14与所述刀盘32是活动连接，具体讲，就是驱动油缸13与安装座33连接，并且在液压控制系统的作用下由驱动油缸驱动安装座33沿刀盘32的径向来回移动。
在应用于圆形断面隧道掘进的盾构机中，可以采用驱动油缸与高压水射流切割装置连接通过液压系统的控制作用实现切割装置沿旋转刀盘的径向移动。不但可以通过旋转刀盘带动高压水射流切割装置快速切断掘进断面边缘的硬质障碍物，减轻边刀工作负荷，从而提高了盾构机掘进速度。对于厚度和长度都很大的硬质障碍物，还可以通过切割装置沿旋转刀盘的径向移动实现分层切割。
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 (3)
1.一种用于软土层隧道施工的盾构机，其特征在于，包括用于切割硬质障碍物的水射流切割装置、盾构外壳和盾壳前缘，
所述水射流切割装置包括：与所述盾构外壳的内壁活动连接的移动式安装座，所述安装座上设置滚轮轴，通过套设在所述滚轮轴上的导向滚轮带动所述安装座沿所述盾构外壳的内壁做仿形移动；布置在所述安装座上的主喷头，所述主喷头的喷射方向设置成使得射流略超出盾壳外缘，并与所述盾构外壳的纵向轮廓线的夹角为10~20度；布置在所述安装座上且与所述主喷头呈确定夹角布置的辅助喷头，所述辅助喷头的前端不超过盾壳前缘，并且所述辅助喷头的喷射方向与所述主喷头的喷射方向呈35~50度夹角，
所述盾构外壳内设有密闭防护盒，所述水射流切割装置安装在所述密闭防护盒内，所述密闭防护盒的前端开口设有可移动启闭的活动挡板，所述活动挡板能够开启以使高压水射流从所述密闭防护盒的前端开口喷出以进行切割。
2.根据权利要求1所述的用于软土层隧道施工的盾构机，其特征在于，所述水射流切割装置包括与所述主喷头连接的供水管路。
3.根据权利要求1或2所述的用于软土层隧道施工的盾构机，其特征在于，所述安装座上设有1~3组备用喷头。
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