CN108590687A - 一种超大直径泥水平衡盾构机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超大直径泥水平衡盾构机，解决了现有技术中泥水平衡盾构的掘进效率低、刀具更换效率低、安全隐患严重等问题。本发明包括依次连接的掘进机构、后配套电气液集成系统、流体集成系统、泥浆管路延伸装置和拖动平台；所述掘进机构包括常压刀盘、护盾机构、主驱动系统和推进系统，常压刀盘位于护盾机构的前端，主驱动系统位于护盾机构的内部且均与常压刀盘相连接，护盾机构中设有中心舱、管片安装机和泥浆循环系统，中心舱位于主驱动系统的后方，管片安装机与护盾机构相连接，泥浆循环系统的排浆口位于护盾机构的下部。本发明可以实现超大直径隧道工程的一次性成型，有效提高施工效率，大幅降低施工成本。

Description

一种超大直径泥水平衡盾构机

技术领域

本发明涉及盾构机技术领域，特别是指一种超大直径泥水平衡盾构机。

背景技术

在目前隧道施工中，盾构技术以其自动化程度高、施工安全度高、施工进度快、污染小、成本低等优势，逐步得到广泛应用。其中，盾构机是一种采用盾构法的集机械、电子、液压、激光和控制等技术于一体的高度机械化和自动化的掘进衬砌成套设备。盾构一般分为泥水平衡盾构、土压平衡盾构、气压平衡盾构三类。

泥水平衡盾构因其独特的高工作压力、掌子面精确压力控制等优势广泛用于穿江、跨海、浅覆土等隧道工程中。小直径泥水盾构一般用于城市轨道交通、输水等小断面隧道施工中，但随着沿江沿海城市的建设发展，超大断面的公路、铁路隧道需求越来越多，多车道/双线一次施工成型的构想无疑是极具诱惑，无论在施工效率方面还是成本控制方面都是极具优势的，后续超大直泥水盾构需求量巨大。但是，采用超大直径泥水平衡盾构施工时，工程水土压力更高，地质情况复杂多变，工程施工中通常面临在高水土压力环境中频繁更换刀具问题，带来刀具更换效率低、换刀环境差、安全隐患严重的问题。

目前大直径公路隧道、铁路隧道越来越多，特别是穿江跨海的大直径隧道。盾构直径越大，要求的最小覆土也越大，导致隧道断面水土压力很高，如何实现超大断面隧道一次施工成型、高水压施工、高水压换刀等问题，提高超大直径泥水平衡盾构的掘进效率同时降低成本，是技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种超大直径泥水平衡盾构机，解决了现有技术中泥水平衡盾构的掘进效率低、成本高、刀具更换效率低、换刀环境差、安全隐患严重的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种超大直径泥水平衡盾构机，包括依次连接的掘进机构、后配套电气液集成系统、泥浆管路延伸装置和拖动平台；所述掘进机构包括常压刀盘、护盾机构、主驱动系统和推进系统，常压刀盘位于护盾机构的前端，主驱动系统位于护盾机构的内部且均与常压刀盘相连接，护盾机构中设有中心舱、管片安装机和泥浆循环系统，中心舱位于主驱动系统的后方，管片安装机与护盾机构相连接，泥浆循环系统的排浆口位于护盾机构的下部；所述后配套电气液集成系统包括后配套系统、液压系统、电气系统和流体集成系统，液压系统、电气系统和流体集成系统均集中在后配套系统上，后配套系统位于掘进机构的后方，后配套系统的后方依次连接有泥浆管路延伸装置和拖动平台。

所述常压刀盘为箱梁式刀盘，箱梁式刀盘包括一个中心块和若干个周边块，中心块和周边块上设有若干组常压滚刀装置、常压切刀装置和刮刀组件，中心块和周边块上均设有泥浆喷头，泥浆喷头与泥浆循环系统相连通，常压刀盘的内部设有刀盘舱，常压滚刀装置的后部设有刀盘在线检测装置。

所述护盾机构包括依次连接的前盾、中盾和尾盾，前盾、中盾和尾盾的直径依次较小。

所述护盾机构内设有人舱和材料舱；人舱和材料舱均设置在护盾机构的上半圆面内。

所述主驱动系统包括驱动箱总成，驱动箱总成通过摆动球结构与护盾机构相连接，驱动箱总成的内部沿周向均匀设有若干个驱动电机和若干个伸缩油缸，伸缩油缸位于驱动电机的外侧，伸缩油缸的一端与驱动箱总成相连接、另一端与护盾机构相连接，驱动箱总成的两侧对称设有反扭油缸。

所述中心舱包括中心舱钢结构，中心舱钢结构内设有物料通道和人员通道，中心舱钢结构的中心位置设有回转接头支座，回转接头支座上设有中心回转接头，中心回转接头与常压刀盘相连接。

所述后配套系统包括前拖车钢结构和后拖车钢结构，前拖车钢结构与管片安装机相连接，后拖车钢结构与拖动平台相连接，泥浆管路延伸装置设置在后拖车钢结构上且与泥浆循环系统相连通。

所述前拖车钢结构的上部设有管片吊机，前拖车钢结构的下部设有前拖车轮对，前拖车轮对与设置在管片内环面上的前移动轨枕相配合，前移动轨枕上方设有用于运载管片的管片小车，管片小车位于前拖车轮对之间；且管片小车从管片安装机的下方一直延伸至管片吊机的下方。

所述后拖车钢结构上部设有管片吊机和箱涵吊机，管片吊机位于箱涵吊机的前方，后拖车钢结构下部设有后拖车轮对，后拖车轮对分别与设置在预制箱涵两侧的后移动轨枕相配合。

所述拖动平台包括拖动平台钢结构，拖动平台钢结构的两侧对称设有上轮对、下轮对和支撑轮对，上轮对和下轮对均作用在管片内壁上，支撑轮对作用在设置在管片底部的预制箱涵上。

本发明采用的超大直径泥水盾构解决了超大断面隧道机械化施工问题，可应用于穿江、跨海、浅覆土等水土压力高、掌子面压力控制精度高等隧道工程施工，可以实现超大直径隧道工程的一次性成型，有效提高施工效率，大幅降低施工成本；同时配置的常压刀盘可以提高高水压隧道施工中的刀具更换效率和工作环境，减少高压环境对身体的伤害；配置的伸缩摆动主驱动实现了刀盘前后伸缩和摆动超挖功能，方便常压刀具的更换。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明整体结构示意图。

图2为本发明常压刀盘结构示意图。

图3为图1中A区域放大示意图。

图4为图3的后视示意图。

图5为图1中B区域放大示意图。

图6为图5的后视示意图。

图7为图1中C区域放大示意图。

图8为图7的后视示意图。

图9为图1中D区域放大示意图。

图10为图9的后视示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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付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1-10所示，实施例1，一种超大直径泥水平衡盾构机，包括依次连接的掘进机构、后配套电气液集成系统、泥浆管路延伸装置13和拖动平台14。所述掘进机构包括常压刀盘1、护盾机构2、主驱动系统3和推进系统6，常压刀盘1位于护盾机构2的前端，主驱动系统3位于护盾机构2的内部且均与常压刀盘1相连接，常压刀盘1在主驱动系统的作用下实现伸缩和摆动。护盾机构2中设有中心舱4、管片安装机7和泥浆循环系统8，中心舱4位于主驱动系统3的后方，管片安装机7与护盾机构2的米字梁相连接，用于管片的安装，泥浆循环系统8的排浆口位于护盾机构的下部，被切削下来的渣土与进浆浆液混合后通过排浆口进入泥浆循环系统。泥浆循环系统实现渣土排放功能，同时也为开挖面提供渗透泥浆以平衡地层中的水土压力。所述后配套电气液集成系统包括后配套系统9、液压系统10、电气系统11和流体集成系统12，液压系统10、电气系统11和流体集成系统12均集中在后配套系统9上，为整个装置提供液压和电气，同时实现整个装置流体的循环，分别与分布在整个装置上的液压管路、电气管路和流体管路相连通。后配套系统9位于掘进机构的后方，后配套系统9的后方依次连接有实现周期性泥浆管路增加功能的泥浆管路延伸装置13和拖动平台14，实现超大直径泥水盾构整机集成，集成度和自动化程度高。

护盾机构支撑整个设备并隔离地层中的水土压力，常压刀盘由主驱动系统驱动后旋转切削地层中的砂、土或岩层，被切削下来的渣土与进浆浆液混合后通过仓底的排浆口进入泥浆循环系统，并输送至地面分离站进行渣土分离。管片安装机将管片对隧道断面进行支护，管片支护完成后，推进系统的推进油缸顶至管片上推进护盾结构，后配套系统通过铰接连杆跟随护盾结构前移，同时常压刀盘进行开挖掘进作业，如此往复，实现超大直径隧道的掘进。

实施例2，一种超大直径泥水平衡盾构机，所述常压刀盘1为箱梁式刀盘，也可更换为普通刀盘，箱梁式刀盘包括一个中心块107和若干个周边块108，周边块108沿周向均匀设置在中心块的四周。中心块107和周边块108上设有若干组常压滚刀装置101、常压切刀装置102和刮刀组件103，常压滚刀装置101、常压切刀装置102和刮刀组件103按设定的路径均匀设置覆盖全轨迹，常压滚刀装置101常规条件下安装滚刀、也可以安装刮刀。中心块和周边块108上均设有泥浆喷头106，泥浆喷头106与泥浆循环系统8相连通，泥浆经泥浆喷头，喷射在刀盘的前端，便于挖掘。常压刀盘1的内部设有刀盘舱104，刀盘舱可便于工作人员的检修和检测。常压滚刀装置的后部设有刀盘在线检测装置105。实现对常压滚刀装置的在线检测，提高装置的安全系数。配置的常压刀盘，可以实现人员进入刀盘箱梁内进行滚刀和部分刮刀的更换，此时水土压力由换刀装置的密封闸板隔离，刀具更换过程中人员处于常压环境中，换刀效率得以提高、换刀环境得以改善，也避免带压作业对人员身体的伤害。滚刀在线监测装置可以对滚刀旋转情况和磨损量的实时监测，实现了滚刀故障的及时发现和及时处理的功能。

进一步，所述护盾机构2包括依次连接的前盾201、中盾202和尾盾203，前盾201、中盾202和尾盾203的直径依次较小，前盾201、中盾202采用分块式设计，提高装置的灵活性。所述护盾机构2内设有人舱204和材料舱205；人舱204和材料舱205均设置在护盾机构2的上半圆面内，用于人员和物料的通过。护盾机构隔离地层中的水土压力，并实现对整个主机段设备的支撑作用。

其他结构与实施例1相同。

实施例3，一种超大直径泥水平衡盾构机，所述主驱动系统3包括驱动箱总成302，驱动箱总成302通过摆动球结构301与护盾机构2相连接，驱动箱总成302的内部沿周向均匀设有若干个驱动电机303和若干个伸缩油缸304，伸缩油缸304位于驱动电机303的外侧，伸缩油缸304所在的圆环与驱动电机303所在的圆环属于同心圆，伸缩油缸304的一端与驱动箱总成302相连接、另一端与护盾机构2相连接，通过伸缩油缸的伸缩实现常压刀盘的前后伸缩；通过不同位置的伸缩油缸的不同长度的伸缩，实现常压刀盘的摆动，实现常压刀盘的前后伸缩和刀盘摆动超挖土体的功能，方便常压滚刀、常压刮刀的更换。另外伸缩油缸可以实时监测刀盘推进力，防止刀盘推力过载。驱动箱总成302的两侧对称设有反扭油缸305，反扭油缸305的力作用在护盾机构上，提供浮动支撑和反向支撑，防止常压刀盘在掘进过程中出现扭动。所述中心舱4包括中心舱钢结构401，中心舱钢结构401内设有物料通道402和人员通道403，便于人员和物料的运送。中心舱钢结构401的中心位置设有回转接头支座404，回转接头支座404上设有中心回转接头5，中心回转接头5与常压刀盘1相连接，为常压刀盘提供流体和液压通道，中心舱的物料通道可用于常压刀具等物料的运输和吊运，并且在紧急情况下人员可通过人员舱进入中心舱带压维修作业。

进一步，所述后配套系统9包括前拖车钢结构901和后拖车钢结构907，前拖车钢结构901与管片安装机7相连接，实现后配套系统的前移力的传递，后拖车钢结构907与拖动平台14铰接，泥浆管路延伸装置13设置在后拖车钢结构907上且与泥浆循环系统8相连通。后配套系统跟随护盾系统同步前移，并提供泥浆循环系统、液压系统、流体系统和电气系统部件的安装平台。所述前拖车钢结构901的下部设有若干个前拖车轮对902，前拖车轮对902与设置在管片内环面上的前移动轨枕903相配合前移动轨枕903上方设有用于运载管片的管片小车904，管片小车904位于前拖车轮对902之间，且管片小车904从管片安装机7的下方一直延伸至管片吊机905的下方，实现管片的吊装、运输和安装。前移动轨枕903采用整体式轨枕，前移动轨枕是循环使用的，尾部的移动轨枕通过管片吊机吊运至管片小车，通过管片小车输送至管片安装机下部，再通过管片安装机进行安装并与最前端的前移动轨枕对接。所述后拖车钢结构907上部设有管片吊机905和箱涵吊机906，管片吊机905位于箱涵吊机906的前方，箱涵吊机906用于吊装预制箱涵，管片吊机905用于吊装管片。后拖车钢结构907下部设有后拖车轮对908，后拖车轮对908分别与设置在预制箱涵910两侧的后移动轨枕909相配合。后移动轨枕采用分体式设计，后移动轨枕也是循环使用的，尾部的后移动轨枕通过后配套的箱涵吊机吊运至胶轮车上，通过胶轮车输送至箱涵吊机下部，再通过箱涵吊机进行安装并与最前端的后移动轨枕对接。

进一步，所述拖动平台14包括拖动平台钢结构1401，拖动平台钢结构1401的两侧对称设有若干个上轮对1402、下轮对1403和支撑轮对1404，上轮对1402和下轮对1403均作用在管片内壁上，支撑轮对1404作用在设置在管片底部的预制箱涵910上。拖动平台为拖泵提供安装平台，为砂浆转运车提供掉头平台，实现了砂浆转运功能，同时实现高度集成。

其他机构与实施2相同。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超大直径泥水平衡盾构机，其特征在于：包括依次连接的掘进机构、后配套电气液集成系统、泥浆管路延伸装置（13）和拖动平台（14）；所述掘进机构包括常压刀盘（1）、护盾机构（2）、主驱动系统（3）和推进系统（6），常压刀盘（1）位于护盾机构（2）的前端，主驱动系统（3）位于护盾机构（2）的内部且均与常压刀盘（1）相连接，护盾机构（2）中设有中心舱（4）、管片安装机（7）和泥浆循环系统（8），中心舱（4）位于主驱动系统（3）的后方，管片安装机（7）与护盾机构（2）相连接，泥浆循环系统（8）的排浆口位于护盾机构（2）的下部；所述后配套电气液集成系统包括后配套系统（9）、液压系统（10）、电气系统（11）和流体集成系统（12），液压系统（10）、电气系统（11）和流体集成系统（12）均集中在后配套系统（9）上，后配套系统（9）位于掘进机构的后方，后配套系统（9）的后方依次连接有泥浆管路延伸装置（13）和拖动平台（14）。

2.根据权利要求1所述的超大直径泥水平衡盾构机，其特征在于：所述常压刀盘（1）为箱梁式刀盘，箱梁式刀盘包括一个中心块（107）和若干个周边块（108），中心块（107）和周边块（108）上设有若干组常压滚刀装置（101）、常压切刀装置（102）和刮刀组件（103），中心块（107）和周边块（108）上均设有泥浆喷头（106），泥浆喷头（106）与泥浆循环系统（8）相连通，常压刀盘（1）的内部设有刀盘舱（104），常压滚刀装置（101）的后部设有刀盘在线检测装置（105）。

3.根据权利要求1所述的超大直径泥水平衡盾构机，其特征在于：所述护盾机构（2）包括依次连接的前盾（201）、中盾（202）和尾盾（203），前盾（201）、中盾（202）和尾盾（203）的直径依次较小。

4.根据权利要求3所述的超大直径泥水平衡盾构机，其特征在于：所述护盾机构（2）内设有人舱（204）和材料舱（205）；人舱（204）和材料舱（205）均设置在护盾机构（2）的上半圆面内。

5.根据权利要求1所述的超大直径泥水平衡盾构机，其特征在于：所述主驱动系统（3）包括驱动箱总成（302），驱动箱总成（302）通过摆动球结构（301）与护盾机构（2）相连接，驱动箱总成（302）的内部沿周向均匀设有若干个驱动电机（303）和若干个伸缩油缸（304），伸缩油缸（304）位于驱动电机（303）的外侧，伸缩油缸（304）的一端与驱动箱总成（302）相连接、另一端与护盾机构（2）相连接，驱动箱总成（302）的两侧对称设有反扭油缸（305）。

6.根据权利要求1所述的超大直径泥水平衡盾构机，其特征在于：所述中心舱（4）包括中心舱钢结构（401），中心舱钢结构（401）内设有物料通道（402）和人员通道（403），中心舱钢结构（401）的中心位置设有回转接头支座（404），回转接头支座（404）上设有中心回转接头（5），中心回转接头（5）与常压刀盘（1）相连接。

7.根据权利要求1所述的超大直径泥水平衡盾构机，其特征在于：所述后配套系统（9）包括前拖车钢结构（901）和后拖车钢结构（907），前拖车钢结构（901）与管片安装机（7）相连接，后拖车钢结构（907）与拖动平台（14）相连接，泥浆管路延伸装置（13）设置在后拖车钢结构（907）上且与泥浆循环系统（8）相连通。

8.根据权利要求7所述的超大直径泥水平衡盾构机，其特征在于：所述前拖车钢结构（901）的下部设有前拖车轮对（902），前拖车轮对（902）与设置在管片内环面上的前移动轨枕（903）相配合，前移动轨枕（903）上方设有用于运载管片的管片小车（904），管片小车（904）位于前拖车轮对（902）之间，且管片小车（904）从管片安装机（7）的下方一直延伸至管片吊机（905）的下方。

9.根据权利要求7所述的超大直径泥水平衡盾构机，其特征在于：所述后拖车钢结构（907）上部设有管片吊机（905）和箱涵吊机（906），管片吊机（905）位于箱涵吊机（906）的前方，后拖车钢结构（907）下部设有后拖车轮对（908），后拖车轮对（908）分别与设置在预制箱涵（910）两侧的后移动轨枕（909）相配合。

10.根据权利要求1或9所述的超大直径泥水平衡盾构机，其特征在于：所述拖动平台（14）包括拖动平台钢结构（1401），拖动平台钢结构（1401）的两侧对称设有上轮对（1402）、下轮对（1403）和支撑轮对（1404），上轮对（1402）和下轮对（1403）均作用在管片内壁上，支撑轮对（1404）作用在设置在管片底部的预制箱涵（910）上。