CN108979653A - 一种无土舱螺旋钻微扰动施工盾构机及其工作方法 - Google Patents

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雷晓燕
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Abstract

本发明公开了一种无土舱螺旋钻微扰动施工盾构机及其工作方法，盾构机包括盾构机主体，盾构机主体的前端壁板安装有若干可伸缩式螺旋钻，每个可伸缩式螺旋钻的钻杆转动均进行独立控制，且钻杆可以在一定的范围内进行前后伸缩，数个螺旋钻钻取的渣土从钻筒侧部汇入一出渣管道内；钻筒的壁板前端呈尖锐状，再平顺地过渡至钻筒壁板主体，以使钻杆无法钻到的位置上的土体顺利地被挤入至于钻筒内，壁板的最前端至钻筒之间安装土压力传感器。本发明的优点是：可对开挖面的土压力进行精细化控制，从而减小施工过程中对周边环境的影响；开挖掘进效率高；可方便地用于任意形状横断面的盾构隧道施工。

Description

一种无土舱螺旋钻微扰动施工盾构机及其工作方法
技术领域
本发明属于盾构隧道技术领域，具体涉及一种无土舱螺旋钻微扰动施工盾构机及其工作方法。
背景技术
盾构隧道施工过程中，开挖面的稳定性直接影响盾构施工对周围环境、建筑物与构筑物的影响，现有的盾构机施工中，主要依靠土舱内的水平土压力或水平泥水压力与开挖面进行平衡，从而防止开挖面发生失稳而发生坍塌或变形。然而，土舱内的水平土压力或水平泥水压力在开挖面上的分布模式与开挖面原始的水平土压力分布相差较大，且土舱内的水平土压力或水平泥水压力的大小受出渣控制影响大，而土压平衡盾构机的螺旋输送机和泥水平衡盾构机的泥浆循环泵送系统对土舱内的土压力或泥水压力大小控制难度大。当土舱内的水平土压力或水平泥水压力与开挖面的原始水平土压力相差较大时，将加大盾构施工过程中对周围地层的扰动影响，从而影响周围环境、建筑物与构筑物。
由此可见，现有的盾构机采用刀盘切削土体至土舱，再通过土舱输送到出渣口，这一过程土舱内的泥土压力或泥浆压力控制难度大，加上刀盘旋转过程中土舱前端的水平土压力分布复杂，施工过程中容易导致开挖面发生变形，甚至发生失稳。因此，有必要对于现有的盾构机进行改进。
发明内容
本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种无土舱螺旋钻微扰动施工盾构机及其工作方法，该盾构机通过在前端面上密布多个螺旋钻，通过螺旋钻直接钻取土体进行掘进施工，并将掘进过程的渣土直接通过出渣管道排出，减少了对土层的扰动影响，提高盾构掘进的效率。
本发明目的实现由以下技术方案完成：
一种无土舱螺旋钻微扰动施工盾构机，其特征在于，包括盾构机主体，所述盾构机主体的前端面上分布有若干内凹的钻筒，各所述钻筒中设置有可伸缩式螺旋钻，所述钻筒与一出渣管道相连通。
所述可伸缩式螺旋钻包括螺旋轴、固定在所述螺旋轴上的螺旋叶片、位于所述螺旋轴前端的钻头，以及用于驱动所述螺旋轴旋转和伸缩的后端驱动机构。
所述螺旋叶片设置于所述螺旋轴的前端部并占所述螺旋轴整体长度的1/2-3/4。
所述可伸缩式螺旋钻的伸缩行程自所述钻筒内延伸至所述盾构机主体的前端面之外，总伸缩量为20cm-60cm。
各所述钻筒的壁板前端相互齐平并呈尖锐状。
各所述钻筒上的所述出渣管道汇集至同一根主出渣管道上。
所述钻筒的壁板上设置有土压传感器，所述土压传感器与所述后端驱动机构连接通讯。
一种涉及任一所述的无土舱螺旋钻微扰动施工盾构机的工作方法，其特征在于，所述工作方法包括以下步骤：利用后端驱动机构驱动各可伸缩式螺旋钻旋转并向前伸长突出于盾构机的前端面，所述可伸缩式螺旋钻旋转钻取土体；驱动所述可伸缩式螺旋钻携带土体向内回缩至钻筒中，设置在所述钻筒上的出渣管道将所述土体排出。
所述钻筒的壁板上的土压传感器获取前端面的土压力并发送至所述后端驱动机构内，所述后端驱动机构根据所获得的地层压力对应调节所述可伸缩式螺旋钻的转速与前后伸缩量。
本发明的优点是：（1）避免设置土舱结构，便于对前端面的土压力进行精细化控制，从而减小施工过程中对周边环境的影响；（2）掘进开挖效率高，在硬土地层施工时，通过螺旋钻的向前拉力可减小盾构顶推力；（3）可方便地用于任意形状横断面的盾构隧道施工。
附图说明
图1为本发明中盾构机的剖面结构示意图；
图2为本发明中可伸缩式螺旋钻前端与盾构机前端面齐平时盾构机的剖面结构示意图；
图3为本发明中可伸缩式螺旋钻前端收缩至钻筒内时盾构机的剖面结构示意图；
图4为本发明中圆型盾构机前端面的结构示意图；
图5为本发明中矩型盾构机前端面的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
如图1-5，图中标记1-9分别为：盾构机主体1、可伸缩式螺旋钻2、螺旋轴3、螺旋叶片4、壁板5、土压传感器6、钻筒7、出渣管道8、后端驱动机构9。
实施例：如图1-5所示，本实施例具体涉及一种无土舱螺旋钻微扰动施工盾构机及其工作方法，该盾构机包括盾构机主体1，盾构机主体1的前端壁板上安装有若干可伸缩式螺旋钻2，每个可伸缩式螺旋钻2的螺旋轴3均可进行独立控制，且螺旋轴3可以在一定的范围内进行前后伸缩，各可伸缩式螺旋钻2钻取的渣土从钻筒7的尾部经出渣管道8汇入至同一主出渣管道内，减少了对土层的扰动影响，提高盾构挖掘的效率。
如图1-5所示，本实施例中的盾构机主体1可以是圆型或是矩型盾构机，盾构机主体1的前端壁板上分布有若干内凹的钻筒7，各个钻筒7中均安装有可伸缩式螺旋钻2，钻筒7的尾部与出渣管道8相连通，各个出渣管道8汇集至同一主出渣管道上。盾构机主体1通过在前端面设置多个可伸缩式螺旋钻2进行盾构挖掘，地下的土层被可伸缩式螺旋钻2钻取土体，形成土渣，土渣再通过可伸缩式螺旋钻2进入出渣管道8，出渣管道8直接将土渣排出，这一过程中不再设置土舱结构，前端面不同区域的地压差异可通过控制不同区域的可伸缩式螺旋钻2的工作情况进行精细化调节。
如图1-5所示，可伸缩式螺旋钻2包括螺旋轴3、固定设置于螺旋轴3上的螺旋叶片4以及用于驱动螺旋轴3旋转和伸缩的后端驱动机构9。螺旋轴3的前端部钻头为硬度较高的结构，以便于钻取土体，螺旋叶片4设置于螺旋轴3的前端部并占螺旋轴3整体长度的1/2-3/4。可伸缩式螺旋钻2的伸缩行程自钻筒7内延伸至盾构机主体1的前端面之外，总伸缩量为20cm-60cm。可伸缩式螺旋钻2后端有一截无螺旋叶片4，方便出渣控制，实现可伸缩式螺旋后端可伸缩，也有效防止盾构施工过程中喷涌发生。螺旋轴3为可伸缩式螺旋钻2的旋转轴，通过螺旋轴3转动带动其前端的钻头对土体进行钻取。前端钻头在转动时，利用其向后螺旋的结构，在土层中存在一定拉力，向前拉动盾构机，减小了部分的盾构机推动力，提高了掘进的效率。
如图1-5所示，钻筒7通常呈圆筒状，壁板前端呈尖锐状，再平顺地过渡至钻筒7的主体，以使螺旋轴3无法钻到的位置上的土体顺利地被挤入至钻筒7内。此外，在钻筒7壁板的最前端安装有土压传感器6，土压传感器6与后端驱动机构9连接通讯，能够直接获取到当前所在位置的实时地层压力，进而通过后端驱动机构9实现对每个可伸缩式螺旋钻2进行精细化控制，提高掘进的效率，降低对土层的扰动。本实施例中，后端驱动机构9采用相互连接的驱动电机和转速控制器，以及伸缩电机和伸缩控制器进行驱动及控制。其中，驱动电机连接螺旋轴3来驱动前端钻头旋转，转速控制器控制驱动电机的转速，驱动电机和转速控制器直接控制螺旋轴3的转动的转速；伸缩电机连接螺旋轴3以驱动前端钻头前后伸缩，伸缩控制器控制前端钻头的伸缩量，伸缩控制器和伸缩电机直接拉动螺旋轴3从而控制前端钻头前后伸缩。
如图1-5所示，本实施例中无土舱螺旋钻微扰动施工盾构机的工作方法包括以下步骤：
利用后端驱动机构9驱动各可伸缩式螺旋钻2旋转并向前伸长突出于盾构机主体1的前端面，可伸缩式螺旋钻2旋转钻取土体；驱动可伸缩式螺旋钻2携带土体向内回缩至钻筒7中，设置在钻筒7上的出渣管道8将土体排出。
本实施例中，在同一时刻内，进行正转和反转的可伸缩式螺旋钻2的数量尽量接近。
本实施例中，土压传感器6获取前端面的地层压力并发送至后端驱动机构9内，后端驱动机构9根据所获得的地层压力对应调节可伸缩式螺旋钻2的转速与前后伸缩量。掘进过程是动态变化的过程，采用实时监测每个可伸缩式螺旋钻2所在区域的地层压力，根据地层压力再调节可伸缩式螺旋钻2的转速和伸缩位置，平衡前端面整体的受压情况，从而达到微扰动的掘进效果。
本实施例具有如下优点：避免设置土舱结构，便于对前端面的土压力进行精细化控制，从而减小施工过程中对周边环境的影响；掘进开挖效率高；适用于任意横断面的盾构隧道施工。

Claims (9)

1.一种无土舱螺旋钻微扰动施工盾构机，其特征在于，包括盾构机主体，所述盾构机主体的前端面上分布有若干内凹的钻筒，各所述钻筒中设置有可伸缩式螺旋钻，所述钻筒与一出渣管道相连通。
2.根据权利要求1所述的一种无土舱螺旋钻微扰动施工盾构机，其特征在于，所述可伸缩式螺旋钻包括螺旋轴、固定在所述螺旋轴上的螺旋叶片、位于所述螺旋轴前端的钻头，以及用于驱动所述螺旋轴旋转和伸缩的后端驱动机构。
3.根据权利要求2所述的一种无土舱螺旋钻微扰动施工盾构机，其特征在于，所述螺旋叶片设置于所述螺旋轴的前端部并占所述螺旋轴整体长度的1/2-3/4。
4.根据权利要求1或2所述的一种无土舱螺旋钻微扰动施工盾构机，其特征在于，所述可伸缩式螺旋钻的伸缩行程自所述钻筒内延伸至所述盾构机主体的前端面之外，总伸缩量为20cm-60cm。
5.根据权利要求1所述的一种无土舱螺旋钻微扰动施工盾构机，其特征在于，各所述钻筒的壁板前端相互齐平并呈尖锐状。
6.根据权利要求1所述的一种无土舱螺旋钻微扰动施工盾构机，其特征在于，各所述钻筒上的所述出渣管道汇集至同一根主出渣管道上。
7.根据权利要求2所述的一种无土舱螺旋钻微扰动施工盾构机，其特征在于，所述钻筒的壁板上设置有土压传感器，所述土压传感器与所述后端驱动机构连接通讯。
8.一种涉及权利要求1-7中任一所述的无土舱螺旋钻微扰动施工盾构机的工作方法，其特征在于，所述工作方法包括以下步骤：利用后端驱动机构驱动各可伸缩式螺旋钻旋转并向前伸长突出于盾构机的前端面，所述可伸缩式螺旋钻旋转钻取土体；驱动所述可伸缩式螺旋钻携带土体向内回缩至钻筒中，设置在所述钻筒上的出渣管道将所述土体排出。
9.根据权利要求8所述的一种无土舱螺旋钻微扰动施工盾构机的工作方法，其特征在于，所述钻筒的壁板上的土压传感器获取前端面的土压力并发送至所述后端驱动机构内，所述后端驱动机构根据所获得的地层压力对应调节所述可伸缩式螺旋钻的转速与前后伸缩量。
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