CN109339809A - 一种适应于大埋深的经济型隧道掘进机及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适应于大埋深的经济型隧道掘进机及其施工方法，解决了现有技术中隧道掘进机成本较高、适用性不佳、在不稳定地质中掘进效率低的问题。本发明包括盾体和后配套装置，所述盾体内设有刀盘、螺旋机，后配套装置上设有渣土输送装置，螺旋机的前部与刀盘相连接，螺旋机的后部与渣土输送装置相连接，所述刀盘包括母刀盘和子刀盘，母刀盘与驱动装置相连接，子刀盘与螺旋机相连接。本发明适用于地质稳定性较差的软土、软泥等地质，设备带压掘进，具有平衡掌子面压力的功能。本发明使用螺旋机驱动子刀盘出渣，在用于大直径隧道开挖时，可在螺旋机驱动刀盘外侧布置一套摆动式母刀盘，进行双刀盘进行开挖，提高开挖效率。

Description

一种适应于大埋深的经济型隧道掘进机及其施工方法

技术领域

本发明涉及盾构机技术领域，特别是指一种适应于大埋深的经济型隧道掘进机及其施工方法。

背景技术

EPB盾构（土压平衡掘进机）及TBM（全断面硬岩掘进机）是利用回转刀具开挖，同时破碎洞内围岩及掘进，形成全断面隧道的一种新型、先进的隧道施工机械，被广泛应用于铁路、水利、电力、核电、交通等领域，对工程施工具有快速、优质、安全、经济、环保等诸多突出优点，是隧道建设中首选施工方案。目前，国外相关盾构及TBM技术已经基本成熟，国内整套技术国产化能力正在稳步提升。随着国家诸多大型项目建设，国内盾构及TBM行业引领国内制造业制造技术水平将向产业更深层次延伸。

由于硬岩隧道掘进机TBM针对全断面硬岩或者中软岩适应性强，而土压平衡盾构对较软地层或围岩较差地层中适应性强，但传统隧道掘进机整机设备复杂，造价昂贵，且砂浆、油脂、水电、管片等施工成本较高，造成多数山岭隧道施工成本大大提高。因此研制一种具备适应于大埋深且稳定性较差地质的成套技术成熟的、造价低廉的隧道掘进机是非常必要的。

发明内容

针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种适应于大埋深的经济型隧道掘进机及其施工方法，解决了现有技术中隧道掘进机成本较高、适用性不佳、在不稳定地质中掘进效率低的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种适应于大埋深的经济型隧道掘进机，包括盾体和后配套装置，所述盾体内设有刀盘、螺旋机，后配套装置上设有渣土输送装置，螺旋机的前部与刀盘相连接，螺旋机的后部与渣土输送装置相连接，所述刀盘包括母刀盘和子刀盘，母刀盘与驱动装置相连接，子刀盘与螺旋机相连接。

所述后配套装置包括依次连接的第一台车、第二台车和第三台车，第一台车的前端连接有设备桥，设备桥的前端与螺旋机相连接，设备桥上设有渣土输送装置和第一管片吊机。

所述渣土输送装置为皮带机，所述第一台车上设有混凝土注浆罐，第二台车上设有皮带机出渣口，皮带机出渣口与皮带机相对应，第三台车上设有管片桥架，管片桥架上设有管片拆除机和第二管片吊机。

所述盾体包括前盾和尾盾，前盾内设有前隔板，尾盾内设有后隔板，驱动装置设置在前隔板上，螺旋机的前端与前隔板相连接，螺旋机的后端穿过后隔板且与渣土输送装置相对应。

所述螺旋机包括机罩体，机罩体内设有螺旋轴，螺旋轴与子刀盘相连接，机罩体的外壁上设有周边驱动单元，机罩体的前端与前隔板相连接，机罩体的后端设有后闸门，后闸门与渣土输送装置相对应。

所述后隔板上设有支撑轮，支撑轮上设有旋转滚盘，旋转滚盘能相对后隔板转动，旋转滚盘上设有管片安装机，后隔板外圈圆周上设有推进油缸。

所述管片安装机上设有抓举装置，抓举装置通过径向伸缩油缸与管片安装机相连接。

一种适应于大埋深的经济型隧道掘进机的施工方法，包括如下步骤：

S1：在开挖大直径隧道时，驱动装置带动母刀盘进行摆动轨迹为圆形的摆动动作对掌子面进行切削，周边驱动单元通过螺旋轴带动子刀盘转动对掌子面切削；

S2：切削下来的渣土，通过子刀盘上的刮渣板旋转将渣土带至螺旋机中心，通过螺旋轴将渣土排至皮带机上，螺旋机尾部设置后闸门保证在涌水涌砂地层中可以快速关闭，保证施工安全；

S3：掘进过程中使用模板钢管片进行初期支护，模板钢管片脱出尾盾一定距离后，混凝土注浆罐通过注浆管向管片注入孔直接注入混凝土，进行支护；

S4：推进油缸通过顶紧模板钢管片提供反力进行掘进，掘进一定距离后，在管片桥架处通过管片拆除机将模板钢管片拆掉，然后通过第一管片吊机将模板钢管片输送至管片安装机附近，再通过管片安装机将模板钢管片拼装至尾盾内；

S5：重复步骤S3~S4，依次循环，直至完成开挖工作。

本发明适用于地质稳定性较差的软土、软泥等地质，设备带压掘进，具有平衡掌子面压力的功能。本发明使用螺旋机驱动子刀盘出渣，在用于大直径隧道开挖时，可在螺旋机驱动刀盘外侧布置一套摆动式母刀盘，进行双刀盘开挖，提高开挖效率。本发明涉使用可循环可拆卸式钢模板管片，无同步注浆，在尾盾内部拼装完管片后，在第二环管片内侧注入混凝土，保证隧道有一定的稳定性。在拼装一定长度模板钢管片后，在后配套区域将钢管片拆除，通过管片吊机将钢管片运输至主机管片安装机区域，再次拼装使用。本设备具有较强地质适应性，同时整机结构相对简单，模式转换方便，对配套施工干扰小、控制方便，设备造价低廉、经济实用。

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为本发明整体前部结构示意图。

图2为本发明整体前中部结构示意图。

图3为本发明整体后中部结构示意图。

图4本发明整体后部结构示意图。

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1-2所示，实施例1，一种适应于大埋深的经济型隧道掘进机，包括盾体和后配套装置，所述盾体内设有刀盘、螺旋机7，刀盘位于盾体的前部，刀盘的后部与螺旋机相连接，后配套装置上设有渣土输送装置，螺旋机7的前部与刀盘相连接，螺旋机7的后部与渣土输送装置相连接，刀盘开挖下来的渣土经螺旋机7输送至渣土输送装置，再经渣土输送装置运至制指定位置。所述刀盘包括母刀盘2和子刀盘4，母刀盘2与驱动装置3相连接，驱动装置3可采用液压马达，液压马达通过曲柄带动母刀盘摆动，子刀盘4与螺旋机7相连接，螺旋机的螺旋轴带动子刀盘转动。子刀盘位于前盾的中心位置，母刀盘至少有4个，母刀盘以子刀盘的中心为圆心等角度沿圆周设置。本发明设计一种组合式刀盘，在小直径3-5米常规直径5-7米直径盾构，本发明可以直接使用周边驱动式螺旋机直接驱动子刀盘旋转，实现掌子面的开挖；而在大直径隧道，螺旋机驱动子刀盘式中由于强度和扭矩原因，子刀盘直径不能设计很大，因此可以在母刀盘外周设计四个驱动马达，驱动马达的输出端设有曲柄且通过曲柄带动母刀盘实现摆动动作，其摆动轨迹为圆形，实现掌子面开挖。

进一步，所述后配套装置包括依次连接的第一台车22、第二台车29和第三台车30，第一台车22的前端连接有设备桥19，设备桥19的前端通过拖拉油缸16与螺旋机7相连接，设备桥19上设有渣土输送装置和第一管片吊机21，第一管片吊机21位于渣土输送装置的后方，用于吊装模板钢管片。所述渣土输送装置为皮带机20，皮带机20的前端与螺旋机的出渣口相对应，用于接收从螺旋机落出的渣土，第一台车22上设有混凝土注浆罐23，混凝土注浆罐23通过注浆管向管片的注浆孔中注浆。第二台车29上设有皮带机出渣口24，皮带机出渣口24与皮带机20相对应，皮带机上的渣土经皮带出渣口运至指定位置，再经渣土小车运至隧道外。第三台车30上设有管片桥架25，管片桥架25上设有管片拆除机26和第二管片吊机27。管片拆除机26用于拆除前面预拼好的模板钢管片15，拆下的模板钢管片15再经第二管片吊机27运至管片安装机附近，实现模板钢管片15的重复利用，降低生产成本。

如图3-4所示，实施例2，一种适应于大埋深的经济型隧道掘进机，所述盾体包括前盾1和尾盾14，前盾1和尾盾14密封连接，前盾1内设有前隔板31，尾盾14内设有后隔板32，驱动装置3设置在前隔板31上，驱动装置3与母刀盘一一对应连接，为母刀盘提供动力。螺旋机7的前端通过驱动法兰座5与前隔板31相连接，螺旋机7的后端穿过后隔板32且与渣土输送装置相对应，螺旋机7将渣土运至渣土输送装置，对渣土进行进一步输送。所述螺旋机7包括机罩体33，机罩体33内设有螺旋轴8，螺旋轴8与子刀盘4相连接，螺旋轴带动子刀盘进行转动，机罩体33前端的外壁上设有周边驱动单元6，周边驱动单元6为螺旋机提供动力，周边驱动单元的驱动位置靠前扭矩损失小，可将大部分扭矩输出给子刀盘，保证刀盘正常切削为螺旋机提供动力，机罩体33的前端与前隔板31相连接，机罩体33的后端设有后闸门18，后闸门18与渣土输送装置相对应，后闸门18保证在涌水涌砂地层中可以快速关闭，保证施工安全。

进一步，所述后隔板32上设有支撑轮10，支撑轮10上设有旋转滚盘9，通过液压马达带动旋转滚盘，实现旋转滚盘9能相对后隔板32转动，旋转滚盘9上设有管片安装机28，管片安装机在旋转滚盘9的带动下实现360°旋转，便于管片安装机的对圆周上管片的安装，后隔板32外圈圆周上设有推进油缸11。推进油缸11顶紧模板钢管片15向前推进，实现刀盘向前掘进。所述管片安装机28上设有抓举装置12，抓举装置12通过径向伸缩油缸13与安装机28相连接，实现抓举装置的径向移动，抓举装置用于抓取管片。

其他结构与实施例1相同。

一种适应于大埋深的经济型隧道掘进机的施工方法，包括如下步骤：

S1：在开挖大直径隧道时，驱动装置3带动母刀盘2进行摆动轨迹为圆形的摆动动作对掌子面进行切削，周边驱动单元6通过螺旋轴8带动子刀盘4转动对掌子面切削；

S2：切削下来的渣土，通过子刀盘4上的刮渣板旋转将渣土带至螺旋机7中心，通过螺旋轴8将渣土排至皮带机上，螺旋机7尾部设置后闸门18保证在涌水涌砂地层中可以快速关闭，保证施工安全；

S3：掘进过程中使用模板钢管片15进行初期支护，模板钢管片15脱出尾盾3-5环左右后，混凝土注浆罐通过注浆管向管片注入孔17直接注入混凝土，进行支护；

S4：推进油缸11通过顶紧模板钢管片15提供反力进行掘进，掘进30-50环左右时，管片桥架25移动到模板钢管片15时，在管片桥架25处通过管片拆除机26将模板钢管片15拆掉，然后通过第一管片吊机21将模板钢管片15输送至管片安装机28附近，再通过管片安装机28将模板钢管片15拼装至尾盾14内；S5：重复步骤S3~S4，依次循环，直至完成开挖工作。该施工工法既可以避免施工时地质不稳定引起的安全问题，又可以实现模板钢管片的循环利用，且不用同步注浆，大大降低了隧道的施工成本和设备成本。

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 (8)

1.一种适应于大埋深的经济型隧道掘进机，包括盾体和后配套装置，其特征在于：所述盾体内设有刀盘、螺旋机（7），后配套装置上设有渣土输送装置，螺旋机（7）的前部与刀盘相连接，螺旋机（7）的后部与渣土输送装置相连接，所述刀盘包括母刀盘（2）和子刀盘（4），母刀盘（2）与驱动装置（3）相连接，子刀盘（4）与螺旋机（7）相连接。

2.根据权利要求1所述的适应于大埋深的经济型隧道掘进机，其特征在于：所述后配套装置包括依次连接的第一台车（22）、第二台车（29）和第三台车（30），第一台车（22）的前端连接有设备桥（19），设备桥（19）的前端与螺旋机（7）相连接，设备桥（19）上设有渣土输送装置和第一管片吊机（21）。

3.根据权利要求2所述的适应于大埋深的经济型隧道掘进机，其特征在于：所述渣土输送装置为皮带机（20），所述第一台车（22）上设有混凝土注浆罐（23），第二台车（29）上设有皮带机出渣口（24），皮带机出渣口（24）与皮带机（20）相对应，第三台车（30）上设有管片桥架（25），管片桥架（25）上设有管片拆除机（26）和第二管片吊机（27）。

4.根据权利要求1~3任一项所述的适应于大埋深的经济型隧道掘进机，其特征在于：所述盾体包括前盾（1）和尾盾（14），前盾（1）内设有前隔板（31），尾盾（14）内设有后隔板（32），驱动装置（3）设置在前隔板（31）上，螺旋机（7）的前端与前隔板（31）相连接，螺旋机（7）的后端穿过后隔板（32）且与渣土输送装置相对应。

5.根据权利要求4所述的适应于大埋深的经济型隧道掘进机，其特征在于：所述螺旋机（7）包括机罩体（33），机罩体（33）内设有螺旋轴（8），螺旋轴（8）与子刀盘（4）相连接，机罩体（33）的外壁上设有周边驱动单元（6），机罩体（33）的前端与前隔板（31）相连接，机罩体（33）的后端设有后闸门（18），后闸门（18）与渣土输送装置相对应。

6.根据权利要求4所述的适应于大埋深的经济型隧道掘进机，其特征在于：所述后隔板（32）上设有支撑轮（10），支撑轮（10）上设有旋转滚盘（9），旋转滚盘（9）能相对后隔板（32）转动，旋转滚盘（9）上设有管片安装机（28），后隔板（32）外圈圆周上设有推进油缸（11）。

7.根据权利要求6所述的适应于大埋深的经济型隧道掘进机，其特征在于：所述管片安装机（28）上设有抓举装置（12），抓举装置（12）通过径向伸缩油缸（13）与管片安装机（28）相连接。

8.一种如权利要求1所述的适应于大埋深的经济型隧道掘进机的施工方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：在开挖大直径隧道时，驱动装置（3）带动母刀盘（2）进行摆动轨迹为圆形的摆动动作对掌子面进行切削，周边驱动单元（6）通过螺旋轴（8）带动子刀盘（4）转动对掌子面切削；

S2：切削下来的渣土，通过子刀盘（4）上的刮渣板旋转将渣土带至螺旋机（7）中心，通过螺旋轴（8）将渣土排至皮带机上，螺旋机（7）尾部设置的后闸门（18）在涌水涌砂地层中能快速关闭，保证施工安全；

S3：掘进过程中使用模板钢管片（15）进行初期支护，模板钢管片（15）脱出尾盾一定距离后，混凝土注浆罐通过注浆管向管片注入孔（17）直接注入混凝土，进行支护；

S4：推进油缸（11）通过顶紧模板钢管片（15）提供反力进行掘进，掘进一定距离后，在管片桥架（25）处通过管片拆除机（26）将模板钢管片（15）拆掉，然后通过第一管片吊机（21）将模板钢管片（15）输送至管片安装机（28）附近，再通过管片安装机（28）将模板钢管片（15）拼装至尾盾（14）内；

S5：重复步骤S3~S4，依次循环，直至完成开挖工作。