CN109441473A - 一种轻型智能暗挖拼装式一体化设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轻型智能暗挖拼装式一体化设备，包括环形机座，所述环形机座的顶端由外至内依次安装有掘进系统和支护系统，在所述掘进系统和支护系统之间设有掘进动力设备，在所述掘进系统的背面安装有排渣系统，且在环形机座的末端安装有管片安装系统，在所述环形机座侧面和两端均设有预留载位；充分利用和结合超前支护和掘进装置，同步实现支护和掘进，并且可以开发出不同形式的截面，将设备中的每节部分进行任意组合即可，在土体开挖后，可进行后续顶管等的施工，另外可以根据不同工况计算开挖和支护的参数来优化设计，从而可以适应不同的情况，还可以克服土层压力，利用土层产生的压力联合掘进和削土器进行开挖，节省能源和人力。
Description
技术领域
本发明涉及暗挖技术领域，具体为一种轻型智能暗挖拼装式一体化设备。
背景技术
随着技术的发展和城市空间的需求，对于开发地下空间来说，目前是相当迫切的，不仅仅是缓解城市交通压力，同时也能够缓解城市各种市政基础设施铺设的压力。
开发地下空间，一般是明挖法和暗挖法，但是明挖法在城市中受到很大的限制，因此大多数均采用的是暗挖法，而盾构法施工作为一种对周边环境影响较小的方法，被广泛应用于地下工程建设中。常用的盾构隧道掘进机多为圆形，圆形隧道具有结构受力合理的优点，但也同时具有空间利用率较低的缺点。于是异形盾构逐渐成为提高城市地下空间效率的研究方向，地下空间断面利用率更高的叠合式异形断面盾构法隧道结构形式应运而生。
虽然盾构法在地下掘进中具有无与伦比的优势，但是其在工作时对于地质条件其实是有一定要求的，对于某些地质条件，其本质上甚至是不能够应用的，总结起来盾构法缺点主要表现为以下几个方面：
(1)盾构机使用的削土刀片昂贵，使用周期短，磨损率高，使用成本较高，且设备昂贵，普通盾构机价格每台1000万元以上；
(2)盾构机截面不能改变，不能适应不同的地下空间的需求；
(3)考虑经济效益一般用于连续施工长度不小于300米。
发明内容
为了克服现有技术方案的不足，本发明提供一种轻型智能暗挖拼装式一体化设备，适合不同横截面型式地下空间的快速开挖及地下管道的快速铺设，能有效的解决背景技术提出的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种轻型智能暗挖拼装式一体化设备，包括环形机座，所述环形机座的顶端由外至内依次安装有掘进系统和支护系统，在所述掘进系统和支护系统之间设有掘进动力设备，在所述掘进系统的背面安装有排渣系统，且在环形机座的末端安装有管片安装系统，在所述环形机座侧面和两端均设有若干个预留载位；
所述掘进系统包括底盘，所述底盘上安装有呈圆环状的加强盘，且在加强盘上呈射线状安装有若干组螺旋钻杆，位于所述螺旋钻杆外侧的加强盘上均匀安装有削土器；
所述支护系统包括固定安装在环形机座上的液压推进器，所述液压推进器均匀分布在环形机座的边缘上形成半闭合式的支护结构，在液压推进器外表面设有护筒。
作为本发明一种优选的技术方案，所述底盘通过镶嵌安装件与环形机座活动连接，所述镶嵌安装件固定安装在环形机座端面上，且该镶嵌安装件的横截面小于环形机座的横截面。
作为本发明一种优选的技术方案，所述管片安装系统包括固定安装在环形机座底部与地面平行的滑移轨道，所述滑移管道上滑动安装有管片安装设备，并且在管片安装设备上安装有地面下吊设备，且在该管片安装设备和地面下吊设备之间安装有接缝喷绘装置。
作为本发明一种优选的技术方案，排渣系统包括固定安装在底盘背面的若干个渣土接料斗，所述渣土接料斗均通过初级接收管与螺旋钻杆和削土器连接，所述渣土接料斗下方设有安装在环形机座顶部的运输皮带上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明充分利用和结合超前支护和掘进装置，同步实现支护和掘进，并且可以开发出不同形式的截面，将设备中的每节部分进行任意组合即可，在土体开挖后，可进行后续顶管等的施工，另外可以根据不同工况计算开挖和支护的参数来优化设计，从而可以适应不同的情况，其中特别适合管廊施工、暗挖小于300m的地下空间的施工，进一步地还可以克服土层压力，利用土层产生的压力联合掘进和削土器进行开挖，节省能源和人力。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明截面结构示意图；
图中标号：1-环形机座；2-底盘；3-液压推进器；4-滑移轨道；5-渣土接料斗；
201-加强盘；202-螺旋钻杆；203-削土器；204-镶嵌安装件；
301-护筒；
401-管片安装设备；
501-运输皮带。
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做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和图2所示，本发明提供了一种轻型智能暗挖拼装式一体化设备，包括环形机座1，在本实施方式中，环形机座1是作为整个装置的基本载体，同时其本身也是作为整个设备的推移装置，所述环形机座1的顶端由外至内依次安装有掘进系统和支护系统，其中，掘进系统时整个设备的具体推进机构，也是在本发明中能够起到钻土推进作用的核心装置，而支护系统则区别于常规的支护结构，它能够配合掘进系统进行超前的压进和支护，起到更优的保护作用，在所述掘进系统和支护系统之间设有掘进动力设备，该动力设备主要供给掘进系统，为掘进系统提供充足的动力，并且为了更进一步的提高掘进效果，掘进动力设备与其它动力设备均是独立的，在掘进的过程中必然会产生大量的土石，而现有盾构方法进行掘进大多数采用的基于水循环通过水管将水合物运到地面，这样的最明显的缺陷就是浪费水资源、产生的水合物太多，而且不便于处理，最主要的是对于短距离的掘进来说，直接通过水循环来处理渣土，这样就必然要建设相配套的水循环系统，其成本是相对较为高昂的，而基于此，在本发明中则是通过直接输送的方式将渣土传输出去，因此，在所述掘进系统的背面安装有排渣系统，且在环形机座1的末端安装有管片安装系统，引入盾构后期的一次性管片安装，可同步实现临时支护-掘进-结构(管片或者顶管)的快速建设，在所述环形机座1侧面和两端均设有若干个预留载位，预留的载位则是为了根据实际的掘进情况来安装相应的匹配设备，从而达到最优的效果。
本发明基于上述结构，融入了采矿工程的临时支护和掘进一体化的思想，并且引入盾构后期的一次性管片安装，实现临时支护--掘进—管片安装的一体化快速装备，它针对管廊施工、暗挖小于300m的地下空间的施工，具有灵活、方便、经济等优点，特别适用小直径和短距离的暗挖地下空间。作为进一步的优选方式，其具体的推移装置和掘进可采用小型挖掘机，与盾构机刀片相比，使用成本低。
所述掘进系统包括底盘2，所述底盘2上安装有呈圆环状的加强盘201，所述底盘2通过镶嵌安装件204与环形机座1活动连接，所述镶嵌安装件204固定安装在环形机座1端面上，且该镶嵌安装件204的横截面小于环形机座1的横截面，通过设置的镶嵌安装件204可以实现底盘2的灵活安装，从而可以根据实际掘进的地质情况选择不同的底盘2，即本发明克服了现有掘进设备中截面不能改变的缺陷，基于镶嵌安装件204，本发明可开发出不同形式的截面，将设备中的每节部分进行任意组合即可，如圆形、矩形均可，土体开挖后，可进行后续顶管等的施工，且在加强盘201上呈射线状安装有若干组螺旋钻杆202，该加强盘201通过掘进动力设备来驱动旋转，从而通过螺旋钻杆202来实现掘进，位于所述螺旋钻杆202外侧的加强盘201上均匀安装有削土器203，该削土器203能够将螺旋钻杆202没有涉及到的土石全部剥落下来，形成一个较完整的掘进空间，减少零散土石的存在，避免影响后续管片的安装。
所述支护系统包括固定安装在环形机座1上的液压推进器3，液压推进器3受控于相互独立的液压装置，因此可以根据需求配合底盘2的形状形成相应独特的支护形状，而且为了更好达到支护的目的，所述液压推进器3均匀分布在环形机座1的边缘上形成半闭合式的支护结构，在液压推进器3外表面设有护筒301，护筒301能够支护液压推进器3没有遮蔽的地方，从而形成更加完整的遮挡结构，而且更进一步地，采用提前的临时支护结构能够在将要掘进的区域形成边缘切割，从而在实际掘进时将会由于遮挡和优势通道的作用形成较为完整的边缘。
所述排渣系统包括安装在底盘2背面的渣土接料斗5，所述渣土接料斗5通过初级接收管与螺旋钻杆202和削土器203连接，所述渣土接料斗5下方设有安装在环形机座1顶部的运输皮带501上。本设备将渣土通过运输皮带501运送到地面，不仅节省水资源，不需通过循环水洗渣土，而且还可以更加快捷便利。
所述管片安装系统包括固定安装在环形机座1底部与地面平行的滑移轨道4，所述滑移管道4上滑动安装有管片安装设备401，并且在管片安装设备401上安装有地面下吊设备，且在该管片安装设备401和地面下吊设备之间安装有接缝喷绘装置。
本发明的具体工作原理：。
1)根据岩土体的性质，计算超前支护的长度，根据掌子面超前应力集中的模型，得到钻头和支护板的长度公式，从而确保地面构筑物及道路在暗挖构成中不受位移沉降的影响；
2)计算掌子面岩土体的自由跨落，确定分段刮土的厚度及高度，采用多级计算方法，并得到相应的公式；
3)地下水的渗流计算，在暗挖过程中大部岩土体在地下水位以下，因此，按流固耦合的理论模型进行掌子面跨落计算，得到分段刮土厚度及高度公式；
4)在掌子面的位置，首先通过液压推进器进行超前支护，并且将液压推进器上的外圈护筒也同步进行跟进，然后利用掘进动力设备将螺旋钻杆钻进岩土体中，之后再次配合液压推进器和护筒进行二次支护；
5)预测掌子面残土量，计算多级放坡的准确跨落残土量，设计多组接残土漏斗，与顶部皮带运输相接，将残土及水混合物运到地面上；
6)对于漏斗之间的没有跨落的残土，用刮板机将掌子面的残留的土体去掉，并同步利用皮带传输将其运输至地面上；
7)在整体机的后部利用管片安装设备，按步骤进行管片的安装，在每一圈的管片接缝处进行锚喷。
基于上述，本设备是充分利用掌子面产生的主动土压力，顺应其应力产生的土体滑动，联合削土器或者人工挖土，节省能源和人力，达到快速、经济开挖，克服盾构施工顶住土压力而导致耗费能源很大的缺陷。结合各类参数的计算和施工，可以最大限度的减少对周围环境的影响，以及减少安全事故的发生，而且在本发明中可以进一步地将上述参数计算融合在该设备中形成整体性的装置，从而实现智能化、一体化的暗挖掘进。
另外，如果截面较大或者是多跨及多层，可以采用分级施工，施工方案具体考虑上述参数来进行优化，通过组合使用多组本发明中的暗挖设备来实现。
综上所述，本发明的主要特点在于：本发明充分利用和结合超前支护和掘进装置，同步实现支护和掘进，并且可以开发出不同形式的截面，将设备中的每节部分进行任意组合即可，在土体开挖后，可进行后续顶管等的施工，另外可以根据不同工况计算开挖和支护的参数来优化设计，从而可以适应不同的情况，其中特别适合管廊施工、暗挖小于300m的地下空间的施工，进一步地还可以克服土层压力，利用土层产生的压力联合掘进和削土器进行开挖，节省能源和人力。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (4)
1.一种轻型智能暗挖拼装式一体化设备，其特征在于，包括环形机座(1)，所述环形机座(1)的顶端由外至内依次安装有掘进系统和支护系统，在所述掘进系统和支护系统之间设有掘进动力设备，在所述掘进系统的背面安装有排渣系统，且在环形机座(1)的末端安装有管片安装系统，在所述环形机座(1)侧面和两端均设有若干个预留载位；
所述掘进系统包括底盘(2)，所述底盘(2)上安装有呈圆环状的加强盘(201)，且在加强盘(201)上呈射线状安装有若干组螺旋钻杆(202)，位于所述螺旋钻杆(202)外侧的加强盘(201)上均匀安装有削土器(203)；
所述支护系统包括固定安装在环形机座(1)上的液压推进器(3)，所述液压推进器(3)均匀分布在环形机座(1)的边缘上形成半闭合式的支护结构，在液压推进器(3)外表面设有护筒(301)。
2.根据权利要求1所述的一种轻型智能暗挖拼装式一体化设备，其特征在于：所述底盘(2)通过镶嵌安装件(204)与环形机座(1)活动连接，所述镶嵌安装件(204)固定安装在环形机座(1)端面上，且该镶嵌安装件(204)的横截面小于环形机座(1)的横截面。
3.根据权利要求1所述的一种轻型智能暗挖拼装式一体化设备，其特征在于：所述管片安装系统包括固定安装在环形机座(1)底部与地面平行的滑移轨道(4)，所述滑移管道(4)上滑动安装有管片安装设备(401)，并且在管片安装设备(401)上安装有地面下吊设备，且在该管片安装设备(401)和地面下吊设备之间安装有接缝喷绘装置。
4.根据权利要求1所述的一种轻型智能暗挖拼装式一体化设备，其特征在于：所述排渣系统包括安装在底盘(2)背面的渣土接料斗(5)，所述渣土接料斗(5)通过初级接收管与螺旋钻杆(202)和削土器(203)连接，所述渣土接料斗(5)下方设有安装在环形机座(1)顶部的运输皮带(501)上。
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