CN110159301B - 外置管片式拼装装置、敞口盾构机及隧道施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于盾构机生产制造技术领域。一种外置管片式拼装装置，包括管片拼装机，所述管片拼装机设置在敞口盾构机的盾体前端外部。一种外置管片式敞口盾构机，包括盾体、外置管片式拼装装置、挖掘设备和输料设备；挖掘设备布设在所述盾体前部；输料设备设置在所述盾体内。本申请还公开了一种隧道施工方法。本申请对于丰富隧道施工技术和施工工法具有非常重要的意义。区别于土压平衡式盾构机、泥水盾构机、敞开式TBM、护盾式TBM和悬臂式掘进机等，本申请丰富了隧道掘进机的分类，填补了特殊地质条件下的施工设备的一项空白。同时，丰富了隧道施工工法，为隧道施工提供了更多的选择，有利于控制施工进度，降低施工成本。

Description

外置管片式拼装装置、敞口盾构机及隧道施工方法

技术领域

本发明属于盾构机生产制造技术领域，具体涉及一种外置管片式拼装装置、敞口盾构机及隧道施工方法。

背景技术

盾构机是一种使用盾构法的隧道掘进机。盾构的施工法是掘进机在掘进的同时构建隧道之“盾”（支撑性管片）。

盾构机进行隧洞施工具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响地面交通等特点，在隧洞洞线较长、埋深较大的情况下，用盾构机施工更为经济合理。

目前，盾构机结构形式全部为管片内置，管片的拼装在盾壳的保护下进行，管片拼装作业区距隧道开挖面较远，在处于软岩大变形地质条件时，由于土体塌缩，易造成盾体卡死和管片变形撕裂的问题，导致已开挖成型的隧道内壁变形，需要进行二次，甚至多次重复作业，施工速度极慢。且设备结构复杂，前期准备工作时间长，设备维保、日常消耗、设备转场费用较高。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在的问题和不足，提供一种外置管片式拼装装置、敞口盾构机及隧道施工方法，其结构设计合理，打破了常规盾构机的结构限制，丰富了隧道施工技术和施工功法，对填补特殊地质条件下的施工具有重大的意义。

为达到上述目的，所采取的技术方案是：

一种外置管片式拼装装置，包括管片拼装机，所述管片拼装机设置在敞口盾构机的盾体前端外部，并用于对挖掘后的洞壁进行管片拼装。

根据本发明外置管片式拼装装置，优选地，所述管片拼装机与所述盾体之间设置有调节组件，所述调节组件控制所述管片拼装机横移动作和/或周向旋转动作。

根据本发明外置管片式拼装装置，优选地，所述调节组件包括：轴向伸缩架；以及回转盘，其回转设置在所述轴向伸缩架上，所述管片拼装机支撑设置在所述回转盘上；所述管片拼装机与回转盘固定设置、或所述管片拼装机与所述回转盘之间设置有径向推杆。

根据本发明外置管片式拼装装置，优选地，所述管片拼装机前部设置有支撑组件；在管片拼装的作业状态下，所述支撑组件顶撑地面。

根据本发明外置管片式拼装装置，优选地，所述盾体前部设置有指型盾，所述指型盾的外轮廓与拼装后的管片衬砌内轮廓相适应。

一种外置管片式敞口盾构机，包括：盾体；如上述的外置管片式拼装装置，其设置在所述盾体的前端外部；挖掘设备，其布设在所述盾体前部，用于掌子面的挖掘；以及输料设备，其设置在所述盾体内，用于渣土的运输。

根据本发明外置管片式敞口盾构机，优选地，所述盾体后部还设置有后配套设备。

根据本发明外置管片式敞口盾构机，优选地，所述盾体底部设置有行走支撑组件，所述行走支撑组件为设置在所述盾体底部的行走轮，拼装后的管片上设置有与行走轮对应的行走轨道。

根据本发明外置管片式敞口盾构机，优选地，所述输料设备包括前后对接设置的刮板链输送机和皮带机，且所述刮板链输送机能够在所述盾体内前后动作；所述盾体内腔为至少两层结构，所述挖掘设备包括：螺旋钻机，其设置在所述盾体的其中一层中，并能够伸缩掘进动作；以及铲挖机，多台所述铲挖机布设在所述盾体的各层中，并相互独立作业。

一种隧道施工方法，利用上述的外置管片式敞口盾构机进行隧道施工，具体包括以下步骤：

通过所述挖掘设备进行隧道开挖，并由输料设备进行渣土的输送，直至开挖到设定距离段；

由所述外置管片式拼装装置进行管片的拼装，完成所述设定距离段的管片拼装，并进行初始支护和填充；

驱动盾体在已拼装的管片上行进，进行下一设定距离段的开挖和管片拼装；

对所述外置管片式敞口盾构机后部的管片进行锚索加固；

待洞壁稳定后，进行二次衬砌施工。

采用上述技术方案，所取得的有益效果是：

本申请整体结构设计合理，管片外置式敞口盾构机对于丰富隧道施工技术和施工工法具有非常重要的意义。区别于土压平衡式盾构机、泥水盾构机、敞开式TBM、护盾式TBM和悬臂式掘进机等，本申请丰富了隧道掘进机的分类，填补了特殊地质条件下的施工设备的一项空白。同时，丰富了隧道施工工法，为隧道施工提供了更多的选择，有利于控制施工进度，降低施工成本。

本申请的外置管片式拼装装置通过设置位置的改变，使得常规的盾构机施工的步骤发生了本质的变化，在一些特殊地质条件下的施工，能够取得突破性的进展。本申请针对调节组件、支撑组件以及指型盾的设置，能够便于管片拼装机前置、外置后进行有效的施工，同时保障了整体的稳定性，便于进行操作作业。

本申请的外置管片式敞口盾构机通过整体布置形式的新的设计，使得其能够适应于新的施工方法，在整个施工过程中更趋于稳定，尤其是特殊地质条件下，能够保障施工的稳定性和效率，避免盾体卡死或管片变形撕裂等问题的发生。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下文中将对本发明实施例的附图进行简单介绍。其中，附图仅仅用于展示本发明的一些实施例，而非将本发明的全部实施例限制于此。

图1为根据本发明实施例的外置管片式敞口盾构机的结构示意图。

图2为图1的俯视结构示意图。

图3为图1的右视结构示意图。

图中序号：

100为管片拼装机；

200为调节组件；

300为支撑组件；

400为指型盾；

500为盾体、501为行走轮、502为行走轨道；

601为铲挖机、602为螺旋钻机；

701为刮板链输送机、702为皮带机；

800为后配套设备。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参见图1-图3，本发明一种外置管片式拼装装置，包括管片拼装机100，所述管片拼装机100设置在敞口盾构机的盾体500前端外部，并用于对挖掘后的洞壁进行管片拼装；本实施例中的管片拼装机100与所述盾体500之间设置有调节组件200，所述调节组件200控制所述管片拼装机100横移动作和/或周向旋转动作，具体的管片拼装机100可以在调节组件的控制下，进行轴向的伸缩动作、径向的横移动作、周向旋转动作均可，以便与其他设备协同作业，同时提高产品的灵活性，避免发生部件之间的动作干涉等。

本实施例给出了其中的一种调节组件的结构，调节组件200包括轴向伸缩架和回转盘，回转盘回转设置在轴向伸缩架上，管片拼装机100支撑设置在所述回转盘上；管片拼装机100与回转盘固定设置、或所述管片拼装机100与所述回转盘之间设置有径向推杆，此时轴向伸缩架能够带动回转盘和管片拼装机沿隧道的轴线方向伸缩动作，从而调节管片的拼装位置，通过回转盘相对于轴向伸缩架的旋转动作，能够带动管片拼装机沿隧道的轴线做周向运动，本实施例中的旋转角度为±200°，径向推杆的设置，能够使得管片拼装机在不同的作业状态下进行切换，如抓取和拼装的状态下的切换、或工作状态和非工作状态下的切换。根据管片拼装机的具体结构、盾体内挖掘设备的布置形式、以及施工方法的协调性等多方面的因素考虑，对于调节组件可以进行进一步的优化和改进。

管片拼装机100前部设置有支撑组件300；在管片拼装的作业状态下，所述支撑组件300顶撑地面，本实施例中的支撑组件为伸缩支撑腿，其目的是保障在管片拼装作业时整体的稳定性，避免发生长时间悬臂作业的情况，提高安全性能和设备的使用寿命，保障管片拼装作业的顺利进行。

由于管片拼装机的前置，为了保障支护的稳定性，在盾体前部设置有指型盾400，所述指型盾400的外轮廓与拼装后的管片衬砌内轮廓相适应，从而可以起到初期支护的作用。

本实施例还公开了一种外置管片式敞口盾构机，包括盾体500、如上述的外置管片式拼装装置、挖掘设备和输料设备，外置管片式拼装装置设置在所述盾体500的前端外部；挖掘设备布设在所述盾体500前部，用于掌子面的挖掘；输料设备设置在所述盾体500内，用于渣土的运输，在盾体500后部还设置有后配套设备800，后配套设备通过铰接机构与盾体铰接。

在工作过程中，需要盾体在拼装后的管片上进行行走，因此，本实施例中的管片采用特殊结构形式，即拼装后的位于下部管片上带有行走轨道502，通过预制轨道平台，从而提高后期隧道铺轨的效率；在盾体底部设置行走轮501，从而能够使得盾体500和后续的后配套设备800均支撑行走在行走轨道502上。

本实施例中输料设备包括前后对接设置的刮板链输送机701和皮带机702，且所述刮板链输送机701能够在所述盾体500内前后动作；所述盾体500内腔为至少两层结构，如图所示，本实施例中的盾体为上下两侧，挖掘设备包括螺旋钻机602和铲挖机601，螺旋钻机602设置在所述盾体的上层中，并能够伸缩掘进动作，进行超前开挖和勘探；多台所述铲挖机601布设在所述盾体500的上下两层中，并相互独立作业，从而进行端面的掘进。

在隧道施工期间，首先由三台铲挖机进行隧道开挖，开挖下的渣土由底部的刮板链输送到后部的皮带机进行出渣，开挖长度满足一环管片的拼装时，由管片拼装机进行管片拼装。拼装完成后，盾构机通过下部的行走轮向前行走，行走到一定位置后，再次进行开挖。

本发明的外置管片式敞口盾构机，管片在盾壳外侧，利用前置的管片拼装机可以实现在开挖洞壁成型后快速支护，以抵抗地质变形，降低隧道再次变形破损的风险。

盾壳的结构相对于常规盾构机大大简化，能够在需要时快速装配，极大节约施工成本。

本发明的管片外置式敞口盾构机，区别于土压平衡式盾构机、泥水盾构机、敞开式TBM、护盾式TBM和悬臂式掘进机，丰富了隧道掘进机的分类，填补了特殊地质条件下的施工设备的一项空白，同时丰富了隧道施工工法。

本申请还公开了一种隧道施工方法，利用上述的外置管片式敞口盾构机进行隧道施工，具体包括以下步骤：

通过所述挖掘设备进行隧道开挖，并由输料设备进行渣土的输送，直至开挖到设定距离段；

由所述外置管片式拼装装置进行管片的拼装，完成所述设定距离段的管片拼装，并进行初始支护和填充；

驱动盾体在已拼装的管片上行进，进行下一设定距离段的开挖和管片拼装；

对所述外置管片式敞口盾构机后部的管片进行锚索加固；

待洞壁稳定后，进行二次衬砌施工。

在掘进过程中，设定距离段的长度可以以挖掘设备的挖掘行程为限、也可以以一环管片的宽度或者多环管片的宽度为限设定，管片与洞壁之间预留变形量空间，对于拼装后的管片，管片与洞壁之间通过填充砂浆、局部粘贴泡沫板等方式来抵抗洞壁变形后的反作用力，管片与盾体之间填充弹性垫板，以保障盾体可以在管片整环强度足够后能够自由的前后移动；上述结构中指型盾的外径尺寸大于盾体的外径尺寸，指型盾可以是整环的定型结构，也可以是多区段的可调节的分段结构。

上述的锚索加固，可以在管片上预留锚索孔，在盾构机经过后，可在洞壁上进行锚索加固，以增强隧道抵抗周边土体变形应力的能力，洞壁完全稳定后，再进行二次衬砌方式完成最终的加固成型。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。

本文中术语“和/或”表示可以存在三种关系。例如，A和/或B可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请说明书以及权利要求书中使用的 “一个”或者“一”等类似词语也不必然表示数量限制。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

上文中参照优选的实施例详细描述了本发明的示范性实施方式，然而本领域技术人员可理解的是，在不背离本发明理念的前提下，可以对上述具体实施例做出多种变型和改型，且可以对本发明提出的各技术特征、结构进行多种组合，而不超出本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。

Claims (6)

1.一种外置管片式拼装装置，其特征在于，包括管片拼装机，所述管片拼装机设置在敞口盾构机的盾体前端外部，并用于对挖掘后的洞壁进行管片拼装；

所述管片拼装机与所述盾体之间设置有调节组件，所述调节组件控制所述管片拼装机横移动作和/或周向旋转动作；

所述调节组件包括：

轴向伸缩架；以及回转盘，其回转设置在所述轴向伸缩架上，所述管片拼装机支撑设置在所述回转盘上；

所述管片拼装机与回转盘固定设置、或所述管片拼装机与所述回转盘之间设置有径向推杆；

所述管片拼装机前部设置有支撑组件；在管片拼装的作业状态下，所述支撑组件顶撑地面，所述支撑组件为伸缩支撑腿；

所述盾体前部设置有指型盾，所述指型盾的外轮廓与拼装后的管片衬砌内轮廓相适应。

2.一种外置管片式敞口盾构机，其特征在于，包括：

盾体；

如权利要求1所述的外置管片式拼装装置，其设置在所述盾体的前端外部；

挖掘设备，其布设在所述盾体前部，用于掌子面的挖掘；以及

输料设备，其设置在所述盾体内，用于渣土的运输。

3.根据权利要求2所述的外置管片式敞口盾构机，其特征在于，所述盾体后部还设置有后配套设备。

4.根据权利要求2所述的外置管片式敞口盾构机，其特征在于，所述盾体底部设置有行走支撑组件，所述行走支撑组件为设置在所述盾体底部的行走轮，拼装后的管片上设置有与行走轮对应的行走轨道。

5.根据权利要求2所述的外置管片式敞口盾构机，其特征在于，所述输料设备包括前后对接设置的刮板链输送机和皮带机，且所述刮板链输送机能够在所述盾体内前后动作；所述盾体内腔为至少两层结构，所述挖掘设备包括：

螺旋钻机，其设置在所述盾体的其中一层中，并能够伸缩掘进动作；以及

铲挖机，多台所述铲挖机布设在所述盾体的各层中，并相互独立作业。

6.一种隧道施工方法，其特征在于，利用权利要求2-5任一所述的外置管片式敞口盾构机进行隧道施工，具体包括以下步骤：

通过所述挖掘设备进行隧道开挖，并由输料设备进行渣土的输送，直至开挖到设定距离段；

由所述外置管片式拼装装置进行管片的拼装，完成所述设定距离段的管片拼装，并进行初始支护和填充；

驱动盾体在已拼装的管片上行进，进行下一设定距离段的开挖和管片拼装；

对所述外置管片式敞口盾构机后部的管片进行锚索加固；

待洞壁稳定后，进行二次衬砌施工。