CN110344837A - 一种土压平衡盾构机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土压平衡盾构机，包括：刀盘、与刀盘连接的驱动装置、遮罩驱动装置的前盾、与前盾沿隧道轴线方向转动连接的尾盾、以及一端转动连接于前盾、另一端转动连接于尾盾的铰接油缸；铰接油缸伸缩运动，以使前盾相对于尾盾转动。相比于现有技术，本发明提供的土压平衡盾构机可以实现刀盘相对于盾构机尾盾的转动，使盾构机本身具有转弯功能，避免现有技术中频繁对直线型刚体结构的盾构机进行纠偏操作，同时前盾相对于尾盾可转动设置，可以自行控制转弯半径的大小，从而使土压平衡盾构机能够实现小转弯半径隧道的开挖。

Description

一种土压平衡盾构机

技术领域

本发明涉及盾构隧道掘进机技术领域，更具体地说，涉及一种土压平衡盾构机。

背景技术

土压平衡盾构技术在地铁隧道施工中的应用已经渐趋成熟，它保留了泥水盾构的优点，可以在黏土、含水量高的砂层和砾石层中施工，且不需要复杂的泥水处理设备。

但是在现有技术条件下，小转弯半径掘进是土压平衡盾构机难以攻克的一个难点。由于盾构机本身为直线形刚体，不能与曲线完全拟合，需要使掘进路径成为一段段连续的折线，为了使得折线与急曲线接近吻合，掘进施工时需连续纠偏。

曲线半径越小，纠偏量越大，但是单次的纠偏过程有限，因此所开挖隧道的转弯半径较大。土压平衡盾构机内部空间狭小，受到内部空间结构如驱动装置、螺旋输送机、皮带输送机、铰接结构、配套设备等的影响，其转弯能力受到极大的限制。

综上所述，如何提供一种转弯半径较小的土压平衡盾构机，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种土压平衡盾构机，可以实现半径较小的转弯过程。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种土压平衡盾构机，包括：刀盘、用于驱动所述刀盘旋转的驱动装置、遮罩所述驱动装置的前盾、与所述前盾沿隧道轴线方向转动连接的尾盾、以及一端转动连接于所述前盾、另一端转动连接于所述尾盾的铰接油缸；

所述铰接油缸伸缩运动，以使所述前盾相对于所述尾盾转动。

优选的，所述铰接油缸包括对称设置于转弯轴线一侧的第一铰接油缸，以及设置于所述转弯轴线另一侧的第二铰接油缸；

所述转弯轴线为所述前盾相对于所述尾盾转动的中心轴线。

优选的，所述第一铰接油缸和所述第二铰接油缸对称设置于所述转弯轴线的两侧。

优选的，所述前盾和所述尾盾两者中至少一者设置有用于限制所述前盾相对于所述尾盾转动角度的腰型孔，另一者设置有与所述腰型孔配合的销轴，所述销轴用于沿所述腰型孔滑动设置。

优选的，所述前盾设置有至少两个用于驱动所述刀盘转动的所述驱动装置，以及与所述驱动装置传动连接的齿轮副；

所述驱动装置沿所述前盾的周向设置，所述齿轮副与所述刀盘连接。

优选的，所述齿轮副包括与所述驱动装置传动连接的周边齿轮以及与所述周边齿轮啮合传动的中心齿轮；

所述周边齿轮沿圆周分布，且所述中心齿轮与所述刀盘连接。

优选的，所述刀盘设置有用于安装开挖用刀具的加强型C型块；

所述加强型C型块的高度大于用于安装所述开挖用刀具的通用型C型块的高度，以使所述开挖用刀具的伸出高度增加。

优选的，所述前盾设置有用于将渣土输出的螺旋输送机，所述螺旋输送机的一端与所述前盾铰接连接，另一端与设置于所述尾盾的吊机梁转动连接。

优选的，还包括用于将所述螺旋输送机输出的渣土转运至盾构机内的皮带机输送装置，所述皮带机输送装置包括至少两段皮带机支架，以及用于调整所述皮带机支架位置以改变相邻所述皮带机支架之间夹角的调整机构。

优选的，所述前盾设置有方便工作人员进入的舱室。

本发明提供的土压平衡盾构机，包括：刀盘、用于驱动刀盘旋转的驱动装置、遮罩驱动装置的前盾、与前盾沿隧道轴线方向转动连接的尾盾，以及一端转动连接于前盾、另一端转动连接于尾盾的铰接油缸；铰接油缸伸缩运动，以使前盾相对于尾盾转动。

在隧道开挖的过程中，由于前盾可相对于尾盾转动，因此可以通过控制前盾相对于尾盾转动的角度，使刀盘相对于尾盾转动，从而使刀盘所开挖的隧道实现转弯；由于铰接油缸的一端与前盾连接、另一端与尾盾连接，因此铰接油缸伸缩运动的过程中，当铰接油缸作用于前盾的力能够产生使前盾相对于尾盾转动的力矩时，前盾便可以相对于尾盾转动，由于刀盘与驱动装置连接，因此驱动装置可以带动刀盘转动，以实现隧道弯曲段的开挖，并且刀盘相对于尾盾的转动角度可以根据实际情况进行确定，从而实现小转弯半径隧道的开挖。

相比于现有技术，本发明提供的土压平衡盾构机可以实现刀盘相对于盾构机尾盾的转动，使盾构机本身具有转弯功能，避免现有技术中频繁对直线型刚体结构的盾构机进行纠偏操作，同时前盾相对于尾盾可转动设置，可以自行控制转弯半径的大小，从而使土压平衡盾构机能够实现小转弯半径隧道的开挖。

需要进行说明的是，本申请文件中提到的小转弯半径是指隧道的转弯半径小于100m的情况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的土压平衡盾构机的具体实施例一的结构示意图；

图2为铰接油缸的安装位置示意图；

图3为通用型C型块的结构示意图；

图4为加强型C型块的结构示意图；

图5为皮带机输送装置的结构示意图；

图6为皮带输送装置的轴测图；

图7为驱动装置的结构示意图；

图8为驱动装置安装位置的示意图；

图9为人舱的结构示意图；

图10为前盾横截面方向的人舱位置示意图；

图11为主控制截面示意图。

图1-11中：

1为刀盘、2为前盾、21为通用型C型块、22为加强型C型块、3为驱动装置、31为马达、32为周边齿轮、33为主轴承、34为中心齿轮、35为通道门、4为铰接限位装置、41为人舱、5为铰接油缸、51为调整机构、52为皮带机支架、53为弧形板、6为尾盾、61为可移动座椅、62为配电室、63为操作面板、64为显示屏幕、7为管片拼装机、8为螺旋输送机、9为铰接密封、10为推进油缸、11为吊机梁、12为拖车、13为喂片机。

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。

本发明的核心是提供一种土压平衡盾构机，可以实现小转弯半径隧道的顺利挖掘。

请参考图1-11，图1为本发明所提供的土压平衡盾构机的具体实施例一的结构示意图；图2为铰接油缸的安装位置示意图；图3为通用型C型块的结构示意图；图4为加强型C型块的结构示意图；图5为皮带机输送装置的结构示意图；图6为皮带输送装置的轴测图；图7为驱动装置的结构示意图；图8为驱动装置安装位置的示意图；图9为人舱的结构示意图；图10为前盾横截面方向的人舱位置示意图；图11为主控制截面示意图。

本具体实施例提供的土压平衡盾构机，包括刀盘1、用于驱动刀盘1旋转的驱动装置3、遮罩驱动装置3的前盾2、与前盾2沿隧道轴线方向转动连接的尾盾6，以及一端转动连接于前盾2、另一端转动连接于尾盾6的铰接油缸5；铰接油缸5伸缩运动，以使前盾2相对于尾盾6转动。

在隧道开挖的过程中，由于前盾2可相对于尾盾6转动，因此可以通过控制前盾2相对于尾盾6转动的角度，以使刀盘1相对于尾盾6转动一定角度，从而使所开挖的隧道实现弯曲；由于铰接油缸5的一端与前盾2转动连接、另一端与尾盾6转动连接，因此铰接油缸5伸缩运动的过程中，当铰接油缸5作用于前盾2的力具有使前盾2相对于尾盾6转动的力矩时，前盾2便可以相对于尾盾6转动，由于刀盘1与驱动装置3连接，因此驱动装置3可以带动刀盘1转动，以实现隧道弯曲段的开挖。

需要进行说明的是，铰接油缸5伸缩的过程中会带动前盾2相对于尾盾6转动，并且铰接油缸5与前盾2和尾盾6均转动连接，优选的，铰接油缸5与前盾2转动连接的第一转动轴线、铰接油缸5与尾盾6转动连接的第二转动轴线均平行于前盾2相对于尾盾6的转弯轴线。

相比于现有技术，本发明提供的土压平衡盾构机可以实现刀盘1相对于盾构机尾盾6的转动，使盾构机本身具有转弯功能，避免频繁对直线型刚体结构盾构机进行纠偏操作；同时前盾2相对于尾盾6可转动设置，可以自行控制转弯半径的大小，从而使土压平衡盾构机能够实现小转弯半径隧道的开挖。

需要进行说明的是，本申请文件中提到的小转弯半径是指隧道的转弯半径小于100m的情况。

优选的，可以设置用于控制铰接油缸5动作的控制装置，通过控制铰接油缸5的伸缩量控制前盾2相对于尾盾6的转动角度。

优选的，前盾2与尾盾6通过第一球铰结构转动连接，以使前盾2可相对于尾盾6向任意方向转动；且第一球铰结构设置有用于密封的铰接密封9，以使前盾2与尾盾6之间密封连接。

需要进行说明的是，铰接油缸5设置于前盾2相对与尾盾6的转弯轴线的侧边，铰接油缸5的中心轴线与转弯轴线不相交，以使铰接油缸5可产生使前盾2转动的力；另外，铰接油缸5的数量可以是1个、2个、3个或多个，具体根据实际情况确定，在此不做赘述。

优选的，尾盾6设置有用于推进盾构机前进的推进油缸10。

在上述实施例的基础上，可以使铰接油缸5包括对称设置于转弯轴线一侧的第一铰接油缸，以及设置于转弯轴线另一侧的第二铰接油缸；转弯轴线为前盾2相对于尾盾6转动的中心轴线。

在使用的过程中，可以使位于转弯轴线一侧的第一铰接油缸伸出，另一侧的第二铰接油缸缩回，以使前端相对于尾盾6转动。

本具体实施例提供的第一铰接油缸和第二铰接油缸可以使前盾2转动过程中的力矩增加。

优选的，可以使第一铰接油缸包括若干第一铰接油缸单元，第二铰接油缸包括若干第二铰接油缸单元，且第一铰接油缸单元和第二铰接油缸单元均与控制装置连接，可通过控制装置控制第一铰接油缸单元和第二铰接油缸单元的伸缩。

优选的，可以使第一铰接油缸和第二铰接油缸对称设置于转弯轴线的两侧。

优选的，第一铰接油缸包括四个第一铰接油缸单元，第二铰接油缸包括四个第二铰接油缸单元，且第一铰接油缸单元和第二铰接油缸单元对称设置于转弯轴线的两侧；可以使相邻第一铰接油缸单元之间的距离相同，相邻第二铰接油缸单元之间的距离相同；相邻第一铰接油缸单元之间的距离是指在盾构机的横截面上，相邻第一铰接油缸单元与盾构机横截面中心连线所形成的夹角角度相同。

为了限制前盾2相对于尾盾6的转动角度，避免前盾2过渡转动，可以在前盾2和尾盾6两者中的至少一者设置用于限制前盾2相对于尾盾6转动角度的腰型孔，另一者设置有与腰型孔配合的销轴，销轴用于沿腰型孔滑动设置。

如图2所示，可以在盾构机横截面的0点和6点方向分别设置腰型孔，此时前盾2可相对于尾盾6绕中心转轴转动，且中心转轴的方向平行于0点位置与6点位置连线的方向；需要进行说明的是，盾构机的横截面为垂直于盾构机长度方向的截面，由于盾构机的横截面为圆形，可以将横截面看成表盘，表盘中0点位置与6点位置的连线为图2中竖直的虚线方向。

在前盾2相对于尾盾6转动的过程中，会带动销轴沿腰型孔的长度方向滑动，当销轴与腰型孔长度方向的侧边接触时，则前盾2相对于尾盾6转动至最大角度。

如图2所示，腰型孔和销轴组合为铰接限位装置4，铰接限位装置4可以包括设置于盾构机截面3点位置的第一铰接限位装置和设置于9点位置的第二铰接限位装置，铰接限位装置4的设置位置与前盾2相对于尾盾6的转弯轴线及转动范围有关，需要根据实际情况进行确定，在此不做赘述。

当然，铰接限位装置4还可以是符合要求的其它结构，具体根据实际情况确定。

在上述实施例的基础上，可以在前盾2设置至少两个用于驱动刀盘1转动的驱动装置3，以及与驱动装置3传动连接的齿轮副；驱动装置3沿前盾2的周向设置，齿轮副与刀盘1连接。

优选的，驱动装置3为马达31，马达31的输出轴与齿轮副传动连接。

在使用的过程中，可以使驱动装置3均与齿轮副传动连接，齿轮副与刀盘1连接，从而带动刀盘1转动。

沿前盾2的周向设置至少两个驱动装置3，可以增加刀盘1的驱动力。

优选的，可以使齿轮副包括与驱动装置3传动连接的周边齿轮32以及与周边齿轮32啮合传动的中心齿轮34；周边齿轮32沿圆周分布，且中心齿轮34与刀盘1连接。

优选的，可以使周边齿轮32与驱动装置3一一对应设置，且所有周边齿轮32均与中心齿轮34传动连接。

优选的，可以使中心齿轮34的转动中心与前盾2的横截面中心重合，且中心齿轮34为中部镂空的环状结构，中心齿轮34设置有用于进入开挖仓的通道门35。

优选的，可以使中心齿轮34与用于带动刀盘1转动的主轴承33连接，中心齿轮34转动可带动主轴承33转动，以使刀盘1转动。

需要进行说明的是，刀盘1设置于前盾2的前端位置。

在上述实施例的基础上，为了使盾构机能够更容易通过隧道的转弯处，可以在刀盘1设置用于安装开挖用刀具的加强型C型块22；加强型C型块22的高度大于用于安装开挖用刀具的通用型C型块21的高度，以使开挖用刀具的伸出高度增加。

开挖用刀具的伸出高度增加，可以使所开挖的隧道半径增加，从而使盾构机在转弯状态下可以顺利通过。

或者，也可以在刀盘1设置增大隧道直径用的超挖刀或仿形刀，当超挖刀伸出时，随着刀盘1的旋转，对隧道进行扩挖。

如图3、图4所示，加强型C型块22的高度大于通用型C型块21的高度，且加强型C型块22和通用型C型块21均用于安装刀具，因此使用加强型C型块22时，可以使刀具的伸出高度增加。

需要进行说明的是，土压平衡盾构机不仅包括刀盘1、用于驱动刀盘1旋转的驱动装置3、遮罩驱动装置3的前盾2、与前盾2沿隧道轴线方向转动连接的尾盾6，还包括用于将渣土输出的螺旋输送机8，螺旋输送机8的一端与前盾2铰接连接，另一端与设置于尾盾6的吊机梁11转动连接。

优选的，螺旋输送机8与前盾2通过第二球铰结构铰接连接。

在另一具体实施例中，吊机梁11的一端与螺旋输送机8的尾部转动连接，另一端与拖车12转动连接，以使盾构机转弯的过程中，各结构之间可相对转动；吊机梁11的下部设置有用于将管片由盾构机的尾部输送至管片拼装机7可抓取位置的喂片机13，吊机梁11也可以协助喂片机13对管片进行运输，管片拼装机7设置于尾盾6，管片拼装之后用于对隧道起支护作用。

管片由拖车12内的管片运输车经过管片吊机运输到喂片机13，再到管片拼装机7进行拼装。

拖车12内部设置有用于将螺旋输送机8输出的渣土转运至盾构机内的皮带机输送装置，皮带机输送装置包括至少两段皮带机支架52、用于调整皮带机支架52位置以改变相邻皮带机支架52之间夹角的调整机构51。

如图5所示，一节拖车12内部设置有三节皮带机支架52，同一节拖车12内部各皮带机支架52之间通过调整机构51连接。

优选的，调整机构51包括与皮带机支架52连接的丝杠结构，通过控制丝杠的转动，可以使皮带机支架52的一端向图中所示方向的上部移动，以使相邻皮带机支架52之间的夹角发生变化，从而使同一节拖车12内的皮带机输送装置呈弧形设置。

另外，如图5和图6所示，位于一节拖车12边缘的皮带机支架52与拖车12的连接处设置有弧形板53，且皮带机支架52可相对于弧形板53转动，拖车12转弯时，相邻拖车12之间的铰接处形成一定的夹角，以使拖车12顺利转弯，以使皮带机支架52相对于弧形板53转动。

在上述实施例的基础上，可以在前盾2设置方便工作人员通过的舱室，舱室的外周部设置有用于隔离的钢板。

优选的，人舱41需无泄漏，人舱41钢板之间的焊缝需为密封焊，且要对形成的密闭舱室做保压试验。

优选的，可以在拖车12中设置用于控制本申请中土压平衡盾构机动作的主控室，并且可以根据需求安装到任意一节拖车12上。

在另一具体实施例中，本发明公开了一种紧凑型小直径盾构机主控室，包括轿车式主控室、可移动座椅61、配电室62、显示屏幕64以及操作面板63，其中主控室外形类似小型轿车，可移动座椅61可以为轿车式可移动座椅，主控室内座椅类似轿车座椅可前后滑动在节省空间的前提内大大推高舒适度；主控室内配电室62采取侧开门方式，节省主控室空间，优选的，配电室62可以设置为小型的配电室；操作面板63及显示屏幕64固定位置类似汽车仪表盘，便于操作手操作。

需要进行说明的是，本发明中提到的第一铰接油缸和第二铰接油缸、第一转动轴线和第二转动轴线、第一铰接油缸单元和第二铰接油缸单元、第一铰接限位装置和第二铰接限位装置、第一球铰结构和第二球铰结构中的第一和第二只是为了说明位置的不同，并没有先后顺序之分。

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相似部分互相参见即可。本发明所提供的所有实施例的任意组合方式均在此发明的保护范围内，在此不做赘述。

以上对本发明所提供的土压平衡盾构机进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种土压平衡盾构机，其特征在于，包括：刀盘(1)、用于驱动所述刀盘(1)旋转的驱动装置(3)、遮罩所述驱动装置(3)的前盾(2)、与所述前盾(2)沿隧道轴线方向转动连接的尾盾(6)、以及一端转动连接于所述前盾(2)、另一端转动连接于所述尾盾(6)的铰接油缸(5)；

所述铰接油缸(5)伸缩运动，以使所述前盾(2)相对于所述尾盾(6)转动。

2.根据权利要求1所述的土压平衡盾构机，其特征在于，所述铰接油缸(5)包括对称设置于转弯轴线一侧的第一铰接油缸，以及设置于所述转弯轴线另一侧的第二铰接油缸；

所述转弯轴线为所述前盾(2)相对于所述尾盾(6)转动的中心轴线。

3.根据权利要求2所述的土压平衡盾构机，其特征在于，所述第一铰接油缸和所述第二铰接油缸对称设置于所述转弯轴线的两侧。

4.根据权利要求1所述的土压平衡盾构机，其特征在于，所述前盾(2)和所述尾盾(6)两者中至少一者设置有用于限制所述前盾(2)相对于所述尾盾(6)转动角度的腰型孔，另一者设置有与所述腰型孔配合的销轴，所述销轴用于沿所述腰型孔滑动设置。

5.根据权利要求1所述的土压平衡盾构机，其特征在于，所述前盾(2)设置有至少两个用于驱动所述刀盘(1)转动的所述驱动装置(3)，以及与所述驱动装置(3)传动连接的齿轮副；

所述驱动装置(3)沿所述前盾(2)的周向设置，所述齿轮副与所述刀盘(1)连接。

6.根据权利要求5所述的土压平衡盾构机，其特征在于，所述齿轮副包括与所述驱动装置(3)传动连接的周边齿轮(32)以及与所述周边齿轮(32)啮合传动的中心齿轮(34)；

所述周边齿轮(32)沿圆周分布，且所述中心齿轮(34)与所述刀盘(1)连接。

7.根据权利要求1-6任一项所述的土压平衡盾构机，其特征在于，所述刀盘(1)设置有用于安装开挖用刀具的加强型C型块(22)；

所述加强型C型块(22)的高度大于用于安装所述开挖用刀具的通用型C型块(21)的高度，以使所述开挖用刀具的伸出高度增加。

8.根据权利要求7所述的土压平衡盾构机，其特征在于，所述前盾(2)设置有用于将渣土输出的螺旋输送机(8)，所述螺旋输送机(8)的一端与所述前盾(2)铰接连接，另一端与设置于所述尾盾(6)的吊机梁(11)转动连接。

9.根据权利要求8所述的土压平衡盾构机，其特征在于，还包括用于将所述螺旋输送机(8)输出的渣土转运至盾构机内的皮带机输送装置，所述皮带机输送装置包括至少两段皮带机支架(52)，以及用于调整所述皮带机支架(52)位置以改变相邻所述皮带机支架(52)之间夹角的调整机构(51)。

10.根据权利要求9所述的土压平衡盾构机，其特征在于，所述前盾(2)设置有方便工作人员进入的舱室。