CN110985076A - 用于盾构机常压开仓作业稳定掌子面的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于盾构机常压开仓作业稳定掌子面的装置，包括数个扇形气囊，扇形气囊与两相邻刀杆之间的扇形空挡匹配，扇形气囊的输气管旁接压力传感器。扇形气囊背离盾构机掘进面的一侧设有反土冲力机构，反土冲力机构沿扇形径向间隔设置在嵌入扇形气囊的两相邻刀杆之间，包括径向杆和固定半环。本发明装置的装拆方法如下：1）扇形气囊安装就位后充气成形，2）安装反土冲力机构，3）常压开仓作业完成后拆除扇形气囊。本发明的扇形气囊可重复使用，装拆非常方便，达到稳固掌子面的效果，大大提高了盾构机常压开仓作业的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及一种盾构机作业时的安全装置，特别涉及一种在隧道掘进施工中，盾构机在常压开仓作业时稳定掌子面的装置及方法，属于隧道施工技术领域。
背景技术
盾构机掘进已广泛应用在各类隧道施工中，在盾构机掘进的过程中，盾构机的刀盘旋转切削地质层，刀盘不断掘进前移时面对的地质层工作面即掌子面。在掘进过程中，在常压情况下需要检查地质情况或刀盘磨损情况，或需要更换刀具时，施工人员必须冒着人身安全的极大风险，从人舱开仓接近刀盘。为了确保施工人员开仓的安全，目前采用地层加固或者建立泥膜以稳定掌子面，但由于地下工程的不确定因素，使得掌子面失稳造成开仓作业失败乃至作业人员伤亡的恶性事故仍有发生。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于盾构机常压开仓作业稳定掌子面的装置，提高盾构机常压开仓作业的安全性。
本发明通过以下技术方案予以实现：
一种用于盾构机常压开仓作业稳定掌子面的装置，包括数个扇形气囊，所述扇形气囊嵌入刀盘的相邻刀杆之间的空挡中，扇形气囊的平面形状与两相邻刀杆之间的扇形空挡匹配，扇形气囊的厚度与刀盘厚度相等，扇形气囊的输气管旁接压力传感器；扇形气囊背离盾构机掘进面的一侧设有反土冲力机构，所述反土冲力机构沿扇形径向间隔设置在扇形气囊一侧的两相邻刀杆之间，包括径向杆和位于径向杆两端的固定半环，所述径向杆两端分别与圆环固定连接，固定半环上部分别与对应的圆环铰接，固定半环的底部分别垂直固定在相邻的刀杆上。
本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现。
进一步的，所述扇形气囊内的气压和盾构机掘进掌子面的水平侧压力动态平衡，所述气压P=0.15～0.40Mpa。
进一步的，所述扇形气囊采用双层PVC薄膜制成，在双层PVC薄膜之间夹有碳素纤维布。
进一步的，所述压力传感器的测压范围为：0.10～2.0Mpa。
一种用于盾构机常压开仓作业稳定掌子面装置的装拆方法，包括以下步骤：
1）扇形气囊安装就位
将未充气的扇形气囊依次放入两相邻刀杆的扇形空挡处，逐个填满空挡；
2）扇形气囊充气成形
先根据掌子面处的水土压力设定所需的充气压力，启动气泵，开启充气阀门，将压缩空气通过输气管输入扇形气囊内，直至输气管旁接的气压表指示扇形气囊气压已达到所需的充气压力；压力传感器将气压信号转换成电信号传递给PLC，PLC发讯，气泵停机，压缩空气停止输入；在常压开仓作业过程中，当压力传感器检测到扇形气囊气压低于设定压力值时，PLC发讯启动气泵，将压缩空气再次输进扇形气囊中，如此往复，使得扇形气囊的气压与盾构机面的水平侧压力保持动态平衡；
3）安装反土冲力机构
按照扇形气囊的平面形状，从靠近盾构机主轴承处开始，间隔安装长度递增的各根径向杆；先将径向杆两端的圆环分别套入对应的固定半环中，接着将一个固定半环两端固定在一根刀杆的一侧上，再将另一个固定半环两端固定在相邻刀杆的一侧上，完成一根径向杆的安装；以此类推，逐根完成各径向杆的安装；
4）常压开仓作业完成后拆除扇形气囊
常压开仓作业完成后，PLC发讯反向启动气泵，抽出扇形气囊内的空气，扇形气囊排气结束后逐个拆除反土冲力机构，依次取出扇形气囊；拆除时，先拆除12点位置的扇形气囊以及其外侧的反土冲力机构，然后启动盾构机的刀盘，刀盘旋转将相邻位置的扇形气囊转动到12点位置后拆除，重复上述过程，完成拆除所有的扇形气囊。
进一步的，步骤2）中扇形气囊的气压大于盾构机掘进掌子面的水平侧压力0.02～0.06Mpa。
本发明结构简单，扇形气囊可重复使用，装拆非常方便。扇形气囊充满压缩空气后，填充了刀盘的相邻刀杆之间的开口区域，借助扇形气囊的摩擦力及反土冲力机构提供的支撑力，有效地支撑住掌子面。扇形气囊内的气压可根据掌子面处的水土压力来设定，并通过压力传感器的实时监测进行调节，达到稳固掌子面的效果。当掌子面不稳定时，亦不会发生突然垮塌，使得作业人员有足够的逃生时间，大大提高了盾构机常压开仓作业的安全性，避免发生作业人员伤亡的恶性事故。
本发明的优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释，这些实施例，是参照附图仅作为例子给出的。
附图说明
图1是盾构机的结构简图；
图2是盾构机的刀盘朝向迎土面一侧的结构示意图；
图3是是盾构机的刀盘背离迎土面一侧的结构示意图；
图4是扇形气囊的放大立体图；
图5是图3的Ⅰ部放大图；
图6是是图5的俯视图；
图7是图4的A-A剖视放大图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为用于隧道掘进的盾构机结构简图，其左端端面为用于开挖切削土体的刀盘10、刀盘10通过主轴承20支撑在盾壳30的左端内，在中盾40的中部上侧设有保护施工人员安全的人仓401，倾斜设置的排泥管或螺旋输送机50将刀盘10切削产生的土渣输送至盾尾60中，以便下一步处理。
如图2～图7所示，本发明的装置包括数个扇形气囊1，扇形气囊1嵌入刀盘10的相邻刀杆101之间空挡中，扇形气囊1的平面形状与两相邻刀杆101之间的扇形空挡匹配，扇形气囊1的厚度与刀盘10厚度相等，扇形气囊1的输气管2旁接用于检测扇形气囊1内气压的压力传感器21。
扇形气囊1背离盾构机掘进面的一侧设有反土冲力机构3，反土冲力机构3沿扇形径向间隔设置在嵌入扇形气囊1的两相邻刀杆101之间。其包括径向杆31和位于径向杆31两端的固定半环32，径向杆31两端分别焊有圆环311，本实施例的径向杆31采用Φ20mm的钢筋制成，圆环311和固定半环32均采用Φ16mm的钢筋制成。固定半环32上部分别与对应的圆环311铰接，固定半环32的底部分别垂直固定在相邻的刀杆101上。如图5和图6所示，本实施例的固定半环32一端拧入刀杆101，另一端点焊在刀杆101上，这样的结构便于拆除固定半环32。扇形气囊 1内的气压和盾构机掘进掌子面的水平侧压力动态平衡，气压P=0.15～0.40Mpa，可以有效地抵御掌子面压力，避免掌子面坍塌，确保施工人员维修刀盘10的安全。压力传感器21的测压范围为：0.10～2.0Mpa，完全满足扇形气囊1充气压力的需要。
如图7所示，扇形气囊1采用双层PVC薄膜11制成，在双层PVC薄膜11之间夹有碳素纤维布12，从而大大提高了扇形气囊1的强度，能在掌子面泥浆或岩土层恶劣环境下使用，提高了本发明的使用可靠性。
一种用于盾构机常压开仓作业稳定掌子面装置的装拆方法，包括以下步骤：
1）扇形气囊1安装就位
将未充气的扇形气囊1依次放入两相邻刀杆101的扇形空挡处，逐个填满空挡。
2）扇形气囊1充气成形
先根据掌子面处的水土压力设定所需的充气压力，启动气泵，开启充气阀门22，将压缩空气通过输气管2输入扇形气囊1内，直至输气管2旁接的气压表23指示扇形气囊1的气压已达到所需的充气压力，此时扇形气囊1的气压大于盾构机掘进掌子面的水平侧压力0.02～0.06Mpa，使得扇形气囊1能抵御住掌子面的水平侧压力，确保常压开仓作业的人员安全。压力传感器21将气压信号转成电信号传递给PLC，PLC发讯，气泵停机，压缩空气停止输入。即可准备进行常压开仓作业。在常压开仓作业过程中，当压力传感器21检测到扇形气囊1的气压低于设定压力值时，PLC发讯启动气泵，将压缩空气再次输进扇形气囊1中，如此往复，使得扇形气囊1的气压与盾构机面的水平侧压力保持动态平衡。
3）安装反土冲力机构3
按照扇形气囊1的平面形状，从靠近盾构机主轴承处20开始，间隔安装长度递增的各根径向杆31。先将径向杆31两端的圆环311分别套入对应的固定半环32中，接着将一个固定半环32两端固定在一根刀杆101的一侧上，再将另一个固定半环32两端固定在相邻刀杆101的一侧上，完成一根径向杆31的安装。以此类推，逐根完成各径向杆31的安装。
4）常压开仓作业完成后拆除扇形气囊1
常压开仓作业完成后，PLC发讯反向启动气泵，抽出扇形气囊1内的空气，扇形气囊1排气结束后逐个拆除反土冲力机构3，依次取出扇形气囊1。拆除时，先拆除12点位置的扇形气囊1以及其外侧的反土冲力机构3，然后启动盾构机的刀盘10，刀盘10旋转将相邻位置的扇形气囊1转动到12点位置后拆除，重复上述过程，完成拆除所有的扇形气囊1。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。
Claims (6)
1.一种用于盾构机常压开仓作业稳定掌子面的装置，其特征在于，包括数个扇形气囊，所述扇形气囊嵌入刀盘的相邻刀杆之间的空挡中，扇形气囊的平面形状与两相邻刀杆之间的扇形空挡匹配，扇形气囊的厚度与刀盘厚度相等，扇形气囊的输气管旁接压力传感器；扇形气囊背离盾构机掘进面的一侧设有反土冲力机构，所述反土冲力机构沿扇形径向间隔设置在扇形气囊一侧的两相邻刀杆之间，包括径向杆和位于径向杆两端的固定半环，所述径向杆两端分别与圆环固定连接，固定半环上部分别与对应的圆环铰接，固定半环的底部分别垂直固定在相邻的刀杆上。
2.如权利要求1所述的用于盾构机常压开仓作业稳定掌子面的装置，其特征在于，所述扇形气囊内的气压和盾构机掘进掌子面的水平侧压力动态平衡，所述气压P=0.15～0.40Mpa。
3.如权利要求1所述的用于盾构机常压开仓作业稳定掌子面的装置，其特征在于，所述扇形气囊采用双层PVC薄膜制成，在双层PVC薄膜之间夹有碳素纤维布。
4.如权利要求1所述的用于盾构机常压开仓作业稳定掌子面的装置，其特征在于，所述压力传感器的测压范围为：0.10～2.0Mpa。
5.一种如权利要求1所述的用于盾构机常压开仓作业稳定掌子面的装置的装拆方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）扇形气囊安装就位
将未充气的扇形气囊依次放入两相邻刀杆的扇形空挡处，逐个填满空挡；
2）扇形气囊充气成形
先根据掌子面处的水土压力设定所需的充气压力，启动气泵，开启充气阀门，将压缩空气通过输气管输入扇形气囊内，直至输气管旁接的气压表指示扇形气囊气压已达到所需的充气压力；压力传感器将气压信号转换成电信号传递给PLC，PLC发讯，气泵停机，压缩空气停止输入；在常压开仓作业过程中，当压力传感器检测到扇形气囊气压低于设定压力值时，PLC发讯启动气泵，将压缩空气再次输进扇形气囊中，如此往复，使得扇形气囊的气压与盾构机面的水平侧压力保持动态平衡；
3）安装反土冲力机构
按照扇形气囊的平面形状，从靠近盾构机主轴承处开始，间隔安装长度递增的各根径向杆；先将径向杆两端的圆环分别套入对应的固定半环中，接着将一个固定半环两端固定在一根刀杆的一侧上，再将另一个固定半环两端固定在相邻刀杆的一侧上，完成一根径向杆的安装；以此类推，逐根完成各径向杆的安装；
4）常压开仓作业完成后拆除扇形气囊
常压开仓作业完成后，PLC发讯反向启动气泵，抽出扇形气囊内的空气，扇形气囊排气结束后逐个拆除反土冲力机构，依次取出扇形气囊；拆除时，先拆除12点位置的扇形气囊以及其外侧的反土冲力机构，然后启动盾构机的刀盘，刀盘旋转将相邻位置的扇形气囊转动到12点位置后拆除，重复上述过程，完成拆除所有的扇形气囊。
6.如权利要求5所述的用于盾构机常压开仓作业稳定掌子面的装置的装拆方法，其特征在于，步骤2）中扇形气囊的气压大于盾构机掘进掌子面的水平侧压力0.02～0.06Mpa。
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