CN111608677A - 新型双模式tbm及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及盾构机技术领域，具体涉及一种新型双模式TBM及其控制方法，其中新型双模式TBM包括：盾体，所述盾体由前盾、中盾、后盾构成；所述前盾由壳体、隔板、主驱动连接座、螺旋输送机连接座、除尘通道连接口、连接法兰等焊接而成；所述中盾由连接法兰、两层隔板和米字梁构成，并通过螺栓与所述前盾连接；所述尾盾由铰接密封环、壳体、注浆管、油脂管和膨润土管组成；刀盘，所述刀盘通过法兰与主轴承内齿圈联接，电机提供的扭矩通过减速机、齿轮、主轴承内齿圈传递给所述刀盘，所述刀盘速度双向无级调节；本发明通过针对特定的地质特征设计的专用盾构设备并配合相应的操作方式，从而能够更好的完成地下盾构任务。

Description

新型双模式TBM及其控制方法

技术领域

本发明涉及盾构机技术领域，具体涉及一种新型双模式TBM及其控制方法。

背景技术

在全断面中风化砂岩地层盾构掘进过程中，由于不能充分利用岩体原有的节理裂隙破碎岩石，破岩需完全依靠滚刀压痕破裂岩体，破岩过程中产生和扩展裂纹需要更多的能量，从而对刀盘、刀具破岩能力要求相对较高，因此需要针对该地质特点设计相应的盾构设备。

发明内容

本发明提供新型双模式TBM及其控制方法，通过针对特定的地质特征设计的专用盾构设备并配合相应的操作方式，从而能够更好的完成地下盾构任务。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种新型双模式TBM，其特征在于包括：盾体，所述盾体由前盾、中盾、后盾构成；所述前盾由壳体、隔板、主驱动连接座、螺旋输送机连接座、除尘通道连接口、连接法兰等焊接而成；所述前盾设计为锥形，并在前部焊有耐磨层；所述前盾的土压仓内隔墙上设有多个搅拌棒，所述搅拌棒强制搅拌渣土和添加材料，用于增加和易性；所述搅拌棒表面用耐磨焊条网状堆焊，增加耐磨性；所述前盾上部左右分别设置各一个油缸伸靴方式的稳定器，用于在掘进过程中支撑在径向开挖面上随盾体向前移动；所述稳定器与盾体底部及开挖面的接触点一起形成三角形支撑结构；所述中盾由连接法兰、两层隔板和米字梁构成，并通过螺栓与所述前盾连接；所述中盾的壳体圆周上半部设计多根超前注浆管，用于对地质进行注浆加固；所述尾盾由铰接密封环、壳体、注浆管、油脂管和膨润土管组成；所述尾盾与所述中盾之间采用被动铰接形式，并且结合部位并列设有橡胶密封和紧急气囊密封；刀盘，所述刀盘通过法兰与主轴承内齿圈联接，电机提供的扭矩通过减速机、齿轮、主轴承内齿圈传递给所述刀盘，所述刀盘速度双向无级调节；所述刀盘的旋转驱动部分通过高强度联接螺栓安装在前盾的前端；所述刀盘的钢结构主要由六个主刀梁辅以小面板和六个溜渣板及外圈梁组成；前面板和大圆环表面贴焊耐磨复合钢板保护所述刀盘本体；所述刀盘还包括中心双联滚刀，单刃滚刀，刮刀，刮板，大圆环保护刀，超挖刀；螺旋输送机，所述螺旋输送机安装在前盾的底部，所述螺旋输送机设有两道下出渣闸门，用于据掘进速度在主控室控制闸门的开启度；主机皮带机，所述主机皮带机由接料段和出料段构成，所述接料段于主机内，所述出料段布置在主管片机梁上。

优选的，一种用于权利要求1中所述新型双模式TBM的控制方法,其特征在于，包括如下步骤：步骤一、启动皮带输送机；步骤二、启动刀盘；步骤三、启动螺旋输送机；步骤四、启动掘进，并通过推进油缸8的压力值，逐渐增大推进系统的整体掘进速度；步骤五、完成启动步骤，进入正式掘进作业。

优选的，所述步骤二中，根据导向系统所显示的盾构旋转状态，选择刀盘的旋转方向，用于对盾构的旋转进行反向纠正；所述刀盘缓慢启动，并保持在值班工程师所要求的限定值。

优选的，所述步骤三中，先慢慢的开启螺旋输送机的后仓门，再启动螺旋输送机按钮，并逐渐增大螺旋输送机的转速。

优选的，所述步骤四中，先让刀盘旋转并确实接触开挖面后，再慢慢调整掘进速度。

优选的，所述步骤五中，当盾构机滚动偏差超过2度时，停止掘进，将刀盘转速旋钮调至最小，重新选择刀盘转向，再次启动掘进，并逐渐增大刀盘转速。

本发明有益效果为：前盾设计为锥形，并在前部焊有耐磨层，增加耐磨性。土压仓内隔墙上的搅拌棒强制搅拌渣土和添加材料，增加和易性。开挖仓内配置了5个土压传感器，可将压力信号传给PLC并直观的显示在主控室内的显示屏上。稳定器与盾体底部与开挖面的接触点一起形成三角形支撑结构，伸靴的油缸可以吸收主机传来的振动，对刀盘振动形成半刚性约束，可有效减少刀盘的振动。同时由于增加了约束点，增大了盾体与开挖面的摩擦力以获得较大的反扭矩，减少盾体由于刀盘扭矩引起的滚转速率。中盾和盾尾之间采用被动铰接形式，设计有两道密封，一道为橡胶密封，一道为紧急气囊密封。在异常情况下，或者橡胶密封需要更换时，使用紧急气囊密封。在密封环端部设置压紧块，在压紧块和橡胶密封之间设置挡条，在端部利用调节螺栓使挡条压紧橡胶密封。压紧的程度可用拧动螺栓进行调整。中盾壳体圆周上半部设计10根超前注浆管，下部4根超前注浆管。还在前盾压力隔板上布置了6个铰接式和1个固定式超前注浆接口，可对地质进行注浆加固。刀盘设有渣土改良喷口，为单向结构，背部配有疏通管路。在敞开模式掘进时需要将小回转接头转子与刀盘固定，定子与溜渣槽固定，用于传输驱动超挖刀油缸的液压油。在土压平衡模式掘进时通过大回转接头，渣土改良用的泡沫、膨润土或水被送到刀盘前面的喷口，超挖刀的动力供应也是通过小回转接头来进行。螺旋输送机设有两道下出渣闸门，可根据掘进速度在主控室控制闸门的开启度，通过调节排土量来实现土塞效应，形成良好的排土止水效果，在土压平衡模式掘进时，可起到调节土仓土压力的作用。另外预留保压泵接口，发生喷涌时，及时关闭闸门，接保压泵调节土仓压力。当发生螺旋轴卡住现象，可以通过控制液压马达正反转来摆脱。必要时可打开设置在螺旋输送机筒体上的观察窗门来对壳体内部进行清理。螺旋机前闸门位于土仓内，通过液压油缸来实现闸门的开启和关闭。突然断电时，后闸门会自动关闭，以防止喷涌。

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为本发明螺旋传送机状态的盾体纵剖图；

图2为本发明螺旋传送机状态的盾体横剖图；

图3为本发明皮带机状态的盾体纵剖图；

图4为本发明皮带机状态的盾体横剖图；

图5为本发明中盾与尾盾连接部位密封结构图；

图6为本发明TBM控制方法。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，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作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。

实施例一：

根据图1、图2、图3、图4、图5所示，一种新型双模式TBM，包括前盾22由壳体、隔板、主驱动5连接座、螺旋输送机20连接座、除尘通道11连接口、连接法兰等焊接而成。

前盾22设计为锥形，并在前部焊有耐磨层，增加耐磨性。为了改善渣土的流动性，土压仓内隔墙上设有两个搅拌棒，搅拌棒强制搅拌渣土和添加材料，增加和易性。土仓4个专用改良通道，其中两个搅拌棒注泡沫，另两个注膨润土，搅拌棒中间有一个用于注入添加材料的通孔，搅拌棒表面用耐磨焊条网状堆焊，增加耐磨性。开挖仓内配置了5个土压传感器16，可将压力信号传给PLC并直观的显示在主控室内的显示屏上。前盾22上部左右分别设置各一个油缸伸靴方式的稳定器3，掘进时伸出支撑在径向开挖面上随盾体4向前移动。稳定器3与盾体4底部与开挖面的接触点一起形成三角形支撑结构，伸靴的油缸可以吸收主机传来的振动，对刀盘1振动形成半刚性约束，可有效减少刀盘1的振动。同时由于增加了约束点，增大了盾体4与开挖面的摩擦力以获得较大的反扭矩，减少盾体4由于刀盘1扭矩引起的滚转速率。隔板上一个电液通道和一个水气通道，当维修人员进入土压仓内维修刀盘1或者更换刀具时，电液通道给土压仓内提供低压照明电源和焊接电源,水气通道给土压仓内提供切割部件所需的氧气和乙炔以及人员应急呼吸的新鲜空气。此外，隔板上还设有一个除尘通道11为主机皮带机7模式使用时布置风管10。另外隔板也开有保压孔、进水孔、排水孔等，盾壳壁上设有6个膨润土接口。

中盾21和前盾22之间采用螺栓连接，中盾21主要由连接法兰、两层隔板和米字梁组成。中盾21和尾盾23之间采用被动铰接形式，设计有两道密封，一道为橡胶密封，一道为紧急气囊密封26。正常情况下，橡胶密封起作用。在异常情况下，或者橡胶密封需要更换时，使用紧急气囊密封26。在密封环端部设置压紧块24，在压紧块24和橡胶密封之间设置挡条，在端部利用调节螺栓使挡条压紧橡胶密封。压紧的程度可用拧动螺栓进行调整。

中盾21壳体圆周上半部设计10根超前注浆管14，下部4根超前注浆管14。还在前盾22压力隔板上布置了6个铰接式和1个固定式超前注浆接口，可对地质进行注浆加固。

尾盾23由铰接密封25、壳体、注浆管17、油脂管18和膨润土管组成。所有注浆管17及油脂管18路都为内置式。每根注浆管17均设置有观察孔，利于管路保护、清洗、维修。注浆管17共10根，其中6根备用。油脂管18共12根，通向两个尾刷密封室。尾盾23密封由三排密封刷组成，防止浆液漏进盾体4内部。在土压平衡状态时还有保持压力的作用。三排密封刷形成的两个环形空间内充满油脂，每个环形空间各由6根油脂管18注入。

刀盘1通过法兰与主轴承内齿圈联接，电机提供的扭矩通过减速机、齿轮、主轴承内齿圈传递给刀盘1。刀盘1速度双向无级调节。刀盘1钢结构主要由六个主刀梁辅以小面板和六个溜渣板13及外圈梁组成，前面板和大圆环表面贴焊耐磨复合钢板保护刀盘1本体。整体设计适用于土压平衡模式和敞开模式两种模式掘进，敞开模式掘进时需要焊接可拆卸溜渣板13和挡渣板，土压平衡模式时需要将其刨除，否则会与螺旋输送机20产生干涉，并且需要在刀盘1背面增设主动搅拌棒，与前盾22上的被动搅拌棒一起对土仓内渣土进行搅拌。刀盘1设有渣土改良喷口，为单向结构，背部配有疏通管路。在敞开模式掘进时需要将中心回转接头19转子与刀盘1固定，定子与溜渣槽固定，用于传输驱动超挖刀油缸8的液压油。在土压平衡模式掘进时通过中心回转接头19，渣土改良用的泡沫、膨润土或水被送到刀盘1前面的喷口，超挖刀的动力供应也是通过中心回转接头19来进行。中心回转接头19主要分为回转部分-转子与固定部分-定子，定子通过法兰连接在主驱动5上，不能转动，转子则通过中间过渡件与刀盘1连接，随刀盘1一起转动。因刀盘1在土仓内无法观测其转动位置，在中心回转接头19尾部安装旋转编码器，工地调试期间通过校正，使得刀盘1位置与主控室显示位置一致，进洞后就可通过主控室面板画面实时监测刀盘1位置，在对应刀盘1开口位置即可进行超前钻等工作。

刀盘1的刀具配备有中心双联滚刀，单刃滚刀，刮刀，刮板，大圆环保护刀，超挖刀。中心滚刀数量6把，滚刀刀圈尺寸17寸。单刃滚刀数量38把，滚刀刀圈尺寸17寸。刮刀结构分为刀体、硬质合金和耐磨层。刮刀通过螺栓与刀座进行连接，刮刀背部有与刀座连接的台阶，台阶可以承受刀具的轴向推力，避免连接螺栓在工作中承受剪切力。在刀具背部的刀盘1面板上焊接有刀具保护块，保护快上焊接有与刀具材质相同的合金材料，保护块主要起到刀盘1工作中卵石等对刀具背部的冲击和磨损作用。刮板采用42CrMo表面焊接5mm耐磨层设计，滚刀切削下来的渣土通过刮板和溜渣板13运送至溜渣槽内，并通过皮带机将渣土输送出去。溜槽2直径2.2米，宽度0.97米，耐磨板厚度40mm，呈左右对称布置。溜槽2整体为分块设计，可便于模式转换过程中拆卸。刀盘1驱动通过高强度联接螺栓安装在前盾22上面，为刀盘1提供扭矩。

螺旋输送机20安装在前盾22的底部，螺旋输送机20采用对止水性更为有利的有轴螺旋机，最大通过粒径为Φ340×560mm，螺旋机筒体内径φ900mm，出渣能力为440m3/h，驱动采用中心驱动，其圆周设有膨润土或泡沫的注入孔。螺旋输送机20设有两道下出渣闸门，可根据掘进速度在主控室控制闸门的开启度，通过调节排土量来实现土塞效应，形成良好的排土止水效果，在土压平衡模式掘进时，可起到调节土仓土压力的作用。另外预留保压泵接口，发生喷涌时，及时关闭闸门，接保压泵调节土仓压力。当发生螺旋轴卡住现象，可以通过控制液压马达正反转来摆脱。必要时可打开设置在螺旋输送机20筒体上的观察窗门来对壳体内部进行清理。设置伸缩油缸12，油缸行程900mm，设有土压传感器162个，渣土改良口9个，观察窗3个，螺旋轴及叶片外圆焊有耐磨合金块及耐磨层。前闸门螺旋机前闸门位于土仓内，通过液压油缸来实现闸门的开启和关闭。后闸门突然断电时，后闸门会自动关闭，以防止喷涌。后闸门必须定期手动注脂以保证其正常工作。螺旋输送机20仅在土压平衡模式时使用，使用主机皮带机7模式时需拆除。

主机皮带机7分两段组成，接料段位于主机内，出料段布置在主管片机9梁上，输送总长度12.5米，输送高度1.2米，带宽900mm，驱动形式为液压滚筒驱动，张紧形式为液压张紧，张紧行程为400mm。主机皮带机7具备的功能主要有：满足换刀时主机皮带机7接料段后退800mm、防止土仓内尘土向主机扩散、刮渣、急停，张紧等功能。主机皮带机7仅在主机皮带机7模式使用，螺旋机模式时需拆除。皮带输送机将螺旋机排出的渣土带到后配套编组列车的渣车上。

实施例二：

根据图6，一种用于权利要求1中所述新型双模式TBM的控制方法,其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、启动主机皮带机7；

步骤二、启动刀盘1；

步骤三、启动螺旋输送机20；

步骤四、启动掘进，并通过推进油缸8的压力值，逐渐增大推进系统的整体掘进速度；

步骤五、完成启动步骤，进入正式掘进作业。

所述步骤二中，根据导向系统所显示的盾构旋转状态，选择刀盘1的旋转方向，用于对盾构的旋转进行反向纠正；所述刀盘1缓慢启动，并保持在值班工程师所要求的限定值。

所述步骤三中，先慢慢的开启螺旋输送机20的后仓门，再启动螺旋输送机20按钮，并逐渐增大螺旋输送机20的转速。

所述步骤四中，先让刀盘1旋转并确实接触开挖面后，再慢慢调整掘进速度。

所述步骤五中，当盾构机滚动偏差超过2度时，停止掘进，将刀盘1转速旋钮调至最小，重新选择刀盘1转向，再次启动掘进，并逐渐增大刀盘1转速。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种新型双模式TBM，其特征在于包括：

盾体，所述盾体由前盾、中盾、后盾构成；所述前盾由壳体、隔板、主驱动连接座、螺旋输送机连接座、除尘通道连接口、连接法兰等焊接而成；所述前盾设计为锥形，并在前部焊有耐磨层；所述前盾的土压仓内隔墙上设有多个搅拌棒，所述搅拌棒强制搅拌渣土和添加材料，用于增加和易性；所述搅拌棒表面用耐磨焊条网状堆焊，增加耐磨性；所述前盾上部左右分别设置各一个油缸伸靴方式的稳定器，用于在掘进过程中支撑在径向开挖面上随盾体向前移动；所述稳定器与盾体底部及开挖面的接触点一起形成三角形支撑结构；所述中盾由连接法兰、两层隔板和米字梁构成，并通过螺栓与所述前盾连接；所述中盾的壳体圆周上半部设计多根超前注浆管，用于对地质进行注浆加固；所述尾盾由铰接密封环、壳体、注浆管、油脂管和膨润土管组成；所述尾盾与所述中盾之间采用被动铰接形式，并且结合部位并列设有橡胶密封和紧急气囊密封；

刀盘，所述刀盘通过法兰与主轴承内齿圈联接，电机提供的扭矩通过减速机、齿轮、主轴承内齿圈传递给所述刀盘，所述刀盘速度双向无级调节；所述刀盘的旋转驱动部分通过高强度联接螺栓安装在前盾的前端；所述刀盘的钢结构主要由六个主刀梁辅以小面板和六个溜渣板及外圈梁组成；前面板和大圆环表面贴焊耐磨复合钢板保护所述刀盘本体；所述刀盘还包括中心双联滚刀，单刃滚刀，刮刀，刮板，大圆环保护刀，超挖刀；

螺旋输送机，所述螺旋输送机安装在前盾的底部，所述螺旋输送机设有两道下出渣闸门，用于据掘进速度在主控室控制闸门的开启度；

主机皮带机，所述主机皮带机由接料段和出料段构成，所述接料段于主机内，所述出料段布置在主管片机梁上。

2.一种用于权利要求1中所述新型双模式TBM的控制方法,其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、启动皮带输送机；

步骤二、启动刀盘；

步骤三、启动螺旋输送机；

步骤四、启动掘进，并通过推进油缸8的压力值，逐渐增大推进系统的整体掘进速度；

步骤五、完成启动步骤，进入正式掘进作业。

3.根据权利要求2所述的新型双模式TBM及其控制方法，其特征在于：所述步骤二中，根据导向系统所显示的盾构旋转状态，选择刀盘的旋转方向，用于对盾构的旋转进行反向纠正；所述刀盘缓慢启动，并保持在值班工程师所要求的限定值。

4.根据权利要求2所述的新型双模式TBM及其控制方法，其特征在于：所述步骤三中，先慢慢的开启螺旋输送机的后仓门，再启动螺旋输送机按钮，并逐渐增大螺旋输送机的转速。

5.根据权利要求2所述的新型双模式TBM及其控制方法，其特征在于：所述步骤四中，先让刀盘旋转并确实接触开挖面后，再慢慢调整掘进速度。

6.根据权利要求2所述的新型双模式TBM及其控制方法，其特征在于：所述步骤五中，当盾构机滚动偏差超过2度时，停止掘进，将刀盘转速旋钮调至最小，重新选择刀盘转向，再次启动掘进，并逐渐增大刀盘转速。

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