CN112211642A - 一种可变径盾体及变径方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变径盾体及变径方法，可变径盾体包括中心框架和可拼接成环的分块外壳，分块外壳通过伸缩件连接在中心框架的外周，相邻两个分块外壳之间设有密封结构，实现变径的灵活操作同时确保密封性。本发明相邻两个分块外壳之间设有密封结构，既便于相邻两个分块相对滑动变径，又能确保盾体周向密封性，减少岩土碎屑进入盾体。本发明密封结构搭接处设有冲渣机构，通过向主管内通入压缩气体或高压水，对盾体回收时位于搭接部位的岩土冲洗，避免盾体回缩受阻，同时降低密封结构的磨损。

Description

一种可变径盾体及变径方法

技术领域

本发明涉及盾构机技术领域，特别是指一种可变径盾体及变径方法。

背景技术

在山岭隧道盾构掘进施工过程中，常出现围岩挤压变形而产生的卡盾现象；不同等级围岩的应力释放和变形性能有所差异，围岩较好的地段应力释放较快，变形较小，适合及时支护，而围岩较差的地段应力释放较慢，变形较大，适合缓后支护，此时适当超挖有利于提高支护的经济性。因此，可变径的盾体在山岭隧道中应用前景广泛。

而现有技术中如申请公布号为CN 108286440 A的一种新型复合防卡单护盾TBM及其施工方法刀盘安装在前盾体的前部，后盾体安装在前盾体的后部，所述前盾体包括上前盾和下前盾，后盾体包括上后盾和下后盾，上前盾和下前盾通过第一举升油缸相连接，上前盾通过第二举升油缸与主驱动相连接，下前盾通过第三举升油缸与主驱动相连接；上后盾和下后盾分别通过第四举升油缸、第五举升油缸及变径油缸相连接；下后盾的前端通过铰接油缸与主驱动相连接，下后盾的后端通过复合油缸与主驱动相连接，上后盾和下后盾内部均设有用于顶紧管片的推进油缸。该盾体的变径是通过上下盾体的相对运动实现的，变径盾体的变径范围有限，主要针对护盾式TBM主机较长，在大变形、断裂破碎带地层掘进时，卡机风险大的问题。且其变径盾体变径过程中密封性差，对于渣土不易清除，因此，提供一种具有密封性好、灵活性高的变径盾体很有必要。

发明内容

针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种可变径盾体及变径方法，用以解决上述技术问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种可变径盾体，包括中心框架和可拼接成环的分块外壳，分块外壳通过伸缩件连接在中心框架的外周，相邻两个分块外壳之间设有密封结构，便于变径的灵活操作同时确保密封性。

优选地，所述密封结构包括盖板，盖板的一端固定在分块外壳上、另一端搭接在相邻分块外壳上，盖板对相邻两个分块外壳之间的间隙进行遮挡。

优选地，所述密封结构包括上凸条板和下凹槽板，上凸条板和下凹槽板分别设置在分块外壳的两端，上凸条板与相邻分块外壳的下凹槽板搭接配合。

优选地，所述密封结构包括外柔性体和内支撑体，外柔性体和内支撑体分别设置在相邻两个分块外壳的两端，外柔性体在内支撑体的上部，外柔性体和内支撑体搭接且紧密贴合。

优选地，所述外柔性体伸出相应的分块外壳端部，且外柔性体与设置在内支撑体外侧的定位槽相配合，保证所述外柔性体与分块外壳的外侧面齐平，提高密封性。

优选地，密封结构处连接有冲渣机构。冲渣机构包括冲渣孔，冲渣孔通过支管与设置在相应分块外壳内的主管连通。通过向主管内通入压缩气体或高压水，对外柔性体和内支撑体之间的渣土进行清除。为提高分块外壳的刚性，在所述分块外壳的内侧壁上设有肋板，在分块外壳内侧设置的限位块与对应的伸缩件相连，保证了扩径盾体的形状。所述中心框架为多边形架，伸缩件为伸缩油缸，伸缩油缸布设多边形架外侧，通过伸缩油缸的伸缩带动分块外壳沿径向运动，实现盾体变径。

一种可变径盾体的变径方法，步骤如下：包括盾体由小径变大径和盾体由大径变小径两个过程；其中，盾体由小径变大径的步骤如下：

A1：伸缩件向外伸出，带动分块外壳向外逐渐扩张，相邻两个分块外壳之间的间隙逐渐增大，密封结构对间隙的遮盖范围逐渐增大；

A2：伸缩件向外伸出至最长状态，分块外壳伸出形成最大环体；相邻两个分块外壳之间的间隙达到最大，密封结构对间隙的遮盖范围达到最大，盾体处于最大盾径状态；

A3：在步骤A1和步骤A2中，密封结构始终对相邻两个分块外壳之间的间隙进行密封；

盾体由大径变小径的步骤如下：

S1：伸缩件向内回收，带动分块外壳向内逐渐收合，相邻两个分块外壳之间的间隙逐渐减小，密封结构对间隙的遮盖范围逐渐减小；

S2：伸缩件向内收回至最短状态，分块外壳收合形成最小环体，盾体处于最小盾径状态；

S3：在步骤S1和S2中，密封结构始终对相邻两个分块外壳之间的间隙进行密封。

在盾体由大径变小径的运动过程中，向设置在分块外壳内的主管通入压缩气体或高压水，压缩气体或高压水经设置在分块外壳上且与密封结构相对应处的冲渣孔喷出，对盾体回收时位于搭接部位的岩土进行冲洗。

本发明盾体采用分块外壳设计，并通过伸缩件与中心框架连接，可实时变径，施工方式灵活，变径范围大且能保证形状不发生明显变化，保证盾体整体完整性。相邻两个分块外壳之间设有密封结构，密封结构的搭接配合，既便于相邻两个分块相对滑动变径，又能确保盾体周向密封性，减少岩土碎屑进入盾体。本发明密封结构搭接处设有冲渣机构，通过向主管内通入压缩气体或高压水，对盾体回收时位于搭接部位的岩土冲洗，避免盾体回缩受阻，同时降低外柔性体和内支撑体之间的磨损。本发明结构设计巧妙，分块设计，变径范围大，适用于不同盾构施工工况，提高掘进效率和施工安全系数，具有较高的推广价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例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为本发明盾体最小状态时的结构侧视图；

图2为本发明盾体最大状态时的结构侧视图；

图3为本发明盾体最大状态时的盾体内侧图；

图4为图1中A局部放大图；

图5为图2中B局部放大图；

图6为图5中盾体内侧局部示意图；

图7为图5中盾体外侧局部示意图；

图8为实施例4中密封结构示意图；

图9为实施例5中密封结构示意图。

图中：1为分块外壳，2为肋板，3为伸缩件，4为中心框架，5为外柔性体，51为上凸条板，52为凹槽板，5a为盖板，6为主管，7为支管，8为限位块，9为内支撑体，10为冲渣孔。

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付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1~3所示，实施例1，一种可变径盾体，包括中心框架4和可拼接成环的分块外壳1，盾体内各常规部件可搭载到框架上，优选地，中心框架4为多边形架或采用圆形，中心框架采用多边形架时，可采用四边形架或六边形架。中心框架处于周向密闭成环的状态，分块外壳1可根据需要设置多块，多块分块外壳能拼成完整的环形，如圆形、矩形或马蹄形。分块外壳1通过伸缩件3连接在中心框架4的外周，伸缩件伸缩带动分块外壳相对中心框架运动，进行沿径向伸缩实现快速、相对大范围内变径。相邻两个分块外壳1之间设有密封结构，密封结构的搭接配合，既便于相邻两个分块相对滑动变径，又能确保盾体整体的密封性。

进一步，所述密封结构包括外柔性体5和内支撑体9，外柔性体5位于内支撑体9的外部，外柔性体5和内支撑体9分别设置在分块外壳1的两端，外柔性体5与相邻分块外壳的内支撑体9搭接且紧密贴合。外柔性体具有一定的耐磨性和磁性，确保具有磁性的外柔性体和内支撑体始终处于紧密贴合状态，同时确保外柔性体的耐磨性。

进一步，所述外柔性体5可采用加筋橡胶，内支撑体9可采用钢材，外柔性体5的一端与相应分块外壳固定连接、另一端伸出相应的分块外壳1端部，且外柔性体5与设置在内支撑体9外侧的定位槽相配合，实现紧密搭接状态下所述外柔性体5与分块外壳1的外侧面齐平，确保盾体周向的密闭性，减少岩土碎屑进入盾体。

如图4~7所示，实施例2，一种可变径盾体，密封结构处设有冲渣机构，所述冲渣机构包括设置在内支撑体9上的若干个冲渣孔10，冲渣孔10通过支管7与设置在相应分块外壳1内的主管6连通，支管内嵌在分块外壳内且与冲渣孔一一对应。同一部位的支管连接到同一个主管上，主管内可通压缩气体或高压水，用于冲洗盾体回收时位于搭接部位的岩土，避免盾体回缩受阻。

进一步，为提高外壳刚度在分块外壳1的内侧壁上设有肋板2，在分块外壳内侧设置的限位块8与对应的伸缩件相连，保证了扩径盾体的形状。肋板和限位块的数量根据需要选择。优选地，本实施例中的中心框架采用正六边形框架，伸缩件3为伸缩油缸，伸缩油缸布设多边形架外侧。伸缩油缸布设多边形架外侧，每块分块外壳通过两个伸缩油缸与中心框架的外边连接，伸缩油缸沿径向伸缩，带动分块外壳运动，实现快速变径。其他结构与实施例1相同。

实施例3：一种如实施例2所述的可变径盾体的变径方法，盾体由小径变大径和盾体由大径变小径两个过程；盾体由小径变大径步骤如下：伸缩件3向外伸出，带动分块外壳1向外伸出形成最大环体；此时，密封结构的外柔性体5和内支撑体9密封搭接，且外柔性体5和内支撑体9处于最小搭接面状态，该状态下分块外壳组成的环形盾体周向仍保持整环状态和良好密封性，减少岩土碎屑进入盾体。

盾体由大径变小径步骤如下：伸缩件3向内回收，带动分块外壳1向内收合形成最小环体，此时，密封结构的外柔性体5和内支撑体9密封搭接，且外柔性体5和内支撑体9的搭接面积处于最大搭接面状态，分块外壳组成的环形盾体周向保持整环状态和良好密封性，减少岩土碎屑进入盾体。

在盾体由大径变小径运动过程中，向设置在分块外壳1内的主管6通入压缩气体或高压水，压缩气体或高压水经设置在内支撑体9上的冲渣孔10喷出，对盾体回收时位于搭接部位的岩土进行冲洗，避免盾体回缩受阻，同时减少外柔性体5和内支撑体9之间的磨损。

如图8所示，实施例4，一种可变径盾体，所述密封结构包括盖板5a，盖板5a的一端固定在分块外壳1上、另一端搭接在相邻分块外壳1上，为保证盾体的平整，即相邻分块外壳的端部设有凹槽，盖板配合在凹槽内，冲渣机构的冲渣孔10设置在凹槽内。盖板5a对相邻两个分块外壳1之间的间隙进行遮挡。盖板具有一定的强度，防止变径过程中渣土从相邻两个分块外壳1之间的间隙进入盾体内，盖板具有一定弧度，便于与相邻分块外壳贴合，保证盾体整体的完整性。

上述可变径盾体的变径方法，包括盾体由小径变大径和盾体由大径变小径两个过程；盾体由小径变大径的步骤如下A1：伸缩件3向外伸出，带动分块外壳1向外逐渐扩张，相邻两个分块外壳1之间的间隙逐渐增大，盖板对间隙的遮盖范围逐渐增大；

A2：伸缩件3向外伸出至最长状态，分块外壳1伸出形成最大环体；相邻两个分块外壳1之间的间隙达到最大，盖板5a对间隙的遮盖范围达到最大，盾体处于最大盾径状态；

A3：在步骤A1和步骤A2中，盖板始终对相邻两个分块外壳1之间的间隙进行密封；不管盾体出于最大盾径状态还是出于最小盾径状态，盖板始终能对相邻两个分块外壳之间的间隙进行密封，始终确保盾体完整性和密封性。

盾体由大径变小径的步骤如下：

S1：伸缩件3向内回收，带动分块外壳1向内逐渐收合，相邻两个分块外壳1之间的间隙逐渐减小，盖板对间隙的遮盖范围逐渐减小；

S2：伸缩件3向内收回至最短状态，分块外壳1收合形成最小环体，盾体处于最小盾径状态；即相邻分块外壳之间周向贴合，两者之间的间隙最小。

S3：在步骤S1和S2中，密封结构始终对相邻两个分块外壳1之间的间隙进行密封。

在盾体由大径变小径的运动过程中，向设置在分块外壳内的主管通入压缩气体或高压水，压缩气体或高压水经设置在分块外壳上且位于与盖板贴合处的冲渣孔喷出，对盾体回收时位于搭接部位的岩土进行冲洗。

如图9所示，实施例5，一种可变径盾体，所述密封结构包括上凸条板51和下凹槽板52，上凸条板51和下凹槽板52均为弧形盖板，上凸条板51为内侧面设有加强凸条的弧形盖板，下凹槽板52为外侧面设有凹槽的弧形盖板，加强凸条和凹槽均沿周向设置，便于相邻两个分块外壳进行变径。上凸条板51和下凹槽板52分别设置在分块外壳1的两端，上凸条板51与相邻分块外壳1的下凹槽板52搭接配合，变径过程中上凸条板51和下凹槽板52相对滑动，始终处于搭接状态，保证盾体整体的完整性。冲渣机构的冲渣孔10设置在下凹槽板处。

A1：伸缩件3向外伸出，带动分块外壳1向外逐渐扩张，相邻两个分块外壳1之间的间隙逐渐增大，上凸条板和下凹槽板相向运动，搭接重叠面积逐渐减小；

A2：伸缩件3向外伸出至最长状态，分块外壳1伸出形成最大环体；相邻两个分块外壳1之间的间隙达到最大，上凸条板和下凹槽板搭接重叠面积达到最小，盾体处于最大盾径状态；

A3：在步骤A1和步骤A2中，上凸条板和下凹槽板始终对相邻两个分块外壳1之间的间隙进行密封，确保盾体整体的完整性。

盾体由大径变小径的步骤如下：

S1：伸缩件3向内回收，带动分块外壳1向内逐渐收合，相邻两个分块外壳1之间的间隙逐渐减小，上凸条板和下凹槽相对收合，板搭接重叠面积逐渐增大；

S2：伸缩件3向内收回至最短状态，分块外壳1收合形成最小环体，盾体处于最小盾径状态；上凸条板和下凹槽完全收合。

S3：在步骤S1和S2中，密封结构始终对相邻两个分块外壳1之间的间隙进行密封。

在盾体由大径变小径的运动过程中，向设置在分块外壳内的主管通入压缩气体或高压水，压缩气体或高压水经设置在下凹槽板上的冲渣孔喷出，对盾体回收时位于搭接部位的岩土进行冲洗。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可变径盾体，其特征在于：包括中心框架（4）和可拼接成环的分块外壳（1），分块外壳（1）通过伸缩件（3）连接在中心框架（4）的外周，相邻两个分块外壳（1）之间设有密封结构。

2.根据权利要求1所述的可变径盾体，其特征在于：所述密封结构包括盖板（5a），盖板（5a）的一端固定在分块外壳（1）上、另一端搭接在相邻分块外壳（1）上，盖板（5a）对相邻两个分块外壳（1）之间的间隙进行遮挡。

3.根据权利要求1所述的可变径盾体，其特征在于：所述密封结构包括上凸条板（51）和下凹槽板（52），上凸条板（51）和下凹槽板（52）分别设置在分块外壳（1）的两端，上凸条板（51）与相邻分块外壳（1）的下凹槽板（52）搭接配合。

4.根据权利要求1所述的可变径盾体，其特征在于：所述密封结构包括外柔性体（5）和内支撑体（9），外柔性体（5）和内支撑体（9）分别设置在分块外壳（1）的两端，外柔性体（5）与相邻分块外壳（1）的内支撑体（9）搭接且紧密贴合。

5.根据权利要求4所述的可变径盾体，其特征在于：所述外柔性体（5）伸出相应的分块外壳（1）端部，且外柔性体（5）与设置在内支撑体（9）外侧的定位槽相配合；所述外柔性体（5）与分块外壳（1）的外侧面齐平。

6.根据权利要求2~5任一项所述的可变径盾体，其特征在于：所述密封结构处连接有冲渣机构。

7.根据权利要求6所述的可变径盾体，其特征在于：所述冲渣机构包括冲渣孔（10），冲渣孔（10）通过支管（7）与设置在相应分块外壳（1）内的主管（6）连通。

8.根据权利要求7所述的可变径盾体，其特征在于：所述分块外壳（1）的内侧壁上设有肋板（2）和限位块（8）。

9.根据权利要求1~5、7、8任一项所述的可变径盾体，其特征在于：所述中心框架（4）为多边形架，伸缩件（3）为伸缩油缸。

10.一种如权利要求1或2或3或8可变径盾体的变径方法，其特征在于：包括盾体由小径变大径和盾体由大径变小径两个过程；其中，盾体由小径变大径的步骤如下：

A1：伸缩件（3）向外伸出，带动分块外壳（1）向外逐渐扩张，相邻两个分块外壳（1）之间的间隙逐渐增大，密封结构对间隙的遮盖范围逐渐增大；

A2：伸缩件（3）向外伸出至最长状态，分块外壳（1）伸出形成最大环体；相邻两个分块外壳（1）之间的间隙达到最大，密封结构对间隙的遮盖范围达到最大，盾体处于最大盾径状态；

A3：在步骤A1和步骤A2中，密封结构始终对相邻两个分块外壳（1）之间的间隙进行密封；

盾体由大径变小径的步骤如下：

S1：伸缩件（3）向内回收，带动分块外壳（1）向内逐渐收合，相邻两个分块外壳（1）之间的间隙逐渐减小，密封结构对间隙的遮盖范围逐渐减小；

S2：伸缩件（3）向内收回至最短状态，分块外壳（1）收合形成最小环体，盾体处于最小盾径状态；

S3：在步骤S1和S2中，密封结构始终对相邻两个分块外壳（1）之间的间隙进行密封；

在盾体由大径变小径的过程中，向设置在分块外壳（1）内的主管（6）通入压缩气体或高压水，压缩气体或高压水经设置在分块外壳（1）上且与密封结构相对应处的冲渣孔（10）喷出，对盾体回收时位于搭接部位的岩土进行冲洗。

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