CN112324460B - 一种旋转式连续掘进机及其基于螺旋管片的施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种旋转式连续掘进机及其基于螺旋管片的施工方法，解决了现有技术中掘进机掘进与管片安装不同步的问题。本发明旋转式连续掘进机包括盾体，所述盾体内设有回转机构，回转机构上设有轴向设置的支撑件，支撑件在圆周方向上呈螺旋分布且与螺旋管片相对应。优选地，所述回转机构包括固定在盾体尾部的驱动装置和转动设置在盾体尾部的回转环，回转环的中心轴线与盾体的中心轴线重合，驱动装置与回转环相连接带动回转环转动。本发明利用螺旋管片安装过程中自身可以产生前进位移的特点，配合回转机构带动的支撑件，可以实现管片安装与盾构机连续掘进的同步进行。支撑件在掘进过程中不需要重复地进行伸出、收缩动作，提高系统安全性。
Description
技术领域
本发明涉及隧道施工技术领域，特别是指一种旋转式连续掘进机及其基于螺旋管片的施工方法。
背景技术
掘进机是目前隧道及地下空间开发的关键设备之一，由于具有施工效率高、安全性好、施工效果优而被广泛应用。然而，受现有管片结构形式及施工方法的限制，掘进机施工过程中仍存在一定问题。如掘进机的掘进与管片的安装无法同步进行的问题，具体而言，即在进行管片安装时掘进机必须停止掘进，待管片安装完成后才可恢复掘进。专利文献CN107023306A记载了一种螺旋型装配式隧道结构，包括管片，所述管片在沿隧道环向具有与隧道内壁相匹配的弧度，所述管片的四个端面均为与相邻管片连接的连接面，并且所述管片垂直于隧道纵向的两个连接面为满足螺旋升角和螺距关系的螺旋面，所述管片的弧度和螺旋面使多块管片呈螺旋排列拼装形成隧道结构，并且拼装后的隧道结构能沿隧道纵向延伸。该专利文献还公开了一种螺旋型装配式隧道结构的施工方法，将需要开挖的整个隧道断面分为设置在断面外圈的外圈环向螺旋开挖区和设置在外圈内侧的内圈正向开挖区，施工时首先开挖外圈环向螺旋开挖区，在外圈环向螺旋开挖区上每开挖一个管片的空间，就安装一块管片，并在管片与隧道壁之间注浆充填，直到管片形成的螺旋型装配式隧道结构且向前推进至少一个整环，再对内圈正向开挖区进行开挖，依次循环。实施该施工方法工作效率低。而利用现有常规管片拼装的施工方法，拼装过程中掘进机需暂停掘进，待一整环装配式隧洞结构装配完毕后才能使掘进机继续掘进。这些传统的施工方法不仅严重影响了掘进机的掘进效率，还在一定程度上额外增加了人力成本、设备使用成本。因此，亟需新的管片结构形式或施工工法解决连续掘进与管片安装的同步进行问题。
发明内容
针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种旋转式连续掘进机及其基于螺旋管片的施工方法，解决了现有技术中掘进机掘进与管片安装不同步的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：一种旋转式连续掘进机，包括盾体，所述盾体内设有回转机构，回转机构上设有轴向设置的支撑件，支撑件在圆周方向上呈螺旋分布且与螺旋管片相对应。优选地，所述回转机构包括固定在盾体尾部的驱动装置和转动设置在盾体尾部的回转环，回转环的中心轴线与盾体的中心轴线重合，驱动装置与回转环相连接带动回转环转动。
优选地，所述回转环为大齿圈，大齿圈通过齿圈轴承与盾体转动连接，驱动装置的输出端设有小齿轮，小齿轮与大齿圈相啮合。所述支撑件沿回转环周向均匀分布，且相邻两个支撑件之间的圆周间隔大于单个螺旋管片的圆周弧长。
进一步，所述支撑件为伸缩柱，伸缩柱的自由端设有滚轮，滚轮位于同一螺旋线上，螺旋线方向与螺旋管片螺旋方向相同，施工状态下，滚轮与螺旋管片的轴向螺旋面滑动接触或滚动接触。
一种基于螺旋管片的旋转式连续掘进机的施工方法，步骤如下：S1：将掘进机吊运至始发井内，并在始发井内进行始发支护，形成螺旋反力支撑架；
S2：位于掘进机盾体尾部的支撑件顶撑在螺旋反力支撑架上；
S3：掘进机向前掘进的同时，对螺旋管片进行拼装，回转机构带动支撑件沿螺旋管片的轴向螺旋面进行连续顶推，实现管片的螺旋前进拼装和掘进机的连续掘进；
S4：重复步骤S3，直至掘进机完成整段隧道施工。
步骤S3的具体步骤如下：
S3.1：回转机构带动支撑件沿螺旋反力支撑架转动，推进掘进机向前掘进；
S3.2：支撑件通过转动为待拼装螺旋管片留出安装空间，然后通过拼装机对新的螺旋管片进行拼装，新螺旋管片拼装过程中，支撑件持续保持旋转；
S3.3：待新螺旋管片拼装完成之后，持续旋转的支撑件转至新螺旋管片的轴向螺旋端面，产生轴向顶推力。回转机构带动支撑件连续转动，新螺旋管片连续被拼装，支撑件连续产生轴向顶推，实现管片的螺旋前进拼装和掘进机的连续掘进；
S3.4：重复步骤S3.2~S3.3，完成后续螺旋管片的安装。
所述回转机构带动支撑件的转动速度与螺旋管片拼装的速度相匹配。
所述步骤S1中的螺旋反力支撑架的螺旋方向与螺旋管片的螺旋方向相同。
在掘进机进行掘进前，根据单个螺旋管片的轴向宽度、开挖直径确定支撑件伸出长度，当整个开挖直径不变且使用同一种固定轴向宽度的螺旋管片时，每个支撑件伸出的长度保持固定不变。
本发明利用螺旋管片安装过程中自身可以产生前进位移的特点，配合回转机构带动的支撑件，可以实现管片安装与盾构机连续掘进的同步进行。支撑件在掘进过程中不需要重复地进行伸出、收缩动作，在掘进时支撑件保持伸出的过程中，可通过机械方式锁死，较现有的液压油缸形式，可避免液压油泄露的风险，提高系统安全性，还可有效减小液压油的供应量，进而减小系统油箱尺寸，为掘进机创造更多的布局空间。
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为本发明未安装新螺旋管片状态示意图。
图2为本发明安装新螺旋管片后状态示意图。
图3为旋转式连续掘进机内部结构示意图。
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3所示，实施例1，一种旋转式连续掘进机，包括盾体1还包括相应的后配套、刀盘、出渣等其他系统，满足基础掘进机的正常掘进功能。所述盾体1内设有回转机构2，回转机构2上设有轴向设置的支撑件3，回转机构带动支撑件在盾体内转动，支撑件3在圆周方向上呈螺旋分布且与螺旋管片4相对应。支撑件伸出盾体，连续撑紧在螺旋管片上，借助螺旋管片的轴向的自前进位移，使掘进机连续向前掘进。当支撑件沿所在的螺旋管片端面转动到新螺旋管片的侧端面时，支撑件在管片上的作用点相对于上一作用点也会随新螺旋管片端面的前移而前移，作用点的前移会产生相应的前进推力，该推力为掘进机的掘进提供了前进动力，保证了盾体前部的刀盘可以紧紧压在掌子面上，实现对土层的连续有效切削。此外，该装置还可以实现掘进机管片拼装的同时，保持掘进机不停机地连续掘进，有效地解决了掘进过程中安装管片需停机的问题，提高了掘进效率，降低了施工成本。
进一步，所述回转机构2包括固定在盾体1尾部的驱动装置2-1和转动设置在盾体1尾部的回转环2-2，回转环2-2的中心轴线与盾体1的中心轴线重合，驱动装置2-1与回转环2-2相连接带动回转环2-2转动，驱动装置可采用电机+减速机的驱动装置，在驱动装置的作用下，回转环在盾体内转动，带动支撑件沿螺旋管片的轴向螺旋面转动，实现连续推进。根据需要驱动装置可设置一组也可设置多组。优选地，所述回转环2-2为大齿圈，大齿圈通过齿圈轴承2-3与盾体1转动连接，驱动装置2-1的输出端设有小齿轮2-4，小齿轮2-4与大齿圈相啮合，小齿轮通过轴承与固定在盾体内的支撑座转动连接，驱动装置的电机通过减速机实现降速，带动小齿轮，小齿轮通过内啮合带动大齿圈进行旋转，大齿圈外侧周向安装有轴承，便于大齿圈的转动。支撑件通过螺栓、法兰等连接方式固定在大齿圈周向，平行于掘进机水平轴线，跟随大齿圈进行转动。
进一步，所述支撑件3沿回转环2-2周向均匀分布，且相邻两个支撑件3之间的圆周间隔大于单个螺旋管片的圆周弧长。对于支撑件，考虑到其承受的推力大小及均匀性，应保证该组件沿盾体内部圆周均布，且数量最好不小于4组。每组支撑件可进行伸缩，伸缩动作可通过某种机械装置或液压、气动装置进行驱动，每组支撑件伸出的长度需根据单片螺旋管片的轴向宽度、开挖直径进行计算而定，当整个掘进过程中开挖直径不变且使用某一种固定轴向宽度的管片时，则每组支撑件伸出的长度应保持固定不变。优选地，所述支撑件3为伸缩柱或液压油缸，伸缩柱的自由端设有滚轮5，施工状态下，滚轮5与螺旋管片4的轴向螺旋面滑动接触或滚动接触，上述接触方式可以有效减小转动的阻力，保证了支撑件转动的顺滑性。滚轮5位于同一螺旋线上，螺旋线方向与螺旋管片螺旋方向相同，螺旋管片在不断拼装过程中，新拼装的管片相对于前一片管片会在轴向形成向前移动的新端面，故该管片依靠这种螺旋结构可以产生轴向的自前进位移，支撑件借助上述螺旋结构且配合自身螺旋结构，使转动速度须与管片拼装动作相匹配，并保证在支撑件旋转方向上，即将旋转至新安装管片区域的一组支撑件在转动至原管片边缘前完成下一片新螺旋管片的拼装。在支撑件转动至新螺旋管片轴向螺旋端面，且下一片新螺旋管片安装区域的空间符合上述安装空间时，可重复上述拼装过程进行下一片管片的安装；如此重复上述过程，即可实现支撑件的旋转为盾构机提供连续动力，同时，管片可不停机拼装，达到管片拼装与掘进机连续掘进同步进行的效果。
如图1、2所示，实施例2，一种基于螺旋管片的旋转式连续掘进机的施工方法，步骤如下：S1：将掘进机吊运至始发井内，并在始发井内进行始发支护，形成螺旋反力支撑架；螺旋反力支撑架的螺旋方向与螺旋管片的螺旋方向相同，以便配合螺旋管片，实现顺利始发。在掘进机进行掘进前，根据单个螺旋管片的轴向宽度、开挖直径确定支撑件伸出长度，当整个开挖直径不变且使用同一种固定轴向宽度的螺旋管片时，每个支撑件伸出的长度保持固定不变。
S2：位于掘进机盾体1尾部的支撑件3顶撑在螺旋反力支撑架上，为顶推机构提供有效支点，便于掘进机顺利始发掘进。支撑件沿周向分布，对于不停机实现管片的拼装过程，首先应保证所设计的相邻两支撑件间的圆周间隔大于单片螺旋管片的圆周弧长，以保证有充足的管片安装空间余量。
S3：掘进机向前掘进的同时，对螺旋管片4进行拼装，回转机构2带动支撑件3沿螺旋管片的轴向螺旋面进行连续顶推，回转机构2带动支撑件3的转动速度与螺旋管片拼装的速度相匹配，实现管片的螺旋前进拼装和掘进机的连续掘进；
步骤S3的具体步骤如下：S3.1：回转机构2带动支撑件3沿螺旋反力支撑架转动，推进掘进机向前掘进；S3.2：支撑件通过转动为待拼装螺旋管片留出安装空间，然后通过拼装机对新的螺旋管片进行拼装，新螺旋管片拼装过程中，支撑件持续保持旋转，持续提供推进力；S3.3：待新螺旋管片拼装完成之后，持续旋转的支撑件转至新螺旋管片的轴向螺旋端面，产生轴向顶推力。回转机构2带动支撑件3连续转动，新螺旋管片连续被拼装，支撑件连续产生轴向顶推，实现管片的螺旋前进拼装和掘进机的连续掘进；S3.4：重复步骤S3.2~S3.3，完成后续螺旋管片的安装。
S4：重复步骤S3，直至掘进机完成整段隧道施工。其他结构与实施例1相同。
在上述施工方法中，支撑件在转动过程中，当待安装管片处的相邻两支撑件间有足够的上述管片安装空间时，通过管片拼装机进行管片安装，安装过程中支撑件始终保持转动，且转动速度须与管片拼装动作相匹配，应保证在支撑件旋转方向上，即将旋转至新安装管片区域的一组支撑件在转动至原管片边缘前完成下一片新螺旋管片的拼装。在支撑件转动至新螺旋管片侧端端面，且下一片新螺旋管片安装区域的空间符合上述安装空间时，可重复上述拼装过程进行下一片管片的安装。如此重复上述过程，即可实现支撑件的旋转为盾构机提供连续动力，同时，管片可不停机拼装，达到管片拼装与掘进机连续掘进同步进行的效果。
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 (8)
1.一种旋转式连续掘进机，包括盾体（1），其特征在于：所述盾体（1）内设有回转机构（2），回转机构（2）上设有轴向设置的支撑件（3），支撑件（3）在圆周方向上呈螺旋分布且与螺旋管片（4）相对应；
所述回转机构（2）包括转动设置在盾体（1）尾部的回转环（2-2）；所述支撑件（3）沿回转环（2-2）周向均匀分布，且相邻两个支撑件（3）之间的圆周间隔大于单个螺旋管片的圆周弧长；所述支撑件（3）为伸缩柱，伸缩柱的自由端设有滚轮（5），滚轮（5）位于同一螺旋线上，螺旋线方向与螺旋管片螺旋方向相同，施工状态下，滚轮（5）与螺旋管片（4）的轴向螺旋面滑动接触或滚动接触。
2.根据权利要求1所述的旋转式连续掘进机，其特征在于：所述回转机构（2）还包括固定在盾体（1）尾部的驱动装置（2-1），回转环（2-2）的中心轴线与盾体（1）的中心轴线重合，驱动装置（2-1）与回转环（2-2）相连接带动回转环（2-2）转动。
3.根据权利要求2所述的旋转式连续掘进机，其特征在于：所述回转环（2-2）为大齿圈，大齿圈通过齿圈轴承（2-3）与盾体（1）转动连接，驱动装置（2-1）的输出端设有小齿轮（2-4），小齿轮（2-4）与大齿圈相啮合。
4.一种基于螺旋管片的如权利要求1~3任一项所述的旋转式连续掘进机的施工方法，其特征在于：步骤如下：S1：将掘进机吊运至始发井内，并在始发井内进行始发支护，形成螺旋反力支撑架；
S2：位于掘进机盾体（1）尾部的支撑件（3）顶撑在螺旋反力支撑架上；
S3：掘进机向前掘进的同时，对螺旋管片（4）进行拼装，回转机构（2）带动支撑件（3）沿螺旋管片的轴向螺旋面进行连续顶推，实现管片的螺旋前进拼装和掘进机的连续掘进；
S4：重复步骤S3，直至掘进机完成整段隧道施工。
5.根据权利要求4所述的基于螺旋管片的旋转式连续掘进机的施工方法，其特征在于：所述步骤S3的具体步骤如下：
S3.1：回转机构（2）带动支撑件（3）沿螺旋反力支撑架转动，推进掘进机向前掘进；
S3.2：支撑件通过转动为待拼装螺旋管片留出安装空间，然后通过拼装机对新的螺旋管片进行拼装，新螺旋管片拼装过程中，支撑件持续保持旋转；
S3.3：待新螺旋管片拼装完成之后，持续旋转的支撑件转至新螺旋管片的轴向螺旋端面，产生轴向顶推力；
回转机构（2）带动支撑件（3）连续转动，新螺旋管片连续被拼装，支撑件连续产生轴向顶推，实现管片的螺旋前进拼装和掘进机的连续掘进；
S3.4：重复步骤S3.2~S3.3，完成后续螺旋管片的安装。
6.根据权利要求5所述的基于螺旋管片的旋转式连续掘进机的施工方法，其特征在于：所述回转机构（2）带动支撑件（3）的转动速度与螺旋管片拼装的速度相匹配。
7.根据权利要求6所述的基于螺旋管片的旋转式连续掘进机的施工方法，其特征在于：所述步骤S1中的螺旋反力支撑架的螺旋方向与螺旋管片的螺旋方向相同。
8.根据权利要求7所述的基于螺旋管片的旋转式连续掘进机的施工方法，其特征在于：在掘进机进行掘进前，根据单个螺旋管片的轴向宽度、开挖直径确定支撑件伸出长度，当整个开挖直径不变且使用同一种固定轴向宽度的螺旋管片时，每个支撑件伸出的长度保持固定不变。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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Inventor after: Jia Lianhui Inventor after: Bai Linying Inventor after: Guo Zhiyong Inventor after: Liu Shang Inventor after: Zou Zhenbao Inventor after: Yuan Dan Inventor after: Zhang Zhiguo Inventor after: Li Zekui Inventor after: Xu Shunhai Inventor after: Zhang Jie Inventor after: Cherry red Inventor after: Yu Peide Inventor after: Yao Jing Inventor after: Ma Kui Inventor before: Li Zekui Inventor before: Liu Shang Inventor before: Zou Zhenbao Inventor before: Yuan Dan Inventor before: Xu Shunhai Inventor before: Zhang Jie Inventor before: Cherry red Inventor before: Yu Peide Inventor before: Yao Jing Inventor before: Ma Kui Inventor before: Bai Linying Inventor before: Guo Zhiyong |
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| GR01 | Patent grant | ||
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