CN112365785A - 一种伺服式复合土压平衡微型盾构装置及工作方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种伺服式复合土压平衡微型盾构装置及工作方法，涉及掘进模拟设备领域，包括试验机、配合试验机的升降机构，试验机的刀盘配合顶推机构，获取刀盘前方掌子面土体压力，对刀盘转速、顶推速度和试验机升降进行调节，以维持刀盘前方土体与试验机土压平衡仓内的压力平衡，配置微型盾构装置，模拟实际盾构机的顶紧、切削土体、出土等施工过程，并对刀盘运行、顶推速度和相对高度进行调节，以维持刀盘前方土体与试验机土压平衡仓的压力平衡，达到减少前后顶推和上下升降阻力的目的，更好的适应不同的模型土体。

Description

一种伺服式复合土压平衡微型盾构装置及工作方法

技术领域

本公开涉及掘进模拟设备领域，特别涉及一种伺服式复合土压平衡微型盾构装置及工作方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

随着我国高速推进的城镇化进程，单一的地面交通系统已不能满足城市发展的需求。许多城市开始把地下空间的开发利用作为解决城市拥堵的重要措施，盾构法施工所使用的比例也越来越大。盾构设备集成了包括地质适应性、刀盘刀具、电液控制等多项关键技术，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能。

发明人发现，盾构掘进具有比较强的针对性，对于不同的地层条件、不同隧道工程设计和实际工作性能，需选择适合的盾构机结构形式与性能参数；目前力学和数学模型难以充分描述掘进机的掘进荷载、掘进过程的结构与力学参数，并且由于盾构机的造价较高，使得现场试验的花费较大，技术风险较高，难以广泛施行。

发明内容

本发明公开的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种伺服式复合土压平衡微型盾构装置及工作方法，配置微型盾构装置，模拟实际盾构机的顶紧、切削土体、出土等施工过程，并对刀盘运行、顶推速度和相对高度进行调节，以维持刀盘前方土体与试验机土压平衡仓的压力平衡，达到减少前后顶推和上下升降阻力的目的，更好的适应不同的模型土体。

本公开的第一目的是提供一种伺服式复合土压平衡微型盾构装置，采用以下技术方案：

包括试验机、配合试验机的升降机构，试验机的刀盘配合顶推机构，获取刀盘前方掌子面土体压力，对刀盘转速、顶推速度和试验机升降进行调节，以维持刀盘前方土体与试验机土压平衡仓内的压力平衡。

进一步地，所述试验机的刀盘与主体之间形成土压平衡仓，土压平衡仓配合有绞龙出土器，通过调节刀盘转动速度对土体切削速度进行调节，配合调节绞龙出土器速度，以使刀盘前方土体压力平衡。

进一步地，所述顶推机构为行进液压缸，一端配合试验机盾体，另一端抵接在已铺设管片上，推动试验机盾体沿行进导轨相对移动。

进一步地，所述升降机构配合试验机盾体，通过升降改变试验机与开挖模型的相对位置，调整试验机掘进高度。

进一步地，试验机土压平衡仓内设有土压传感器，多个土压传感器均匀布置在土压平衡仓后壁，用于实时监测和记录仓内压力。

本公开的第二目的是提供一种如上所述的伺服式复合土压平衡微型盾构装置的工作方法，包括以下步骤：

依据开挖模型的相对位置布置试验机，并在试验机下方布置相应的升降机构；

调整试验机与开挖模型的相对位置至所需要求后，试验机依据预先设定的掘进参数对开挖模型进行开挖；

通过参数控制平台对刀盘转速和土压平衡仓的出渣速度进行调节，改变刀盘前方土体的压力，以适应不同地质条件，维持刀盘前方土体与试验机土压平衡仓内的压力平衡。

进一步地，对掘进过程进行控制，并配置试验机的工作模式为自动、手动或空挡，自动模式下试验机按照预设参数自动运转，手动模式下实现刀盘旋转状态检验及试验机的进退调试，空挡模式下实现试验机上下高度调整，适应开挖模型的开挖高度调节。

进一步地，在利用试验机对开挖模型进行掘进试验时，调整参数控制平台，使试验机在空挡模式下调整升降机构，以调整试验机与开挖模型的相对位置，适应开挖模型的高度尺寸；

调整参数控制平台，在手动模式下驱动顶推机构，使试验机掘进部分前进至靠近开挖模型；

调节参数控制平台，依据预设的掘进工作参数，在自动模式下运行试验机，进行掘进操作。

进一步地，采集试验机运行的各项数据并反馈至参数控制平台，依据数据监测试验机运行状态并进行适应性调整，维持试验机的正常运行。

进一步地，通过前后顶推、上下调整及刀盘的变速在转动，对试验机的掘进过程进行三维调整。

与现有技术相比，本公开具有的优点和积极效果是：

(1)配置微型盾构装置，模拟实际盾构机的顶紧、切削土体、出土等施工过程，并对刀盘运行、顶推速度和相对高度进行调节，以维持刀盘前方土体与试验机土压平衡仓的压力平衡，达到减少前后顶推和上下升降阻力的目的，更好的适应不同的模型土体；

(2)前进动力由液压缸提供，由行进导轨辅助行进导向，保证推进方向准确性，同时提高顶推结构的整体刚度，避免长距离掘进情况下的端头下沉；

(3)上下调控、前后顶推以及旋转速度之间匹配速度关系，也就是说通过前方刀盘的转速调控和出渣速度，来改变刀盘前方砂土体的压力，进而达到减少前后顶推与上下升降阻力的目的，由此可以更好地适应前方不同模型土体；

(4)三维的盾构调整试验是对盾构机发展进程的新一步探索，其目的在于初步解决盾构机在地下运作时的线路微调，尤其在面对硬岩、岩溶体等重大灾害源而又暂时无法预先处理时，探索通过切削土体速度来改变压力的办法，进而得到盾构机在施作平面上调整位置的速度与切削土体速度的关系，进一步地还可以对不同地质条件，也即不同地层模型来进行如此试验，完善不同地质条件下做盾构平面位置调整的规律与办法。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例1、2中微型盾构装置的整体结构示意图；

图2为本公开实施例1、2中刀盘的结构示意图。

其中：1：刀盘，2：土压平衡仓，3：花键及交叉滚子，4：液压马达，5：盾壳，6：行进导轨，7：行进液压缸，8：绞龙出土器，9：出渣口，10：螺旋升降机，11：升降电机，101：边缘刮刀组，102：中心滚刀组，103：刀盘底座。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步地说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本公开中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。

正如背景技术中所介绍的，现有技术中力学和数学模型难以充分描述掘进机的掘进荷载、掘进过程的结构与力学参数，并且由于盾构机的造价较高，使得现场试验的花费较大，技术风险较高，难以广泛施行；针对上述问题，本公开提出了一种伺服式复合土压平衡微型盾构装置及工作方法。

实施例1

本公开的一种典型的实施方式中，如图1-图2所示，提出了一种伺服式复合土压平衡微型盾构装置。

盾构装置主要通过刀盘的旋转与盾构机整体的机械前进，实现对开挖掘进过程的模拟，并由绞龙出土器将掘进入土压平衡仓的岩土输送出盾构模型外，以此来模拟盾构推进时渣土运送的过程。

盾构掘进试验机主要由刀盘1、刀具、旋转动力系统、土压平衡仓2、盾壳、顶推结构、双绞龙出土器、行进动力系统、高度升降控制系统、盾构掘进多参数控制平台和其他附属结构组成；

通过获取刀盘前方掌子面土体压力，对刀盘转速、顶推速度和试验机升降进行调节，以维持刀盘前方土体与试验机土压平衡仓内的压力平衡。

可以理解的是，对于升降机构和试验机的配合，升降机构可以作为试验机的部件，也可以独立于试验机存在，对试验机进行高度调整的同时，还能起到辅助支撑的作用。

对于刀盘结构，刀盘结构选用辐板式结构，由刀盘底座103、中心刮刀组102、边缘滚刀组101组成，刀具开口率约40％。刀具使用硬质合金材料，具有高强度、高耐磨及抗冲压等特点。刀盘背面预留有安装孔，可与刀盘基座轴契合安装，对磨损刀具进行任意更换。

对于盾体旋转系统，刀盘结构旋转动力系统由前方盾体内液压马达提供，通过花键连接刀盘座，旋转轴向控制选用交叉滚子轴承约束。

对于土压平衡仓，刀盘与主体之间形成土压平衡仓，土压平衡仓配合有绞龙出土器，通过调节刀盘转动速度对土体切削速度进行调节，配合调节绞龙出土器速度，以使刀盘前方土体压力平衡；试验机土压平衡仓内设有土压传感器，多个土压传感器均匀布置在土压平衡仓后壁，用于实时监测和记录仓内压力；

复合式土压平衡盾构掘进试验机的土压平衡仓内部设有六个土压传感器，均匀分布在土仓后壁，可实时监测和记录土仓压力。盾壳具备足够刚度和强度，支撑刀盘旋转并传递液压缸推力到刀盘。

对于顶推结构，所述顶推机构为行进液压缸，一端配合试验机盾体，另一端抵接在已铺设管片上，推动试验机盾体沿行进导轨相对移动；

顶推结构部分当中，既安装液压缸提供行进动力，又安装含油轴承进行导向。模型盾构机前进动力由液压缸提供，由行进导轨辅助行进导向，保证推进方向准确性，同时提高顶推结构的整体刚度，避免长距离掘进情况下的端头下沉。

对于绞龙出土器，为更好模拟盾构机掘进过程的出土功能，复合式土压平衡盾构掘进试验机设计了一组为圆管型行进绞龙出土器，跟随盾壳前进用于土压仓单向出土，同时运输的土料进入后方顶推结构，经出料口出渣。

对于动力控制系统，盾构前进顶推力和刀盘旋转扭矩力均由液压站提供，分别为行进液压缸和液压马达，绞龙出土器旋转动力由独立电机提供。

对于开挖高度调控系统，即为升降机构配合试验机盾体，通过升降改变试验机与开挖模型的相对位置，调整试验机掘进高度；

为使盾构掘进试验机满足不同开挖高度要求，具有更好的适用性和可重复利用性，盾构试验机设计了高度升降结构，用于控制盾构机刀盘中心高度，采用螺旋升降机实现行进基座的同步升降，升降机构采用升降电机作为主要的动力系统。

对于掘进多参数控制平台，盾构掘进多参数控制系统分为两个部分，包括盾构掘进参数实时化显示界面及掘进参数设置界面；

实时化显示界面主要体现刀盘转速、土仓压力、掘进长度等参数；掘进参数设置界面主要包括刀盘转速、刀盘扭矩、推进速度、推进力、土仓压力、掘进进尺值等参数控制；

盾构掘进参数控制平台分为自动、手动及空档三种模式。当盾构掘进调节为自动掘进模式时，盾构掘进机会按照预定的参数自动运转；手动模式是在盾构机处于未挖掘状态下，可实现刀盘的旋转状态检验以及盾构掘进机的进退调试；空挡模式只适用于盾构机上下高度调整，以适应模型体的开挖高度调节。

盾构掘进机可根据掘进开挖模型体尺寸进行高度调整，具有多功能、智能化及重复利用率高等特点，更好地满足了盾构法施工隧道相关的地质模型试验需求。可实现智能调节刀盘转速、扭矩、顶推力、推进速度及盾构开挖高度等参数，克服了目前盾构机刀盘过度简化、掘进参数无法精细控制难题，可有效模拟复合式土压平衡模式盾构硬岩高效掘进。

实施例2

本公开的另一典型实施方式中，如图1-图2所示，给出一种如实施例1中的伺服式复合土压平衡微型盾构装置的工作方法。

包括以下步骤：

依据开挖模型的相对位置布置试验机，并在试验机下方布置相应的升降机构；

调整试验机与开挖模型的相对位置至所需要求后，试验机依据预先设定的掘进参数对开挖模型进行开挖；

通过参数控制平台对刀盘转速和土压平衡仓的出渣速度进行调节，改变刀盘前方土体的压力，以适应不同地质条件，维持刀盘前方土体与试验机土压平衡仓内的压力平衡。

分为盾构掘进、顶推支撑、高度升降及控制平台四部分组成。

所述盾构掘进部分包含刀盘1、土压平衡仓2、花键及交叉滚子3、液压马达4以及盾壳5，在试验机使用时，液压马达提供刀盘旋转动力，通过前方的花键、交叉滚子与刀盘底座相连，带动其进行旋转切削，所切削的土体通过前方刀盘的开孔进入到土压平衡仓内，通过调整前方的土体切削速度与后方绞龙出土器出土速度，使得前方土压力平衡，进而顺利掘进。

而切削土体的转刀速度与后方顶推速度相匹配，也即通过切削土体的转刀速度和切削力的改变反馈给后方顶推系统，适时调整其顶推速度与顶推力，最大限度地保护盾构刀盘，避免因切削土体速度与顶推速度不适配而引起的前方掘进压力失衡，更好地提高掘进效率并保护刀盘。

由此可以适应不同地层或不同地质模型试件的掘进作业。

所述顶推支撑部分包含行进导轨6、行进液压缸7、绞龙出土器8以及出渣口9，在试验机使用时，行进液压缸提供试验机顶推力，通过行进导轨与前方盾构掘进部分连接并导向，确保顶推的轴向性，同时由行进绞龙出土器将土压平衡仓内的土体运出，由出渣口出土，保证了盾构试验机的顶推前进。

所述高度升降部分包含螺旋升降机10和升降电机11，在试验机不进行顶推和旋转使用时，可通过控制平台系统启动升降电机提供动力，带动螺旋升降机，而螺旋升降除由电机提供电力外，其升降工具保证还有同高度强弹性弹簧，进而可由螺旋弹簧设备负责调整高度，保证调整盾构掘进高度，以适应开挖模型体的尺寸。

所述控制平台部分包括盾构掘进参数实时化显示界面及掘进参数设置界面。在使用该模型掘进机器时，预先设定掘进参数，如刀盘转速、刀盘扭矩、推进速度、推进力、土仓压力、掘进进尺值等。

同时在该盾构试验机运行过程中，可通过显示屏查看相应掘进参数，如刀盘转速、土仓压力、掘进长度等。

盾构掘进参数控制平台分为自动、手动及空档三种模式。

当盾构掘进调节为自动掘进模式时，盾构掘进机会按照预定的参数自动运转；手动模式是在盾构机处于未使用状态下，可实现刀盘的旋转状态检验以及盾构掘进机的进退调试；空挡模式只适用于盾构机上下高度调整，以适应模型体的开挖高度调节。

在实际使用复合式土压平衡盾构掘进试验机时，首先调整掘进多参数控制平台，使其在空挡模式下调整试验机高度升降部分，以适应预备开挖模型体高度尺寸。

进一步地，调整掘进多参数控制平台，在手动模式下验证试验机旋转及顶推功能完备，通过实时显示屏观察各项反馈数据正常，确认试验机工作性能良好。

进一步地，调整掘进多参数控制平台，在手动模式下驱动液压行进缸，使盾构掘进部分前进到刀盘与开挖模型体相靠近但未接触为止。

进一步地，调整掘进多参数控制平台，预设盾构掘进工作参数，在自动模式下运转复合式土压平衡盾构掘进试验机，同时通过实时显示屏监控各项盾构掘进参数是否达标，保证试验机正常运转。

进一步地，通过控制平台的实时显示屏观察前方盾构试验机的反馈数据，以此作为研究盾构掘进与地层属性的有效依据。

三维的盾构调整试验是对盾构机发展进程的新一步探索，其目的在于初步解决盾构机在地下运作时的线路微调，尤其在面对硬岩、岩溶体等重大灾害源而又暂时无法预先处理时，探索通过切削土体速度来改变压力的办法，进而得到盾构机在施作平面上调整位置的速度与切削土体速度的关系，进一步地还可以对不同地质条件，也即不同地层模型来进行如此试验，完善不同地质条件下做盾构平面位置调整的规律与办法。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种伺服式复合土压平衡微型盾构装置，其特征在于，包括试验机、配合试验机的升降机构，试验机的刀盘配合顶推机构，获取刀盘前方掌子面土体压力，对刀盘转速、顶推速度和试验机升降进行调节，以维持刀盘前方土体与试验机土压平衡仓内的压力平衡。

2.如权利要求1所述的伺服式复合土压平衡微型盾构装置，其特征在于，所述试验机的刀盘与主体之间形成土压平衡仓，土压平衡仓配合有绞龙出土器，通过调节刀盘转动速度对土体切削速度进行调节，配合调节绞龙出土器速度，以使刀盘前方土体压力平衡。

3.如权利要求1所述的伺服式复合土压平衡微型盾构装置，其特征在于，所述顶推机构为行进液压缸，一端配合试验机盾体，另一端抵接在已铺设管片上，推动试验机盾体沿行进导轨相对移动。

4.如权利要求1所述的伺服式复合土压平衡微型盾构装置，其特征在于，所述升降机构配合试验机盾体，通过升降改变试验机与开挖模型的相对位置，调整试验机掘进高度。

5.如权利要求1所述的伺服式复合土压平衡微型盾构装置，其特征在于，试验机土压平衡仓内设有土压传感器，多个土压传感器均匀布置在土压平衡仓后壁，用于实时监测和记录仓内压力。

6.一种如权利要求1-5任一项所述的伺服式复合土压平衡微型盾构装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

依据开挖模型的相对位置布置试验机，并在试验机下方布置相应的升降机构；调整试验机与开挖模型的相对位置至所需要求后，试验机依据预先设定的掘进参数对开挖模型进行开挖；

通过参数控制平台对刀盘转速和土压平衡仓的出渣速度进行调节，改变刀盘前方土体的压力，以适应不同地质条件，维持刀盘前方土体与试验机土压平衡仓内的压力平衡。

7.如权利要求6所述的工作方法，其特征在于，对掘进过程进行控制，并配置试验机的工作模式为自动、手动或空挡，自动模式下试验机按照预设参数自动运转，手动模式下实现刀盘旋转状态检验及试验机的进退调试，空挡模式下实现试验机上下高度调整，适应开挖模型的开挖高度调节。

8.如权利要求7所述的工作方法，其特征在于，在利用试验机对开挖模型进行掘进试验时，调整参数控制平台，使试验机在空挡模式下调整升降机构，以调整试验机与开挖模型的相对位置，适应开挖模型的高度尺寸；

调整参数控制平台，在手动模式下驱动顶推机构，使试验机掘进部分前进至靠近开挖模型；

调节参数控制平台，依据预设的掘进工作参数，在自动模式下运行试验机，进行掘进操作。

9.如权利要求6所述的工作方法，其特征在于，采集试验机运行的各项数据并反馈至参数控制平台，依据数据监测试验机运行状态并进行适应性调整，维持试验机的正常运行。

10.如权利要求6所述的工作方法，其特征在于，通过前后顶推、上下调整及刀盘的变速在转动，对试验机的掘进过程进行三维调整。

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