CN112627835B - 一种穿心式连续顶进装置及盾构始发方法 - Google Patents

Abstract

一种穿心式连续顶进装置，与多组工具管配合使用，所述工具管设有连接部，连接部用于连接新的工具管以增加对盾构机的顶进量；所述穿心式连续顶进装置包括固定在竖井壁上的机架，在机架上固连有前后两组顶进油缸，在前后两组顶进油缸的自由端均连接有用于卡接工具管的卡接结构，在前后两组顶进油缸交替推动的作用下，前后卡接结构与工具管交替卡接并推动工具管持续前移。由于全过程没有无效时间，因此成倍地提高了对盾构机的顶进效率，不但避免了盾构机的能量空耗，而且使刀盘及驱动系统得到了保护。一种盾构始发方法，不但减少了对工作竖井空间的占用率，而且急剧地降低了工作竖井的开挖费用和工期，大幅提高了整体效率，具有重大的经济价值。

Description

一种穿心式连续顶进装置及盾构始发方法

技术领域

本发明涉及用于盾构技术领域，尤其是涉及一种穿心式连续顶进装置，还涉及到一种应用该穿心式连续顶进装置的盾构始发方法。

背景技术

盾构机在始发时，需要开挖工作竖井，工作竖井要有足够的长度，以吊入盾构机。如图1所示，盾构机包括盾体13和反力架11，在反力架11和盾体13之间安装有环状管片12，利用盾体13自身的千斤顶对环状管片12及反力架11施压，为盾体13的掘进提供反作用力。在掘进过程中，需要不断增加环状管片12的数量，直到盾体13的盾尾进入井壁洞口内一段距离为止。此时，环状管片12和反力架11也就完成了使命。环状管片12也被称为负环，这种始发形式也被称作负环始发。

负环始发方式要求工作竖井14的长度或直径要大于盾体13加上反力架11的总长，工作竖井14的长度或直径通常在28-35米。之所以这么大，一是因为反力架11要承受数百吨的反作用力，必须要非常坚固，因此长度比较长；二是由于环状管片12是封闭的环，盾构机在掘进时挖出的土石只能从反力架11的后部运出，因此要在反力架11的后部留出物料进出的空间。这两方面的因素造成工作竖井14的长度或直径很大，开挖量巨大，特别是对于超深的工作竖井14，其开挖成本居高不下，这也是负环始发方式最大的缺点。

此外还有效率问题，盾体13自身千斤顶的行程较小，千斤顶每顶进回缩一次，需要在盾体13与反力架11之间拼接一片或多片环状管片12，环状管片12的厚度仅为0.35-0.4m，在始发过程中需要在盾体13与反力架11之间拼接近百片环状管片12，因此这个工作量是很大的。盾体13自身千斤顶的顶进是个缓慢的过程，同样，千斤顶回缩时也较为缓慢，而且回缩过程是无效的时间，只有千斤顶完全回缩后才能拼接新的环状管片12，因此，工作效率是很低的。千斤顶在回缩时盾体13是不受顶进力的，此时盾体13的刀盘还在转动，但盾体13并不能掘进，一是空耗了能量，二是当盾体13重新得到顶进力时，刀盘骤然受到掘进面的冲击，会给刀盘及驱动系统带来损害。

盾构机的使用成本和维护成本很高，盾构始发的时间占用过长，不但会延长工期，而且会大幅提高盾构机的租赁、使用费用，因此需要一种打破现有顶进结构的顶进装置，还需要一种打破现有始发模式的盾构始发方法。

发明内容

为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种穿心式连续顶进装置，还公开了一种应用该穿心式连续顶进装置的盾构始发方法，其目的在于：

1、减少工作竖井的开挖量，降低开挖成本；

2、实现对盾构机的连续顶进，提高顶进效率；

3、替代现有的负环始发模式，提高始发效率。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种穿心式连续顶进装置，其特征是：与多组工具管配合使用，所述工具管设有连接部，连接部用于连接新的工具管以增加对盾构机的顶进量；所述穿心式连续顶进装置包括固定在竖井壁上的机架，在机架上固连有前后两组顶进油缸，在前后两组顶进油缸的自由端均连接有用于卡接工具管的卡接结构，在前后两组顶进油缸交替推动的作用下，前后卡接结构与工具管交替卡接并推动工具管持续前移。

作为优选的一种改进技术方案，所述工具管的外管面具有突出结构或凹陷结构，所述卡接结构与工具管的突出结构或凹陷结构对应卡接。

作为优选的一种改进技术方案，所述工具管的连接部具有法兰连接结构。

作为优选的一种改进技术方案，在工具管的连接部设有锥面定心结构。

作为优选的一种改进技术方案，所述工具管的连接部具有对插连接结构和径向固定结构。

作为优选的一种改进技术方案，在前后两组顶进油缸的自由端连接有顶进架，所述卡接结构位于顶进架上。

作为优选的一种改进技术方案，在顶进架上设有防扭槽，防扭槽与设置在竖井底面上的工作轨滑动配合连接。

作为优选的一种改进技术方案，所述穿心式连续顶进装置还包括卡接驱动机构，卡接驱动机构用于驱动卡接结构，实现与对应工具管的突出结构或凹陷结构的卡接或脱离。

作为优选的一种改进技术方案，所述卡接驱动机构包括驱动源或由驱动源驱动的直线运动副。

一种盾构始发方法，使用所述穿心式连续顶进装置，包括以下步骤：

S1：加固洞门对面的竖井壁基础，并在竖井壁基础上安装穿心式连续顶进装置；

S2：将若干节工具管连接后装入穿心式连续顶进装置，并使前组顶进油缸所连接的卡接结构与其中的一节工具管卡接；

S3：前组顶进油缸推动工具管向前移动，在推进过程中，在工具管的后端连接新的一节工具管；当前组顶进油缸达到指定行程时，后组顶进油缸所连接的卡接结构与对应的工具管卡接，前组顶进油缸所连接的卡接结构与对应的工具管脱离卡接，然后，后组顶进油缸推动工具管向前移动，在推进过程中，前组顶进油缸回退，并在工具管的后端连接新的一节工具管；当后组顶进油缸达到指定行程时，前组顶进油缸所连接的卡接结构与对应的工具管卡接，后组顶进油缸所连接的卡接结构与对应的工具管脱离卡接，然后，前组顶进油缸推动工具管向前移动，在推进过程中，后组顶进油缸回退，并在工具管的后端连接新的一节工具管；如此循环，使得盾构机得到持续顶进；

S4：当盾构机进入洞门开始拼0环时，停止对盾构机的顶进，用工作管替换工具管，并拆除穿心式连续顶进装置；

S5：使用盾构机自身的千斤顶，使盾构机继续顶进，当盾构机完成50-100环管片的盾构时，拆除工作管，完成盾构机的始发。

由于采用上述技术方案，相比背景技术，本发明具有如下有益效果：

本发明使用多组工具管对盾构机进行顶进，盾构机在掘进时挖出的土石能够从多组工具管之间的空挡处排出，外部物料也能够从该空挡处进入，即解决了物料进出问题，不需要额外增加工作竖井的直径，又优化了井底的平面布局，大幅提高了空间利用率。

本发明的前后两组顶进油缸通过交替卡接及推动工具管前移，使得盾构机得到持续顶进，并在顶进油缸交替推动的过程中续接工具管，全过程没有无效时间，成倍地提高了对盾构机的顶进效率。

盾构始发的风险在于停，怕停不怕慢，不停断地掘进最安全。本发明实现了对盾构机的持续顶进，不但避免了盾构机的能量空耗，而且使刀盘及驱动系统得到了保护。

本发明的穿心式连续顶进装置，其总长度最低可以控制在四节工具管的长度之内，每节工具管的长度为1.6米，也就是说穿心式连续顶进装置的总长度能够控制在7米之内，而盾构机主体的长度为9-10米，那么工作竖井的直径仅做到16米左右就可以实现盾构始发，相比于负环始发工作竖井所需的28-35米，其开挖量仅为后者的四分之一。而且，工具管的长度每缩短0.1米，穿心式连续顶进装置的总长度缩短0.4米，工作竖井的直径能够做到足够的小，使得工作竖井的开挖费用急剧降低，同时也大幅缩短了工作竖井的开挖工期。

本发明的穿心式连续顶进装置打破了现有的依靠反力架、环状管片顶进的结构形式，具有创造性。本发明的盾构始发方法打破现有的盾构始发模式，使工作竖井的开挖费用急剧降低，且成倍地提高了对盾构机的顶进效率，具有重大的经济价值。

附图说明

图1为盾构机负环始发的结构示意图。

图2为工具管的一种连接结构示意图。

图3为工具管的另一种连接结构示意图。

图4为穿心式连续顶进装置的前轴侧视图。

图5为穿心式连续顶进装置的后轴侧视图。

图6为卡接结构与工具管的第一种卡接形式示意图。

图7为卡接结构与工具管的第二种卡接形式示意图。

图8为卡接结构与工具管的第三种卡接形式示意图。

图9为前组顶进油缸在顶进时的结构示意图。

图10为后组顶进油缸在顶进时的结构示意图。

图中：1、工具管；2、机架；3、前组顶进油缸；4、后组顶进油缸；5、顶进架；6、工作轨；7、滑块；8、销轴；9、驱动源；10、钢垫环；11、反力架；12、环状管片；13、盾体；14、工作竖井。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方向或位置关系的术语是基于盾构机的掘进方向而言，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置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发明的限制。

一种穿心式连续顶进装置，与四组工具管1配合使用，用于盾构机的始发。所述盾构机采用泥水盾构始发。如图2-3所示，工具管1为圆管，工具管1的直径为800mm，壁厚30mm，每节工具管1的长度为1.6米。需要指出的是，工具管1的形状不作限制，工具管1也可以是方管或其它形状的管，其作用是承载对盾构机的顶进力。工具管1的两端设有连接部，连接部用于连接新的工具管1以增加对盾构机的顶进量。连接部可以有多种连接形式，如图2中的法兰式连接结构和图3中的对插连接结构。在法兰式连接结构中，为了提高各工具管1连接的同轴度，在工具管1的两端设有锥面定心结构，工具管1的一端为内锥面，另一端为外锥面，在连接时，通过锥面配合能够提高工具管1连接的同轴度。在对插连接结构中，对插口相互配合能够保证各工具管1连接的同轴度，但不能够实现对工具管1的轴向固定，因此需要借助销子或螺栓对插口进行径向固定。为了实现对盾构机均匀顶进，四组工具管1沿盾构机的周向均布。

如图4-5所示，所述穿心式连续顶进装置包括固定在竖井壁基础上的机架2，机架2由型材焊接而成，具有很高的强度和刚性。在机架2上固连有前后两组顶进油缸，每组有16个顶进油缸，每个顶进油缸的有效行程为1.6米。在前后两组顶进油缸的自由端均连接有顶进架5。顶进架5由四根竖梁和两根横梁组合焊接而成，四组工具管1分别位于左右两根竖梁之间。在前后顶进架5上均连接有卡接结构，卡接结构用于卡接工具管1，并推动工具管1前移。前后两组顶进油缸通过前后顶进架5上的卡接结构交替卡接四组工具管1，并交替推动四组工具管1持续前移，使得盾构机得到持续顶进。

卡接结构具有多种实施形式，如图6所示，当工具管1的外管面具有突出结构，比如连接用的法兰盘结构，那么卡接结构就可以是能够伸缩的滑块7，滑块7在滑槽内滑动，当滑块7卡住法兰盘后，在顶进油缸的作用下推动工具管1前移。当滑块7脱离法兰盘后，滑块7随顶进油缸回退。卡接动作可以由人工实现，也可以由驱动源9实现，如图6中的驱动源9为油缸，油缸直接驱动滑块7运动，实现对工具管1突出结构的卡接与脱离。

如图7所示，当工具管1的外管面具有凹陷结构，比如环槽结构或沉孔结构，那么卡接结构就可以是能够伸缩的销轴8，销轴8沿销轴8孔滑动，当销轴8插入环槽结构或沉孔结构后，在顶进油缸的作用下推动工具管1前移。当销轴8脱离环槽结构或沉孔结构后，随顶进油缸回退。卡接动作可以由人工实现，也可以由驱动源9驱动的直线运动副来实现，如图7中的驱动源9为电机，电机驱动丝杠螺母运动副带动销轴8运动，实现对工具管1凹陷结构的卡接与脱离。

卡接动作也可以在不增加驱动源9的情况下得以自动实现，如图8所示，在工具管1的外管面设有带有斜面的凹陷结构，在滑块7的后端连接有压簧，在压簧的作用下，滑块7的前端始终紧贴工具管1的外管面。当工具管1前移时，滑块7进入凹陷结构内，在顶进油缸的作用下推动工具管1前移。当工具管1继续前移时，滑块7脱离凹陷结构，并随顶进油缸回退。同样的，工具管1的外管面也可以是带有斜面的突出结构，当工具管1前移时，滑块7被突出结构绊住，在顶进油缸的作用下推动工具管1前移。当工具管1继续前移时，滑块7脱突出结构，并随顶进油缸回退。显然，突出结构能够起到与凹陷结构相同的作用。

为了防止顶进油缸运动的不均衡给卡接及顶进带来的影响，作为优选的一种改进技术方案，在顶进架5上设有防扭槽，防扭槽与设置在竖井底面上的工作轨6滑动配合连接。工作轨6是盾构始发基座的一部分，利用工作轨6对顶进架5进行支撑、导向和防扭，一方面降低了顶进架5自重对顶进油缸的弯矩作用，延长顶进油缸的使用寿命，另一方面减小了各顶进油缸运动的不均衡对顶进架5的扭曲作用，使卡接结构能够准确地与对应的工具管1卡接。

为了详细地揭示穿心式连续顶进装置的工作步骤，本发明还公开了一种盾构始发方法，包括以下步骤：

S1：加固洞门对面的竖井壁基础，加固的方式可以采用钢筋混凝土浇筑法，增大洞门对面竖井壁的硬化层厚度，以提高抗压强度，使其能够承受数百吨的压力。然后，在竖井壁基础上安装穿心式连续顶进装置，并使穿心式连续顶进装置对准洞门。

S2：将四组工具管1分别装在穿心式连续顶进装置的顶进架5上，为了提高效率，在首次装入工具管1时，每组工具管1事先连接三节，然后再装在顶进架5上，并使前顶进架5上的卡接结构与四组工具管1其中的四节工具管1分别卡接。最后，在工具管1与盾构机之间安装钢垫环10。钢垫环10的作用是分散顶进力、保护盾构机，防止盾构机被四组工具管1压伤，同时与盾构机的推进千斤顶进行有效的过渡连接。

S3：如图9所示，前组顶进油缸3通过前顶进架5推动四组工具管1向前移动，在推进过程中，在每组工具管1的后端连接一节新的工具管1。当前组顶进油缸3达到指定行程时，后顶进架5上的卡接结构与对应的四组工具管1卡接，前顶进架5上的卡接结构与对应的四组工具管1脱离卡接，然后，后组顶进油缸4通过后顶进架5推动四组工具管1继续向前移动，在推进过程中，前组顶进油缸3回退，并在每组工具管1的后端连接一节新的工具管1。

如图10所示，当后组顶进油缸4达到指定行程时，前顶进架5上的卡接结构与对应的四组工具管1卡接，后顶进架5上的卡接结构与对应的四组工具管1脱离卡接，然后，前顶进架5推动四组工具管1继续向前移动，在推进过程中，后组顶进油缸4回退，并在每组工具管1的后端连接一节新的工具管1。如此循环，使得盾构机得到持续顶进。当工具管1的连接长度超过8米时，在工具管1的的中间位置设支撑架进行减跨处理，以确保工具管1的长细比在安全的范围内。

S4：当盾构机的盾尾进入洞门时，停止穿心式连续顶进装置对盾构机的顶进，并拼接0环。由于此时盾构机不需要太大的反作用力，为了减少穿心式连续顶进装置对井底工作空间的占用，首先使用直径较小的四组工作管替换四组工具管1，具体的，在工作管的两端设有带有顶丝的调节撑角，调节撑角能够使工作管撑在钢垫环10与竖井壁基础之间，工作管受力后，就可以拆除工具管1和穿心式连续顶进装置了，这样就为物料的出入提供了更大的空间。当工作管的连接长度超过16米时，在工作管的的中间位置设支撑架进行减跨处理，以确保工作管的长细比在安全的范围内。

S5：使用盾构机自身的千斤顶，使盾构机继续向前掘进。当盾构机完成50-100环管片的盾构时，盾构机就不需要工作管来提供反作用力了，此时工作管也就完成了使命，可以拆除了，盾构机也就完成了始发。

由上述可知，使用四组工具管1对盾构机进行顶进，盾构机在掘进时挖出的土石能够从四组工具管1之间的空挡处排出，外部物料也能够从该空挡处进入，解决了物料进出问题，不需要额外增加工作竖井14的直径。还可以得知，前后两组顶进油缸通过交替卡接及推动工具管1前移，使得盾构机得到持续顶进，成倍地提高了对盾构机的顶进效率。在顶进油缸交替推动的过程中续接工具管1，不额外增加续接工具管1的时间。还可以得知，穿心式连续顶进装置的总长度最低可以控制在四节工具管1的长度之内，也就是说在7米之内，一般的，盾构机主体的长度为9-10米，那么，工作竖井14的直径仅做到16米左右就可以实现始发，相比于负环始发工作竖井14所需的28-35米，其开挖量仅为后者的四分之一！还可以得知，工具管1的长度越小，工作竖井14的开挖量就越少，但是工具管1的连接次数越多。相反的，工具管1的长度越大，工作竖井14的开挖量就越大，但是工具管1的连接次数越少。因此需要综合分析工作竖井14的开挖成本、盾构机的掘进成本及效率，确定合适的工具管1长度以提高综合效率并降低总成本。

未详述部分为现有技术。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的保护范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种盾构始发方法，其特征是，应用穿心式连续顶进装置；所述穿心式连续顶进装置与多组工具管配合使用，所述工具管设有连接部，连接部用于连接新的工具管以增加对盾构机的顶进量；所述穿心式连续顶进装置包括固定在竖井壁上的机架，在机架上固连有前后两组顶进油缸，在前后两组顶进油缸的自由端均连接有用于卡接工具管的卡接结构，在前后两组顶进油缸交替推动的作用下，前后卡接结构与工具管交替卡接并推动工具管持续前移；

所述盾构始发方法包括以下步骤：

S1：加固洞门对面的竖井壁基础，并在竖井壁基础上安装穿心式连续顶进装置；

S2：将若干节工具管连接后装入穿心式连续顶进装置，并使前组顶进油缸所连接的卡接结构与其中的一节工具管卡接；

S3：前组顶进油缸推动工具管向前移动，在推进过程中，在工具管的后端连接新的一节工具管；当前组顶进油缸达到指定行程时，后组顶进油缸所连接的卡接结构与对应的工具管卡接，前组顶进油缸所连接的卡接结构与对应的工具管脱离卡接，然后，后组顶进油缸推动工具管向前移动，在推进过程中，前组顶进油缸回退，并在工具管的后端连接新的一节工具管；当后组顶进油缸达到指定行程时，前组顶进油缸所连接的卡接结构与对应的工具管卡接，后组顶进油缸所连接的卡接结构与对应的工具管脱离卡接，然后，前组顶进油缸推动工具管向前移动，在推进过程中，后组顶进油缸回退，并在工具管的后端连接新的一节工具管；如此循环，使得盾构机得到持续顶进；

S4：当盾构机进入洞门开始拼0环时，停止对盾构机的顶进，用工作管替换工具管，并拆除穿心式连续顶进装置；

S5：使用盾构机自身的千斤顶，使盾构机继续顶进，当盾构机完成50-100环管片的盾构时，拆除工作管，完成盾构机的始发。

2.如权利要求1所述的一种盾构始发方法，其特征是：所述工具管的外管面具有突出结构或凹陷结构，所述卡接结构与工具管的突出结构或凹陷结构对应卡接。

3.如权利要求1所述的一种盾构始发方法，其特征是：所述工具管的连接部具有法兰连接结构。

4.如权利要求3所述的一种盾构始发方法，其特征是：在工具管的连接部设有锥面定心结构。

5.如权利要求1所述的一种盾构始发方法，其特征是：所述工具管的连接部具有对插连接结构和径向固定结构。

6.如权利要求1所述的一种盾构始发方法，其特征是：在前后两组顶进油缸的自由端连接有顶进架，所述卡接结构位于顶进架上。

7.如权利要求6所述的一种盾构始发方法，其特征是：在顶进架上设有防扭槽，防扭槽与设置在竖井底面上的工作轨滑动配合连接。

8.如权利要求2所述的一种盾构始发方法，其特征是：所述穿心式连续顶进装置还包括卡接驱动机构，卡接驱动机构用于驱动卡接结构，实现与对应工具管的突出结构或凹陷结构的卡接或脱离。

9.如权利要求8所述的一种盾构始发方法，其特征是：所述卡接驱动机构包括驱动源或由驱动源驱动的直线运动副。

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