CN113446015B - 一种可调土压-矿山法双模式盾构机及其施工方法 - Google Patents

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Abstract

一种可调土压‑矿山法双模式盾构机及其施工方法，属于隧道盾构施工技术领域，具体方案包括以下：所述盾构机包括盾构刀盘、主盾、尾盾、盾构机液压推进系统、盾构机液压回退系统和伸缩式机械臂，主盾设置在尾盾的前方并和尾盾伸缩套筒式连接，盾构机液压推进系统固定在主盾上，其推进杆作用在尾盾后方的管片上，盾构机液压回退系统固定在主盾上，其推进杆穿过盾构刀盘上设置的通孔Ⅰ作用在岩壁上，盾构刀盘包括刀盘圆周体和中心面板，刀盘圆周体上设置有与中心面板相适配的通孔Ⅱ，中心面板置于通孔Ⅱ内部并相对于刀盘圆周体移除或移动，伸缩式机械臂固定在主盾内部，可穿过通孔Ⅱ伸出主盾外侧。本发明能达到安全高效、节省成本的目的。

Description

一种可调土压-矿山法双模式盾构机及其施工方法
技术领域
本发明属于隧道盾构施工技术领域，具体涉及一种可调土压-矿山法双模式盾构机及其施工方法。
背景技术
盾构机在复杂地层中掘进时，由于设备、地质、以及施工等原因，容易造成刀盘卡死现象。常规情况下，盾构机通过增加推力、摆动盾构进行脱困。特殊情况下，需要采用爆破的方法掏空盾体上方围岩，使盾构尽快脱困；采用爆破的方法进行脱困，不但工期长，爆破作业容易对工作人员以及盾构机自身造成损伤。甚至，进行大面积地上开挖，形成竖井，从而使盾构脱困，此方法费时费力，且无法保证盾构机全线施工顺畅。因此，有必要提出一种新型多模盾构机来适应复杂地层，使被困的盾构机及时脱困。
发明内容
本发明的第一个目的是为了解决现行的盾构脱困方法存在费时费力且风险大的问题，提供一种可调土压-矿山法双模式盾构机。
本发明的第二个目的是提供一种可调土压-矿山法双模式盾构机的施工方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种可调土压-矿山法双模式盾构机，包括盾构刀盘、主盾、尾盾、盾构机液压推进系统、盾构机液压回退系统和伸缩式机械臂，所述盾构刀盘设置在主盾的前方，所述主盾设置在尾盾的前方并和尾盾伸缩套筒式连接，所述盾构机液压推进系统固定在主盾上，其推进杆作用在尾盾后方的管片上，所述盾构机液压回退系统固定在主盾上，其推进杆穿过盾构刀盘上设置的通孔Ⅰ作用在岩壁上，所述盾构刀盘包括刀盘圆周体和中心面板，所述刀盘圆周体上设置有与中心面板相适配的通孔Ⅱ，所述中心面板置于通孔Ⅱ内部并相对于刀盘圆周体移除或移动，所述伸缩式机械臂固定在主盾内部，可穿过通孔Ⅱ伸出主盾外侧。
进一步的，所述盾构机还包括若干个滚刀，所述若干个滚刀固定在盾构刀盘的前侧面。
进一步的，所述盾构机还包括刀盘驱动装置，所述刀盘驱动装置驱动盾构刀盘转动。
进一步的，所述主盾和尾盾的嵌套处设置有接头密封刷，所述尾盾和管片之间设置有尾盾密封刷。
进一步的，所述通孔Ⅰ有若干个，均布设置在刀盘圆周体上。
进一步的，所述伸缩式机械臂的前端设置有反铲式铲斗、破碎锤以及喷射混凝土喷枪，所述反铲式铲斗与伸缩式机械臂铰接，通过固定在伸缩式机械臂上的驱动机构Ⅰ的驱动控制反铲式铲斗的转动，所述反铲式铲斗的背部设置有沟槽，所述破碎锤与沟槽滑动连接，所述破碎锤通过固定在反铲式铲斗背部的驱动机构Ⅱ驱动控制破碎锤的震动冲击，所述喷射混凝土喷枪固定在伸缩式机械臂上，并与输浆管路连接。
进一步的，所述驱动机构Ⅰ和驱动机构Ⅱ均为液压油缸。
所述的可调土压-矿山法双模式盾构机的施工方法，
步骤一、盾构机液压推进系统的推进杆作用在管片上推动主盾前移，实现土压平衡盾构模式下盾构刀盘对于地层的掘进；
步骤二、当盾构机出现盾构刀盘卡死现象，切换到矿山法模式，关闭盾构刀盘1的驱动系统，盾构机液压推进系统的推进杆回缩，同时盾构机液压回退系统的推进杆作用在盾构刀盘前方的岩壁上，使得主盾回退到目标位置；
步骤三、盾构机液压回退系统的推进杆回缩，盾构刀盘前方形成足够的空间；
步骤四、打开或移除中心面板，伸出伸缩式机械臂作用于前方岩壁；
步骤五、盾构机推进，拼装管片。
本发明相对于现有技术的有益效果为：可调土压-矿山法新型双模式盾构机既能实现常规土压平衡盾构机掘进隧道、拼装管片等功能，在其被困时，能迅速切换到矿山法模式，实现盾构机脱困与隧道的不间断施工。同时，采用具有理论基础的盾构机液压推进系统、盾构机液压回退系统对推进杆推力进行控制，能定量确定掘进荷载。本发明相比于传统的采用爆破法、开挖竖井法等盾构机脱困方法，能达到安全高效、节省成本的目的。
附图说明
图1为可调土压模式下的双模式盾构机示意图；
图2为可调土压-矿山法双模式盾构机刀盘布置示意图；
图3为可调矿山法模式下的双模式盾构机示意图；
图4为伸缩式机械臂、反铲式铲斗、破碎锤以及喷射混凝土喷枪的布设示意图；
图5为反铲式铲斗与破碎锤的布设示意图；
图中，1、盾构刀盘，2、主盾，3、尾盾，4、盾构机液压推进系统，5、盾构机液压回退系统，6、伸缩式机械臂，7、管片，8、滚刀，9、接头密封刷，10、尾盾密封刷，11、通孔Ⅰ，12、刀盘圆周体，13、中心面板，14、皮带传输机，15、反铲式铲斗，16、破碎锤，17、喷射混凝土喷枪，18、驱动机构Ⅰ，19、沟槽，20、驱动机构Ⅱ，21、输浆管路，22、液压油管路，23、台座。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细的介绍。
具体实施方式一：
一种可调土压-矿山法双模式盾构机，可以通过土压平衡盾构模式和矿山法模式两种主要模式开挖隧道。包括盾构刀盘1、主盾2、尾盾3、盾构机液压推进系统4、盾构机液压回退系统5和伸缩式机械臂6，所述盾构刀盘1设置在主盾2的前方，所述主盾2设置在尾盾3的前方并和尾盾3伸缩套筒式连接，所述盾构机液压推进系统4固定在主盾2内部，其推进杆通过撑靴作用在尾盾3后方的拼接好的管片7上，通过推进推进杆的伸缩实现土压平衡盾构模式下的盾构机前进，所述盾构机液压回退系统5固定在主盾2上，其推进杆穿过盾构刀盘1上设置的通孔Ⅰ11作用在岩壁上，所述盾构刀盘1包括刀盘圆周体12和中心面板13，所述刀盘圆周体12上设置有与中心面板13相适配的通孔Ⅱ，所述中心面板13置于通孔Ⅱ内部并相对于刀盘圆周体12移除或移动，所述伸缩式机械臂6固定在主盾2内部，可穿过通孔Ⅱ伸出主盾2外侧。中心面板13移除后，盾构刀盘1开口率大幅增加，用于矿山法模式。
进一步的，所述盾构机还包括若干个滚刀8，所述若干个滚刀8固定在盾构刀盘1的前侧面。用于土压平衡盾构模式下开挖面岩石破碎与岩土体切割，此时盾构刀盘1开口率较小。
进一步的，所述盾构机还包括刀盘驱动装置，所述刀盘驱动装置驱动盾构刀盘1转动。
进一步的，所述刀盘驱动装置包括齿轮组、减速机和混合励磁电机，所述混合励磁电机固定在主盾2内部，所述减速机固定在混合励磁电机的输出轴上，所述齿轮组固定在减速机上，所述盾构刀盘1的后侧壁上设置有一圈轮齿，所述齿轮组和轮齿啮合连接，产生驱动力，刀盘驱动装置可实现盾构刀盘1无级变速和转动方向改变。
进一步的，所述主盾2和尾盾3的伸缩套筒式连接处设置有接头密封刷9，用于接头的防水。
进一步的，所述尾盾3和管片7之间设置有尾盾密封刷10，用于接口处的防水。
进一步的，所述通孔Ⅰ11有若干个，均布设置在刀盘圆周体12上。
进一步的，所述伸缩式机械臂6的前端设置有反铲式铲斗15、破碎锤16以及喷射混凝土喷枪17。所述反铲式铲斗15与伸缩式机械臂6铰接，通过固定在伸缩式机械臂6上的驱动机构Ⅰ18的驱动控制反铲式铲斗15的转动，从而实现掌子面前方围岩开挖与渣土清理；所述反铲式铲斗15的背部设置有沟槽19，所述破碎锤16与沟槽19滑动连接，所述破碎锤16通过固定在反铲式铲斗15背部的驱动机构Ⅱ20的驱动控制破碎锤16的震动冲击；为防止开挖过程中破碎锤16受损，破碎锤16收回于沟槽19中，当需要进行岩石破碎施工时，伸出破碎锤16；所述喷射混凝土喷枪17固定在伸缩式机械臂6的末端，并与输浆管路21连接。当使用喷射混凝土喷枪17时，需将破碎锤16和驱动机构Ⅱ20收回，避免妨碍喷射混凝土喷枪17工作；优选的，所述驱动机构Ⅰ18和驱动机构Ⅱ20均为液压油缸，两个液压油缸均与液压油管路22连接。优选的，所述破碎锤16为钎结构。
进一步的，所述伸缩式机械臂6与台座23连接，可在隧道开挖范围内摆动，所述台座23设置在主盾2内部。
具体实施方式二：
一种具体实施方式一所述的可调土压-矿山法双模式盾构机的施工方法，
步骤一、盾构机液压推进系统4的推进杆作用在管片7上推动主盾2前移，实现土压平衡盾构模式下盾构刀盘1对于地层的掘进；
步骤二、当盾构机出现盾构刀盘1卡死现象，切换到矿山法模式，关闭盾构刀盘1的驱动系统，盾构机液压推进系统4的推进杆回缩，同时以盾构刀盘1为支撑，盾构机液压回退系统5的推进杆作用在盾构刀盘1前方的岩壁上，使得主盾2回退到目标位置；
步骤三、盾构机液压回退系统5的推进杆回缩，盾构刀盘1前方形成足够的空间；
步骤四、打开或移除中心面板13，伸出伸缩式机械臂6作用于前方岩壁，采用喷射混凝土喷枪17对围岩进行加固后，伸出皮带传输机14；采用破碎锤16对前方地层进行开挖，反铲式铲斗15配合进行渣土传输至皮带传输机14。所述皮带传输机14贯穿盾构刀盘1的通孔Ⅱ、主盾2的内部和尾盾3的内部用于传输渣土。
步骤五、盾构机推进，拼装管片7。
进一步的，土压平衡盾构模式下盾构机液压推进系统4提供的推力通过基于力学分析的控制系统进行控制，同时考虑液压推进系统总推力，进行每个盾构推进千斤顶推力分配。所述盾构机液压推进系统4总推力通过以下几方面进行计算：
F＝F1+F2+F3+F4+F5 (1)
①刀盘贯入阻力
刀盘贯入阻力F1主要由滚刀切割岩石的法向力Fn引起：
Figure BDA0003194768150000041
Figure BDA0003194768150000051
Figure BDA0003194768150000052
式中P0为岩石破碎区应力；Φ为岩石与滚刀接触角度；R为滚刀直径；t为滚刀刀刃宽度；ψ为模型参数，取-0.2～0.2；C为无量纲参数，取2.12；S为滚刀间距；σc为岩石单轴抗压强度；σt为岩石抗拉强度；p为刀盘每转一圈的贯入度；
刀盘贯入阻力F1则表示为：
F1＝nrFn (5)
式中nr为处于岩石切割状态的滚刀数量；
②刀盘面板上的地层侧向土压力
F2＝(F21+F22)·(1-η) (6)
Figure BDA0003194768150000053
Figure BDA0003194768150000054
式中F21为上部土体在盾构刀盘上的侧向压力；F22为下部岩体在盾构刀盘上的侧向压力；η为刀盘开口率；θ1、θ2为与土-岩交界面相关的角度参数；H为隧道中心埋深；h为土-岩交界面埋深；D为刀盘直径；θ为刀盘上的点与刀盘中心连线的角度；r为刀盘上的点到刀盘中心的距离；γ1为上部土体的重度；λ1为上部土体的侧向压力系数；γ2为下部岩体的重度；λ2为下部岩体的侧向压力系数；
③刀盘开口处的土仓压力
Figure BDA0003194768150000055
式中σ0为平均土仓压力；
④盾壳与周围岩土体的摩擦力
F4＝F41+F42 (10)
Figure BDA0003194768150000056
Figure BDA0003194768150000061
Figure BDA0003194768150000062
Figure BDA0003194768150000063
式中F41为上部土体与盾壳的摩擦阻力；F42为下部岩体与盾壳的摩擦阻力；f1为盾构机与土体间的摩擦系数；f2为盾构机与岩体间的摩擦系数；L为盾构机长度；p11为上部土体作用在盾壳上的竖向力；p12为上部土体作用在盾壳上的水平力；p21为下部岩体作用在盾壳上的竖向力；p22为下部岩体作用在盾壳上的水平力；
⑤后配套系统牵引力
F5＝fbWb (15)
式中fb为轮子与轨道的摩擦系数；Wb为后配套系统的重力；
进一步的，所述液压回退系统5推进杆总推力F'主要包括主盾2与地层间摩擦力，按下式进行确定，
F'＝F1'+F2' (23)
Figure BDA0003194768150000064
Figure BDA0003194768150000065
Figure BDA0003194768150000066
Figure BDA0003194768150000071
式中，F1'为上部土体与盾壳的摩擦阻力；F2'为下部岩体与盾壳的摩擦阻力；θ1为与土-岩交界面相关的角度参数；D为刀盘直径；H为隧道中心埋深；h为土-岩交界面埋深；θ为刀盘上的点与刀盘中心连线的角度；p11为上部土体作用在盾壳上的竖向力；p12为上部土体作用在盾壳上的水平力；p21为下部岩体作用在盾壳上的竖向力；p22为下部岩体作用在盾壳上的水平力；γ1为上部土体的重度；λ1为上部土体的侧向压力系数；γ2为下部岩体的重度；λ2为下部岩体的侧向压力系数。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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)

1.一种可调土压-矿山法双模式盾构机，其特征在于：包括盾构刀盘(1)、主盾(2)、尾盾(3)、盾构机液压推进系统(4)、盾构机液压回退系统(5)和伸缩式机械臂(6)，所述盾构刀盘(1)设置在主盾(2)的前方，所述主盾(2)设置在尾盾(3)的前方并和尾盾(3)伸缩套筒式连接，所述盾构机液压推进系统(4)固定在主盾(2)上，其推进杆作用在尾盾(3)后方的管片(7)上，所述盾构机液压回退系统(5)固定在主盾(2)上，其推进杆穿过盾构刀盘(1)上设置的通孔Ⅰ(11)作用在岩壁上，所述盾构刀盘(1)包括刀盘圆周体(12)和中心面板(13)，所述刀盘圆周体(12)上设置有与中心面板(13)相适配的通孔Ⅱ，所述中心面板(13)置于通孔Ⅱ内部并相对于刀盘圆周体(12)移除或移动，所述伸缩式机械臂(6)固定在主盾(2)内部，可穿过通孔Ⅱ伸出主盾(2)外侧。
2.根据权利要求1所述的一种可调土压-矿山法双模式盾构机，其特征在于：所述盾构机还包括若干个滚刀(8)，所述若干个滚刀(8)固定在盾构刀盘(1)的前侧面。
3.根据权利要求1所述的一种可调土压-矿山法双模式盾构机，其特征在于：所述盾构机还包括刀盘驱动装置，所述刀盘驱动装置驱动盾构刀盘(1)转动。
4.根据权利要求1所述的一种可调土压-矿山法双模式盾构机，其特征在于：所述主盾(2)和尾盾(3)的嵌套处设置有接头密封刷(9)，所述尾盾(3)和管片(7)之间设置有尾盾密封刷(10)。
5.根据权利要求1所述的一种可调土压-矿山法双模式盾构机，其特征在于：所述通孔Ⅰ(11)有若干个，均布设置在刀盘圆周体(12)上。
6.根据权利要求1所述的一种可调土压-矿山法双模式盾构机，其特征在于：所述伸缩式机械臂(6)的前端设置有反铲式铲斗(15)、破碎锤(16)以及喷射混凝土喷枪(17)，所述反铲式铲斗(15)与伸缩式机械臂(6)铰接，通过固定在伸缩式机械臂(6)上的驱动机构Ⅰ(18)的驱动控制反铲式铲斗(15)的转动，所述反铲式铲斗(15)的背部设置有沟槽(19)，所述破碎锤(16)与沟槽(19)滑动连接，所述破碎锤(16)通过固定在反铲式铲斗(15)背部的驱动机构Ⅱ(20)驱动控制破碎锤(16)的震动冲击，所述喷射混凝土喷枪(17)固定在伸缩式机械臂(6)上，并与输浆管路(21)连接。
7.根据权利要求6所述的一种可调土压-矿山法双模式盾构机，其特征在于：所述驱动机构Ⅰ(18)和驱动机构Ⅱ(20)均为液压油缸。
8.根据权利要求1-7任一权利要求所述的可调土压-矿山法双模式盾构机的施工方法，其特征在于：
步骤一、盾构机液压推进系统(4)的推进杆作用在管片(7)上推动主盾(2)前移，实现土压平衡盾构模式下盾构刀盘(1)对于地层的掘进；
步骤二、当盾构机出现盾构刀盘(1)卡死现象，切换到矿山法模式，关闭盾构刀盘1的驱动系统，盾构机液压推进系统(4)的推进杆回缩，同时盾构机液压回退系统(5)的推进杆作用在盾构刀盘(1)前方的岩壁上，使得主盾(2)回退到目标位置；
步骤三、盾构机液压回退系统(5)的推进杆回缩，盾构刀盘(1)前方形成足够的空间；
步骤四、打开或移除中心面板(13)，伸出伸缩式机械臂(6)作用于前方岩壁；
步骤五、盾构机推进，拼装管片(7)。
9.根据权利要求8所述的可调土压-矿山法双模式盾构机的施工方法，其特征在于：土压平衡盾构模式下盾构机液压推进系统(4)提供的推力通过基于力学分析的控制系统进行控制，所述盾构机液压推进系统(4)总推力通过以下几方面进行计算：
F＝F1+F2+F3+F4+F5 (1)
①刀盘贯入阻力
刀盘贯入阻力F1主要由滚刀切割岩石的法向力Fn引起：
Figure FDA0003194768140000021
Figure FDA0003194768140000022
Figure FDA0003194768140000023
式中P0为岩石破碎区应力；Φ为岩石与滚刀接触角度；R为滚刀直径；t为滚刀刀刃宽度；ψ为模型参数，取-0.2～0.2；C为无量纲参数，取2.12；S为滚刀间距；σc为岩石单轴抗压强度；σt为岩石抗拉强度；p为刀盘每转一圈的贯入度；
刀盘贯入阻力F1则表示为：
F1＝nrFn (5)
式中nr为处于岩石切割状态的滚刀数量；
②刀盘面板上的地层侧向土压力
F2＝(F21+F22)·(1-η) (6)
Figure FDA0003194768140000031
Figure FDA0003194768140000032
式中F21为上部土体在盾构刀盘上的侧向压力；F22为下部岩体在盾构刀盘上的侧向压力；η为刀盘开口率；θ1、θ2为与土-岩交界面相关的角度参数；H为隧道中心埋深；h为土-岩交界面埋深；D为刀盘直径；θ为刀盘上的点与刀盘中心连线的角度；r为刀盘上的点到刀盘中心的距离；γ1为上部土体的重度；λ1为上部土体的侧向压力系数；γ2为下部岩体的重度；λ2为下部岩体的侧向压力系数；
③刀盘开口处的土仓压力
Figure FDA0003194768140000033
式中σ0为平均土仓压力；
④盾壳与周围岩土体的摩擦力
F4＝F41+F42 (10)
Figure FDA0003194768140000034
Figure FDA0003194768140000035
Figure FDA0003194768140000036
Figure FDA0003194768140000037
式中F41为上部土体与盾壳的摩擦阻力；F42为下部岩体与盾壳的摩擦阻力；f1为盾构机与土体间的摩擦系数；f2为盾构机与岩体间的摩擦系数；L为盾构机长度；p11为上部土体作用在盾壳上的竖向力；p12为上部土体作用在盾壳上的水平力；p21为下部岩体作用在盾壳上的竖向力；p22为下部岩体作用在盾壳上的水平力；
⑤后配套系统牵引力
F5＝fbWb (15)
式中fb为轮子与轨道的摩擦系数；Wb为后配套系统的重力。
10.根据权利要求8所述的可调土压-矿山法双模式盾构机的施工方法，其特征在于：所述盾构机液压回退系统(5)推进杆总推力F'主要包括主盾(2)与地层间摩擦力，按下式进行确定，F'＝F1'+F2' (23)
Figure FDA0003194768140000041
Figure FDA0003194768140000042
Figure FDA0003194768140000043
Figure FDA0003194768140000044
式中，F1'为上部土体与盾壳的摩擦阻力；F2'为下部岩体与盾壳的摩擦阻力；θ1为与土-岩交界面相关的角度参数；D为刀盘直径；f1为盾构机与土体间的摩擦系数；f2为盾构机与岩体间的摩擦系数；L为盾构机长度；H为隧道中心埋深；h为土-岩交界面埋深；θ为刀盘上的点与刀盘中心连线的角度；p11为上部土体作用在盾壳上的竖向力；p12为上部土体作用在盾壳上的水平力；p21为下部岩体作用在盾壳上的竖向力；p22为下部岩体作用在盾壳上的水平力；γ1为上部土体的重度；λ1为上部土体的侧向压力系数；γ2为下部岩体的重度；λ2为下部岩体的侧向压力系数。
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