CN113833481A - 一种半圆顶管机及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半圆顶管机及施工方法，包括盾体，所述盾体前进端安装摆动刀盘，所述盾体内设有刀盘驱动装置，刀盘驱动装置带动摆动刀盘，所述刀盘驱动装置包括驱动机、与驱动机的输出轴相连的摇杆组，所述摆动刀盘包括若干环形阵列的刀盘主梁，所述刀盘主梁上线型阵列刀具；刀盘主梁指向摆动刀盘圆心的一端连接有中心法兰，中心法兰与刀盘驱动装置的摇杆组转动连接，被摇杆组带动往复摆动。本发明采用的半圆形顶管机及其掘进方法，能够采用土压、泥水等多模式下的短距离掘进施工；能广泛应用于城市公路隧道以及隧道内联络通道等，相对于传统圆形断面具有更高的断面利用率，且具有较好的经济性能，操作简单易行。

Description

一种半圆顶管机及施工方法

技术领域

本发明涉及地下掘进机生产制造技术领域，尤其是一种半圆顶管机及施工方法。

背景技术

随着地下空间的发展，顶管机作为一种地下施工设备，由其结构简单、安全高效、经济性能好等优点已经被广泛地应用于地下公路隧道、电力隧道、过街横通道、地铁站出口通道、综合管廊等工程建设中。

目前，国内外隧道施工使用的顶管机大多为圆形断面，但由于其断面利用率较低，市场上逐渐开发出现矩形、椭圆形、马蹄形等其它异形断面顶管机，通常情况下，工程费用与掘进设备切削断面呈正比例，也就是说，这些异形断面顶管机的经济成本高于圆形断面顶管机的经济成本。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的半圆顶管机及施工方法，在保证断面利用率高的同时，还能够兼顾降低经济成本。

本发明所采用的技术方案如下：

一种半圆顶管机，包括盾体，所述盾体前进端安装摆动刀盘，所述盾体内设有刀盘驱动装置，刀盘驱动装置带动摆动刀盘，

所述刀盘驱动装置包括驱动机、与驱动机的输出轴相连的摇杆组，

所述摆动刀盘包括若干环形阵列的刀盘主梁，所述刀盘主梁上线型阵列刀具；刀盘主梁指向摆动刀盘圆心的一端连接有中心法兰，中心法兰与刀盘驱动装置的摇杆组转动连接，被摇杆组带动往复摆动。

所述摇杆组包括垂直连接于驱动机的输出轴的曲柄、活动连接于曲柄背离驱动机输出轴一端的摇杆杆体，摇杆杆体与其中一根刀盘主梁固定相连。

所述摇杆杆体为中心法兰的组成部分，摇杆杆体上设有滑槽，曲柄背离驱动机输出轴一端落在滑槽内往复移动。

所述摇杆杆体底端的相对位置保持不变，摇杆杆体绕其底端作往复摆动。

所述刀盘主梁组成扇形的摆动刀盘，所述摇杆杆体摆动角度的范围，与摆动刀盘的扇形顶角的补角大小相同。

所述刀盘主梁背离刀具的一面上安装有连接扭腿，所述连接扭腿自刀盘主梁的中间位置延伸至中心法兰处，与中心法兰固定相连。

所述刀盘主梁处还安装有中间固定环，中间固定环与中心法兰同心设置，中间固定环的直径小于摆动刀盘的直径且大于中心法兰的直径。

所述刀盘主梁的数量为单数，以中间位置的刀盘主梁为对称中心，其他刀盘主梁在中间刀盘主梁两侧对称设置。

一种利用半圆顶管机的施工方法，包括如下步骤：

一、选择规格阶段：根据实际工况选择刀盘主梁的数量、刀盘驱动装置的类型；根据顶管机的设计直径调整螺旋输送机的数量，螺旋输送机中心单台布置，或两侧双台布置，

二、驱动施工阶段：启动刀盘驱动装置，刀盘驱动装置带动曲柄360°匀速转动；曲柄在转动过程中，其背离驱动机的一端在摇杆杆体的滑槽中往复运动，带动摇杆杆体绕自身底端左右往复摆动，曲柄每转动一圈，摇杆杆体对应往返摆动一次，对应带动摆动刀盘往返摆动开挖一次；开挖落下的渣土从螺旋输送机输出至渣土车内，由渣土车输送至隧道外。

作为上述技术方案的进一步改进：

摆动刀盘每次摆动的角度大小为摆动刀盘的扇形顶角的补角大小。

本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑、合理，操作方便，采用半圆形的刀盘，结合刀盘采用摆动式结构对底层进行开挖，其主梁结构及刀具形式可根据不同地层进行设计，同时旋转角度也可根据地层进行调整设计，驱动形式也可根据需求进行调整设计，用于适用多种地层工况。

本发明采用的半圆形顶管机及其掘进方法，能够采用土压、泥水等多模式下的短距离掘进施工；能广泛应用于城市公路隧道以及隧道内联络通道等，相对于传统圆形断面具有更高的断面利用率，且具有较好的经济性能，操作简单易行。

本发明中的摆动刀盘区别于常规的刀盘，也区别于其他的传动机构往复运动的刀盘，本发明中通过维持同向转动的摇杆机构，带动刀盘实现往复运动，驱动机无需改变转向，因此驱动机的实际驱动过程比换向电机更稳定，曲柄的实际运动力中包含惯性，使得曲柄带动的摇杆杆体、摇杆杆体带动的摆动刀盘在运动过程中不易发生卡滞情况，从而提高摆动开挖的工作效率。

本发明中的刀盘主梁和中心法兰之间通过连接扭腿提高连接强度，刀盘主梁之间通过中间固定环提高整体的连接强度，保证摆动刀盘在运动过程中的可靠性。

本发明中的摆动刀盘的运动路径范围在0-180°，在此范围内，扇形的摆动刀盘往复运动，摆动刀盘的自重对摆动刀盘的运动过程影响较小；举例参考0-360°的运动范围，当摆动刀盘落到竖直方向最低点时，摆动刀盘要再翻回到水平直径上方，需要克服摆动刀盘自身的全部重力，对设备来说是额外的载荷；而且在长路径运动过程中，更容易与硬质渣土之间产生刚性冲击，刀具损坏率高。本发明将摆动刀盘的运动范围限制在0-180°能够有效减少上述情况发生。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的摆动刀盘正视图。

图3为本发明的摆动刀盘后视图。

图4为本发明的摇杆组初始状态示意图。

图5为本发明的摇杆组运动过程中的其中一个瞬间位置示意图。

图6为本发明的摇杆组运动过程中，摇杆杆体与曲柄第二次重合的位置示意图。

图7为本发明的摇杆组运动过程中，经过摇杆杆体与曲柄第二次重合的位置后的其中一个瞬间位置示意图。

其中：1、盾体；2、摆动刀盘；3、刀盘驱动装置；

201、刀盘主梁；202、中心法兰；203、连接扭腿；204、中间固定环；

301、曲柄；302、摇杆杆体；303、滑槽。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1-图7所示，本实施例的半圆顶管机，包括盾体1，盾体1前进端安装摆动刀盘2，盾体1内设有刀盘驱动装置3，刀盘驱动装置3带动摆动刀盘2，

刀盘驱动装置3包括驱动机、与驱动机的输出轴相连的摇杆组，

摆动刀盘2包括若干环形阵列的刀盘主梁201，刀盘主梁201上线型阵列刀具；刀盘主梁201指向摆动刀盘2圆心的一端连接有中心法兰202，中心法兰202与刀盘驱动装置3的摇杆组转动连接，被摇杆组带动往复摆动。

摇杆组包括垂直连接于驱动机的输出轴的曲柄301、活动连接于曲柄301 背离驱动机输出轴一端的摇杆杆体302，摇杆杆体302与其中一根刀盘主梁201 固定相连。

摇杆杆体302上设有滑槽303，曲柄301背离驱动机输出轴一端落在滑槽 303内往复移动。

摇杆杆体302底端的相对位置保持不变，摇杆杆体302绕其底端作往复摆动。

刀盘主梁201组成扇形的摆动刀盘2，摇杆杆体302摆动角度的范围，与摆动刀盘2的扇形顶角的补角大小相同。

刀盘主梁201背离刀具的一面上安装有连接扭腿203，连接扭腿203自刀盘主梁201的中间位置延伸至中心法兰202处，与中心法兰202固定相连。

刀盘主梁201处还安装有中间固定环204，中间固定环204与中心法兰202 同心设置，中间固定环204的直径小于摆动刀盘2的直径且大于中心法兰202 的直径。

刀盘主梁201的数量为单数，以中间位置的刀盘主梁201为对称中心，其他刀盘主梁201在中间刀盘主梁201两侧对称设置。

本实施例的利用半圆顶管机的施工方法，包括如下步骤：

一、选择规格阶段：根据实际工况选择刀盘主梁201的数量、刀盘驱动装置3的类型；根据顶管机的设计直径调整螺旋输送机的数量，螺旋输送机中心单台布置，或两侧双台布置，

二、驱动施工阶段：启动刀盘驱动装置3，刀盘驱动装置3带动曲柄301 在360°范围内匀速转动；曲柄301在转动过程中，其背离驱动机的一端在摇杆杆体302的滑槽303中往复运动，带动摇杆杆体302绕自身底端左右往复摆动，曲柄301每转动一圈，摇杆杆体302对应往返摆动一次，对应带动摆动刀盘2往返摆动开挖一次；开挖落下的渣土从螺旋输送机输出至渣土车内，由渣土车输送至隧道外。

摆动刀盘2每次摆动的角度大小为摆动刀盘2的扇形顶角的补角大小。

本实施例的具体结构及工作过程如下：

如图1所示，为顶管机的整体结构图，本发明对顶管机的刀盘位置进行改进，其余结构不变，以便适用于多种地层工况。

如图2和图3所示，为本发明中的摆动刀盘2结构示意图，摆动刀盘2包括若干根刀盘主梁201，刀盘主梁201上安装有刀具。刀盘主梁201组成扇形，在扇形圆心位置安装有中心法兰202，中心法兰202与刀盘驱动装置3相连。在刀盘主梁201的中间位置通过圆弧形的中间固定环204进行加固。

本实施例中，为了提高摆动刀盘2与中心法兰202之间的连接强度，在刀盘主梁201背离掌子面的一侧安装有连接扭腿203，连接扭腿203一端靠近中间固定环204所在的位置，另一端与中心法兰202相连。

本实施例中的刀盘主梁201设有三根，相邻两根刀盘主梁201之间的夹角限定为45°，加上刀盘主梁201自身的角度，整个摆动刀盘2所在的扇形顶角为135°，摆动刀盘2在往复摆动过程中，两个极限位置分别是两条直边与水平面重合的位置。因此，扇形的摆动刀盘2的摆动角度范围为0-45°。

如图4-图7所示，本实施例中的摇杆组由曲柄301和摇杆杆体302组成，曲柄301为主动部件，摇杆杆体302为从动部件，曲柄301在圆周转动过程中，带动摇杆杆体302往复摆动，驱动机驱动设置于盾体1内部的曲柄301中心轴端，带动曲柄301作360°旋转；曲柄301的摆动端在滑槽303作往返直线运动，带动中心法兰202、摆动刀盘2作摇摆运动。由于中心法兰202的摇杆杆体302 部分与中间的刀盘主梁201焊接固定，摇杆杆体302受到曲柄301长度限制，摆动幅度为：以经过摇杆杆体302的铰接点的铅垂线为基准，摆动极限位置为该铅垂线两侧各45°，与摆动刀盘2的运动范围相适配。

实际使用过程中，根据实际需要，例如地层硬度等参数，选择刀盘驱动装置3、刀盘主梁201数量、摆动刀盘2的摆动角度。

刀盘驱动装置3可选用：电机马达限位驱动、液压油缸驱动；本实施例中采用电机马达带动曲柄301；

刀盘主梁201本实施例中选用三根，摆动刀盘2的角度本实施例中选用 45°。

本发明能够在保障断面利用率的前提下，能够采用土压、泥水等多模式下的短距离掘进施工，相对于传统圆形断面具有更高的断面利用率，且能够有效控制经济成本。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (10)

1.一种半圆顶管机，包括盾体(1)，其特征在于：所述盾体(1)前进端安装摆动刀盘(2)，所述盾体(1)内设有刀盘驱动装置(3)，刀盘驱动装置(3)带动摆动刀盘(2)，

所述刀盘驱动装置(3)包括驱动机、与驱动机的输出轴相连的摇杆组，

所述摆动刀盘(2)包括若干环形阵列的刀盘主梁(201)，所述刀盘主梁(201)上线型阵列刀具；刀盘主梁(201)指向摆动刀盘(2)圆心的一端连接有中心法兰(202)，中心法兰(202)与刀盘驱动装置(3)的摇杆组转动连接，被摇杆组带动往复摆动。

2.如权利要求1所述的一种半圆顶管机，其特征在于：所述摇杆组包括垂直连接于驱动机的输出轴的曲柄(301)、活动连接于曲柄(301)背离驱动机输出轴一端的摇杆杆体(302)，摇杆杆体(302)与其中一根刀盘主梁(201)固定相连。

3.如权利要求2所述的一种半圆顶管机，其特征在于：所述摇杆杆体(302)为中心法兰(202)的组成部分，摇杆杆体(302)上设有滑槽(303)，曲柄(301)背离驱动机输出轴一端落在滑槽(303)内往复移动。

4.如权利要求3所述的一种半圆顶管机，其特征在于：所述摇杆杆体(302)底端的相对位置保持不变，摇杆杆体(302)绕其底端作往复摆动。

5.如权利要求4所述的一种半圆顶管机，其特征在于：所述刀盘主梁(201)组成扇形的摆动刀盘(2)，所述摇杆杆体(302)摆动角度的范围，与摆动刀盘(2)的扇形顶角的补角大小相同。

6.如权利要求1所述的一种半圆顶管机，其特征在于：所述刀盘主梁(201)背离刀具的一面上安装有连接扭腿(203)，所述连接扭腿(203)自刀盘主梁(201)的中间位置延伸至中心法兰(202)处，与中心法兰(202)固定相连。

7.如权利要求1所述的一种半圆顶管机，其特征在于：所述刀盘主梁(201)处还安装有中间固定环(204)，中间固定环(204)与中心法兰(202)同心设置，中间固定环(204)的直径小于摆动刀盘(2)的直径且大于中心法兰(202)的直径。

8.如权利要求1所述的一种半圆顶管机，其特征在于：所述刀盘主梁(201)的数量为单数，以中间位置的刀盘主梁(201)为对称中心，其他刀盘主梁(201)在中间刀盘主梁(201)两侧对称设置。

9.一种利用权利要求1所述的半圆顶管机的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

一、选择规格阶段：根据实际工况选择刀盘主梁(201)的数量、刀盘驱动装置(3)的类型；根据顶管机的设计直径调整螺旋输送机的数量，螺旋输送机中心单台布置，或两侧双台布置，

二、驱动施工阶段：启动刀盘驱动装置(3)，刀盘驱动装置(3)带动曲柄(301)360°匀速转动；曲柄(301)在转动过程中，其背离驱动机的一端在摇杆杆体(302)的滑槽(303)中往复运动，带动摇杆杆体(302)绕自身底端左右往复摆动，曲柄(301)每转动一圈，摇杆杆体(302)对应往返摆动一次，对应带动摆动刀盘(2)往返摆动开挖一次；开挖落下的渣土从螺旋输送机输出至渣土车内，由渣土车输送至隧道外。

10.根据权利要求9所述的半圆顶管机施工方法，其特征在于：摆动刀盘(2)每次摆动的角度大小为摆动刀盘(2)的扇形顶角的补角大小。

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