CN114876475B - 一种可移动式电控盾构始发装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可移动式电控盾构始发装置及其控制方法，相比较于现有盾构始发方法，本发明通过在导轨上设置轨道平台，使反力架固定于轨道平台上，通过移动和固定轨道平台，使反力架能够任意变动位置。当进行盾构始发时，始发基座、反力架、轨道平台和导轨形成一个整体为盾构机提供反推力，盾构机千斤顶作用于反力架上，盾构机利用反推力向前移动，反力架根据盾构机的向前移动也步进式地沿导轨向前移动，如此循环，直至完成盾构始发。通过本发明，省去了拼装和拆卸多环负环管片的过程，能使盾构机自动化地完成始发，减少了施工成本和工期，降低了施工风险。

Description

一种可移动式电控盾构始发装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及盾构机配套设备技术领域，尤其涉及一种可移动式电控盾构始发装置及其控制方法。

背景技术

盾构始发阶段制约着整个盾构隧道工程。在盾构始发所需装置中，盾构始发架有钢结构、钢筋混凝土结构和两者结合的结构，安装在始发轴线上以支撑盾构主机，为其提供工作平台和一定的约束力；反力架常使用钢结构，在始发时为盾构主机提供反力；盾构始发时，在盾尾和反力架之间安装负环管片，为盾构机提供推力。始发架、反力架和负环管片的设计与安装是盾构始发的关键技术之一。

现有盾构始发方法中，需要人工拼装和拆除一定环数的负环管片，一方面由于负环管片的吊装、拼接、拆除不仅费时费力，对场地和施工质量也有一定的要求，造成工期和成本的显著提高；另一方面，在自重作用下，由于管片外围没有水土压力，管片内部相当于无预应力状态，管片底部区域的接头应力较大，易张开影响反力结构的正常使用，增大施工安全风险。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种可移动式电控盾构始发装置及其控制方法，改进了以往盾构始发施工中负环管片的相关步骤，解决了现有的盾构始发方法存在施工工序复杂、费时费力和增大了施工安全风险的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供了一种可移动式电控盾构始发装置，其包括电控装置和两根对列设置的导轨，两根导轨通过锚固件用于与始发井平面固定连接；

两根导轨的顶部设置有反力架，反力架包括均沿盾构机掘进方向排列设置的前架和后架，前架和后架之间设置有多根电动驱动杆件，多根电动驱动杆件用于改变前架和后架之间的间距；

前架和后架的底部两侧均设置有轨道平台，前架和后架通过轨道平台与两根导轨滑动连接；前架的一侧端面用于盾构机千斤顶接触；

每个轨道平台均包括运行机构框架，运行机构框架上设置有与导轨匹配的车轮组和用于驱动车轮组转动的驱动件；运行机构框架内设置有制动装置；

前架和后架的底部均与运行机构框架的顶部固定连接；

多根电动驱动杆件、驱动件和制动装置均与电控装置电性连接；前架和后架底部中间均向下凸起设置有小径端朝向的锥板部；两根导轨之间沿盾构机的掘进方向设置有用于承载盾构机和反力架的始发基座，始发基座包括钢结构托架和设置在钢结构托架上的导向部件；

钢结构托架锚固在盾构始发工作井底板上；导向部件包括设置在钢结构托架顶部的两条导向主轨和两条对称倾斜设置在钢结构托架两侧的导向副轨；

两条导向主轨用于与锥板部的下端面和盾构机的底部接触；单纯依靠左右两侧斜撑件可能会在不均匀受力的情况下整个结构发生偏移，导向主轨来起到导向和一定的支撑作用，两条导向副轨用于与盾构机的底部接触，导向副轨支撑着盾构机向前滑动，所以必须要在反力架前后架上留出位置给导向副轨。

进一步地，后架的端面上对称设置有一对斜撑件，斜撑件为圆钢管，斜撑件的一端与后架的端面固定连接，另一端设置有轨道平台，轨道平台与导轨滑动连接，斜撑件的另一端与轨道平台的运行机构框架顶部固定连接。

进一步地，前架与后架均为门式框架结构，前架与后架包括左右两侧箱型梁立柱和上下侧的箱型横梁组成；箱型梁立柱和箱型横梁中均设置有加强筋，箱型梁立柱和箱型横梁连接的四个节点处分别设置有斜梁；

每根电动驱动杆件均包括复位弹簧和与电控装置电性连接的电动液压推杆；电动液压推杆的两端均设有一块安装板，复位弹簧套设于电动液压推杆的外壁且复位弹簧套的两端分别与两块安装板的端面接触；

电动液压推杆的两端通过两块安装板分别与前架和后架的端面固定连接。

进一步地，运行机构框架为金属构件构成的H型框架，制动装置包括液压弹簧杆、摩擦片和液压动力源；液压弹簧杆的尾端与运行机构框架的内顶面固定连接，液压弹簧杆的伸出端设置有摩擦片，摩擦片为橡胶制的U型摩擦片，液压弹簧杆带动摩擦片与导轨的顶部接触；

液压动力源设置在运行机构框架的顶部且与电控装置装置电性连接，液压动力源与液压弹簧杆连接用于为液压弹簧杆伸缩提供动力。

进一步地，前架与盾构机千斤顶之间设置有盾构连接件，盾构连接件包括与前架端面固定连接的安装环梁和与安装环梁固定连接的安置基准环，安置基准换的一侧端面用于与盾构机千斤顶接触，安置基准环和安装环梁之间设置有横撑。

进一步地，两根导轨上设置有可移动式盾构托架，可移动式盾构托架的顶部设置为与安装环梁或安置基准环外圆匹配的圆弧结构，可移动式盾构托架的底部设置有与导轨滑动连接的滑轮。

进一步地，电控装置包括相互电性连接的控制器、无线通讯模块和无线遥控器；多根电动驱动杆件、驱动件和制动装置通过连接线与控制器电性连接。

本发明还提供一种可移动式电控盾构始发装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：盾构机千斤顶的输出端与安置基准环配合；

步骤2：开启前架、后架、斜撑轨道平台的制动装置，固定反力架，盾构机向前掘进；

步骤3：关闭前架上轨道平台的制动装置；

步骤4：伸长电动驱动杆件推动前架前移，且同步收缩盾构千斤顶；

步骤5：开启前架上轨道平台的制动装置，固定前架；

步骤6：关闭后架和斜撑件上轨道平台的制动装置；

步骤7：收缩电动驱动杆件拉动后架和斜撑前移至前架的初始位置；

步骤8：重复步骤2～7，直至完成盾构始发。

本发明的有益效果为：相比较于现有盾构始发方法，本发明通过在导轨上设置轨道平台，使反力架固定于轨道平台上，通过移动和固定轨道平台，使反力架能够任意变动位置。当进行盾构始发时，始发基座、反力架、轨道平台和导轨形成一个整体为盾构机提供反推力，盾构机千斤顶作用于反力架上，盾构机利用反推力向前移动，反力架根据盾构机的向前移动也步进式地沿导轨向前移动，如此循环，直至完成盾构始发。通过本发明，省去了拼装和拆卸多环负环管片的过程，能使盾构机自动化地完成始发，减少了施工成本和工期，降低了施工风险。

附图说明

图1为一种可移动式电控盾构始发装置的三维结构示意图。

图2为一种可移动式电控盾构始发装置的三维结构示意图。

图3为轨道平台的放大三维结构示意图。

图4为始发基座的放大三维结构示意图。

图5为电动驱动杆件放大结构示意图。

其中，1、导轨；2、反力架；3、前架；4、后架；5、电动驱动杆件；6、轨道平台；7、运行机构框架；8、车轮组；9、制动装置；10、锥板部；11、始发基座；12、钢结构托架；13、导向部件；14、导向主轨；15、导向副轨；16、斜撑件；17、斜梁；18、复位弹簧；19、电动液压推杆；20、安装板；21、液压弹簧杆；22、摩擦片；23、盾构连接件；24、安装环梁；25、安置基准环；26、横撑；27、可移动式盾构托架；28、滑轮。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1～5所示，本发明提供了一种可移动式电控盾构始发装置，其包括电控装置和两根对列设置的导轨1，两根导轨1通过锚固件用于与始发井平面固定连接；两根导轨1的顶部设置有反力架2，反力架2包括均沿盾构机掘进方向排列设置的前架3和后架4，前架3和后架4之间设置有多根电动驱动杆件5，多根电动驱动杆件5用于改变前架3和后架4之间的间距。

如图5所示，作为电动驱动杆件5的一种具体设置方式，每根电动驱动杆件5均包括复位弹簧18和与电控装置电性连接的电动液压推杆19；电动液压推杆19的两端均设有一块安装板20，复位弹簧18套设于电动液压推杆19的外壁且复位弹簧18的两端分别与两块安装板20的端面接触；电动液压推杆19的两端通过两块安装板20分别与前架3和后架4的端面固定连接。

复位弹簧18围绕电动液压推杆19设于安装板20之间，为电动液压推杆19收缩时提供额外拉力。可选的，电动液压推杆19要伸缩则必然设置有动力单元，而动力单元等设备可安置在轨道平台6上，动力单元包括齿轮泵、液压油箱和液压管，齿轮泵转动通过液压管向电动液压推杆19提供动力液压油，实现电动液压推杆19的伸缩，电动液压推杆19的伸缩可以改变前架3和后架4之间的间距，实现前架3和后架4相对位置的改变。

如图1、图2和图3所示，前架3和后架4的底部两侧均设置有轨道平台6，前架3和后架4通过轨道平台6与两根导轨1滑动连接；前架3的一侧端面用于盾构机千斤顶接触，装置固定时，始发基座11、反力架2、轨道平台6和导轨1形成一个整体。盾构机推进力通过盾构机千斤顶传递到前架3，并通过反力架2、轨道平台6和始发基座11传递到固定在始发井底板上的导轨1，由此为盾构机提供反力。

每个轨道平台6均包括运行机构框架7，所述运行机构框架7上设置有与导轨1匹配的车轮组8和用于驱动车轮组8转动的驱动件；车轮组8采用轮组形式，并通过弹簧单元支撑运行机构框架7。为了减小偏差，弹簧单元应具有较大刚度。可选的，各轮组由驱动件驱动，驱动件由电动机单元和传动装置组成，并通过支撑单元附属部件安置于运行机构框架7上。

运行机构框架7内设置有制动装置9，制动装置9用于制动轨道平台6，并锁止轨道平台6当前的位置，起到调节反力架2在导轨1上的相对位置。

前架3和后架4的底部均与运行机构框架7的顶部固定连接。

如图2所示，若盾构机千斤顶行程有限，则需要在盾构机千斤顶与反力架2之间安装盾构连接件23。在反力架2前架3面对盾构机一侧安装环梁24，安装环梁24为箱型梁或型钢，通过焊接或螺栓固定于前架3。在盾构机千斤顶行程末端位置安置基准环25，安置基准环25为弧形箱型梁拼接加固而成的环形钢结构，安装环梁24和安置基准环25通过横撑26连接，横撑26为圆钢管。安装环梁24和安置基准环25均为弧形箱型梁拼接加固而成的环形钢结构。

两根所述导轨1上设置有可移动式盾构托架27，可移动式盾构托架27的顶部设置为与所述安装环梁24或安置基准环25外圆匹配的圆弧结构，可移动式盾构托架27的底部设置有与所述导轨1滑动连接的滑轮28，安装盾构连接件23位于两根导轨1上的可移动式盾构托架27之间，当安装盾构连接件23发生倾覆时，安装环梁24或安置基准环25与可移动式盾构托顶部接触，可以避免盾构机发生倾覆，使整体结构更加稳定。

多根电动驱动杆件5、驱动件和制动装置9均与电控装置电性连接。通过在导轨1上设置轨道平台6，使反力架2固定于轨道平台6上，通过移动和固定轨道平台6，使反力架2能够任意变动位置。当进行盾构始发时，始发基座11、反力架2、轨道平台6和导轨1形成一个整体为盾构机提供反推力，盾构机千斤顶作用于反力架2上，盾构机利用反推力向前移动，反力架2根据盾构机的向前移动也步进式地沿导轨1向前移动，如此循环，直至完成盾构始发。通过本发明，省去了拼装和拆卸多环负环管片的过程，减少了施工成本和工期，降低了施工风险。

优选但不局限地，作为前架3和后架4的一种具体设置方式，前架3与后架4均为门式框架结构，前架3与后架4包括左右两侧箱型梁立柱和上下侧的箱型横梁组成；箱型梁立柱和箱型横梁中均设置有加强筋，以维护整体结构的刚度，箱型梁立柱和箱型横梁连接的四个节点处分别设置有斜梁17，以稳定结构并提供必要支撑。

如图1和图4所示，同时在前架3与后架4的箱型横梁的底部中间均向下凸起设置有小径端朝向的锥板部10；两根导轨1之间沿盾构机的掘进方向设置有始发基座11，始发基座11包括钢结构托架12和设置在钢结构托架12上的导向部件13。

钢结构托架12锚固在盾构始发工作井底板上；导向部件13包括设置在钢结构托架12顶部的两条导向主轨14和两条对称倾斜设置在钢结构托架12两侧的导向副轨15。

两条导向主轨14用于与锥板部10的下端面接触；具体地，锥板部10的下部设置有滑轮28，使用滑轮28与两条导向主轨14的顶部接触。可以在两条导向副轨15用于与锥板部10的底部两侧面接触。钢结构托架12起到为导向部件13提供支撑的作用，两条导向主轨14用于与锥板部10的下端面和盾构机的底部接触，两条导向主轨14起到支撑盾构机的作用，单纯依靠左右两侧斜撑件16可能会在不均匀受力的情况下整个结构发生偏移，导向主轨14来起到导向和一定的支撑作用；两条导向副轨15设置在锥板部10的两侧，两条导向副轨15用于与盾构机的底部接触，导向副轨15支撑着盾构机向前滑动，所以必须要在反力架2前后架上留出位置给导向副轨15，起到防止整个盾构机倾覆的作用；在实际设计中，导向主轨14和导向副轨15种类、数量、位置可以根据盾构机底部空隙、盾构机种类、盾构机重量和反力架2结构进行灵活调整。

在后架4的端面上对称设置有一对斜撑件16，斜撑件16为圆钢管，斜撑件16的一端与后架4的端面固定连接，另一端设置有轨道平台6，轨道平台6与导轨1滑动连接，斜撑件16的另一端与轨道平台6的运行机构框架7顶部固定连接；斜撑件16连接固定在地面的导轨1上，为后架4提供支撑反力。

如图3所示，运行机构框架7为金属构件构成的H型框架，所述制动装置9包括液压弹簧杆21、摩擦片22和液压动力源；所述液压弹簧杆21的尾端与所述运行机构框架7的内顶面固定连接，液压弹簧杆21的伸出端设置有所述摩擦片22，摩擦片22为橡胶制的U型摩擦片22，液压弹簧杆21带动摩擦片22与所述导轨1的顶部接触。

液压动力源设置在运行机构框架7的顶部且与电控装置装置电性连接，液压动力源与液压弹簧杆21连接用于为液压弹簧杆21伸缩提供动力，液压动力源可与电动液压推杆19的动力单元相同。当制动装置9启动时，液压制动弹簧杆推动摩擦片22与导轨1接触，从而起到制动作用。

而电控装置可以设置在反力架2的顶部端面上，电控装置包括相互电性连接的控制器、无线通讯模块和无线遥控器；所述多根电动驱动杆件5、驱动件和制动装置9通过连接线与控制器电性连接。本方案中的电器元件之间的连接关系和选型为现有的成熟技术，故在此不赘述电气元件之间的电路结构和工作原理。

本方案中的导轨1、导向主轨14和导向副轨15均可以选用工字钢；车轮组8中的车轮上设置有与工字钢配合的凹槽。

本发明还提供一种可移动式电控盾构始发装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：盾构机千斤顶的输出端与安置基准环25配合；

步骤2：开启前架3、后架4、斜撑轨道平台6的制动装置9，固定反力架2，盾构机向前掘进；

步骤3：关闭前架3上轨道平台6的制动装置9；

步骤4：伸长电动驱动杆件5推动前架3前移，且同步收缩盾构千斤顶；

步骤5：开启前架3上轨道平台6的制动装置9，固定前架3；

步骤6：关闭后架4和斜撑件16上轨道平台6的制动装置9；

步骤7：收缩电动驱动杆件5拉动后架4和斜撑前移至前架3的初始位置；

步骤8：重复步骤2～7，直至完成盾构始发。

作为现场盾构始发的一种具体的方式，选择盾构机千斤顶行程为2.5m，在进行盾构始发时，盾构机每掘进2m，可移动式盾构始发装置随之移动2m，具体如下：反力架2连接杆为收缩状态，开启前架3、后架4、斜撑的轨道平台6上的制动装置9，固定反力架2，盾构机千斤顶通过盾构连接件23作用在反力架2上，盾构机受到反推力掘进；关闭前架3的轨道平台6上的制动装置9，电动驱动杆件5伸长，推动前架3前移2m，同时盾构机千斤顶随之收缩；开启前架3的轨道平台6上的制动装置9，固定前架3，关闭后架4、斜撑的轨道平台6上的制动装置9，收缩电动驱动杆件5，后架4与斜撑件16受到拉力前移2m；下一回合进尺。如此循环，直至完成盾构始发。在上述过程中，盾构机始终受到反力作用。盾构始发过程中不需要拆装负环管片，大大节省了施工成本和工期，降低了施工风险。

Claims (5)

1.一种可移动式电控盾构始发装置，其特征在于，包括电控装置和两根对列设置的导轨，两根所述导轨通过锚固件安装在盾构始发工作井底板上；

两根导轨的顶部设置有反力架，所述反力架包括均沿盾构机掘进方向排列设置的前架和后架，所述前架和后架之间设置有多根电动驱动杆件，多根所述电动驱动杆件用于改变前架和后架之间的间距；

前架和后架的底部两侧均设置有轨道平台，前架和后架通过所述轨道平台与两根导轨滑动连接；前架的一侧端面用于盾构机千斤顶接触；

每个轨道平台均包括运行机构框架，所述运行机构框架上设置有与导轨匹配的车轮组和用于驱动车轮组转动的驱动件；运行机构框架内设置有制动装置；

前架和后架的底部均与运行机构框架的顶部固定连接；

多根电动驱动杆件、驱动件和制动装置均与所述电控装置电性连接；前架和后架底部中间均向下凸起设置有小径端朝向盾构始发工作井底板的锥板部；

两根所述导轨之间沿盾构机的掘进方向设置有用于承载盾构机和反力架的始发基座，所述始发基座包括钢结构托架和设置在钢结构托架上的导向部件；

钢结构托架锚固在盾构始发工作井底板上；导向部件包括设置在钢结构托架顶部的两条导向主轨和两条对称倾斜设置在钢结构托架两侧的导向副轨；

两条所述导向主轨用于与所述锥板部的下端面和盾构机的底部接触；两条所述导向副轨用于与盾构机的底部接触；所述前架与后架均为门式框架结构，前架与后架包括左右两侧箱型梁立柱和上下侧的箱型横梁组成；箱型梁立柱和箱型横梁中均设置有加强筋，箱型梁立柱和箱型横梁连接的四个节点处分别设置有斜梁；

每根所述电动驱动杆件均包括复位弹簧和与所述电控装置电性连接的电动液压推杆；所述电动液压推杆的两端均设有一块安装板，所述复位弹簧套设于电动液压推杆的外壁且复位弹簧套的两端分别与两块所述安装板的端面接触；

电动液压推杆的两端通过两块安装板分别与前架和后架的端面固定连接；

所述前架与盾构机千斤顶之间设置有盾构连接件，所述盾构连接件包括与前架端面固定连接的安装环梁和与所述安装环梁固定连接的安置基准环，所述安置基准环和安装环梁之间设置有横撑；

两根所述导轨上设置有可移动式盾构托架，所述可移动式盾构托架的顶部设置为与所述安装环梁或安置基准环外圆匹配的圆弧结构，可移动式盾构托架的底部设置有与所述导轨滑动连接的滑轮。

2.根据权利要求1所述的可移动式电控盾构始发装置，其特征在于，所述后架的端面上对称设置有一对斜撑件，所述斜撑件为圆钢管，斜撑件的一端与后架的端面固定连接，另一端设置有所述轨道平台，轨道平台与所述导轨滑动连接，斜撑件的另一端与轨道平台的运行机构框架顶部固定连接。

3.根据权利要求1所述的可移动式电控盾构始发装置，其特征在于，所述运行机构框架为金属构件构成的H型框架，所述制动装置包括液压弹簧杆、摩擦片和液压动力源；所述液压弹簧杆的尾端与所述运行机构框架的内顶面固定连接，液压弹簧杆的伸出端设置有所述摩擦片，摩擦片为橡胶制的U型摩擦片，液压弹簧杆带动摩擦片与所述导轨的顶部接触；

液压动力源设置在运行机构框架的顶部且与电控装置电性连接，液压动力源与液压弹簧杆连接用于为液压弹簧杆伸缩提供动力。

4.根据权利要求1所述的可移动式电控盾构始发装置，其特征在于，所述电控装置包括相互电性连接的控制器、无线通讯模块和无线遥控器；所述多根电动驱动杆件、驱动件和制动装置通过连接线与控制器电性连接。

5.一种根据权利要求1~4任一所述的可移动式电控盾构始发装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：盾构机千斤顶的输出端与安置基准环配合；

步骤2：开启前架、后架、斜撑轨道平台的制动装置，固定反力架，盾构机向前掘进；

步骤3：关闭前架上轨道平台的制动装置；

步骤4：伸长电动驱动杆件推动前架前移，且同步收缩盾构千斤顶；

步骤5：开启前架上轨道平台的制动装置，固定前架；

步骤6：关闭后架和斜撑件上轨道平台的制动装置；

步骤7：收缩电动驱动杆件拉动后架和斜撑前移至前架的初始位置；

步骤8：重复步骤2~7，直至完成盾构始发。

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