CN115653627A - 一种用于3d打印隧道的盾构机推进控制装置 - Google Patents

一种用于3d打印隧道的盾构机推进控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于3D打印隧道的盾构机推进控制装置，包括两个前后连接的推进控制模块，推进控制模块包括隧道支撑组件、推进控制组件和桶体，推进滑筒通过滑轨设于桶体外表面，数个隧道支撑组件环绕设于推进滑筒外侧。两个推进控制模块上的支撑板交替升起支撑3D打印隧道，支撑板处于闭合状态下的推进控制模块内，推进液压缸控制推进液压缸伸出端收缩，将推进滑筒拉至桶体的前段；支撑板处于支撑状态下的推进控制模块借助支撑板提供的反力和推进液压缸提供的推力使桶体相对推进滑筒连续前进，使装置前端连续推动盾构机前进，大大提高了盾构施工的效率，显著缩短了施工工期，降低了施工成本。

Description

一种用于3D打印隧道的盾构机推进控制装置
技术领域
本发明属于高端制造领域，尤其涉及一种用于3D打印隧道的盾构机推进控制装置。
背景技术
随着我国经济的发展，各大城市基础设施建设力度不断加大，铁路、公路、市政、综合管廊等隧道工程建设项目的数量大幅度增多，对于一些特殊土层或岩层需要采用盾构TBM法进行隧道施工。盾构TBM隧道施工法作为一种适用于现代隧道及地下工程建设的重要施工方法，将发挥重要作用。然而，在传统隧道施工掘进过程中，盾构机和隧道衬管自重极高，且通常需要运输数百公里到施工现场，导致造价和运输成本高昂。此外，在放置管段时，大多数隧道盾构机都处于静止状态，无法连续作业，大大降低了盾构施工效率。因此，如何提高隧道施工掘进过程中的施工效率、降低造价与成本是本领域亟需解决的难题。
近年来快速发展的3D打印技术因其成型精度高、成型过程高度可控和可轻松实现传统方法难以实现的复杂模型制作等优势，在土木工程领域得到了广泛的应用。例如利用聚合物等3D打印材料，结合3D打印技术实现在隧道管上现场打印制造隧道衬砌结构，通过结合传统的土压平衡盾构机，有望建立基于3D打印隧道的盾构施工技术，从而大大降低造价和运输成本。但现有技术无法进行连续推进控制，隧道盾构机无法连续向前移动，隧道掘进的连续性差，依旧无法解决盾构施工效率低的问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种用于3D打印隧道的盾构机推进控制装置。
这种用于3D打印隧道的盾构机推进控制装置，包括：两个前后连接的推进控制模块，推进控制模块包括隧道支撑组件、推进控制组件和桶体；
推进控制组件包括推进控制器和推进滑筒，推进滑筒通过滑轨设于桶体外表面，推进滑筒的长度小于桶体；推进控制器包括推进液压缸和推进液压缸伸出端，推进液压缸和推进液压缸伸出端分别铰接连接桶体和推进滑筒，桶体和推进滑筒随推进液压缸伸出端的伸缩相对移动；
数个隧道支撑组件环绕设于推进滑筒外侧，隧道支撑组件包括支撑臂液压控制器、转向调节器和支撑板，支撑臂液压控制器两端均连接转向调节器；转向调节器包括转向调节滑杆、转向调节滑轨和转向调节支撑杆，转向调节滑杆滑动连接转向调节滑轨，转向调节滑杆连接支撑臂液压控制器端部；转向调节支撑杆铰接连接支撑板；当支撑臂液压控制器两端伸缩，转向调节滑杆在转向调节滑轨内滑动，转向调节支撑杆旋转改变支撑板的升降状态。
作为优选：支撑臂液压控制器包括支撑臂液压缸、支撑臂液压缸伸出端和支撑臂液压缸伸出端滑环，支撑臂液压缸固定于推进滑筒表面，支撑臂液压缸两端设有支撑臂液压缸伸出端，支撑臂液压缸伸出端端部通过支撑臂液压缸伸出端滑环连接转向调节滑杆。
作为优选：两个推进控制模块完全相同，两个推进控制模块均在端部设有端部法兰，两个推进控制模块通过端部法兰前后连接；端部法兰的直径大于桶体的直径。
作为优选：隧道管支撑组件闭合时，数个隧道管支撑组件在横截面上形成圆形。
作为优选：支撑板包括子支撑板和长板条，每个支撑板包括数个子支撑板，子支撑板沿推进控制模块轴向设置，同一个隧道支撑组件内的子支撑板之间通过长板条连接。
作为优选：支撑臂液压控制器、推进控制器均和桶体的轴线平行。
这种用于3D打印隧道的盾构机推进控制装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤一、进入隧道开始掘进后，通过支撑臂液压控制器控制两个推进控制模块的支撑板同步升起支撑3D打印隧道管；
步骤二、保持两个推进控制模块的支撑板始终支撑3D打印隧道管，确保3D打印隧道结构稳定，同时推进控制组件利用支撑板提供的反力和推进液压缸提供的推力，使桶体相对推进滑筒向前推进一定行程；
步骤三、一个推进控制模块的支撑板下降直至闭合，并收缩推进液压缸伸出端将推进滑筒拉至桶体的前段；另一个推进控制模块的支撑板维持支撑状态，推进液压缸伸出端伸长，使桶体前进；
步骤四、将步骤三中闭合的推进控制模块的支撑板升起并维持支撑状态；将另一个推进控制模块的支撑板下降直至闭合，并收缩推进液压缸伸出端将推进滑筒拉至桶体的前段；支撑板升起状态下的推进控制模块的推进液压缸伸出端伸长，使桶体前进；
步骤五、重复步骤三和步骤四，使桶体连续前进。
作为优选，步骤五具体为：重复步骤三和步骤四，两个推进控制模块上的支撑板交替升起支撑3D打印隧道，确保3D打印隧道结构稳定；支撑板处于闭合状态下的推进控制模块内，推进液压缸控制推进液压缸伸出端收缩，将推进滑筒拉至桶体的前段；支撑板处于支撑状态下的推进控制模块借助支撑板提供的反力和推进液压缸提供的推力使桶体相对推进滑筒连续前进。
作为优选：推进控制模块内还设有位移传感器和液压压力检测器，位移传感器和液压压力检测器分别采集装置的位移和油缸压力，并将信号反馈到所述控制系统，对装置的工作状态进行监测。
本发明的有益效果是：
1）本发明通过两个前后连接的推进控制模块的支撑板交替支撑隧道内壁，同时利用推进控制组件使推进桶体连贯地进行多次推进，使装置前端连续推动盾构机前进，大大提高了盾构施工的效率，显著缩短了施工工期，降低了施工成本。
2）本发明有助于建立3D打印隧道增材制造装备和施工管理体系，对于进一步实现隧道掘进3D打印系统的高效高精度打印具有重要意义。
附图说明
图1是用于3D打印隧道的盾构机推进控制装置的示意图；
图2是用于3D打印隧道的盾构机推进控制装置的推进控制模块示意图；
图3是用于3D打印隧道的盾构机推进控制装置的支撑板闭合状态示意图；
图4是用于3D打印隧道的盾构机推进控制装置的支撑板闭合状态径向截面示意图；
图5是用于3D打印隧道的盾构机推进控制装置的支撑板张开状态示意图；
图6是用于3D打印隧道的盾构机推进控制装置的支撑板张开状态径向截面示意图；
图7是用于3D打印隧道的盾构机推进控制装置的隧道壁支撑组件示意图；
图8是用于3D打印隧道的盾构机推进控制装置的隧道壁支撑组件细节图。
图中：隧道支撑组件1、推进控制组件2、端部法兰3、桶体4、支撑臂液压控制器1-1、支撑臂液压缸1-1-1、支撑臂液压缸伸出端1-1-2、支撑臂液压缸伸出端滑环1-1-3、转向调节器1-2、转向调节滑杆1-2-1、转向调节滑轨1-2-2、转向调节支撑杆1-2-3、支撑板1-3、子支撑板1-3-1、长板条1-3-2、推进控制器2-1、推进滑筒2-2、推进液压缸2-1-1、推进液压缸伸出端2-1-2。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
实施例一
作为一种实施例，如图1至图7所示，一种用于3D打印隧道的盾构机推进控制装置，包括：两个前后连接的推进控制模块，推进控制模块包括隧道管支撑组件1、推进控制组件2和桶体4；两个推进控制模块完全相同，两个推进控制模块均在端部设有端部法兰3，两个推进控制模块通过端部法兰3前后连接；端部法兰3的直径大于桶体4的直径。
推进控制组件2包括推进控制器2-1和推进滑筒2-2，推进滑筒2-2通过滑轨设于桶体4外表面，且推进滑筒2-2的长度小于桶体4；推进控制器2-1包括推进液压缸2-1-1和推进液压缸伸出端2-1-2，推进液压缸2-1-1和推进液压缸伸出端2-1-2分别铰接连接桶体4和推进滑筒2-2，当推进液压缸2-1-1控制推进液压缸伸出端2-1-2伸缩，桶体4相对推进滑筒2-2相对发生前后移动；
四组隧道支撑组件1均匀环绕设于推进滑筒2-2外侧，每组隧道支撑组件1的结构尺寸相同，以保证隧道管受力均匀；隧道支撑组件1包括支撑臂液压控制器1-1、转向调节器1-2和支撑板1-3，支撑臂液压控制器1-1和桶体4的轴线平行。支撑臂液压控制器1-1包括支撑臂液压缸1-1-1、支撑臂液压缸伸出端1-1-2和支撑臂液压缸伸出端滑环1-1-3，支撑臂液压缸1-1-1固定于推进滑筒2-2表面，支撑臂液压缸1-1-1两端设有支撑臂液压缸伸出端1-1-2。支撑臂液压控制器1-1两端均连接转向调节器1-2；转向调节器1-2包括转向调节滑杆1-2-1、转向调节滑轨1-2-2和转向调节支撑杆1-2-3，转向调节滑杆1-2-1滑动连接转向调节滑轨1-2-2，支撑臂液压缸伸出端1-1-2端部通过支撑臂液压缸伸出端滑环1-1-3连接转向调节滑杆1-2-1；转向调节支撑杆1-2-3铰接连接支撑板1-3形成可调节机构，用于控制支撑板1-3相对推进滑筒2-2的升降。所述支撑臂液压缸伸出端滑环1-1-3两侧还安装有螺母，对转向调节滑杆1-2-1在转向调节滑轨1-2-2内的位移进行限制，保证所述支撑板1-3稳定张开或闭合。
隧道管支撑组件1有张开和闭合两种状态，当隧道管支撑组件1闭合时，数个隧道管支撑组件1的边缘在横截面上连接形成圆形，隧道管支撑组件1闭合时大部分部件均可以缩在端部法兰3后方区域内，减少桶体4移动过程中对推进控制装置的磨损风险。
当支撑臂液压控制器1-1两端的支撑臂液压缸伸出端1-1-2伸缩，支撑臂液压缸伸出端滑环1-1-3带动转向调节滑杆1-2-1在转向调节滑轨1-2-2内滑动，转向调节支撑杆1-2-3旋转，进而使支撑板1-3相对桶体4的升降，当支撑板1-3相对推进滑筒2-2升高，即为张开状态，张开状态下支撑板1-3沿桶体4环向支撑周围的3D打印隧道管，保证掘进过程中3D打印隧道结构稳定，此时，由于支撑板1-3固定连接D打印隧道管，推进滑筒2-2的位置也为固定，推进控制组件2提供反力，通过推进液压缸2-1-1控制推进液压缸伸出端2-1-2伸长，可以让桶体4相对推进滑筒2-2沿轴向前进。
支撑板1-3包括子支撑板1-3-1和长板条1-3-2，每个支撑板1-3包括两个子支撑板1-3-1，两个子支撑板1-3-1分别设于推进控制模块的前后端，同一个隧道支撑组件1内前后两个子支撑板1-3-1之间焊接或用螺栓固定有两道长板条1-3-2，且长板条1-3-2设在子支撑板1-3-1的两侧，同一个推进控制模块内子支撑板1-3-1的升降同步进行，保证整个装置的受力均衡。
推进控制模块内还设有位移传感器和液压压力检测器，位移传感器用于检测装置的位移，液压压力检测器用于采集油缸压力，位移传感器和液压压力检测器均连接到控制系统。
实施例二
根据实施例一，本实施例提出了这种用于3D打印隧道的盾构机推进控制装置的使用方法，具体为：
步骤一、进入隧道开始掘进后，通过支撑臂液压控制器1-1控制两个推进控制模块的支撑板1-3同步升起支撑3D打印隧道管；
步骤二、保持两个推进控制模块的支撑板1-3始终支撑3D打印隧道管，支撑板1-3与3D打印隧道管内部之间的最大静摩擦力极大，使推进控制组件2可以利用支撑板1-3提供的反力将桶体4向前推进一定行程；
步骤三、一个推进控制模块的支撑板1-3下降直至闭合，并收缩推进液压缸伸出端2-1-2将推进滑筒2-2拉至桶体4的前段，完成复位，为下一步中桶体4的推进预留空间；另一个推进控制模块的支撑板1-3维持支撑状态，推进液压缸伸出端2-1-2伸长，推进控制组件2借助支撑板1-3提供的反力和推进液压缸2-1提供的推力使桶体4相对这个推进控制模块的推进滑筒2-2前进；
步骤四、将步骤三中闭合的推进控制模块的支撑板1-3升起并维持支撑状态，，然后将另一个推进控制模块的支撑板1-3下降直至闭合，并收缩推进液压缸伸出端2-1-2将推进滑筒2-2拉至桶体4的前段；支撑板1-3升起状态下的推进控制模块的推进液压缸伸出端2-1-2伸长，推进控制组件2借助支撑板1-3提供的反力和推进液压缸2-1提供的推力使桶体4相对这一步骤中位置固定的推进滑筒2-2向前位移，继续向前推进；
步骤五、重复步骤三和步骤四，使两个推进控制模块上的支撑板1-3配合着交替升起支撑3D打印隧道管，确保3D打印隧道结构稳定；同时推进液压缸2-1交替收缩推进液压缸伸出端2-1-2，在拉伸的过程中使推进滑筒2-2和桶体4相对前后移动；支撑板1-3处于闭合状态下的推进控制模块内，推进液压缸2-1控制推进液压缸伸出端2-1-2收缩，将推进滑筒2-2拉至桶体4的前段；支撑板1-3处于支撑状态下的推进控制模块借助支撑板1-3提供的反力和推进液压缸2-1提供的推力使桶体4相对于推进滑筒2-2连续前进。在桶体4连续前进的过程中装置最前端的端部法兰3抵住盾构机后方，为盾构机连续顶进提供连贯的推力作用，能够在现有技术的基础上有效提升盾构机顶进的连续性，盾构机可以持续工作，提升了施工效率，间接降低了施工成本。
在上述过程中，前后两个推进控制模块依次升起支撑板1-3支撑3D打印隧道管内壁，因此步骤三中率先降下支撑板1-3直至闭合的推进控制模块可以随意选取，不影响装置的使用。装置推进过程中，位移传感器和液压压力检测器分别实时采集装置的位移和油缸压力，并将信号反馈到所述控制系统，对装置的工作状态进行监测和控制。

Claims (9)

1.一种用于3D打印隧道的盾构机推进控制装置，其特征在于，包括：两个前后连接的推进控制模块，推进控制模块包括隧道支撑组件（1）、推进控制组件（2）和桶体（4）；
推进控制组件（2）包括推进控制器（2-1）和推进滑筒（2-2），推进滑筒（2-2）通过滑轨设于桶体（4）外表面，推进滑筒（2-2）的长度小于桶体（4）；推进控制器（2-1）包括推进液压缸（2-1-1）和推进液压缸伸出端（2-1-2），推进液压缸（2-1-1）和推进液压缸伸出端（2-1-2）分别铰接连接桶体（4）和推进滑筒（2-2），桶体（4）和推进滑筒（2-2）随推进液压缸伸出端（2-1-2）的伸缩相对移动；
数个隧道支撑组件（1）环绕设于推进滑筒（2-2）外侧，隧道支撑组件（1）包括支撑臂液压控制器（1-1）、转向调节器（1-2）和支撑板（1-3），支撑臂液压控制器（1-1）两端均连接转向调节器（1-2）；转向调节器（1-2）包括转向调节滑杆（1-2-1）、转向调节滑轨（1-2-2）和转向调节支撑杆（1-2-3），转向调节滑杆（1-2-1）滑动连接转向调节滑轨（1-2-2），转向调节滑杆（1-2-1）连接支撑臂液压控制器（1-1）端部；转向调节支撑杆（1-2-3）铰接连接支撑板（1-3）；当支撑臂液压控制器（1-1）两端伸缩，转向调节滑杆（1-2-1）在转向调节滑轨（1-2-2）内滑动，转向调节支撑杆（1-2-3）旋转改变支撑板（1-3）的升降状态。
2.根据权利要求1所述的用于3D打印隧道的盾构机推进控制装置，其特征在于：支撑臂液压控制器（1-1）包括支撑臂液压缸（1-1-1）、支撑臂液压缸伸出端（1-1-2）和支撑臂液压缸伸出端滑环（1-1-3），支撑臂液压缸（1-1-1）固定于推进滑筒（2-2）表面，支撑臂液压缸（1-1-1）两端设有支撑臂液压缸伸出端（1-1-2），支撑臂液压缸伸出端（1-1-2）端部通过支撑臂液压缸伸出端滑环（1-1-3）连接转向调节滑杆（1-2-1）。
3.根据权利要求1所述的用于3D打印隧道的盾构机推进控制装置，其特征在于：两个推进控制模块完全相同，两个推进控制模块均在端部设有端部法兰（3），两个推进控制模块通过端部法兰（3）前后连接；端部法兰（3）的直径大于桶体（4）的直径。
4.根据权利要求3所述的用于3D打印隧道的盾构机推进控制装置，其特征在于：隧道管支撑组件（1）闭合时，数个隧道管支撑组件（1）在横截面上形成圆形。
5.根据权利要求1所述的用于3D打印隧道的盾构机推进控制装置，其特征在于：支撑板（1-3）包括子支撑板（1-3-1）和长板条（1-3-2），每个支撑板（1-3）包括数个子支撑板（1-3-1），子支撑板（1-3-1）沿推进控制模块轴向设置，同一个隧道支撑组件（1）内的子支撑板（1-3-1）之间通过长板条（1-3-2）连接。
6.根据权利要求1所述的用于3D打印隧道的盾构机推进控制装置，其特征在于：支撑臂液压控制器（1-1）、推进控制器（2-1）均和桶体（4）的轴线平行。
7.如权利要求1所述的用于3D打印隧道的盾构机推进控制装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、进入隧道开始掘进后，通过支撑臂液压控制器（1-1）控制两个推进控制模块的支撑板（1-3）同步升起支撑3D打印隧道管；
步骤二、保持两个推进控制模块的支撑板（1-3）始终支撑3D打印隧道管，确保3D打印隧道结构稳定，同时推进控制组件（2）利用支撑板（1-3）提供的反力和推进液压缸（2-1）提供的推力，使桶体（4）相对推进滑筒（2-2）向前推进一定行程；
步骤三、一个推进控制模块的支撑板（1-3）下降直至闭合，并收缩推进液压缸伸出端（2-1-2）将推进滑筒（2-2）拉至桶体（4）的前段；另一个推进控制模块的支撑板（1-3）维持支撑状态，推进液压缸伸出端（2-1-2）伸长，使桶体（4）前进；
步骤四、将步骤三中闭合的推进控制模块的支撑板（1-3）升起并维持支撑状态；将另一个推进控制模块的支撑板（1-3）下降直至闭合，并收缩推进液压缸伸出端（2-1-2）将推进滑筒（2-2）拉至桶体（4）的前段；支撑板（1-3）升起状态下的推进控制模块的推进液压缸伸出端（2-1-2）伸长，使桶体（4）前进；
步骤五、重复步骤三和步骤四，使桶体（4）连续前进。
8.根据权利要求7所述的用于3D打印隧道的盾构机推进控制装置的使用方法，其特征在于，步骤五具体为：重复步骤三和步骤四，两个推进控制模块上的支撑板（1-3）交替升起支撑3D打印隧道，确保3D打印隧道结构稳定；支撑板（1-3）处于闭合状态下的推进控制模块内，推进液压缸（2-1）控制推进液压缸伸出端（2-1-2）收缩，将推进滑筒（2-2）拉至桶体（4）的前段；支撑板（1-3）处于支撑状态下的推进控制模块借助支撑板（1-3）提供的反力和推进液压缸（2-1）提供的推力使桶体（4）相对推进滑筒（2-2）连续前进。
9.根据权利要求7所述的用于3D打印隧道的盾构机推进控制装置的使用方法，其特征在于：推进控制模块内还设有位移传感器和液压压力检测器，位移传感器和液压压力检测器分别采集装置的位移和油缸压力，并将信号反馈到所述控制系统，对装置的工作状态进行监测。
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