CN115773126A - 拼装式可变径盾构机及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种拼装式可变径盾构机，其包括盾体、主驱动、可变径刀盘、推进装置、管片拼装系统、出渣系统；盾体包括小盾构盾体及盾体套壳，盾体套壳用以安装于小盾构盾体外周；可变径刀盘包括刀盘本体、扩挖刀装置及扩径组件；刀盘本体与主驱动连接；扩挖刀装置设置于所述刀盘本体中，以在刀盘本体的带动下开挖土层形成扩挖空间；扩径组件中设置有刀具用以安装于刀盘本体上。同时，本发明还提供了一种拼装式可变径盾构机的施工方法。与现有技术相比，本发明提供的拼装式可变径盾构机及其施工方法在洞内即可实现变径，可以更好的缩短施工周期，让变径操作过程更为的简单便捷，该方法不仅适用于盾构机变径，而且能够适应TBM变径。

Description

拼装式可变径盾构机及其施工方法

技术领域

本发明涉及隧道施工设备技术领域，尤其涉及一种拼装式可变径盾构机及其施工方法。

背景技术

在地铁区间隧道和车站结构施工时，区间隧道常采用盾构法施工，地铁车站常用明挖法等施工。车站结构采用明挖施工对周边环境影响较大，有些区域受制于地面现有构筑物或建筑物，不具备明挖条件。站台隧道与正线隧道尺寸不同，在正线隧道为小直径施工，车站站台位置为大直径施工。近年来有采用冷冻法/注浆加固法等矿山法扩挖站台隧道，但矿山法施工周期长、安全性低、成本高。

盾构机是隧道施工常用的机械施工装备，为了配合不同隧道的施工，通常需要对盾构机进行变径。然而现有技术仍局限于在洞外套壳扩径，在洞内脱壳缩径，此种方式在洞内施工过程中仅能实现将盾构机的直径由大变小，而若想将盾构机的直径由小变大依然需要在洞外才能实现，存在施工周期长，变径操作过程繁琐的问题。或是需要在变径处设置一座工作井，然后换另一种规格的盾构机重新掘进的方法，但此种方式依然存在施工周期长，变径操作过程繁琐的问题。并且有些场合不具备设置工作井的条件，无法实现洞内变径，给施工造成较大不便利性。

发明内容

针对现有技术的盾构机为了配合不同隧道施工，需要进行变径，而变径的施工周期长，变径操作过程繁琐的技术问题。本发明提供了一种拼装式可变径盾构机及其施工方法，其主驱动能沿轴向相对盾体伸缩，并且在刀盘中设置有扩挖刀装置，扩挖刀装置能跟随刀盘转动以进行径向扩挖，从而通过扩挖刀装置能在洞内开挖形成变径所需的空间，让扩径组件能安装于刀盘本体上，同时也让盾体套壳能安装于小盾构盾体外周，使得盾构机能实现在洞内进行变径，即可在洞内将盾构机的直径由大变小，同时也能在洞内将盾构机的直径由小变大，可以更好的缩短施工周期。变径操作过程均在洞内实现，不需要将盾构机拖出洞外，同时也不需要额外设置工作井，让变径操作过程更为的简单便捷。

一种拼装式可变径盾构机，其包括盾体、主驱动、可变径刀盘、推进装置、管片拼装系统、出渣系统；

所述盾体包括小盾构盾体及尾盾，所述尾盾连接于所述小盾构盾体尾端；

所述主驱动设置于所述小盾构盾体内部，以带动所述可变径刀盘旋转；

所述可变径刀盘设置于所述主驱动上，并位于所述小盾构盾体前端，且所述主驱动能带动所述可变径刀盘沿轴向相对于所述盾体移动；

所述推进装置设置于所述小盾构盾体内部，以推动所述小盾构盾体移动；

所述管片拼装系统设置于所述小盾构盾体内部，以拼装管片；

所述出渣系统安装于所述盾体中，以向外输送所述拼装式可变径盾构机掘进过程中所挖出的土块；

其中，所述可变径刀盘包括刀盘本体、扩挖刀装置及扩径组件；

所述刀盘本体与所述主驱动连接；

所述扩挖刀装置设置于所述刀盘本体中，且所述扩挖刀装置能沿径向延伸出所述刀盘本体，以在所述刀盘本体的带动下开挖土层形成扩挖空间；

所述扩径组件中设置有刀具，所述扩径组件用以在所述拼装式可变径盾构机扩径时，安装于所述刀盘本体上，以扩充所述可变径刀盘的开挖直径；

所述盾体还包括盾体套壳，所述盾体套壳用以在所述拼装式可变径盾构机扩径时，安装于所述小盾构盾体外周，以扩充所述小盾构盾体的直径。

优选的，所述小盾构盾体底部设置有可伸缩撑靴，所述可伸缩撑靴包括撑靴油缸及撑靴板，所述撑靴板设置于所述撑靴油缸的输出端，所述撑靴油缸用以在所述拼装式可变径盾构机扩径时，带动所述撑靴板伸出。

优选的，所述小盾构盾体前端安装有挡渣环。

优选的，还包括传力环装置；所述传力环装置用以在所述拼装式可变径盾构机扩径时，安装于所述推进装置，以传递推力；

或，还包括大盾构推进装置，所述大盾构推进装置安装于所述盾体套壳中，以推动所述盾体移动。

优选的，所述传力环装置中设置有楔形块管片拼装油缸，以辅助安装管片；

所述传力环装置尾部还安装有缓冲垫。

优选的，还包括支护拼装装置；

所述支护拼装装置设置于所述可变径刀盘上，且能随所述可变径刀盘移动、旋转，以在所述扩挖刀装置开挖形成的所述扩挖空间中安装支护。

优选的，还包括后靠反力架、传力工装、支撑工装、盾体套壳顶推装置；

所述后靠反力架用以提供所述拼装式可变径盾构机向前和顶推所述盾体套壳所需的反力；

所述传力工装用以传递所述推进装置与所述后靠反力架之间的推力；

所述支撑工装用以在所述拼装式可变径盾构机扩径时支撑所述可变径刀盘和所述管片拼装系统托梁，稳固主机；

所述盾体套壳顶推装置用以顶推所述盾体套壳。

优选的，所述出渣系统选用泥浆管道或螺旋输送机出渣。

一种拼装式可变径盾构机的施工方法，可适用于盾构法或TBM法的施工方法，所述施工方法包括如下步骤：

采用如上述中任一项所述的拼装式可变径盾构机进行掘进；

扩径准备：所述主驱动沿轴向伸出，带动所述刀盘本体进行轴向扩挖；

刀盘扩挖：所述主驱动沿轴向回缩，所述扩挖刀装置沿径向延伸出所述刀盘本体，所述主驱动继续驱动所述刀盘本体旋转，所述主驱动继续沿轴向伸出，带动所述扩挖刀装置对外围土层进行扩挖，以形成扩挖空间；

刀盘扩径：所述主驱动沿轴向回缩，转动所述刀盘本体，将所述刀盘本体上的辐条转动至最底部，并将辐条顶出，在原所述刀盘本体与辐条之间安装所述扩径组件，重复此步骤，直至所有所述扩径组件安装完成；

尾盾拆除、盾体扩径：所述拼装式可变径盾构机继续进行掘进，所述小盾构盾体进入所述扩挖空间处，将所述尾盾从所述小盾构盾体上拆除，并将所述盾体套壳安装于所述小盾构盾体外周；

尾盾更换：在所述盾体套壳上安装大盾构尾盾，在所述推进装置处安装传力环装置或在所述盾体套壳中安装大盾构推进装置，继续进行掘进。

优选的，所述刀盘扩径与所述尾盾拆除、盾体扩径之间还包括：

支护安装：在所述扩挖空间中的土层壁体上安装支护；

挡渣环安装：在所述小盾构盾体前端安装挡渣环。

优选的，所述尾盾拆除、盾体扩径包括如下步骤：

所述拼装式可变径盾构机继续进行掘进，所述小盾构盾体进入至所述扩挖空间后，其底部设置可伸缩撑靴逐步伸出；

所述拼装式可变径盾构机继续进行掘进，直至所述尾盾脱出土体后，拆除所述尾盾；

所述拼装式可变径盾构机继续进行掘进，直至所述推进装置达到最大行程，然后缩回所述推进装置，留出安装空间；

在所述安装空间中安装后靠反力架、传力工装，所述推进装置顶推所述传力工装，使所述拼装式可变径盾构机掘进至预设位置；

所述推进装置缩回，拆除所述传力工装，安装盾体套壳顶推装置和支撑工装；

所述可伸缩撑靴逐步缩回，并通过所述安装盾体套壳顶推装置将所述盾体套壳推至所述小盾构盾体外周。

优选的，所述尾盾更换之后还包括：

缩径准备：所述主驱动沿轴向伸出，带动所述可变径刀盘进行轴向扩挖；

刀盘缩径：所述主驱动沿轴向回缩，转动所述刀盘本体，将所述刀盘本体上的辐条转动至最底部，将此处安装的所述扩径组件拆除，并将辐条缩回，重复此步骤，直至所有所述扩径组件拆除完成以及所有辐条缩回完成；

盾体缩径：将所述盾体套壳与所述小盾构盾体分离，并将所述大盾构尾盾从所述盾体套壳上断开，在所述小盾构盾体上安装所述尾盾。

与现有技术相比，本发明提供的拼装式可变径盾构机，其包括盾体、主驱动、可变径刀盘、推进装置、管片拼装系统；所述盾体包括小盾构盾体及尾盾，所述尾盾连接于所述小盾构盾体尾端；所述主驱动设置于所述小盾构盾体内部，以带动所述可变径刀盘旋转；所述可变径刀盘设置于所述主驱动上，并位于所述小盾构盾体前端，且所述主驱动能带动所述可变径刀盘沿轴向相对于所述盾体移动；所述推进装置设置于所述小盾构盾体内部，以推动所述小盾构盾体移动；所述管片拼装系统设置于所述小盾构盾体内部，以拼装管片；其中，所述可变径刀盘包括刀盘本体、扩挖刀装置及扩径组件；所述刀盘本体与所述主驱动连接；所述扩挖刀装置设置于所述刀盘本体中，且所述扩挖刀装置能沿径向延伸出所述刀盘本体，以在所述刀盘本体的带动下开挖土层形成扩挖空间；所述扩径组件中设置有刀具，所述扩径组件用以在所述拼装式可变径盾构机扩径时，安装于所述刀盘本体上，以扩充所述可变径刀盘的开挖直径；所述盾体还包括盾体套壳，所述盾体套壳用以在所述拼装式可变径盾构机扩径时，安装于所述小盾构盾体外周，以扩充所述小盾构盾体的直径。所述拼装式可变径盾构机中设置有所述扩挖刀装置，且所述扩挖刀装置设置于所述刀盘本体上，同时所述主驱动能带动所述可变径刀盘沿轴向相对于所述盾体移动，从而所述扩挖刀装置能跟随所述刀盘本体进行平移、旋转，从而在所述拼装式可变径盾构机需要进行变径时，能通过所述扩挖刀装置对洞内的土层进行径向开挖形成所述扩挖空间，从而可以在所述扩挖空间中对将所述拼装式可变径盾构机的直径由小变大。在洞内即可实现对所述拼装式可变径盾构机的变径，不需要将所述拼装式可变径盾构机拖出洞外，同时也不需要额外设置工作井，可以更好的缩短施工周期，让变径操作过程更为的简单便捷。并且所述拼装式可变径盾构机变径后，是通过所述盾体套壳安装于所述小盾构盾体外周来实现所述盾体的扩径，也更好的保障了大盾构掘进时的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种实施例提供的拼装式可变径盾构机处于小盾构状态时的结构示意图；

图2为一种实施例提供的拼装式可变径盾构机处于大盾构状态时的结构示意图；

图3为扩径准备的结构示意图；

图4为刀盘扩挖的结构示意图；

图5为刀盘扩径的结构示意图；

图6为支护安装的结构示意图；

图7为挡渣环安装的结构示意图；

图8为小盾构盾体底部可伸缩撑靴伸出的结构示意图；

图9为后靠反力架、传力工装安装后的结构示意图；

图10为安装盾体套壳的结构示意图；

图11为尾盾更换的结构示意图；

图12为缩径准备的结构示意图；

图13为刀盘缩径的结构示意图；

图14为盾体缩径的结构示意图；

图15为盾体套壳脱离后的结构示意图；

图16为大盾构推进装置安装后的结构示意图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，当部件被称为“固定于”、“安装于”或“设置于”另一个部件上，它可以直接在另一个部件上或者间接设置在另一个部件上；当一个部件与另一个部件“连接”，或一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接连接到另一个部件或间接连接至另一个部件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的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申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本申请的描述中，“多个”、“若干个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本申请可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本申请所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

本发明提供了一种拼装式可变径盾构机，其包括盾体、主驱动、可变径刀盘、推进装置、管片拼装系统；所述盾体包括小盾构盾体及尾盾，所述尾盾连接于所述小盾构盾体尾端；所述主驱动设置于所述小盾构盾体内部，以带动所述可变径刀盘旋转；所述可变径刀盘设置于所述主驱动上，并位于所述小盾构盾体前端，且所述主驱动能带动所述可变径刀盘沿轴向相对于所述盾体移动；所述推进装置设置于所述小盾构盾体内部，以推动所述小盾构盾体移动；所述管片拼装系统设置于所述小盾构盾体内部，以拼装管片；其中，所述可变径刀盘包括刀盘本体、扩挖刀装置及扩径组件；所述刀盘本体与所述主驱动连接；所述扩挖刀装置设置于所述刀盘本体中，且所述扩挖刀装置能沿径向延伸出所述刀盘本体，以在所述刀盘本体的带动下开挖土层形成扩挖空间；所述扩径组件中设置有刀具，所述扩径组件用以在所述拼装式可变径盾构机扩径时，安装于所述刀盘本体上，以扩充所述可变径刀盘的开挖直径；所述盾体还包括盾体套壳，所述盾体套壳用以在所述拼装式可变径盾构机扩径时，安装于所述小盾构盾体外周，以扩充所述小盾构盾体的直径。所述拼装式可变径盾构机中设置有所述扩挖刀装置，且所述扩挖刀装置设置于所述刀盘本体上，同时所述主驱动能带动所述可变径刀盘沿轴向相对于所述盾体移动，从而所述扩挖刀装置能跟随所述刀盘本体进行平移、旋转，从而在所述拼装式可变径盾构机需要进行变径时，能通过所述扩挖刀装置对洞内的土层进行径向开挖形成所述扩挖空间，从而可以在所述扩挖空间中对将所述拼装式可变径盾构机的直径由小变大。在洞内即可实现对所述拼装式可变径盾构机的变径，不需要将所述拼装式可变径盾构机拖出洞外，同时也不需要额外设置工作井，可以更好的缩短施工周期，让变径操作过程更为的简单便捷。并且所述拼装式可变径盾构机变径后，是通过所述盾体套壳安装于所述小盾构盾体外周来实现所述盾体的扩径，也更好的保障了大盾构掘进时的稳定性。

请结合参阅图1至图16。本实施例提供了一种拼装式可变径盾构机100，其能够实现正线区间隧道和车站隧道一次施工，所述拼装式可变径盾构机100在洞内原地即可实现小变大、再大变小，实现连续变径，大幅度变径，可适应各种复杂地层，并可应用于其他类似施工场合，极大地提升工程适应性、安全性、效率，降低施工成本。

所述拼装式可变径盾构机100包括盾体10、主驱动20、可变径刀盘30、推进装置40、管片拼装系统50。所述盾体10包括小盾构盾体11及尾盾12，所述尾盾12连接于所述小盾构盾体11尾端。所述盾体10主要用来支撑周围地层的稳定，同时为内部各种设备如主驱动、液压、电气元器件等提供安装接口。

需要说明的是，所述盾体10可由“前盾+中盾+尾盾”的形式组成，也可以为“前盾+尾盾”的形式组成。而由于前盾与中盾作用以及转换过程相似，因此本实施例中均用所述小盾构盾体11代替。

在本实施例中，所述盾体10还包括盾体套壳14，所述盾体套壳14用以在所述拼装式可变径盾构机100扩径时，安装于所述小盾构盾体11外周，以扩充所述小盾构盾体11的直径，从而实现所述盾体10直径的变大。也就是说，在本实施例中，所述盾体10直径的变化是通过在所述小盾构盾体11外周安装与拆卸所述盾体套壳14实现。

相对应的，为了配合盾体的两种不同直径，尾盾同样可以具有两种不同的尺寸。具体的，在本实施例中，为了方便描述，小直径的尾盾为所述尾盾12，而大直径的尾盾为大盾构尾盾13。也就是说，所述拼装式可变径盾构机100的尾盾可以设置有至少两种不同的直径，以此可以适应不同开挖直径。优选的，为了防止外界泥沙、浆液、水等进入到盾构机内部，所述尾盾12、所述大盾构尾盾13尾端还可设置盾尾刷，以此来用于管片形成密封。当然，在其他实施例中，所述盾尾刷也可采用钢板束代替，以此来用于与管片形成密封。

所述主驱动20设置于所述小盾构盾体11内部，所述可变径刀盘30设置于所述主驱动20上并位于所述小盾构盾体11前端。其中，所述主驱动20是驱动所述可变径刀盘30旋转的动力来源，可采用电驱、液驱等不同驱动形式。所述可变径刀盘30起旋转开挖掌子面岩土的作用。其中，在本实施例中，所述主驱动20还能带动所述可变径刀盘30沿轴向相对于所述盾体10移动，即所述主驱动20不仅能带动所述可变径刀盘30旋转，同时所述主驱动20还能带动所述可变径刀盘30沿轴向伸缩，从而可以通过所述主驱动20伸缩带动所述可变径刀盘30(盾体不动)朝掘进方向掘进，满足变径时换刀的空间需求。所述主驱动20带动所述可变径刀盘30实现轴向移动的具体结构可为任意的直线驱动单元，其具体的驱动形式可采用电驱、液驱等，如电缸、油缸等。

所述推进装置40设置于所述小盾构盾体11内部，以推动所述小盾构盾体11移动。所述管片拼装系统50设置于所述小盾构盾体内部，以拼装管片200。其中，所述推进装置40由若干油缸组成，通过抵在管片上，给主机提供前进的推进力。所述管片拼装系统50与常规盾构管片拼装机相同，用于拼装管片200，所述管片拼装系统50具有常规盾构管片拼装机的平移、旋转等功能。

所述可变径刀盘30包括刀盘本体31、扩挖刀装置32及扩径组件33。所述刀盘本体31与所述主驱动20连接，所述扩挖刀装置32设置于所述刀盘本体31中，且所述扩挖刀装置32能沿径向延伸出所述刀盘本体31，以在所述刀盘本体31的带动下开挖土层形成扩挖空间。可以理解的是，由于所述扩挖刀装置32能沿径向延伸出所述刀盘本体31，而所述刀盘本体31连接于所述主驱动20上，从而通过所述主驱动20能带动所述刀盘本体31实现转动以及平移，进而能带动所述扩挖刀装置32同步实现转动以及平移。使得所述扩挖刀装置32在跟随转动以及平移的过程中，能对周围土层进行扩挖，最终能扩挖出一条环形的扩挖空间。

也就是说，所述扩挖刀装置32用以沿径向开挖土层，以形成扩挖空间，从而通过开挖出来的扩挖空间能给所述可变径刀盘30、所述小盾构盾体11提供出相应的安装空间，让所述拼装式可变径盾构机100能在洞内实现直径的变换。

其中，所述扩挖刀装置32开挖土层的具体结构可以采用牙轮钻、截割头、铲斗等机构，根据实际土层情况具体选择即可。而实现所述扩挖刀装置32径向伸缩的具体结构可为任意的直线驱动单元，其具体的驱动形式可采用电驱、液驱等，如电缸、油缸等。

所述扩径组件33中设置有刀具，所述扩径组件33用以在所述拼装式可变径盾构机扩径时，安装于所述刀盘本体31上，以扩充所述可变径刀盘30的开挖直径。也就是说，在本实施例中，所述可变径刀盘30的变径是通过安装与拆卸所述扩径组件33实现。通过将所述扩径组件33安装于所述刀盘本体31上，从而实现所述可变径刀盘30的扩径。而通过将所述扩径组件33从所述刀盘本体31上拆除，从而实现所述可变径刀盘30的缩径。具体的，在本实施例中，所述扩径组件33包括边块及刀具。

当然，在其他实施例中，刀盘的不同直径的实现方式也可以为，在所述可变径刀盘30最外周的额外拼接刀盘单元，以此来实现刀盘直径的变换；甚至还可以在所述可变径刀盘30最外周更换为不同的长度的刀盘单元，以此来实现刀盘直径的变换等。而本实施例中，采用安装与拆卸所述扩径组件33的形式，让整体结构更加的稳定，同时也方便了运输与安装。

可以理解的是，现有技术的盾构机中，在洞内施工过程中仅能实现将盾构机的直径由大变小，而若想将盾构机的直径由小变大依然需要在洞外才能实现，存在施工周期长，变径操作过程繁琐的问题。或者是在变径处设置一座工作井，然后换另一种规格的盾构机重新掘进的方法，但此种方式依然存在施工周期长，变径操作过程繁琐的问题。并且有些场合不具备设置工作井的条件，无法实现洞内变径，给施工造成较大不便利性。在此背景下，需要寻求一种新的暗挖机械施工方法，正线区间隧道和车站隧道能够一次施工，要求具备原地进行大尺度变径能力，既能小变大，又能大变小，这仍是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

而本实施例提供的所述拼装式可变径盾构机100中设置有所述扩挖刀装置32，并且所述扩挖刀装置32设置于所述刀盘本体31，通过所述刀盘本体31的平移、旋转带动下，使得所述扩挖刀装置32能在洞内沿径向扩挖形成扩挖空间300，从而使得所述拼装式可变径盾构机100可以在洞内实现直径的由小变大，不需要将所述拼装式可变径盾构机100拖出洞外，同时也不需要额外设置工作井，更好的缩短了施工周期，让变径操作过程更为的简单便捷。

优选的，所述小盾构盾体11底部设置有可伸缩撑靴111，所述可伸缩撑靴111包括撑靴油缸及撑靴板，所述撑靴板上设置于所述撑靴油缸的输出端，所述撑靴油缸用以在所述拼装式可变径盾构机100扩径时带动所述撑靴板伸出。所述可伸缩撑靴111主要作用是在扩径时将整机抬升及承担主机的重力、掘进反力，当小盾构掘进时，所述可伸缩撑靴111全部缩回至小盾构盾壳外径之内，当切换至大盾构掘进时，所述可伸缩撑靴111伸出。

优选的，所述小盾构盾体11前端还安装有挡渣环60。具体的，在所述拼装式可变径盾构机100扩径时，所述挡渣环60安装于所述小盾构盾体11前端周围，主要作用是防止土仓的渣土进入盾体后部。

优选的，所述拼装式可变径盾构机100还包括传力环装置70，所述传力环装置70用以在所述拼装式可变径盾构机100扩径时，安装于所述推进装置40，以传递推力。可以理解的是，所述拼装式可变径盾构机100变径过后，安装的所述管片200的尺寸同样需要发生变化。而本实施例中提供的所述传力环装置70主要作用是解决由小直径变大直径时所述推进装置40与大直径的所述管片200不同心传递推力的问题。具体的，所述传力环装置70可采用钢结构件，由分块拼装而成，方便了运输、安装以及拆卸。

当然，在另外的实施例中，所述拼装式可变径盾构机100可以不设置所述传力环装置70，而是设置大盾构推进装置41，所述大盾构推进装置41安装于所述盾体套壳14中，以推动所述盾体10移动。其中，所述大盾构推进装置41由若干油缸组成，通过抵在大直径的管片上，给主机提供前进的推进力。

优选的，所述传力环装置70中设置在有楔形块管片拼装油缸，所述楔形块管片拼装油缸用以辅助安装管片。具体的，所述楔形块管片拼装油缸藏于传力环装置70内部，在安装楔形块管片时，可伸出用于辅助安装管片。所述传力环装置70尾部还安装有缓冲垫，从而通过所述缓冲垫可以缓冲管片的应力，具体的所述缓冲垫材质可为尼龙/聚氨酯/橡胶。

优选的，所述拼装式可变径盾构机100还包括支护拼装装置80，所述支护拼装装置80设置于所述可变径刀盘30上，且能随所述可变径刀盘30移动、旋转，以在所述扩挖刀装置32形成的所述扩挖空间中安装支护400。从而通过所述支护拼装装置80在所述扩挖空间中安装所述支护400，可以进一步加强土体稳定性，防止后续过程发生坍塌等风险。并且，通过所述支护拼装装置80对所述支护400进行安装，也进一步的提高了安装效率。在本实施例中，所述支护400具体为钢拱架支护，所述支护拼装装置80具备钢拱架抓取、抬升、旋转等功能。当然，在其他实施例中，也可以采用锚网、喷混支护等形式。根据地层稳定程度，选择不同加强支护即可。

优选的，在本实施例中，所述管片拼装系统50具有轴向大幅度移动和径向大幅度移动的拼装能力，同时具备拼装小直径的所述管片200、大直径的所述管片200、所述传力环装置70、所述尾盾12、所述大盾构尾盾13、所述盾体套壳14等部件的能力。

优选的，所述盾体套壳14是由钢结构件分块拼装而成拼装式结构，可以通过环向拼装形成一个环形的盾体套壳，完整的盾体套壳由几环拼装组成。所述小盾构盾体11和所述盾体套壳14之间可通过固定装置15(例如螺栓)固定在一起，避免所述小盾构盾体11和所述盾体套壳14之间在正常掘进时产生相对运动。

优选的，所述拼装式可变径盾构机100还包括后靠反力架500、传力工装600、支撑工装800、盾体套壳顶推装置700；所述后靠反力架500用以提供所述拼装式可变径盾构机100向前和顶推所述盾体套壳14所需的反力；所述传力工装600用以传递所述推进装置40与所述后靠反力架500之间的推力；所述支撑工装800用以在所述拼装式可变径盾构机100扩径时支撑所述可变径刀盘30和所述管片拼装系统50托梁，稳固主机；所述盾体套壳顶推装置700用以顶推所述盾体套壳14。从而通过此种结构，能更稳定的实现所述拼装式可变径盾构机100的变径，更好的保障了所述盾体套壳14的安装。

优选的，所述拼装式可变径盾构机100还包括出渣系统90，所述出渣系统90安装于所述盾体10中，以向外输送所述拼装式可变径盾构机100掘进过程中所挖出的土块。其中，所述出渣系统90根据地层情况可选择不同的出渣方式，如小盾构状态时可选用泥浆管道/螺旋输送机出渣，大盾构状态时可选用泥浆管道出渣。

优选的，所述可变径刀盘30上还设置有冷冻管路，使得所述可变径刀盘30具备冷冻功能，从而在隧道围岩较差时，可以冷冻刀盘前方及周围土体，对围岩进行加固，满足人员进仓作业。

优选的，所述尾盾12、所述大盾构尾盾13均为模块化拼装而成，扩径时，可将所述尾盾12分块拆解，将所述大盾构尾盾13分块拼装；缩径时，可将所述大盾构尾盾13分块拆解或直接留在地层，将所述尾盾12分块拼装。

同时，本实施例还提供了一种拼装式可变径盾构机的施工方法，可适用于盾构法或TBM法的施工方法，所述施工方法包括如下步骤：

采用所述拼装式可变径盾构机100进行掘进。

所述拼装式可变径盾构机100正常施工状态时，通过所述可变径刀盘30开挖土体，所述盾体10支护周围土体，所述管片拼装系统50拼装所述管片200，所述推进装置40抵住所述管片200让整个设备产生前进动力。

请结合参阅图3。扩径准备：所述主驱动20沿轴向伸出，带动所述刀盘本体31进行轴向扩挖。

具体的，当掘进至预设位置时，伸出所述主驱动20，通过所述刀盘本体31进行轴向扩挖，以腾出下一步操作扩径空间。

作为一种可选的方式，所述扩径准备后当隧道围岩较差时，可通过所述小盾构盾体11内置的冷冻管路冷冻前方及周围土体，或通过土仓进行超前注浆加固地层，为后续作业提供安全空间。

通过所述扩径准备可以为冷冻和超前地质加固留出作业空间。

请结合参阅图4。刀盘扩挖：所述主驱动20沿轴向回缩，所述扩挖刀装置32沿径向延伸出所述刀盘本体31，所述主驱动20继续驱动所述刀盘本体31旋转，所述主驱动20继续沿轴向伸出，带动所述扩挖刀装置32对外围土层进行扩挖，以形成扩挖空间300。

具体的，当所述扩挖刀装置32沿径向延伸出所述刀盘本体31，并在所述刀盘本体31的带动下在当前位置扩挖完成后，所述主驱动20带动所述可变径刀盘30轴向伸出，继续向前扩挖，重复以上步骤，直到扩挖出所述刀盘本体31所需的扩挖空间300。

作为一种可选的方式，若所述扩挖刀装置32的行程不足，可通过加延长杆的方式延长所述扩挖刀装置32的开挖半径。

请结合参阅图5。刀盘扩径：所述主驱动20沿轴向回缩，转动所述刀盘本体31，将所述刀盘本体31上的辐条311转动至最底部，并将辐条311顶出，在原所述刀盘本体31与辐条311之间安装所述扩径组件33，重复此步骤，直至所有所述扩径组件33安装完成。即当一个所述扩径组件33安装完毕后，再次转动所述刀盘本体31，将所述刀盘本体31上的另外的辐条311转动至最底部，从而继续安装下一个所述扩径组件33，直至所有所述扩径组件33安装完成，以此完成对刀盘的扩径。

其中，在本步骤中，所述主驱动20沿轴向回缩只需略微缩回，使所述刀盘本体31正面脱离掌子面即可。具体的，将所述刀盘本体31上的所述辐条311转至最底部后，再将外周的所述辐条311与中心刀盘断开并向外顶出，然后在所述辐条311断开处安装所述扩径组件33。

优选的，所述刀盘扩径后还包括：

请结合参阅图6。支护安装：在所述扩挖空间300中的土层壁体上安装所述支护400。

具体的，在本步骤中先将所述主驱动20沿轴向伸出一定距离，使土仓内留出安装所述支护400的空间；所述支护400运输至土仓内后，通过所述支护拼装装置80对所述支护400进行拼装，一直到扩径掘进完成前，均需要拼装所述支护400。从而通过此步骤能防止后续过程发生坍塌等风险。具体的，在本实施例中，所述支护400为钢拱架支护。

优选的，所述支护安装后还包括：

请结合参阅图7。挡渣环安装：在所述小盾构盾体11前端安装所述挡渣环60。

具体的，在本步骤中主机继续推进朝前掘进；直到所述盾体10前端留出安装所述挡渣环60的空间，安装所述挡渣环60，形成整环，防止土仓及前方渣土进入所述盾体10后端。

请结合参阅图8至图10。尾盾拆除、盾体扩径：所述拼装式可变径盾构机100继续进行掘进，所述小盾构盾体11进入所述扩挖空间300处，将所述尾盾12从所述小盾构盾体11上拆除，并将所述盾体套壳14安装于所述小盾构盾体11外周；

优选的，所述尾盾拆除、盾体扩径具体包括如下步骤：

所述拼装式可变径盾构机100继续进行掘进，所述小盾构盾体11进入至所述扩挖空间300后，其底部设置可伸缩撑靴111逐步伸出。具体的，所述拼装式可变径盾构机100继续进行掘进，直到所述小盾构盾体11前端第一个所述可伸缩撑靴111具备伸出空间，然后伸出该所述可伸缩撑靴111。所述拼装式可变径盾构机100继续掘进，重复上述过程，直到所述小盾构盾体11底部所有的所述可伸缩撑靴111均已伸出。

所述拼装式可变径盾构机100继续进行掘进，直至所述尾盾12脱出土体后，拆除所述尾盾12。

所述拼装式可变径盾构机100继续进行掘进，直至所述推进装置40达到最大行程，然后缩回所述推进装置40，在所述拼装式可变径盾构机100尾部留出安装空间。

在所述安装空间中安装后靠反力架500、传力工装600，所述推进装置40顶推所述传力工装600，使所述拼装式可变径盾构机100掘进至预设位置。

所述推进装置40缩回，拆除所述传力工装600，安装盾体套壳顶推装置700和支撑工装800。

所述可伸缩撑靴111逐步缩回，并通过所述安装盾体套壳顶推装置700将所述盾体套壳14推至所述小盾构盾体11外周。具体的，先将所述盾体套壳14运输至拼装区域，所述管片拼装系统50抓取拼装式的所述盾体套壳14完成第一环拼装，然后通过所述盾体套壳顶推装置700将第一环的所述盾体套壳14顶推到最后一个所述可伸缩撑靴111之后的位置。然后缩回最后一个所述可伸缩撑靴111，继续向前顶推第一环的所述盾体套壳14。重复上述步骤，拼装顶推后续几环的所述盾体套壳14直至最前端，形成完整的所述盾体套壳14。最后安装所述固定装置15，固定所述盾体套壳14与所述小盾构盾体11，至此，盾体扩径完成，形成大盾构盾体。

其中，所述盾体套壳顶推装置700，由顶推油缸和顶推支架组成，主要作用是向前顶推所述盾体套壳14，以使所述盾体套壳14完整的套在所述小盾构盾体11圆周。所述后靠反力架500，由钢结构组成，主要作用是提供盾构机向前和顶推盾体套壳所需的反力。所述传力工装600，由钢结构组成，主要作用是传递所述推进装置400和所述后靠反力架500之间的推力。所述支撑工装800，由钢结构组成，主要作用是顶推所述盾体套壳14时，支撑刀盘和拼装机托梁，稳固主机。

请结合参阅图11。尾盾更换：在所述盾体套壳14上安装大盾构尾盾13，在所述推进装置40处安装传力环装置70，继续进行掘进。以此，所述拼装式可变径盾构机100完成由小盾构到大盾构的扩径转换。

优选的，在所述尾盾拆除、盾体扩径之后还包括，拆除所述盾体套壳顶推装置700、所述后靠反力架500、所述支撑工装800并运至洞外。

可以理解的是，在所述拼装式可变径盾构机100扩径后，需要采用更大直径的所述管片200进行安装。优选的，拼装大直径的所述管片200时，第一环可采用钢管片，用于与小直径的所述管片200相连。同理，拼装小直径的所述管片200时，最后一环也可采用钢管片。通过将小直径的钢管片与大直径的钢管片固定，可以改善受力情况。具体的，大/小直径的所述管片200之间可以采用转换筋过度、加强。更优的，在最后几环小直径的所述管片200外侧可注浆形成加固区，为大直径的所述管片200提供良好的承载基础。至此，所述拼装式可变径盾构机100完成了刀盘、盾体、管片的转换过程，整个扩径转换完成，可以开始正常大盾构掘进模式。

请结合参阅图16。其中，需要说明的是，在一种实施例中，所述盾尾更换步骤中也可不安装所述传力环装置70，而是额外在所述盾体套壳14中安装大盾构推进装置41。即在所述盾体套壳14尾部安装所述大盾构推进装置4，通过所述大盾构推进装置14直接顶推大直径的所述管片200提供向前的推进力。

为了实现所述拼装式可变径盾构机100在洞内缩径，优选的，所述尾盾更换之后还可包括：

请结合参阅图12。缩径准备：所述主驱动20沿轴向伸出，带动所述可变径刀盘30进行轴向扩挖；

作为一种可选的方式，所述缩径准备后当隧道围岩较差时，可通过所述小盾构盾体11内置的冷冻管路冷冻前方及周围土体，或通过土仓进行超前注浆加固地层，为后续作业提供安全空间。

请结合参阅图13。刀盘缩径：所述主驱动20沿轴向回缩，转动所述刀盘本体31，将所述刀盘本体31上的辐条311转动至最底部，将此处安装的所述扩径组件33拆除，并将辐条311缩回与中心刀盘连接，重复此步骤，直至所有所述扩径组件33拆除完成以及所有辐条311缩回完成。

其中，在本步骤中，所述主驱动20沿轴向回缩只需略微缩回，使所述刀盘本体31正面脱离掌子面即可。

优选的，在所述刀盘缩径后，拆除所述挡渣环60和所述传力环装置70，并运输至洞外(所述挡渣环60可留在洞内作为支护)。

请结合参阅图14。盾体缩径：将所述盾体套壳14与所述小盾构盾体11分离，并将所述大盾构尾盾13从所述盾体套壳14上断开，在所述小盾构盾体11上安装所述尾盾12。

具体的，拆除所述小盾构盾体11与所述盾体套壳14之间的所述固定装置15，并将所述大盾构尾盾13与所述盾体套壳14断开(所述大盾构尾盾13可留在土体作为支护)；安装所述尾盾12，所述尾盾12属于分块拼装，运输进来后，可通过所述管片拼装系统50进行抓取和伸缩旋转，在狭小空间内快速完成尾盾拼装。

可以理解的是，在所述拼装式可变径盾构机100缩径后，需要采用更小直径的所述管片200进行安装。优选的，拼装小直径的所述管片200时，第一环可采用采用钢管片，用于与大直径的所述管片200相连。同理，拼装大直径的所述管片200时，最后一环也可采用钢管片。通过将小直径的钢管片与大直径的钢管片固定，可以改善受力情况。具体的，大/小直径的所述管片200之间可以采用转换筋过度、加强。更优的，在最后几环大直径的所述管片200外侧可注浆形成加固区，为小直径的所述管片200提供良好的承载基础。至此完成缩径，开始正常小盾构掘进模式。

请结合参阅图15。缩小后的所述拼装式可变径盾构机100继续向前掘进。

需要说明的是，所述拼装式可变径盾构机100并不局限于先小变大、后大变小，也可先大变小、后小变大，均可以实现。

本实施例提供的所述拼装式可变径盾构机100及拼装式可变径盾构机的施工方法，能够在隧道施工过程中，洞内原位自由转换成型隧道直径大小，转换过程多次、可逆，实现大幅度变径，大大提升了工程的适应性。实现一机多用，单台盾构机能够实现掘进多种不同尺寸规格的盾构隧道，降低洞外转换消耗的时间，减小不必要的盾构机施工井的施作，最大程度发挥设备价值。同时无需设置工作井，即可完成转换，节约成本和工期。

本实施例提供的所述拼装式可变径盾构机100及拼装式可变径盾构机的施工方法可适应硬岩、复合地层、软土等多种地层，若地层为单一软土地层，可选择直接采用伸缩超挖刀的形式进行扩径和缩径。

需要说明的是，所述可变径刀盘30不一定是采用推出辐条之后在中间安装所述扩径组件33的方式，也可采用直接在刀盘边缘安装边块刀的型式，如果变径直径小时，也可直接采用自动伸缩刀的型式，避免人员进仓。

所述拼装式可变径盾构机100出渣时可采用土压/泥水模式，大盾构优先选择泥水模式，也能选择土压模式。

并且当在稳定性较差的地层，不一定采用冷冻加固以及钢拱架支护的方式，也可采用超前注浆加固/喷锚等其他加固方式；当地层较好时，可选择不加固地层以及不采用钢拱架支护。

其中，需要说明的是，所述拼装式可变径盾构机的施工方法不仅适用于盾构机，而且能够适用于TBM。也就是说，所述拼装式可变径盾构机100的变径方式，不仅能适用于盾构机变径，而且还能适用于TBM变径。采用与本发明构思相同或相似的技术方案来实现洞内变径，均在本发明的保护范围之内。

以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种拼装式可变径盾构机，其特征在于，包括盾体、主驱动、可变径刀盘、推进装置、管片拼装系统、出渣系统；

所述盾体包括小盾构盾体及尾盾，所述尾盾连接于所述小盾构盾体尾端；

所述主驱动设置于所述小盾构盾体内部，以带动所述可变径刀盘旋转；

所述可变径刀盘设置于所述主驱动上，并位于所述小盾构盾体前端，且所述主驱动能带动所述可变径刀盘沿轴向相对于所述盾体移动；

所述推进装置设置于所述小盾构盾体内部，以推动所述小盾构盾体移动；

所述管片拼装系统设置于所述小盾构盾体内部，以拼装管片；

所述出渣系统安装于所述盾体中，以向外输送所述拼装式可变径盾构机掘进过程中所挖出的土块；

其中，所述可变径刀盘包括刀盘本体、扩挖刀装置及扩径组件；

所述刀盘本体与所述主驱动连接；

所述扩挖刀装置设置于所述刀盘本体中，且所述扩挖刀装置能沿径向延伸出所述刀盘本体，以在所述刀盘本体的带动下开挖土层形成扩挖空间；

所述扩径组件中设置有刀具，所述扩径组件用以在所述拼装式可变径盾构机扩径时，安装于所述刀盘本体上，以扩充所述可变径刀盘的开挖直径；

所述盾体还包括盾体套壳，所述盾体套壳用以在所述拼装式可变径盾构机扩径时，安装于所述小盾构盾体外周，以扩充所述小盾构盾体的直径。

2.根据权利要求1所述的拼装式可变径盾构机，其特征在于，所述小盾构盾体底部设置有可伸缩撑靴，所述可伸缩撑靴包括撑靴油缸及撑靴板，所述撑靴板设置于所述撑靴油缸的输出端，所述撑靴油缸用以在所述拼装式可变径盾构机扩径时，带动所述撑靴板伸出。

3.根据权利要求1所述的拼装式可变径盾构机，其特征在于，所述小盾构盾体前端安装有挡渣环。

4.根据权利要求1所述的拼装式可变径盾构机，其特征在于，还包括传力环装置；所述传力环装置用以在所述拼装式可变径盾构机扩径时，安装于所述推进装置，以传递推力；

或，还包括大盾构推进装置，所述大盾构推进装置安装于所述盾体套壳中，以推动所述盾体移动。

5.根据权利要求4所述的拼装式可变径盾构机，其特征在于，所述传力环装置中设置有楔形块管片拼装油缸，以辅助安装管片；

所述传力环装置尾部还安装有缓冲垫。

6.根据权利要求1所述的拼装式可变径盾构机，其特征在于，还包括支护拼装装置；

所述支护拼装装置设置于所述可变径刀盘上，且能随所述可变径刀盘移动、旋转，以在所述扩挖刀装置开挖形成的所述扩挖空间中安装支护。

7.根据权利要求1所述的拼装式可变径盾构机，其特征在于，还包括后靠反力架、传力工装、支撑工装、盾体套壳顶推装置；

所述后靠反力架用以提供所述拼装式可变径盾构机向前和顶推所述盾体套壳所需的反力；

所述传力工装用以传递所述推进装置与所述后靠反力架之间的推力；

所述支撑工装用以在所述拼装式可变径盾构机扩径时支撑所述可变径刀盘和所述管片拼装系统托梁，稳固主机；

所述盾体套壳顶推装置用以顶推所述盾体套壳。

8.根据权利要求1所述的拼装式可变径盾构机，其特征在于，所述出渣系统选用泥浆管道或螺旋输送机出渣。

9.一种拼装式可变径盾构机的施工方法，其特征在于，可适用于盾构法或TBM法的施工方法，所述施工方法包括如下步骤：

采用如权利要求1至8中任一项所述的拼装式可变径盾构机进行掘进；

扩径准备：所述主驱动沿轴向伸出，带动所述刀盘本体进行轴向扩挖；

刀盘扩挖：所述主驱动沿轴向回缩，所述扩挖刀装置沿径向延伸出所述刀盘本体，所述主驱动继续驱动所述刀盘本体旋转，所述主驱动继续沿轴向伸出，带动所述扩挖刀装置对外围土层进行扩挖，以形成扩挖空间；

刀盘扩径：所述主驱动沿轴向回缩，转动所述刀盘本体，将所述刀盘本体上的辐条转动至最底部，并将辐条顶出，在原所述刀盘本体与辐条之间安装所述扩径组件，重复此步骤，直至所有所述扩径组件安装完成；

尾盾拆除、盾体扩径：所述拼装式可变径盾构机继续进行掘进，所述小盾构盾体进入所述扩挖空间处，将所述尾盾从所述小盾构盾体上拆除，并将所述盾体套壳安装于所述小盾构盾体外周；

尾盾更换：在所述盾体套壳上安装大盾构尾盾，在所述推进装置处安装传力环装置或在所述盾体套壳中安装大盾构推进装置，继续进行掘进。

10.根据权利要求9所述的拼装式可变径盾构机的施工方法，其特征在于，所述刀盘扩径与所述尾盾拆除、盾体扩径之间还包括：

支护安装：在所述扩挖空间中的土层壁体上安装支护；

挡渣环安装：在所述小盾构盾体前端安装挡渣环。

11.根据权利要求9所述的拼装式可变径盾构机的施工方法，其特征在于，所述尾盾拆除、盾体扩径包括如下步骤：

所述拼装式可变径盾构机继续进行掘进，所述小盾构盾体进入至所述扩挖空间后，其底部设置可伸缩撑靴逐步伸出；

所述拼装式可变径盾构机继续进行掘进，直至所述尾盾脱出土体后，拆除所述尾盾；

所述拼装式可变径盾构机继续进行掘进，直至所述推进装置达到最大行程，然后缩回所述推进装置，留出安装空间；

在所述安装空间中安装后靠反力架、传力工装，所述推进装置顶推所述传力工装，使所述拼装式可变径盾构机掘进至预设位置；

所述推进装置缩回，拆除所述传力工装，安装盾体套壳顶推装置和支撑工装；

所述可伸缩撑靴逐步缩回，并通过所述安装盾体套壳顶推装置将所述盾体套壳推至所述小盾构盾体外周。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的拼装式可变径盾构机的施工方法，其特征在于，所述尾盾更换之后还包括：

缩径准备：所述主驱动沿轴向伸出，带动所述可变径刀盘进行轴向扩挖；

刀盘缩径：所述主驱动沿轴向回缩，转动所述刀盘本体，将所述刀盘本体上的辐条转动至最底部，将此处安装的所述扩径组件拆除，并将辐条缩回，重复此步骤，直至所有所述扩径组件拆除完成以及所有辐条缩回完成；

盾体缩径：将所述盾体套壳与所述小盾构盾体分离，并将所述大盾构尾盾从所述盾体套壳上断开，在所述小盾构盾体上安装所述尾盾。

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