CN115788466A - 可变径盾构机及其洞内变径施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可变径盾构机，其包括盾体、主驱动、可变径刀盘、推进装置、管片拼装系统、机械开挖装置；盾体包括可变径前盾、盾体套壳及尾盾；机械开挖装置包括伸缩机构及扩挖机构；伸缩机构设置于管片拼装系统上，且能随管片拼装系统平移、回转；扩挖机构设置于伸缩机构上，且能在伸缩机构的带动下沿径向伸缩，以在尾盾与可变径前盾断开后，在尾盾与可变径前盾之间开挖土层形成扩挖空间。同时，本发明还提供了一种可变径盾构机的洞内变径施工方法。与现有技术相比，本发明提供的可变径盾构机及其洞内变径施工方法在洞内即可实现变径，可以缩短施工周期，让变径操作过程简单便捷，该方法不仅适用于盾构机变径，而且能够适应TBM变径。

Description

可变径盾构机及其洞内变径施工方法

技术领域

本发明涉及隧道施工设备技术领域，尤其涉及一种可变径盾构机及其洞内变径施工方法。

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。本发明提供了一种可变径盾构机及其洞内变径施工方法，其设置有机械开挖装置，通过机械开挖装置能在洞内开挖形成变径所需的空间，从而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、机械开挖装置；

所述盾体包括可变径前盾及尾盾，所述尾盾连接于所述可变径前盾尾端；

所述主驱动设置于所述可变径前盾内部；

所述可变径刀盘设置于所述主驱动上，并位于所述可变径前盾前端；

所述推进装置设置于所述可变径前盾内部，以推动所述可变径前盾移动；

所述管片拼装系统设置于所述可变径前盾内部，以拼装管片；

所述机械开挖装置包括伸缩机构及扩挖机构；

所述伸缩机构设置于所述管片拼装系统上，且能随所述管片拼装系统平移、回转；

所述扩挖机构设置于所述伸缩机构上，且能在所述伸缩机构的带动下沿径向伸缩，以在所述尾盾与所述可变径前盾断开后，在所述尾盾与所述可变径前盾之间开挖土层形成扩挖空间；

所述盾体还包括盾体套壳，所述盾体套壳用以在所述可变径盾构机扩径时，安装于所述可变径前盾外周，以扩充所述盾体的直径。

优选的，所述机械开挖装置还包括防护机构，所述防护机构设置于所述伸缩机构上，并对应所述扩挖机构设置，以承接所述扩挖机构切削掉落的土体。

优选的，还包括锚杆支护装置、加固装置；

所述锚杆支护装置设置于所述管片拼装系统上，且能随所述管片拼装系统平移、回转，以支护土层；

所述加固装置设置于所述管片拼装系统上，且能随所述管片拼装系统平移、回转，以冷冻或注浆加固土层。

优选的，还包括临时支护拼装装置；

所述临时支护拼装装置设置于所述管片拼装系统上，且能随所述管片拼装系统平移、回转，以在所述扩挖机构开挖形成的所述扩挖空间处安装临时支护。

优选的，还包括盾体套壳拼装装置；

所述盾体套壳拼装装置设置于所述管片拼装系统上，且能随所述管片拼装系统平移、回转，以在所述临时支护上安装盾体套壳。

一种可变径盾构机的洞内变径施工方法，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：

S1、采用如权利要求1至5中任一项所述的可变径盾构机进行掘进；

S2、扩径准备：将所述尾盾与所述可变径前盾断开；

S3、继续掘进：通过所述推进装置将所述可变径前盾向前继续掘进推进，以使所述可变径前盾与所述尾盾之间区域的外围土层露出；

S5、径向扩挖：通过所述扩挖机构伸出对所述可变径前盾与所述尾盾之间区域的外围土层进行扩挖，以形成扩挖空间；

S8、扩挖循环：重复步骤S3和S5，以将所述扩挖空间延长至所需长度；

S10、拼装盾体套壳：在所述扩挖空间内预安装盾体套壳；

S11、盾构机回退：将所述可变径前盾整体带动向后回退至所述扩挖空间处，将所述可变径前盾与所述盾体套壳相连接；

S12、刀盘扩径、传力环安装：在所述扩挖空间处对所述可变径刀盘进行扩径改造，并在所述推进装置处安装传力环，继续进行掘进。

优选的，在所述步骤S3与所述步骤S5之间还包括：

S4、锚固土体：对所述可变径前盾与所述尾盾之间区域的外围土层进行锚杆支护，并对外围土层进行冷冻或注浆加固。

优选的，在所述步骤S5与所述步骤S8之间还包括：

S6、土层强化支护：在所述扩挖空间中的土层壁体上安装临时支护；

S7、管片安装：在所述扩挖空间处安装管片，并将所述管片与所述临时支护连接；

所述步骤S8、扩挖循环中通过循环S3至S7，以将所述扩挖空间延长至所需长度；

所述步骤S10之前还包括：

S9、管片拆除：将所述扩挖空间处的所有安装的所述管片全部拆除。

优选的，所述步骤S12之后还包括：

S13、刀盘、盾体缩径：将所述可变径刀盘外圈安装的刀盘单元拆除，并将可变径前盾与所述盾体套壳分离，同时将所述传力环从所述推进装置上拆除；

S14、安装尾盾：将所述尾盾安装于所述可变径前盾尾端。

优选的，所述步骤S14之后还包括：

S15、管片连接：将小直径管片与大直径管片通过转换筋连接。

与现有技术相比，本发明提供的可变径盾构机，其包括盾体、主驱动、可变径刀盘、推进装置、管片拼装系统、机械开挖装置；所述盾体包括可变径前盾及尾盾，所述尾盾连接于所述可变径前盾尾端；所述主驱动设置于所述可变径前盾内部；所述可变径刀盘设置于所述主驱动上，并位于所述可变径前盾前端；所述推进装置设置于所述可变径前盾内部，以推动所述可变径前盾移动；所述管片拼装系统设置于所述可变径前盾内部，以拼装管片；所述机械开挖装置包括伸缩机构及扩挖机构；所述伸缩机构设置于所述管片拼装系统上，且能随所述管片拼装系统平移、回转；所述扩挖机构设置于所述伸缩机构上，且能在所述伸缩机构的带动下沿径向伸缩，以在所述尾盾与所述可变径前盾断开后，在所述尾盾与所述可变径前盾之间开挖土层形成扩挖空间，所述盾体还包括盾体套壳，所述盾体套壳用以在所述可变径盾构机扩径时，安装于所述可变径前盾外周，以扩充所述盾体的直径。所述可变径盾构机中设置有所述机械开挖装置，且所述机械开挖装置能跟随所述管片拼装系统平移、回转，从而在所述可变径盾构机需要进行变径时，能通过所述机械开挖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可变径盾构机的直径由小变大。在洞内即可实现对所述可变径盾构机的变径，不需要将所述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。

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可变径盾构机一种状态时的结构示意图；

图2为图1所示可变径盾构机另一种状态时的结构示意图；

图3为图1所述可变径盾构机中盾体的结构示意图；

图4为图1所示可变径盾构机中可变径刀盘变径过程的结构示意图；

图5为图1所示可变径盾构机中机械开挖装置的部分结构示意图；

图6为图5所示防护机构的结构示意图；

图7为图1所示可变径盾构机中管片拼装系统与锚杆支护装置的结构示意图；

图8为扩径准备时的结构示意图；

图9为一种实施例提供的尾盾的结构示意图；

图10为锚固土体时的结构示意图；

图11为径向扩挖时的结构示意图；

图12为土层强化支护时的结构示意图；

图13为扩挖循环时的结构示意图；

图14为拼装盾体套壳时的结构示意图；

图15为盾构机回退时的结构示意图；

图16为刀盘扩径时的结构示意图；

图17为传力环安装时的结构示意图；

图18为刀盘、盾体缩径时的结构示意图；

图19为管片连接时的结构示意图；

图20为缩径改造后的结构示意图。

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、机械开挖装置；所述盾体包括可变径前盾及尾盾，所述尾盾连接于所述可变径前盾尾端；所述主驱动设置于所述前盾内部；所述可变径刀盘设置于所述主驱动上，并位于所述可变径前盾前端；所述推进装置设置于所述可变径前盾内部，以推动所述可变径前盾移动；所述管片拼装系统设置于所述可变径前盾内部，以拼装管片；所述机械开挖装置包括伸缩机构及扩挖机构；所述伸缩机构设置于所述管片拼装系统上，且能随所述管片拼装系统平移、回转；所述扩挖机构设置于所述伸缩机构上，且能在所述伸缩机构的带动下沿径向伸缩，以在所述尾盾与所述可变径前盾断开后，在所述尾盾与所述可变径前盾之间开挖土层形成扩挖空间，所述盾体还包括盾体套壳，所述盾体套壳用以在所述可变径盾构机扩径时，安装于所述可变径前盾外周，以扩充所述盾体的直径。所述可变径盾构机中设置有所述机械开挖装置，且所述机械开挖装置能跟随所述管片拼装系统平移、回转，从而在所述可变径盾构机需要进行变径时，能通过所述机械开挖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可变径盾构机的直径由小变大。在洞内即可实现对所述可变径盾构机的变径，不需要将所述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。

请结合参阅图1至图7。本实施例提供了一种可变径盾构机100，其能够在隧道施工过程中，在洞内原位自由转换形成隧道所需开挖直径大小，转换过程多次、可逆，实现一机多用，降低洞外转换消耗的时间，减小不必要的施工井的施作，最大程度发挥设备价值。

所述可变径盾构机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、机械开挖装置60。所述盾体10包括可变径前盾11及尾盾12，所述尾盾12连接于所述可变径前盾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、电气元器件等提供了安装接口。

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。而由于前盾与中盾转换过程相似，因此本实施例中均用所述可变径前盾11代替。

其中，所述可变径前盾11在本实施例中指的是在所述可变径前盾11的外周可以安装相应的盾体部件，从而将前盾的整体直径改变。

所述盾体10还包括盾体套壳13，所述盾体套壳13用以在所述可变径盾构机100扩径时，安装于所述可变径前盾11外周，以扩充所述盾体10的直径。

具体的，在本实施例中，当所述可变径盾构机100以小直径模式进行掘进时，前盾可仅设置所述可变径前盾11。而当所述可变径盾构机100以大直径模式进行掘进时，前盾可由所述可变径前盾11与所述盾体套壳13组成，而所述盾体套壳13对应固定于所述可变径前盾11的外周处，以此配合所述可变径盾构机100的大直径模式。

相对应的，为了配合前盾的两种不同直径，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14。也就是说，所述可变径盾构机100的盾体为双层结构，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14尾端还可设置盾尾刷15，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15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设置于所述可变径前盾11内部，所述可变径刀盘30设置于所述主驱动20上并位于所述可变径前盾11前端。其中，所述主驱动20是驱动所述可变径刀盘30回转的动力来源，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。

需要说明的是，所述可变径刀盘30在本实施例中指的是在所述可变径刀盘30的外周可额外拼接刀盘单元，从而将刀盘的整体直径改变。具体的，在本实施例中，当所述可变径盾构机100以小直径模式进行掘进时，刀盘可仅设置所述可变径刀盘30。而当所述可变径盾构机100以大直径模式进行掘进时，刀盘可由所述可变径刀盘30以及拼接于所述可变径刀盘30外周的刀盘单元31共同组成，以此配合所述可变径盾构机100的大直径模式。

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，将所述可变径盾构机100最外周的刀盘单元更换为不同的长度，以此来实现刀盘直径的变换。而本实施例中，采用直接在所述可变径刀盘30的外周拼接刀盘单元，进一步的降低了安装与拆卸难度。

所述推进装置40设置于所述可变径前盾11内部，以推动所述可变径前盾11移动。所述管片拼装系统50设置于所述可变径前盾内部，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、回转等功能。

所述机械开挖装置60包括伸缩机构61及扩挖机构62，所述伸缩机构61设置于所述管片拼装系统50上，且能随所述管片拼装系统50平移、回转。所述扩挖机构62设置于所述伸缩机构61上，且能在所述伸缩机构61的带动下沿径向伸缩，以在所述尾盾12与所述可变径前盾11断开后，在所述尾盾12与所述可变径前盾11之间开挖土层形成扩挖空间。

在所述可变径盾构机100需要扩大直径时，可以先将所述尾盾12与所述可变径前盾11断开。在所述可变径前盾11继续向前掘进下，使得所述尾端12与所述可变径前盾11之间的土层露出，从而能通过所述伸缩机构61带动所述扩挖机构62进行移动，使得所述扩挖机构62接触到露出的土层，进而能通过所述扩挖机构62沿径向对土层进行扩挖。同时由于所述伸缩机构61设置于所述管片拼装系统50上，从而使得所述扩挖机构62能同步的实现回转以及平移，最终能扩挖出一条环形的扩挖空间。

也就是说，所述机械开挖装置60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、所述可变径前盾11提供出相应的安装空间，让所述可变径盾构机100能在洞内实现直径的变换

其中，所述扩挖机构62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。

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洞内变径施工方法，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可变径盾构机100中设置有所述机械开挖装置60，并且所述机械开挖装置60设置于所述管片拼装系统50，通过所述管片拼装系统50的平移、回转带动下，使得所述机械开挖装置60能在洞内沿径向扩挖形成扩挖空间，从而使得所述可变径盾构机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。

其中，所述伸缩机构61可采用电驱、液驱等不同驱动形式，如电缸、油缸等。

优选的，所述机械开挖装置60还包括防护机构63，所述防护机构63设置于所述伸缩机构61上并对应所述扩挖机构62设置，以承接所述扩挖机构62切削掉落的土体。从而通过所述防护机构63可以防止顶部开挖土体下落破坏机器并保护施工人员安全。具体的，所述防护机构63靠近所述扩挖机构62一侧设置有导槽，从而通过所述导槽能更好的承接和引导所述扩挖机构62开挖掉落的土体，当然，在其他实施例中，所述防护机构63的形状结构也可采用其他任意形状结构，只需能对应的承接到所述切削结构62开挖掉落的土体即可。而所述扩挖机构62开挖下来的土体可以通过人工清渣或其他任意方式运输到隧道外部。

优选的，所述可变径盾构机100还包括锚杆支护装置70，所述锚杆支护装置70设置于所述管片拼装系统50上，且能跟随所述管片拼装系统50平移、回转，以支护土层。从而在所述机械开挖装置60进行开挖前，通过所述锚杆支护装置70能实现预先对土层进行锚杆支护等一系列功能，以此来支护加固周围露出的土层。具体的，所述锚杆支护装置70用以实现沿径向以及斜向方向打锚杆、钻孔等功能。其中，所述机械开挖装置60、所述锚杆支护装置70均可采用模块化设计，便于部件的拆装。并且所述机械开挖装置60、所述锚杆支护装置70与所述管片拼装系统50均可采用可拆卸的连接方式，以此来方便所述机械开挖装置60、所述锚杆支护装置70的拆装。

优选的，所述可变径盾构机100还包括加固装置，所述加固装置设置于所述管片拼装系统50上，且能随所述管片拼装系统50平移、回转，以冷冻或注浆加固土层。可以理解的是，当土层情况较差时，通过所述加固装置可以通过冷冻或注浆加固法加固土层，更好的保障了土层的稳定。其中，在一种实施例中，所述加固装置也可集成安装于所述锚杆支护装置70上。

优选的，所述可变径盾构机100还包括临时支护拼装装置，所述临时支护拼装装置设置于所述管片拼装系统50上，且能跟随所述管片拼装系统50平移、回转，以在所述扩挖机构62开挖形成所述扩挖空间处安装临时支护300。从而通过所述临时支护拼装装置能在所述扩挖空间处安装所述临时支护300，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，通过所述临时支护拼装装置对所述临时支护300进行安装，也进一步的提高了安装效率。在本实施例中，所述临时支护300具体为钢拱架支护。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。甚至，在部分实施例中，所述临时支护300也可由所述管片拼装系统50进行安装。

优选的，所述可变径盾构机100还包括盾体套壳拼装装置，所述盾体套壳拼装装置设置于所述管片拼装系统50上，且能随所述管片拼装系统50平移、回转，以在所述临时支护300上安装所述盾体套壳13。从而通过所述盾体套壳拼装装置对所述盾体套壳13进行安装，进一步的提高了安装效率，节省了施工时间。

优选的，所述可变径盾构机100还包括传力环91，所述传力环91安装于所述可变径前盾11尾端。所述传力环91主要作用是解决所述可变径盾构机100由小直径变大直径时，所述推进装置40与大盾构管片不同心传递推力的问题。所述传力环91由分块拼装而成，具体可由钢结构件、楔形块管片拼装油缸、缓冲垫组成。所述楔形块管片拼装油缸藏于传力环内部，在安装楔形块管片时，可伸出用于辅助安装管片。所述缓冲垫安装于传力环尾端，用于缓冲管片的应力，材质可采用尼龙/聚氨酯/橡胶。

同时，本实施例还提供了一种可变径盾构机的洞内变径施工方法，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：

S1、采用所述可变径盾构机100进行掘进。

所述可变径盾构机100正常施工状态，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8。S2、扩径准备：将所述尾盾12与所述可变径前盾11断开。

隧道内扩径转换准备阶段，首先由所述管片拼装系统50拼装好最后一环所述管片200，待拼装完毕后。将所述尾盾12与所述可变径前盾11断开，断开位置满足所述机械开挖装置60钻孔、扩挖即可。

请结合参阅图9。其中，所述尾盾12与所述可变径前盾11之间的连接结构形式有多种，可以是机械式栓接，断开时只需要拆除连接螺栓；也可以是焊接一体式，拆除时将其切割；也可以采用其他常见机械连接形式。为了方便拆除，本实施例中，所述尾盾12采用分块形式，有利于组装和运输。

可以理解的是，最后一环所述管片200既可以是常规钢筋混凝土材质，也可以是钢管片或其他材质。在本实施例中，优选的，最后一环所述管片200为钢管片，从而便于其与其余结构连接。

S3、继续掘进：通过所述推进装置40将所述可变径前盾11向前继续掘进推进，以使所述可变径前盾11与所述尾盾12之间区域的外围土层露出。

即所述可变径盾构机100继续向前掘进，所述推进装置40抵推所述管片200将所述可变径盾构机100向前推进一个行程长度，而所述尾盾12则留在原地，待掘进一环行程后，使得所述可变径前盾11与所述尾盾12之间区域的外围土层露出，保障后续步骤的实施。

优选的，所述步骤S3之后还包括：

请结合参阅图10。S4、锚固土体：对所述可变径前盾11与所述尾盾12之间区域的外围土层进行锚杆支护，并对外围土层进行冷冻或注浆加固。

具体的，在本实施例中，通过所述锚杆支护装置70与所述加固装置沿径向和斜向打锚杆500支护、注浆加固周围土体。

其中，需要说明的是，打所述锚杆500支护过程中，将所述锚杆500钻入深层土体，而浅层土体内不存在所述锚杆500，否则将影响下一步径向扩挖。从而通过此步骤后，能更好的保障后续的径向扩挖，更好的避免土层塌陷。

可以理解的是，当土层情况较差时，才需要对土层进行锚杆支护和冷冻或注浆加固。当土层情况稳定时，则可省略冷冻或注浆加固土层，或者直接省略所述锚固土体步骤。

请结合参阅图11。S5、径向扩挖：通过所述扩挖机构62伸出对所述可变径前盾11与所述尾盾12之间区域的外围土层进行扩挖，以形成扩挖空间400。

具体的，所述扩挖机构62在所述伸缩机构61的带动下，沿径向伸出，从而对所述可变径前盾11与所述尾盾12之间区域的外围土层进行扩挖。同时所述机械开挖装置60随着所述管片拼装系统50圆周方向回转，逐层开挖浅层土体，最终形成所述扩挖空间400。

优选的，所述步骤S5之后还包括：

请结合参阅图12和图13。S6、土层强化支护：在所述扩挖空间400中的土层壁体上安装所述临时支护300。

具体的，通过所述临时支护拼装装置或所述管片拼装系统50安装所述临时支护300，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，所述临时支护300为钢拱架支护。

优选的，所述步骤S6之后还包括：

S7、管片安装：在所述扩挖空间400处安装管片200，并将所述管片200与所述临时支护300连接。

具体的，安装新一环所述管片200，同时在所述临时支护300与所述管片200之间用加强筋600固定，提高整体结构强度与刚度，防止在掘进过程中所述管片200无法提供足够的推进反力。

S8、扩挖循环：重复步骤S3和S5，以将所述扩挖空间400延长至所需长度。

即所述扩挖机构62开挖形成一定长度的所述扩挖空间400后，所述可变径盾构机100继续向前掘进，让所述可变径前盾11与所述尾盾12之间间隔更远，露出更多的外围土层。同时所述扩挖机构62继续对更多的外围土层进行扩挖，以延长所述扩挖空间400的长度。

优选的，所述步骤S8、扩挖循环中通过循环S3至S7，以将所述扩挖空间400延长至所需长度。也就是说，本实施例中，是通过向前推进—锚固土体—径向开挖—土层强化支护—管片安装—向前推进逐步循环，直至所述扩挖空间400长度足够开展后续工作。通过此种方式，可以更好的防止在将所述扩挖空间400延长过程中发生坍塌。

其中，需要说明的是，所述扩挖空间400的轴向长度应大于所述13+所述大盾构尾盾14+所述可变径刀盘30的总长度，为后续所述可变径刀盘30扩径提供操作空间。

优选的，所述步骤S8之后还包括：

S9、管片拆除：将所述扩挖空间400处的所有安装的所述管片200全部拆除。

具体的，停止所述可变径盾构机100掘进，拆除所述扩挖空间200处所有的所述管片200和所述加强筋600。

请结合参阅图14。S10、拼装盾体套壳：在所述扩挖空间400内预安装盾体套壳13。

优选的，在步骤S10中安装完所述盾体套壳13时，同步在所述盾体套壳13后安装带有所述盾尾刷15的所述大盾构尾盾14。

具体的，所述步骤S10中在所述扩挖空间400内预安装盾体套壳13指的是，将所述盾体套壳13与所述临时支护300临时固定，从而防止后续步骤中所述盾体套壳13发生窜动。其中，临时固定的方式不限，如采用可拆卸式销轴等。

可以理解的是，预安装的所述盾体套壳13应与所述扩挖空间400左端留有一定间隙，从而可用于所述可变径刀盘30扩径。

请结合参阅图15。S11、盾构机回退：将所述可变径前盾11整体带动向后回退至所述扩挖空间400处，将所述可变径前盾11与所述盾体套壳13相连接。

其中，所述可变径前盾11等部件的整体向后回退，可采用卷扬机、隧道爬行车等任意方式实现回退动作。待所述可变径前盾11与所述盾体套壳13位置重合后，将两者相连接。具体连接形式可通过销轴、局部焊接、过度栓接环等任意形式。至此，所述盾体10完成扩径，同时拆除所述盾体套壳13与所述临时支护300之间的临时固定。

请结合参阅图16和图17。S12、刀盘扩径、传力环安装：在所述扩挖空间400处对所述可变径刀盘30进行扩径改造，并在所述推进装置40处安装传力环91，继续进行掘进。

具体的，在所述可变径刀盘30的基础上加装外圈的刀盘单元31，即可完成对所述可变径刀盘30的扩径。同时将所述推进装置40与所述传力环91相连接。

其中，需要说明的是，刀盘扩径可采用多种方式，如：通过超挖刀向外伸出实现扩径；采用分块式刀盘结构；或其他任意刀盘扩径结构。

所述传力环91可以采用两种结构形式：一种是分块设计，块与块之间存在导向滑槽，每块可跟随推进装置独立运动，并将所述推进装置40的力作用在大直径的所述管片200上；另一种是整体式结构，此种结构下，所述推进装置40将不再主动产生动作，而是通过所述接力油缸900将推力提供。

优选的，所述传力环91采用分块安装形式，便于运输与组装。

可以理解的是，在所述可变进盾构机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，大/小直径的所述管片200之间可以采用转换筋700过度、加强，同时在最后几环小直径的所述管片200外侧注浆形成加固区800，为大直径的所述管片200提供良好的承载基础。此时，所述尾盾刷14与大直径的所述管片200间形成密封，阻止周围泥水、沙石进入设备内部。至此，所述可变径盾构机100完成了刀盘、盾体、管片的转换过程，整个扩径转换完成。扩径后，所述可变径盾构机100可选用两种推进模式：第一种是通过所述推进装置40油缸伸出抵在所述传力环91上，所述传力环91与其同步运动，并将推力传递至所述管片200，从而将设备向前推进；第二种则是所述推进装置40与所述传力环91均相对所述盾体10静止，通过接力油缸900直接抵在所述管片200上，将设备向前推进。

可以理解的是，当在稳定性较差的地层，还可以采用冷冻加固方式或采用超前注浆加固方式提高地层稳定，保证开式变径施工过程的人员安全。

为了实现所述可变径盾构机100在洞内缩径，优选的，所述步骤S12之后还可包括：

请结合参阅图18。S13、刀盘、盾体缩径：将所述可变径刀盘外圈安装的刀盘单元拆除，并将可变径前盾11与所述盾体套壳13分离，同时将所述传力环91从所述推进装置40上拆除；

具体的，采用直接原位分离刀盘的外圈且无需更换新的刀盘单元结构，所述可变径刀盘30可以直接在当前位置完成缩径，所述可变径刀盘30可以直接从大刀盘外圈中间脱出。

所述盾体套壳13、所述可变径前盾11间的直接原位拆除，与所述步骤S11中将所述可变径前盾11与所述盾体套壳13相连接是相反的过程。将所述大盾构尾盾14直接断开，同所述步骤S2中拆除方式，割除或拆掉等手段。

当部件拆除完毕后，最后，将所述传力环91等结构全部拆解并运输走。

优选的，在所述步骤S13之前，组装的最后几环所述管片200宜采用钢管片结构，便于与后续装置做连接结构。

请结合参阅图19和图20。S14、安装尾盾：将所述尾盾12安装于所述可变径前盾11尾端。

优选的，所述步骤S14之后还包括：

S15、管片连接：将小直径管片与大直径管片通过转换筋连接。

当所述尾盾12安装完后，所述管片拼装系统50继续拼装几环小直径的所述管片200，大/小直径的所述管片200间用转换筋700相互连接，提高新安装的所述管片200结构稳定性，为所述可变径盾构机100继续掘进提高稳定的支撑反力。至此，所述可变径盾构机100在隧道内原位缩径改造完成。

缩径改造后，所述可变径盾构机100继续向前掘进，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。

其中，在刚刚缩径完成后，掘进时通过注浆填充所述大盾构尾盾14与小直径的所述管片200之间的间隙，形成加固区，从而提高新安装的所述管片200的稳定性，保证正常掘进。

需要说明的是，所述可变径盾构机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可变径盾构机100及可变径盾构机的洞内变径施工方法，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，实现一机多用，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。实现了施工隧道内原地扩径、缩径，并且扩径变化范围可根据刀盘、盾体套壳自由调整，适应区间大，可实现连续多次变径操作。同时无需设置工作井，即可完成转换，节约成本。

其中，需要说明的是，所述可变径盾构机的洞内变径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 (10)

1.一种可变径盾构机，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、机械开挖装置；

所述盾体包括可变径前盾及尾盾，所述尾盾连接于所述可变径前盾尾端；

所述主驱动设置于所述可变径前盾内部；

所述可变径刀盘设置于所述主驱动上，并位于所述可变径前盾前端；

所述推进装置设置于所述可变径前盾内部，以推动所述可变径前盾移动；

所述管片拼装系统设置于所述可变径前盾内部，以拼装管片；

所述机械开挖装置包括伸缩机构及扩挖机构；

所述伸缩机构设置于所述管片拼装系统上，且能随所述管片拼装系统平移、回转；

所述扩挖机构设置于所述伸缩机构上，且能在所述伸缩机构的带动下沿径向伸缩，以在所述尾盾与所述可变径前盾断开后，在所述尾盾与所述可变径前盾之间开挖土层形成扩挖空间；

所述盾体还包括盾体套壳，所述盾体套壳用以在所述可变径盾构机扩径时，安装于所述可变径前盾外周，以扩充所述盾体的直径。

2.根据权利要求1所述的可变径盾构机，其特征在于，所述机械开挖装置还包括防护机构，所述防护机构设置于所述伸缩机构上，并对应所述扩挖机构设置，以承接所述扩挖机构切削掉落的土体。

3.根据权利要求1所述的可变径盾构机，其特征在于，还包括锚杆支护装置、加固装置；

所述锚杆支护装置设置于所述管片拼装系统上，且能随所述管片拼装系统平移、回转，以支护土层；

所述加固装置设置于所述管片拼装系统上，且能随所述管片拼装系统平移、回转，以冷冻或注浆加固土层。

4.根据权利要求1所述的可变径盾构机，其特征在于，还包括临时支护拼装装置；

所述临时支护拼装装置设置于所述管片拼装系统上，且能随所述管片拼装系统平移、回转，以在所述扩挖机构开挖形成的所述扩挖空间处安装临时支护。

5.根据权利要求4所述的可变径盾构机，其特征在于，还包括盾体套壳拼装装置；

所述盾体套壳拼装装置设置于所述管片拼装系统上，且能随所述管片拼装系统平移、回转，以在所述临时支护上安装盾体套壳。

6.一种可变径盾构机的洞内变径施工方法，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：

S1、采用如权利要求1至5中任一项所述的可变径盾构机进行掘进；

S2、扩径准备：将所述尾盾与所述可变径前盾断开；

S3、继续掘进：通过所述推进装置将所述可变径前盾向前继续掘进推进，以使所述可变径前盾与所述尾盾之间区域的外围土层露出；

S5、径向扩挖：通过所述扩挖机构伸出对所述可变径前盾与所述尾盾之间区域的外围土层进行扩挖，以形成扩挖空间；

S8、扩挖循环：重复步骤S3和S5，以将所述扩挖空间延长至所需长度；

S10、拼装盾体套壳：在所述扩挖空间内预安装盾体套壳；

S11、盾构机回退：将所述可变径前盾整体带动向后回退至所述扩挖空间处，将所述可变径前盾与所述盾体套壳相连接；

S12、刀盘扩径、传力环安装：在所述扩挖空间处对所述可变径刀盘进行扩径改造，并在所述推进装置处安装传力环，继续进行掘进。

7.根据权利要求6所述的可变径盾构机的洞内变径施工方法，其特征在于，在所述步骤S3与所述步骤S5之间还包括：

S4、锚固土体：对所述可变径前盾与所述尾盾之间区域的外围土层进行锚杆支护，并对外围土层进行冷冻或注浆加固。

8.根据权利要求7所述的可变径盾构机的洞内变径施工方法，其特征在于，在所述步骤S5与所述步骤S8之间还包括：

S6、土层强化支护：在所述扩挖空间中的土层壁体上安装临时支护；

S7、管片安装：在所述扩挖空间处安装管片，并将所述管片与所述临时支护连接；

所述步骤S8、扩挖循环中通过循环S3至S7，以将所述扩挖空间延长至所需长度；

所述步骤S10之前还包括：

S9、管片拆除：将所述扩挖空间处的所有安装的所述管片全部拆除。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的可变径盾构机的洞内变径施工方法，其特征在于，所述步骤S12之后还包括：

S13、刀盘、盾体缩径：将所述可变径刀盘外圈安装的刀盘单元拆除，并将可变径前盾与所述盾体套壳分离，同时将所述传力环从所述推进装置上拆除；

S14、安装尾盾：将所述尾盾安装于所述可变径前盾尾端。

10.根据权利要求9所述的可变径盾构机的洞内变径施工方法，其特征在于，所述步骤S14之后还包括：

S15、管片连接：将小直径管片与大直径管片通过转换筋连接。

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