CN116291510A - 变径隧道施工方法、系统及盾构设备 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种变径隧道施工方法、系统和盾构设备，变径隧道施工方法包括：在盾构设备通过处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件和第一盾体完成第一直径隧道的掘进和支护后，在处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件上安装铣挖钻装置；使盾构设备通过铣挖钻装置、处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件和第一盾体沿预设掘进路径继续掘进和支护，以形成刀盘变径操作空间；在刀盘变径操作空间内，对处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件进行组装调整，以形成可变径刀盘组件的第二刀盘形态；使盾构设备通过所述可变径刀盘组件的第二刀盘形态和第一盾体沿预设掘进路径继续掘进和支护，以形成地下洞室。

Description

变径隧道施工方法、系统及盾构设备

技术领域

本公开涉及隧道施工领域，尤其涉及一种变径隧道施工方法、变径隧道施工系统及盾构设备。

背景技术

目前车站开挖一般采用矿山法人工/机械开挖(明挖/暗挖)，一些相关技术提出了通过变径隧道掘进机进行车站施工的思路，连续进行正线隧道和车站站厅的开挖。这种施工方案会占用较大的地面资源(道路/设施)，影响正常城市交通。同时，车站开挖一般与盾构法施工的正线隧道开挖不能连续进行，一定程度上制约了项目施工进程，影响施工效率。

在另一些相关技术中，通过变径隧道掘进机进行车站施工，这种施工方案缺乏技术成熟的变径隧道掘进机或缺乏适合的具体施工系统，因此往往存在着适用范围受限的缺陷。此外，一些硬岩复合地层地质复杂多变，容易造成盾构设备的刀盘损坏，且渣土容易落入盾体底部与开挖轮廓的大间隙中，造成清渣困难。

发明内容

有鉴于此，本公开实施例提供一种变径隧道施工方法、变径隧道施工系统及盾构设备，能够改善隧道施工的适用范围。

在本公开的一个方面，提供一种变径隧道施工方法，包括：

在盾构设备通过处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件和第一盾体完成第一直径隧道的掘进和支护后，在处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件上安装铣挖钻装置；

使盾构设备通过铣挖钻装置、处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件和第一盾体沿预设掘进路径继续掘进和支护，以形成刀盘变径操作空间；

在刀盘变径操作空间内，对处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件进行组装调整，以形成可变径刀盘组件的第二刀盘形态；

使盾构设备通过处于第二刀盘形态的可变径刀盘组件和第一盾体沿预设掘进路径继续掘进和支护，以形成地下洞室。

在一些实施例中，在处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件上安装铣挖钻装置的操作在使盾构设备沿预设掘进路径继续掘进和支护至换装位置后执行。

在一些实施例中，形成刀盘变径操作空间的操作具体包括：

使盾构设备通过铣挖钻装置在换装位置沿处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件的径向扩挖；

转动处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件，使铣挖钻装置在换装位置对应的横截面内以不同的扩挖角度多次扩挖，以形成环形扩挖空间。

在一些实施例中，形成刀盘变径操作空间的操作还包括：

盾构设备每掘进和支护第一距离，使铣挖钻装置扩挖出环形扩挖空间，直至多个环形扩挖空间组成刀盘变径操作空间。

在一些实施例中，可变径刀盘组件包括：

刀盘体；

多个固定梁，与刀盘体固定连接或一体制成；

多个伸缩梁，可滑动地设置在刀盘体上；

伸缩驱动机构，设置在刀盘体和伸缩梁之间，用于驱动伸缩梁相对于刀盘体沿径向外伸或缩回；和

第一刀具，安装在多个固定梁和多个伸缩梁上；

其中，对处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件进行组装调整的操作具体包括：

使伸缩驱动机构驱动伸缩梁伸出于刀盘体的周向外沿；

在伸缩梁和固定梁之间形成的刀具安装空间内安装第二刀具，以形成可变径刀盘组件的第二刀盘形态。

在一些实施例中，对处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件进行组装调整的操作还包括：

在可变径刀盘组件处于第二刀盘形态时，将环形固定装置与多个伸缩梁的伸出部分固定连接。

在一些实施例中，对处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件进行组装调整的操作还包括：

使盾构设备通过处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件和第一盾体沿预设掘进路径继续掘进和支护形成刀盘变径操作空间后，使盾构设备后退第二距离，对处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件进行组装调整。

在一些实施例中，盾构设备还具有土仓；其中，使盾构设备通过处于第二刀盘形态的可变径刀盘组件和第一盾体沿预设掘进路径继续掘进和支护的操作具体包括：

当盾构设备通过处于第二刀盘形态的可变径刀盘组件和第一盾体沿预设掘进路径继续掘进和支护至掌子面时，在第一盾体的底部设置弧形支撑工装；

其中，弧形支撑工装具有挡渣板，挡渣板设置在第一盾体临近土仓的一侧。

在一些实施例中，使盾构设备通过处于第二刀盘形态的可变径刀盘组件和第一盾体沿预设掘进路径继续掘进和支护的操作还包括：

调节弧形支撑工装的尺寸，以使弧形支撑工装的一侧与第一盾体的外周连接，弧形支撑工装的另一侧与地下洞室的壁面抵接。

在一些实施例中，使盾构设备通过处于第二刀盘形态的可变径刀盘组件和第一盾体沿预设掘进路径继续掘进和支护的操作具体包括：

在盾构设备通过处于第二刀盘形态的可变径刀盘组件和第一盾体沿预设掘进路径继续掘进和支护的过程中，在第一盾体的底部设置一个或多个移动支撑工装。

在一些实施例中，在第一盾体的底部设置一个或多个移动支撑工装的操作具体包括：

盾构设备每向前掘进第三距离，在第一盾体的底部设置一个移动支撑工装。

在本公开的另一方面，提供一种盾构设备，包括：

盾体组件；

可变径刀盘组件，可转动地设置在可变径盾体组件的前侧，能够形成用于掘进第一直径隧道的第一刀盘形态和掘进地下洞室的第二刀盘形态；和

铣挖钻装置，与处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件可分离地连接，被配置为沿处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件的径向扩挖。

在一些实施例中，可变径刀盘组件包括：

刀盘体；

多个固定梁，与刀盘体固定连接或一体制成；

多个伸缩梁，可滑动地设置在刀盘体上，并能够相对于刀盘体沿径向外伸或缩回；

第一刀具，安装在多个固定梁和多个伸缩梁上。

在一些实施例中，多个伸缩梁在可变径刀盘组件处于第一刀盘形态时缩回在刀盘体内，并在可变径刀盘组件处于第二刀盘形态时伸出于刀盘体的周向外沿，安装在伸缩梁上的部分第一刀具能够随伸缩梁同步伸出。

在一些实施例中，可变径刀盘组件还包括：

环形固定装置，在可变径刀盘组件处于第二刀盘形态时与多个伸缩梁的伸出部分固定连接。

在一些实施例中，铣挖钻装置包括：

扩挖组件，被配置为沿处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件的径向扩挖；

第二驱动机构，与扩挖组件连接，被配置为驱动扩挖组件沿可变径刀盘组件的径向伸缩；和

第一底座，设置在第二驱动机构的端部，并与处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件可分离地连接。

在一些实施例中，扩挖组件包括：

钻头；和

导杆，导杆的一侧与钻头连接，导杆的另一侧与第二驱动机构的输出端连接。

在一些实施例中，盾体组件具有：

第一盾体，被配置为支护第一直径隧道。

在一些实施例中，还包括：

土仓，设置在第一盾体和可变径刀盘的第一刀盘形态之间，被配置为容纳可变径刀盘组件后侧形成的渣土；

渣土输送设备，与土仓连接，被配置为将土仓内接收的渣土向盾构设备外输送。

在一些实施例中，还包括：

弧形支撑工装；

其中，弧形支撑工装具有挡渣板，挡渣板设置在第一盾体临近土仓的一侧。

在一些实施例中，弧形支撑工装还包括：

导向套，导向套与第一盾体的外周连接；

第二底座；

第三驱动机构，连接在导向套和第二底座之间，被配置为调整导向套与第二底座之间的相对距离，以使第二底座与地下洞室的壁面抵接。

在一些实施例中，还包括：

一个或多个移动支撑工装，移动支撑工装沿地下洞室的长度方向设置在地下洞室的底部，被配置为支撑地下洞室。

在本公开的又一方面，提供一种变径掘进施工系统，包括：

如上述任一的盾构设备；和

弧形支撑工装；

其中，弧形支撑工装具有挡渣板，挡渣板设置在盾构设备的土仓和渣土输送设备之间。

在一些实施例中，弧形支撑工装还包括：

导向套，导向套与第一盾体的外周连接；

第二底座；

第三驱动机构，连接在导向套和第二底座之间，被配置为调整导向套与第二底座之间的相对距离，以使第二底座与地下洞室的壁面抵接。

在一些实施例中，还包括：

一个或多个移动支撑工装，移动支撑工装沿地下洞室的长度方向设置在地下洞室的底部，被配置为支撑地下洞室。

因此，根据本公开实施例，通过设置铣挖钻装置沿隧道径向扩挖，在坚硬的复合地层中也能为刀盘扩挖出充足的变径空间，随后利用刀盘的形态变化在预设掘进路径上掘进出地下洞室，无需占用地面资源，使隧道施工过程具有更强的适应性和可靠性。

附图说明

构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。

参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：

图1A是根据本公开变径隧道施工方法的一些实施例的流程图；

图1B是根据本公开变径隧道施工方法的一些实施例的盾构设备在换装位置通过铣挖钻装置扩挖的示意图；

图2是根据本公开变径隧道施工方法的一些实施例的盾构设备在刀盘变径操作空间形成第二刀盘的示意图；

图3是根据本公开变径隧道施工方法的一些实施例的盾构设备在掌子面安装弧形支撑工装的示意图；

图4是根据本公开变径隧道施工方法的一些实施例的盾构设备在地下洞室安装移动支撑工装的示意图；

图5是根据本公开变径隧道施工方法的一些实施例沿预设掘进路径安装多个移动支撑工装的示意图；

图6是根据本公开变径隧道施工方法的一些实施例的地层加固示意图；

图7是图2中的B-B截面的结构示意图；

图8是根据本公开盾构设备的一些实施例的处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件的结构示意图；

图9是图1中的A-A截面的结构示意图；

图10是图3中的C-C截面的结构示意图；

图11是根据本公开盾构设备的一些实施例的铣挖钻装置的结构示意图；

图12是根据本公开盾构设备的一些实施例的弧形支撑工装的结构示意图。

图中：1、可变径刀盘组件；11、第一盾体；12、固定梁；13、环形固定装置；14、伸缩梁；15、刀盘体；2、铣挖钻装置；21钻头；22、导杆；23、第二驱动机构；24、第一底座；4、弧形支撑工装；41、挡渣板；42、第二底座；43、第三驱动机构；44、导向套；5、移动支撑工装；61、加固地层；62、未加固地层；7、土仓。

应当明白，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。此外，相同或类似的参考标号表示相同或类似的构件。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。本公开可以以许多不同的形式实现，不限于这里所述的实施例。提供这些实施例是为了使本公开透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本公开的范围。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、材料的组分、数字表达式和数值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。

本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

在本公开中，当描述到特定器件位于第一器件和第二器件之间时，在该特定器件与第一器件或第二器件之间可以存在居间器件，也可以不存在居间器件。当描述到特定器件连接其它器件时，该特定器件可以与所述其它器件直接连接而不具有居间器件，也可以不与所述其它器件直接连接而具有居间器件。

本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

相关技术中，不同直径隧道之间的隧道施工不能连续进行，且盾构设备在在一些复合地层中难以实现原地变径。此外，渣土输送机构无法将渣土顺利排出，容易堵塞盾体。

有鉴于此，在本公开实施例的一个方面，提供一种变径隧道施工方法，能够改善隧道施工的适用范围。

图1A是根据本公开变径隧道施工方法的一些实施例的流程图。

图1B是根据本公开变径隧道施工方法的一些实施例的盾构设备在换装位置通过铣挖钻装置2扩挖的示意图。图2是根据本公开变径隧道施工方法的一些实施例的盾构设备在刀盘变径操作空间形成第二刀盘的示意图。

参考图1A、图1B和图2，变径隧道施工方法包括：步骤S10至步骤S40。

在步骤S10中，在盾构设备通过处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件1和第一盾体11完成第一直径隧道的掘进和支护后，在处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件1上安装铣挖钻装置2。

在步骤S20中，使盾构设备通过铣挖钻装置2、处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件1和第一盾体11沿预设掘进路径继续掘进和支护，以形成刀盘变径操作空间。

盾构设备可通过铣挖钻装置2对较硬的地层实现原地扩挖，盾构设备通过处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件1和第一盾体11掘进和支护的过程中，可在盾构设备暂停沿预设掘进路径移动时使铣挖钻装置2进行径向扩挖出环形扩挖空间，以使多个环形扩挖空间最终组成供刀盘变径的空间。

在步骤S30中，在刀盘变径操作空间内，对处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件1进行组装调整，以形成第二刀盘形态。

在步骤S40中，使盾构设备通过处于第二刀盘形态的可变径刀盘组件1和第一盾体11沿预设掘进路径继续掘进和支护，以形成地下洞室。这里的刀盘变径操作空间与地下洞室包括但不限于为连续的操作空间。

可变径刀盘组件1的横截面形状包括但不限于圆形、椭圆形和矩形等，地下洞室的横截面形状包括但不限于圆形、椭圆形和矩形等，可根据施工所需的地下洞室形状在刀盘变径操作空间内对第一刀盘11的形状和/或直径进行调整，以形成满足要求的第二刀盘形态。

本实施例中，通过设置铣挖钻装置2沿隧道径向扩挖，在复杂多变的硬岩复合地层中也能为刀盘扩挖出充足的变径空间，随后使刀盘调整至第二形态以在预设掘进路径上掘进出地下洞室，无需占用地面资源，使隧道施工过程具有更强的适应性和可靠性。这样能够避免大量拆迁、市政审批等带来的不确定因素，使车站开挖与正线隧道开挖能够连续进行，大幅提高施工效率。

此外，本变径隧道施工方法也无需增设额外的吊装工作井、暗挖工作室等空间，可以减少对隧道周围环境的影响和破坏，有效提高隧道施工的适用范围及施工效率，节约公共资源。

参考图1，在一些实施例中，在处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件1上安装铣挖钻装置2的操作在使盾构设备沿预设掘进路径继续掘进和支护至换装位置后执行。铣挖钻装置2的数量包括但不限于一个或多个，可根据实际需要进行调整，铣挖钻装置2可移除地安装在第一刀盘11靠近第一盾体11的位置。

本实施例中，通过在处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件1上安装铣挖钻装置2，可由第一刀盘11的伸缩带动铣挖钻装置2沿径向伸出或缩回，实现更大尺寸的扩挖，能够有效避免复杂的地层损伤盾构设备的刀盘，保障盾构设备的使用寿命。铣挖钻装置2便于安装和移除，使刀盘的变径操作具有更高的便利性和可操控性。

参考图1，在一些实施例中，形成刀盘变径操作空间的操作具体包括：使盾构设备通过铣挖钻装置2在换装位置沿处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件1的径向扩挖；转动第一刀盘11，使铣挖钻装置2在换装位置对应的横截面内以不同的扩挖角度多次扩挖，以形成环形扩挖空间。换装位置包括但不限于与第一直径隧道的末端相隔一定距离，以便为盾构设备提供足够的空间安装铣挖钻装置2。

本实施例中，盾构设备移动至换装位置后，可割除盾构设备的切口环，通过盾构设备提前预留的物料输送通道将铣挖钻装置2由外部运输至土仓7内部，并将铣挖钻装置2安装在第一刀盘11背面的主梁上，利用驱动机构将铣挖钻装置2的钻头21向外伸出土仓7进行扩挖，沿一个角度完成扩挖后，可将铣挖钻装置2的钻头21缩回。使第一刀盘11转动，以带动铣挖钻装置2实现另一个角度的扩挖，如此重复作业，最终完成周向的扩挖，形成环形扩挖空间。

参考图1和图2，在一些实施例中，形成刀盘变径操作空间的操作还包括：盾构设备每掘进和支护第一距离，使铣挖钻装置2扩挖出环形扩挖空间，直至多个环形扩挖空间组成刀盘变径操作空间。第一距离包括但不限于处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件1沿预设掘进路径方向的宽度。

本实施例中，当铣挖钻装置2在一个位置完成环形扩挖空间的扩挖后，可使盾构设备沿预设掘进路径掘进和支护第一距离并暂停，铣挖钻装置2即可完成另一个环形扩挖空间的扩挖，如此重复作业，多个环形扩挖空间可组成供刀盘变径的操作空间。刀盘变径操作空间包括但不限于多个连续的环形扩挖空间。

图7是图2中的B-B截面的结构示意图。图8是根据本公开盾构设备的一些实施例的处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件1的结构示意图。参考图2、图7和图8，在一些实施例中，可变径刀盘组件1包括刀盘体15、多个固定梁12、多个伸缩梁14、伸缩驱动机构和第一刀具。多个固定梁12与所述刀盘体15固定连接或一体制成，多个伸缩梁14可滑动地设置在所述刀盘体15上，伸缩驱动机构设置在所述刀盘体15和所述伸缩梁14之间，用于驱动所述伸缩梁14相对于刀盘体15沿径向外伸或缩回，第一刀具安装在所述多个固定梁12和所述多个伸缩梁14上。多个伸缩梁14在所述可变径刀盘组件1处于第一刀盘形态时缩回在所述刀盘体15内，并在所述可变径刀盘组件1处于第二刀盘形态时伸出于所述刀盘体15的周向外沿。

对处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件1进行组装调整的操作具体包括：使伸缩驱动机构驱动所述伸缩梁14伸出于所述刀盘体15的周向外沿，在所述伸缩梁14和所述固定梁12之间形成的刀具安装空间内安装第二刀具，以形成第二刀盘形态。

本实施例通过伸缩梁14的伸出，可使安装在所述伸缩梁14上的部分刀具能够随所述伸缩梁14同步伸出，并在刀盘体15上形成刀盘安装空间以容纳第二刀具，从而形成第二刀盘。

参考2、图7和图8，在一些实施例中，对处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件1进行组装调整的操作还包括：在可变径刀盘组件1处于第二刀盘形态时，将环形固定装置13与多个伸缩梁14的伸出部分固定连接。本实施例中，通过设置环形固定装置13，可为处于第二刀盘形态的可变径刀盘组件1的外周提供稳定的支撑，以提高可变径刀盘组件1的稳定性和强度。

参考图2，在一些实施例中，对处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件1进行组装调整的操作还包括：使盾构设备通过处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件1和第一盾体11沿预设掘进路径继续掘进和支护形成刀盘变径操作空间后，使盾构设备后退第二距离，对处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件1进行组装调整，以形成第二刀盘形态。

本实施例中，为便于安装，可将盾构设备移动到刀盘变径操作空间的中部位置进行第二刀盘的安装和调整，刀盘变径操作空间的长度优选为2m，第二距离优选为1.5m。

图3是根据本公开变径隧道施工方法的一些实施例的盾构设备在掌子面安装弧形支撑工装4的示意图。参考图3，在一些实施例中，盾构设备还具有土仓7；其中，使盾构设备通过可变径刀盘组件1的第二刀盘和第一盾体11沿预设掘进路径继续掘进和支护的操作具体包括：当盾构设备通过处于第二刀盘形态的可变径刀盘组件1和第一盾体11沿预设掘进路径继续掘进和支护至掌子面时，在第一盾体11的底部设置弧形支撑工装4。其中，弧形支撑工装4具有挡渣板41，挡渣板41设置在第一盾体11临近土仓7的一侧。掌子面指刀盘变径操作空间远离第一直径隧道一端的端面。

本实施例中，通过在盾构设备的前盾底部下侧安装弧形支撑工装4，可将土仓7与盾体底部有效间隔开，防止渣土进入盾体底部，有效减轻了清渣工序，使隧道施工更高效便捷，实现高效出渣。

参考图3，在一些实施例中，使盾构设备通过处于第二刀盘形态的可变径刀盘组件1和第一盾体11沿预设掘进路径继续掘进和支护的操作还包括：调节弧形支撑工装4的尺寸，以使弧形支撑工装4的一侧与第一盾体11的外周连接，弧形支撑工装4的另一侧与地下洞室的壁面抵接。

本实施例中，通过设置弧形支撑工装4，还可为盾构设备提高可靠的支撑，防止开挖轮廓底部与盾体底部之间距离过大导致的盾构设备下沉的现象，始终对盾构设备的姿态实现灵活操控，使盾构设备滚转更精准。

图4是根据本公开变径隧道施工方法的一些实施例的盾构设备在地下洞室安装移动支撑工装5的示意图，参考图4，在一些实施例中，使盾构设备通过处于第二刀盘形态的可变径刀盘组件1和第一盾体11沿预设掘进路径继续掘进和支护的操作具体包括：在盾构设备通过处于第二刀盘形态的可变径刀盘组件1和第一盾体11沿预设掘进路径继续掘进和支护的过程中，在第一盾体11的底部设置一个或多个移动支撑工装5。

本实施例中，由于开挖轮廓底部与第一盾体112底部有一定距离，通过在第一盾体11的底部设置一个或多个移动支撑工装5进行支撑，可以有效避免掘进机下沉，姿态无法控制，主轴承偏载受力、主机滚转等一系列施工难点，使盾构设备的掘进和支护更稳定可靠。

图5是根据本公开变径隧道施工方法的一些实施例沿预设掘进路径安装多个移动支撑工装5的示意图，参考图5，在一些实施例中，在第一盾体11的底部设置一个或多个移动支撑工装5的操作具体包括：盾构设备每向前掘进第三距离，在第一盾体11的底部设置一个移动支撑工装5，从而为盾构设备的掘进和支护提供持续稳定的支撑。

图6是根据本公开变径隧道施工方法的一些实施例的地层加固示意图，图中的剖面区域为加固范围，参考图6，在一些实施例中，还包括：在盾构设备向换装位置掘进之前，通过盾构设备的水平及超前注浆系统，以提前超前注浆加固变径施工区域周围的地层，以提高隧道变径施工的安全性。变径施工区域包括但不限于从第一直径隧道的终点到地下洞室以及刀盘变径操作空间等。

在一些实施例中，还可以在可变径刀盘组件1的伸缩梁14上固定连接(例如焊接)刀盘刮渣板，使刀盘刮渣板随刀盘体15的转动实现单向或双向的旋转刮渣。

图9是图1中的A-A截面的结构示意图，参考图7、图8和图9，在本公开实施例的另一方面，提供一种盾构设备，包括但不限于为土压盾构设备、泥水盾构设备或者多模式盾构设备。盾构设备包括：可变径盾体组件、可变径刀盘组件1、铣挖钻装置2、管片拼装机、主驱动、弧形集料斗和刀盘刮渣板等，可变径刀盘组件1可转动地设置在可变径盾体组件的前侧，能够形成用于掘进所述第一直径隧道的第一刀盘形态和掘进地下洞室的第二刀盘形态。铣挖钻装置2与处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件1可分离地连接，被配置为沿处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件1的径向扩挖。

参考图7和图8，在一些实施例中，可变径刀盘组件1包括：刀盘体15、多个固定梁12、多个伸缩梁14、伸缩驱动机构和第一刀具。多个固定梁12与所述刀盘体15固定连接或一体制成，多个伸缩梁14可滑动地设置在所述刀盘体15上，伸缩驱动机构设置在所述刀盘体15和所述伸缩梁14之间，用于驱动所述伸缩梁14相对于刀盘体15沿径向外伸或缩回，第一刀具安装在所述多个固定梁12和所述多个伸缩梁14上。固定梁12和伸缩梁14沿径向设置在刀盘体15上，包括但不限于在刀盘体15上等角度间隔设置。

参考图7和图8，在一些实施例中，多个伸缩梁14在可变径刀盘组件1处于第一刀盘形态时缩回在刀盘体15内，并在可变径刀盘组件1处于第二刀盘形态时伸出于刀盘体15的周向外沿，以形成第二形态的刀盘，其中，安装在伸缩梁14上的部分第一刀具能够随伸缩梁14同步伸出。

参考图7，在一些实施例中，可变径刀盘组件1还包括：第二刀具，被配置为在可变径刀盘组件1处于第二刀盘形态时，安装在伸缩梁14和固定梁12之间形成的刀具安装空间内，以为地下洞室的挖掘提供充足的刀具。

参考图7，在一些实施例中，可变径刀盘组件1还包括：环形固定装置13，在可变径刀盘组件1处于第二刀盘形态时与多个伸缩梁14的伸出部分固定连接，以在第二刀盘形态的外周提供支撑，使第二刀盘形态更稳定可靠。

图11是根据本公开盾构设备的一些实施例的铣挖钻装置2的结构示意图，参考图11，在一些实施例中，铣挖钻装置2包括：扩挖组件、第二驱动机构23和第一底座24。扩挖组件被配置为沿第一刀盘11的径向扩挖，第二驱动机构23与扩挖组件连接，被配置为驱动扩挖组件沿刀盘组件的径向伸缩，第一底座24设置在第二驱动机构23的端部，并与第一刀盘11可分离地连接。铣挖钻装置2可随刀盘的转动而旋转至所处位置横截面内的不同角度进行大尺寸的无级扩挖，最终实现周向的整体扩挖，形成环形刀盘变径操作空间。

参考图11，在一些实施例中，扩挖组件包括：钻头21和导杆22，导杆22的一侧与钻头21连接，导杆22的另一侧与第二驱动机构23的输出端连接。第二驱动机构23包括但不限于液压油缸等活塞缸，活塞缸的活塞杆端部与导杆22固定连接，以驱动钻头21伸缩，对地层进行扩挖。钻头21可包括沿螺旋线间隔分布在钻头21本体上的多个刀具。

在一些实施例中，盾体组件具有：第一盾体11。第一盾体11被配置为支护第一直径隧道。

参考图3和图10，在一些实施例中，盾构设备还包括：土仓7和渣土输送设备。渣土输送设备包括但不限于采用螺旋机除渣的形式输送渣土。土仓7设置在第一盾体11和第一刀盘11之间，被配置为容纳形成刀盘变径操作空间和/或地下洞室的过程中可变径刀盘组件1后侧形成的渣土。渣土输送设备与土仓7连接，被配置为将土仓7内的渣土向盾构设备外输送。

图12是根据本公开盾构设备的一些实施例的弧形支撑工装4的结构示意图，参考图12，在一些实施例中，盾构设备还包括弧形支撑工装4，弧形支撑工装4具有挡渣板41，挡渣板41设置在第一盾体11临近土仓7的一侧。弧形支撑工装4用于将土仓7与盾体底部间隙隔开，避免渣土进入盾体底部与开挖轮廓的大间隙中而带来清渣困难。

参考图12，在一些实施例中，弧形支撑工装4还包括：导向套44、第二底座42和第三驱动机构43。导向套44与第一盾体11的外周连接，第三驱动机构43连接在导向套44和第二底座42之间，被配置为调整导向套44与第二底座42之间的相对距离，以使第二底座42与地下洞室的壁面抵接。第三驱动机构43包括但不限于油缸。

第三驱动机构43布置在第二底座42内部，第三驱动机构43将导向套44顶紧至盾体外壳上后焊接导向套44与第二底座42，以保证弧形支撑工装4与开挖轮廓底面紧密接触，以支撑第一盾体11，避免第一盾体11整体下沉，便于控制盾构设备的姿态。

盾构设备在刀盘原地扩挖前进过程中，开挖轮廓底部与盾体底部之间产生较大距离，将引起主机整体下沉、姿态无法控制、出渣困难、主机滚转等一系列问题，最终导致盾构设备无法继续掘进。通过盾体内部预留运输通道可实现弧形支撑工装4的快速转运安装，弧形支撑工装4能够实现在大尺寸扩挖过程中支撑盾构设备底部，使盾构设备能够实现持续稳定的移动。

参考图4和图5，在一些实施例中，盾构设备还包括一个或多个移动支撑工装5，移动支撑工装5沿地下洞室的长度方向设置在地下洞室的底部，被配置为支撑地下洞室。通过盾体内部预留运输通道可实现移动支撑工装5的快速转运安装，移动支撑工装5能够实现在大尺寸扩挖过程中支撑盾构设备底部，可以填补掘进过程中的底部开挖间隙，辅助支撑第一盾体11，使盾构设备能够实现持续稳定的移动。

在本公开实施例的又一方面，提供一种变径掘进施工系统，包括：如上述任一的盾构设备，和弧形支撑工装4；其中，弧形支撑工装4具有挡渣板41，挡渣板41设置在盾构设备的土仓7和渣土输送设备之间。

在一些实施例中，弧形支撑工装4还包括：导向套44、第二底座42和第三驱动机构43。导向套44与第一盾体11的外周连接，第三驱动机构43，连接在导向套44和第二底座42之间，被配置为调整导向套44与第二底座42之间的相对距离，以使第二底座42与地下洞室的壁面抵接。

在一些实施例中，变径掘进施工系统还包括：一个或多个移动支撑工装5，移动支撑工装5沿地下洞室的长度方向设置在地下洞室的底部，被配置为支撑地下洞室。

至此，已经详细描述了本公开的各实施例。为了避免遮蔽本公开的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。

虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本公开的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改或者对部分技术特征进行等同替换。本公开的范围由所附权利要求来限定。

Claims (25)

1.一种变径隧道施工方法，其特征在于，包括：

在盾构设备通过处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件(1)和第一盾体(11)完成第一直径隧道的掘进和支护后，在所述处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件(1)上安装铣挖钻装置(2)；

使所述盾构设备通过所述铣挖钻装置(2)、处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件(1)和第一盾体(11)沿预设掘进路径继续掘进和支护，以形成刀盘变径操作空间；

在所述刀盘变径操作空间内，对所述处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件(1)进行组装调整，以形成可变径刀盘组件(1)的第二刀盘形态；

使所述盾构设备通过处于第二刀盘形态的可变径刀盘组件(1)和第一盾体(11)沿预设掘进路径继续掘进和支护，以形成地下洞室。

2.如权利要求1所述的变径隧道施工方法，其特征在于，所述在处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件(1)上安装铣挖钻装置(2)的操作在所述盾构设备沿预设掘进路径继续掘进和支护至换装位置后执行。

3.如权利要求1所述的变径隧道施工方法，其特征在于，形成刀盘变径操作空间的操作具体包括：

使所述盾构设备通过所述铣挖钻装置(2)在所述换装位置沿所述处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件(1)的径向扩挖；

转动所述处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件(1)，使所述铣挖钻装置(2)在换装位置对应的横截面内以不同的扩挖角度多次扩挖，以形成环形扩挖空间。

4.如权利要求3所述的变径隧道施工方法，其特征在于，形成刀盘变径操作空间的操作还包括：

所述盾构设备每掘进和支护第一距离，使所述铣挖钻装置(2)扩挖出环形扩挖空间，直至多个所述环形扩挖空间组成所述刀盘变径操作空间。

5.如权利要求1所述的变径隧道施工方法，其特征在于，可变径刀盘组件(1)包括：

刀盘体(15)；

多个固定梁(12)，与所述刀盘体(15)固定连接或一体制成；

多个伸缩梁(14)，可滑动地设置在所述刀盘体(15)上，且能够相对于刀盘体(15)沿径向外伸或缩回；和

第一刀具，安装在所述多个固定梁(12)和所述多个伸缩梁(14)上；

其中，对所述处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件(1)进行组装调整的操作具体包括：

使伸缩驱动机构驱动所述伸缩梁(14)伸出于所述刀盘体(15)的周向外沿；

在所述伸缩梁(14)和所述固定梁(12)之间形成的刀具安装空间内安装第二刀具，以使所述可变径刀盘组件(1)形成第二刀盘形态。

6.如权利要求5所述的变径隧道施工方法，其特征在于，对所述处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件(1)进行组装调整的操作还包括：

在所述可变径刀盘组件(1)处于第二刀盘形态时，将环形固定装置(13)与所述多个伸缩梁(14)的伸出部分固定连接。

7.如权利要求1所述的变径隧道施工方法，其特征在于，对所述处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件(1)进行组装调整的操作还包括：

使所述盾构设备通过所述处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件(1)和所述第一盾体(11)沿预设掘进路径继续掘进和支护形成所述刀盘变径操作空间后，使所述盾构设备后退第二距离，对所述处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件(1)进行组装调整。

8.如权利要求1所述的变径隧道施工方法，其特征在于，所述盾构设备还具有土仓(7)；其中，使所述盾构设备通过所述处于第二刀盘形态的可变径刀盘组件(1)和所述第一盾体(11)沿预设掘进路径继续掘进和支护的操作具体包括：

当所述盾构设备通过所述处于第二刀盘形态的可变径刀盘组件(1)和所述第一盾体(11)沿预设掘进路径继续掘进和支护至掌子面时，在所述第一盾体(11)的底部设置弧形支撑工装(4)；

其中，所述弧形支撑工装(4)具有挡渣板(41)，所述挡渣板(41)设置在所述第一盾体(11)临近土仓(7)的一侧。

9.如权利要求8所述的变径隧道施工方法，其特征在于，使所述盾构设备通过所述处于第二刀盘形态的可变径刀盘组件(1)和所述第一盾体(11)沿预设掘进路径继续掘进和支护的操作还包括：

调节所述弧形支撑工装(4)的尺寸，以使所述弧形支撑工装(4)的一侧与所述第一盾体(11)的外周连接，所述弧形支撑工装(4)的另一侧与所述地下洞室的壁面抵接。

10.如权利要求1所述的变径隧道施工方法，其特征在于，使所述盾构设备通过所述处于第二刀盘形态的可变径刀盘组件(1)和所述第一盾体(11)沿预设掘进路径继续掘进和支护的操作具体包括：

在所述盾构设备通过所述处于第二刀盘形态的可变径刀盘组件(1)的和所述第一盾体(11)沿预设掘进路径继续掘进和支护的过程中，在所述第一盾体(11)的底部设置一个或多个移动支撑工装(5)。

11.如权利要求10所述的变径隧道施工方法，其特征在于，在所述第一盾体(11)的底部设置一个或多个移动支撑工装(5)的操作具体包括：

所述盾构设备每向前掘进第三距离，在所述第一盾体(11)的底部设置一个所述移动支撑工装(5)。

12.一种盾构设备，其特征在于，包括：

可变径盾体组件；

可变径刀盘组件(1)，可转动地设置在所述可变径盾体组件的前侧，能够形成用于掘进第一直径隧道的第一刀盘形态和掘进地下洞室的第二刀盘形态；和

铣挖钻装置(2)，与所述处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件(1)可分离地连接，被配置为沿所述处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件(1)的径向扩挖。

13.如权利要求12所述的盾构设备，其特征在于，所述可变径刀盘组件(1)包括：

刀盘体(15)；

多个固定梁(12)，与所述刀盘体(15)固定连接或一体制成；

多个伸缩梁(14)，可滑动地设置在所述刀盘体(15)上，且能够相对于刀盘体(15)沿径向外伸或缩回；

第一刀具，安装在所述多个固定梁(12)和所述多个伸缩梁(14)上。

14.如权利要求13所述的盾构设备，其特征在于，所述多个伸缩梁(14)在所述可变径刀盘组件(1)处于第一刀盘形态时缩回在所述刀盘体(15)内，并在所述可变径刀盘组件(1)处于第二刀盘形态时伸出于所述刀盘体(15)的周向外沿，其中，安装在所述伸缩梁(14)上的部分所述第一刀具能够随所述伸缩梁(14)同步伸出。

15.如权利要求13所述的盾构设备，其特征在于，所述可变径刀盘组件(1)还包括：

环形固定装置(13)，在所述可变径刀盘组件(1)处于第二刀盘形态时与所述多个伸缩梁(14)的伸出部分固定连接。

16.如权利要求12所述的盾构设备，其特征在于，所述铣挖钻装置(2)包括：

扩挖组件，被配置为沿所述处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件(1)的径向扩挖；

第二驱动机构(23)，与所述扩挖组件连接，被配置为驱动所述扩挖组件沿所述可变径刀盘组件(1)的径向伸缩；和

第一底座(24)，设置在所述第二驱动机构(23)的端部，并与所述处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件(1)可分离地连接。

17.如权利要求16所述的盾构设备，其特征在于，所述扩挖组件包括：

钻头(21)；和

导杆(22)，所述导杆(22)的一侧与所述钻头(21)连接，所述导杆(22)的另一侧与所述第二驱动机构(23)的输出端连接。

18.如权利要求12所述的盾构设备，其特征在于，所述可变径盾体组件具有：

第一盾体(11)，被配置为支护第一直径隧道。

19.如权利要求12所述的盾构设备，其特征在于，还包括：

土仓(7)，设置在所述第一盾体(11)和所述处于第一刀盘形态的可变径刀盘组件(1)之间，被配置为容纳所述可变径刀盘组件(1)后侧形成的渣土；

渣土输送设备，与所述土仓(7)连接，被配置为将所述土仓(7)内接收的渣土向所述盾构设备外输送。

20.如权利要求19所述的盾构设备，其特征在于，还包括：

弧形支撑工装(4)；

其中，所述弧形支撑工装(4)具有挡渣板(41)，所述挡渣板(41)设置在所述第一盾体(11)临近所述土仓(7)的一侧。

21.如权利要求20所述的盾构设备，其特征在于，所述弧形支撑工装(4)还包括：

导向套(44)，所述导向套(44)与所述第一盾体(11)的外周连接；

第二底座(42)；

第三驱动机构(43)，连接在所述导向套(44)和所述第二底座(42)之间，被配置为调整所述导向套(44)与所述第二底座(42)之间的相对距离，以使所述第二底座(42)与所述地下洞室的壁面抵接。

22.如权利要求12所述的盾构设备，其特征在于，还包括：

一个或多个移动支撑工装(5)，所述移动支撑工装(5)沿所述地下洞室的长度方向设置在所述地下洞室的底部，被配置为支撑所述地下洞室。

23.一种变径掘进施工系统，其特征在于，包括：

如上述权利要求12～19任一所述的盾构设备；和

弧形支撑工装(4)；

其中，所述弧形支撑工装(4)具有挡渣板(41)，所述挡渣板(41)设置在所述盾构设备的土仓(7)和渣土输送设备之间。

24.如权利要求23所述的变径掘进施工系统，其特征在于，所述弧形支撑工装(4)还包括：

导向套(44)，所述导向套(44)与所述第一盾体(11)的外周连接；

第二底座(42)；

第三驱动机构(43)，连接在所述导向套(44)和所述第二底座(42)之间，被配置为调整所述导向套(44)与所述第二底座(42)之间的相对距离，以使所述第二底座(42)与所述地下洞室的壁面抵接。

25.如权利要求24所述的变径掘进施工系统，其特征在于，还包括：

一个或多个移动支撑工装(5)，所述移动支撑工装(5)沿所述地下洞室的长度方向设置在所述地下洞室的底部，被配置为支撑所述地下洞室。

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