CN116792106A - 一种旋臂式异型截面盾构机刀盘 - Google Patents

Abstract

一种旋臂式异型截面盾构机刀盘，属机械领域。基本结构包括：滑轨、刀盘座、刀盘主轴、刀盘座导轨、刀具；刀盘座为多边形的，就是3‑10条位于刀盘座边缘的导轨围成多边形，或放射状的多边形的各边,边缘的各导轨与各滑轨构成了放射状多边形形状，对于刀盘座上只有1‑2条导轨的情况下的特定构造为：只有1条导轨时，就将导轨及滑轨安装在刀盘座过刀盘轴心的直线方向上，有2条导轨时则安装在刀盘座过刀盘轴心直线2侧的平行直线方向上，切刀选择性带有公转轴的切刀座；各滑轨上铲刀的安装位置关系就是相互彼此错位安装；岩石类的隧道挖掘选择性使用动力刀具。

Description

一种旋臂式异型截面盾构机刀盘

[技术领域]

本发明属机械技术领域；确切的讲，是一种异型截面盾构的刀盘构造，可挖掘复圆及其它非圆界面形状的隧道的旋转滑轨的刀盘。

[背景技术]

盾构机是一种隧道掘进的专用工程机械，已有近180年的历史，始于英国，发展于日本、德国。具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等多门学科技术，已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程。

盾构机的基本构造就是一个柱体的钢制组件沿隧洞轴线边向前推进边使用刀盘对土壤进行挖掘。该柱体组件的壳体即护盾部分，对刚刚挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时支撑的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面；就是挖掘、排土、衬砌等作业是在护盾的掩护下进行；在护盾的前方，旋转切削刀盘开挖，刀盘的大小，最大的可以填满整个截面，大刀盘可分为刀架间无封板及有封板两种，封板是用来阻挡切削下来的泥沙，无封板适用于土质较好的条件。尽管使用大刀盘的盾构，机械构造复杂，消耗动力较大，但由于其效率很高，使得目前国内外较先进的泥水加压盾构、土压平衡盾构，均采用这种开挖方式。近30年来，通过对土压平衡式、泥水式盾构机中的关键技术，如盾构机的有效密封，确保开挖面的稳定、控制地表隆起及塌陷在规定范围之内，刀具的使用寿命以及更换，对恶劣地质条件处理等方面的解决，有了很快的发展。据统计，目前国外盾构机的主要制造厂有18家，集中在日本和欧美，如日本的三菱重工、川崎重工、小松制作所、日立造船、石川岛播磨重工，德国的海瑞克公司、维尔特公司，美国的罗宾斯公司，加拿大的罗法特公司等。生产出不同直径、不同类型的盾构机，以满足用户的需要。

主要国际设备厂家包括：

日本三菱一共制造了1608台盾构机，其中包括土压平衡、泥水平衡、双圆、三圆、MMST等各种类型，数量和种类居国际之首。包括为上海延安东路第二条过江隧道工程生产泥水加压式盾构机，为东京湾海底隧道生产了直径14.14m的泥水加压式盾构机等。

成立于1921年的日本小松制作所(株式会社)是跨行业领域的跨国集团公司，始终处于世界领先地位，其隧道工程机械包括盾构机、岩石掘进机和顶管机。在地下施工机械方面，已生产出1200多台软岩和硬岩挖掘机，如东京市神田川地下调蓄工程用的直径为13.94m的盾构机，东京湾海底隧道14.14m直径的盾构机，英法海峡隧道开挖用的盾构机，以及上海地铁隧道用的盾构机等。

德国南部的海瑞克公司；生产和组装面积已增长到59,900m2，拥有现代化的生产厂房和办公设施。

美国罗宾斯公司是一家从事地下挖掘设备的设计,制造,销售和租赁等业务的公司，专门生产各种挖掘材料,包括提供与传统的“钻孔爆破”方法完全不同的在坚硬的岩层进行机械作业的方法。

加拿大罗法特公司成立于1972年，在传统的盾构机设计上处于世界领先地位。产品广泛应用服务于地铁、铁路、公路、暗渠、市政、电信等隧道建设，擅长于风化岩石、混合土质、软土、土压平衡式和泥水式盾构机的制造，开挖盾构直径从0.75米到17米。LOVAT盾构机具有高精技术和更可靠的施工安全性及质量特点。除此之外，LOVAT是唯一能提供从盾构机的全面设计、制造、检测和试验的公司。

德国维尔特公司1895年建立，自1916年以来生产钻机和泵，1965年以来生产全断面隧道掘进机(TBMs)。大约90％的产品出口，产品行销超过60个国家和地区。NFM技术公司是一家法国的实业公司，于2001年11月1日加入德国维尔特公司，专门开发和制造工业设备和特殊用途设备(比如，全断面隧道掘进机)，处理和举升设备等高性能设备。

盾构机基本分类为：手掘式盾构，挤压式盾构，半机械式盾构(局部气压、全局气压)，机械式盾构(开胸式切削盾构，气压式盾构，泥水加压盾构，土压平衡盾构，混合型盾构，异型盾构)。

多数盾构机的组成包括盾体、刀盘、管片拼装机、排土机构、后配套设备、电气设备:

盾体:盾体主要包括前盾、中盾和尾盾三部分管状简体，前盾和承压隔板用来支撑刀盘并使泥土仓工作空间隔离。中盾内侧的30个推进油缸可以提供给盾构机向前的掘进力。尾盾通过14个被动跟随的铰接油缸和中盾相连。这种铰接连接可以使盾构机易于转向。

刀盘：刀盘是直径最大的部分，可根据被切削土质的软硬而选择安装硬岩刀具或软土刀具，而且刀盘的外侧装有油缸驱动径向伸缩的超挖刀而扩大开挖直径，来实现盾构机的转向。刀盘使用柱塞液压马达驱动。

双室气闸：包括前室和主室两部分，工作人员甲先从前室进入主室，渐变气压而达到压力平衡的缓冲。而泥水式盾构机是通过加压泥水或泥浆(通常为膨润土悬浮液)来稳定开挖面，其刀盘后面有一个密封隔板，与开挖面之间形成泥水室，里面充满了泥浆，开挖土料与泥浆混合由泥浆泵输送到洞外分离厂，经分离后泥浆重复使用。土压平衡式盾构机是把土料(必要时添加泡沫等对土壤进行改良)作为稳定开挖面的介质，刀盘后隔板与开挖面之间形成泥土室，刀盘旋转开挖使泥土料增加，再由螺旋输料器旋转将土料运出，泥土室内土压可由刀盘旋转开挖速度和螺旋输出料器出土量(旋转速度)进行调节。根据盾构机不同的分类，盾构开挖方法可分为：敞开式、机械切削式、网格式和挤压式等。为了减少盾构施工对地层的扰动，可先借助千斤顶驱动盾构使其切口贯入土层，然后在切口内进行土体开挖与运输。

管片拼装机：管片拼装机由拼装机大梁、支撑架、旋转架和拼装头组成。对挖掘的隧道壁装片，而且管环之间及管环的管片之间都装有密封，用以防水。管片之间及管环之间都由高强度的螺栓连接。

排土机构：盾构机的排土机构主要包括螺旋输送机和皮带输送机。碴土由螺旋输送机从泥土仓中运输到皮带输送机上，皮带输送机再将碴土向后运输落入等候的碴土车的土箱中，由电瓶车牵引沿轨道运至竖井吊至地面。

后配套设备：后配套设备主要由以下几部分组成：管片运输设备、四节后配套台车及其上面安装的盾构机操作所需的操作室、电气部件、液压部件、注浆设备、泡沫设备、膨润土设备、循环水设备及通风设备、注浆装置、泡沫装置等。

电气设备：盾构机电气设备包括电缆卷筒、主供电电缆、变压器、配电柜、动力电缆、控制电缆、控制系统、操作控制台、现场控制台、螺旋输送机后部出土口监视器、电机、插座、照明、接地等。

盾构机的掘进:液压马达驱动刀盘旋转，同时开启盾构机推进油缸，将盾构机向前推进，随着推进油缸的向前推进，刀盘持续旋转，被切削下来的碴土充满泥土仓，此时开动螺旋输送机将切削下来的渣土排送到皮带输送机上，后由皮带输送机运输至渣土车的土箱中，再通过竖井运至地面。掘进中控制排土量与排土速度:当泥土仓和螺旋输送机中的碴土积累到一定数量时，开挖面被切下的渣土经刀槽进入泥土仓的阻力增大，当泥土仓的土压与开挖面的土压力和地下水的水压力相平衡时，开挖面就能保持稳定，开挖面对应的地面部分也不致坍坍或隆起，这时只要保持从螺旋输送机和泥土仓中输送出去的渣土量与切削下来的流人泥土仓中的渣土量相平衡时，开挖工作就能顺利进行。管片拼装:盾构机掘进一环的距离后，拼装机操作手操作拼装机拼装单层衬砌管片，使隧道—次成型。

特别强调：盾构机截面形状的分类包括：圆型截面、异型截面；而异型截面盾构可分为：复圆盾构(多圆盾构)、非圆盾构；复圆盾构可分为双圆盾构和三圆盾构；非圆盾构可分为椭圆形盾构、、马蹄形盾构、半圆形盾构。

异型截面盾构机案例：

2017年中铁装备联合中铁四局、中铁三院、中铁六院，历时9个月共同研制了世界首台马蹄形盾构机(更接近于椭圆形)，刀盘高10.95米、宽11.9米，盾体采用梭式结构，双螺旋输送机出土，也是世界最大直径的异形掘进机。刀盘采用9个小刀盘共同组成一个马蹄形断面的创新组合方式，可进行全断面切削；刀盘布置采用“前后错开，左右对称”的原则，9个刀盘既可同时转动，也可单个转动、任意组合转动、不同方向转动，有调试、掘进、维保3种模式可供选择；当盾构机发生滚转时，可通过多个刀盘同向转动使盾构获得反方向的扭矩，以达到滚转纠偏的目的；首次运用于蒙华铁路白城隧道的世界首台大断面马蹄形盾构“蒙华号”累计掘进突破1000米大关。

矩形盾构机：与上述马蹄形盾构机刀盘采用多个小刀盘分布组合构成多边形外形不同，多边形围套内部有一个由万向机械臂驱动的刀具，来挖掘多边形围套前面的泥土，形成一段内空；多边形围套填补前面的那段内空而前行，万向机械臂再次驱动刀具挖掘多边形围套前面的泥土，又形成一段新的内空，循环往复，直至整个隧道挖掘完毕；

[发明内容]

本发明的目的在于解决已有技术的不足之处，以经济而高效的技术路线，解决异型截面隧道的盾构机的挖掘，设计出最为合理的刀盘，

本发明的特点：简单适用，提高整体的挖掘速度。

发明内容：

本发明刀盘适合用于异型截面盾构机，基本结构包括：旋臂刀盘，该刀盘包括：滑轨、刀盘座；异型护盾、刀盘主轴支架、驱动刀盘的电机或液压马达、刀盘进刀液压缸或电机、运土(渣)设备等；

旋臂刀盘的基本工作原理：刀盘轴带动刀盘座转动，而刀盘座上的刀盘座导轨约束着滑轨进行直线位移，滑轨的位移是由液压缸、电机设备提供动力，各类刀具被安装在滑轨上，控制滑轨在各个角度之下的位移数值，相当于改变了工作半径，就能挖掘出非圆隧道的形状；

本发明刀盘的构造包括：多边形刀盘座的边缘与各滑轨构成了放射状多边形形状，3-10条导轨围成放射状的多边形的边,所谓放射状是指：滑轨构成了多边形的边长且向外延伸；每个导轨都约束安装在其上的滑轨及做直线往复运动，且在各滑轨上安装刀具；在刀盘座的滑轨盲区中安装盲区刀盘，来清除隧道中心部盲区泥土构造；

当只有1-2条导轨的情况下就无法围成放射状的多边形,1条导轨就安装在刀盘座过刀盘轴心的直线方向上，滑轨的往复运动不存在挖掘盲区；2条导轨就平行的安装在刀盘座过刀盘轴心直线2侧的平行直线方向上，2条滑轨的往复运动存在少量挖掘盲区；刀盘轴是安装在刀盘座中心部位的垂直轴，带动整个刀盘转动；

各滑轨在各条导轨的往复位移是通过电机或液压、气压马达驱动的，齿轮、齿条构造；皮带、带轮构造；液压或气压驱动构造来完成；或是非圆环形滑道(通过将滑轨伸出的刚性连接的拨动柱体，深入到非圆环形滑道内，而非圆环形滑道的形状与隧道截面的周边形状是类似而缩小的形状，满足极坐标下的非圆环形滑道与隧道截面的周边轨迹的极坐标矢量长度的变化率相同)约束来完成；

对于泥土类的挖掘情况，切刀是选择使用的部件之一，由于除了上述只有1条导轨设置在刀盘座过的情况下，滑轨都不在刀盘轴轴心的射线方向上，切刀的滚动方向将不是固定的，就需要使用带有切刀公转轴的切刀座来安装切刀，切刀公转轴使得切刀顺向刀盘转动圆周的切线方向；铲刀的铲动方向均为瞬间刀盘座的转动及滑轨平动的合成方向；

对于泥土类的挖掘情况，各滑轨上铲刀的安装位置关系就是相互彼此(沿着回转的半径方向)错位安装，各滑轨上铲刀的叠加工作后会覆盖所有隧道截面；

对于岩石类的隧道挖掘，除了使用切刀及铲刀外，也选择性的包括使用动力刀具，诸如：动力切刀、冲击钻；一起安装在滑轨上；

本发明的技术进步在于：无需要径向伸缩的超挖刀而扩大开挖直径，来实现盾构机的转向；最为简洁有效的方法来挖掘异型截面的隧道，效率高及通用性好。

[图示说明]

下面结合一个较佳实施例对本发明作进一步所说明；[图1]旋臂式异型截面盾构机基本结构状态示意图。[图2]旋臂式异型截面盾构机刀盘结构视图。

[图3]旋臂式异型截面盾构机刀盘正面结构示意图。[图4]旋臂式异型截面盾构机刀盘背面结构示意图。[图5]刀盘滑轨铲刀安装位置示意图。

[图6]放射状多边形轨道及盲区示意图

[图7]非圆环形滑道约束的刀盘构造示意图

标号说明：

(1)泥土类旋臂刀盘

(1-1)铲刀

(1-2)切刀

(1-3)切刀座

(1-4)切刀切刀公转轴

(1-5)滑轨1

(1-6)滑轨2

(1-7)刀盘座导轨

(1-9)齿条

(1-10)齿轮

(1-11)滑轨电机

(1-12)刀盘轴

(1-13)切刀自转轴

(1-14)切刀公转轴

(1-15)滑轨滑槽

(1-16)刀盘座

(1-19)轴心

(1-20)滑轨

(2)刀盘主轴支架

(3)刀盘主轴电机

(4)刀盘进刀液压缸

(5)马蹄形护盾

(6)护盾支撑构件

(7)滑轨盲区

(8)滑轨运动方向1

(9)滑轨运动方向2

(10)刀盘转动方向

(11)隧道形状

(12)刀盘后视图

(13)刀盘前视图

(14)刀盘运动轨迹

(15)铲刀位置1

(16)铲刀位置2

(17)完工隧道部分

(18)前盾前沿

(19)刀盘轴线

(20)非圆环形滑道

(21)环形滑道截面图

(22)滑槽

(23)滑柱

[实施案例]

如[图1]所示：

旋臂式异型截面盾构机基本结构包括：(泥土类)旋臂刀盘(1)：刀盘包括：滑轨2(1-6)、齿轮(1-10)、刀盘座(1-16)；马蹄形护盾(5)的盾面与正在挖掘的隧道的挖掘墙壁相接触并支撑，同时通过连接刀盘主轴支架(2)兼护盾支撑构件来支撑刀盘主轴电机(3)或主轴，旋臂刀盘(1)的掘进是沿着刀盘轴线(19)的方向进性，挖掘的轴向推进力是通过刀盘进刀液压缸(4)的活塞抵触在完工隧道部分(17)上所安装的隧道砌块上，来推动前盾前沿(18)及旋转的旋臂刀盘(1)同时前进(掘进)；当然，还需要其他的配套设备，诸如：运土设备、压力密封及砌块安装的管片拼装机、排土机构、后配套设备、电气设备设等；未在图中画出。

图中下部的Q表示摘掉刀盘的马蹄形护盾(5)及电机(3)或主轴的状态示意图，电机的主轴与旋臂刀盘(1)的刀盘轴相连接。

如[图2]、[图3]、[图4]、[图5]所示：

主要是观察[图2]所表达的旋臂式异型截面盾构机刀盘结构视图，图中的H、I、J分为刀盘的正面视图、背面视图及俯视图：在正面视图H，即刀盘前视图(13)中,可以看出：刀盘座(1-16)承载着滑轨1(1-5)及滑轨2(1-6)，并以安装在其上的齿轮通过固定在刀盘座(1-16)上的齿条(1-9)来牵引各自的滑轨运动；刀盘运动轨迹(14)是一个以轴心(1-19)瞬间转动的圆周，切刀(1-2)将按着切割时自身的拖拽力矩，将会改变切刀自转轴的方向；从图4中看出，切刀自转轴(1-13)与切刀公转轴(1-14)配合，使切刀座(1-3)能饶着切刀公转轴(1-4)转向，使得切刀的切割方向朝向刀盘运动轨迹(14)圆周的切线方向。

观察[图2]中I为刀盘的背面视图，即刀盘后视图(12)，刀盘轴(1-12)可以被刀盘主轴电机驱动，滑轨上的滑轨电机(1-11)驱动着齿轮(1-10)在固定在刀盘座(1-16)上的齿条上滚动。

观察[图2]中的J的刀盘的俯视视图，从上向下看，(泥土类)旋臂刀盘(1)，上面的滑轨1(1-5)及滑轨2(1-6)，所安装的切刀(1-2)全都在最前方，刀盘轴(1-12)连接在刀盘座上，承载着整个刀盘；

铲刀(1-1)的安装关系就是[图5]刀盘滑轨铲刀安装位置示意图中所显示的那样，安装在滑轨1(1-5)及滑轨2(1-6)的各个铲刀的位置是错位安装的，铲刀的铲动方向均为瞬间刀盘座的转动及滑轨平动的合成方向，这样2条滑轨除了铲刀位置错位不同外，其它构造相同。

对于[图3]、[图4]所示，尤其是[图3]下面的A、B、C局部放大图所显示的那样，刀盘的正面结构及刀盘的背面结构，2条滑轨上的铲刀的位置关系具有互补性，满足铲刀位置1(15)与铲刀位置2(16)的位置关系，当将滑轨1(1-5)及滑轨2(1-6)拆卸后对齐(就是将2个齿轮的转轴重合，同时滑轨的滑动方向也相同)，2条滑轨上的铲刀位置是彼此错位放置的。图4下面的局部MN处的截面放大图D显示出：刀盘座导轨(1-7)与滑轨滑槽(1-15)相配合滑动。想掘进隧道形状(11)的隧道，在刀盘转动方向(10)的转动下，滑轨运动方向1(8)及滑轨运动方向2(9)下，滑轨上的铲刀及切刀才能挖掘异型截面的隧道。

如[图6]所示：

是多条滑轨的盾构机的刀盘构造，刀盘座(1-16)的边缘与各滑轨构成了放射状多边形形状(所谓放射状是指：多边形的边长向外延伸)，本图仅仅是以3条围成放射状正三角形的滑轨(1-20)(安装在滑轨上的刀具未画出)，该三角形刀盘座(1-16)的三条边线上设有安装3条刀盘座导轨(1-7)约束着，3条直线滑轨在刀盘座导轨(1-7)上可以独立往复直线状滑动，3条直线滑轨的往复运动可以由液压缸、电机等动力设备提供(未画出)，来切割各种非圆隧道形状(11)；在滑轨(1-20)无法扫过的隧道区域，在滑轨盲区(7)中安装盲区刀盘(相当于，中心部位的盲区使用通过中心的刮板，来清除隧道中心部位的通道土层)，安装盲区铲刀或动力刀具可以清除盲区隧道构造。

如[图7]所示：

图7中，下面左侧的零部件是：环形滑道(21)的截面图(垂直于掘进方向的截面图)，右侧的零部件是固定在滑轨上的滑柱(23)，插入环形滑道(21)的滑槽(22)中。环形滑道(21)是固定在护盾的盾体或刀盘支架上，保持与盾体的相对静止。

非圆环形滑道截面图(21)(通过将滑轨伸出的刚性连接的拨动柱体，深入到非圆环形滑道内，而非圆环形滑道的形状与隧道形状(11)的周边形状是类似而缩小的形状，满足极坐标下的非圆环形滑道与隧道截面的周边轨迹的极坐标矢量长度的变化率相同)约束滑轨滑槽(1-15)在刀盘座导轨的滑动位移来完成的。

Claims (1)

1.一种旋臂式异型截面盾构机刀盘，基本结构包括：滑轨、刀盘座、刀盘主轴、刀盘座导轨、刀具；刀盘轴是安装在刀盘座中心部位的垂直轴，带动整个刀盘转动；各滑轨在各条导轨的往复位移是通过电机或液压、气压马达驱动的，齿轮、齿条构造；皮带、带轮构造；液压或气压驱动构造来完成；或是非圆环形滑道约束来完成；旋臂刀盘的基本工作原理：刀盘轴带动刀盘座转动，而刀盘座上的刀盘座导轨约束着滑轨进行直线位移，滑轨的位移是由液压缸、电机设备提供动力，各类刀具被安装在滑轨上，控制滑轨在各个角度之下的位移数值，相当于改变了工作半径，就能挖掘出非圆隧道的形状；其特征就在于：刀盘座为多边形的，就是3-10条位于刀盘座边缘的导轨围成多边形，或放射状的多边形的各边,边缘的各导轨与各滑轨构成了放射状多边形形状，导轨在其滑轨的约束下做直线往复运动，在各滑轨上安装掘进所使用的刀具；在刀盘座的滑轨盲区中安装盲区刀盘；对于刀盘座上只有1-2条导轨的情况下的特定构造为：只有1条导轨时，就将导轨及滑轨安装在刀盘座过刀盘轴心的直线方向上，而不存在挖掘盲区；有1条导轨时，就将2根导轨及滑轨平行的安装在刀盘座过刀盘轴心直线2侧的平行直线方向上，2条滑轨的往复运动存在少量挖掘盲区；

对于泥土类刀盘情况，除了在刀盘座只有1条导轨时，切刀不需要改变切割方向的公转轴外，都需要使用带有公转轴的切刀座；各滑轨上铲刀的安装位置关系就是相互彼此错位安装；

对于岩石类的隧道挖掘，除了选择使用切刀及铲刀外，还包括选择性使用动力刀具：动力切刀、冲击钻被安装在滑轨上。