CN117266879B - 一种集成磁悬浮轨道的拼装式盾构管片组件 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种集成磁悬浮轨道的拼装式盾构管片组件，包括：集成管片和拼装管片，集成管片设置有磁悬浮轨道结构和温度维持结构。通过磁悬浮轨道结构和温度维持结构的设置使得轨道与集成管片结合为一体，管片布置时可以通过相邻集成管片的第一接电接口和第二接电接口相互搭接，实现的电路通路，在进行管片安装的同时进行轨道安装，物料运输时也节省了轨道输送的物料安排，缩短管片布置后安装轨道的时间和人力物力消耗，进而缩短了现场施工的工期。本申请有效地解决了现有技术中的在隧道中铺设轨道需要在完成隧道挖掘和管片布置之后，并且轨道的材料需要从地面向隧道内的转运，导致工期延长，施工效率低的问题。

Description

一种集成磁悬浮轨道的拼装式盾构管片组件

技术领域

本申请涉及隧道施工的技术领域，尤其涉及一种集成磁悬浮轨道的拼装式盾构管片组件。

背景技术

全断面硬岩掘进机（以下简称TBM）作为集机、电、液、信息、人工智能于一体的现代化隧道专用装备，因其具有自动化程度高、施工速度快、节约人力、安全经济、一次成型，不受外界气候影响，开挖时可以控制地面沉陷，减少对地面建筑物的影响，水下地下施工不影响水中地面交通等优点，已被广泛应用于铁路、公路、地下通道施工。

而现有的隧道施工中，需要先进行隧道的挖掘，再铺设管片预防塌陷，之后再进行轨道的布置。而在隧道挖掘后进行轨道铺设，需要将轨道的材料从地面向隧道内的转运，不仅需要占用大量的人力物理，还会延长了工期，施工效率极低。

发明内容

本申请提供了一种集成磁悬浮轨道的拼装式盾构管片组件，以解决现有技术中的在隧道中铺设轨道需要在完成隧道挖掘和管片布置之后，并且轨道的材料需要从地面向隧道内的转运，导致工期延长，施工效率低的问题。

第一方面，本申请提供了一种集成磁悬浮轨道的拼装式盾构管片组件，包括：集成管片和拼装管片，所述集成管片设置有磁悬浮轨道结构和温度维持结构，所述磁悬浮轨道结构固定设置于所述集成管片的内部，且所述磁悬浮轨道结构的设置方向与所述集成管片的轴线方向平行，所述温度维持结构的输出端与所述磁悬浮轨道结构连通，沿所述磁悬浮轨道结构的设置方向，所述集成管片的两端分别设置有第一接电接口和第二接电接口，相邻所述集成管片可拆卸地连接，且所述第一接电接口和相邻所述集成管片的第二接电接口电性连接，所述拼装管片可拆卸地连接在所述集成管片平行于所述集成管片的轴线设置的两侧。

根据本申请的一些实施例，所述磁悬浮轨道结构包括浮动线圈组和限位线圈组，所述浮动线圈组用于提供车体的浮力，所述限位线圈组用于限制所述车体的周向自由度。

根据本申请的一些实施例，所述磁悬浮轨道结构包括沿平行于所述集成管片的轴线方向延伸的第一轨道和第二轨道，所述浮动线圈组包括第一浮动线圈和两个第二浮动线圈，所述第一浮动线圈设置于所述第一轨道和所述第二轨道之间的平面上，两个所述第二浮动线圈分别设置在所述第一轨道和所述第二轨道靠近轴线方向的平面上。

根据本申请的一些实施例，所述限位线圈组包括第一限位线圈和第二限位线圈，所述第一限位线圈设置于所述第一轨道面向所述第二轨道的一侧，所述第二限位线圈设置于所述第二轨道面向所述第一轨道的一侧。

根据本申请的一些实施例，所述磁悬浮轨道结构包括驱动线圈组，所述驱动线圈组设置在所述第一轨道和所述第二轨道之间。

根据本申请的一些实施例，所述驱动线圈组包括第一驱动线圈和第二驱动线圈，所述第一驱动线圈设置于所述第一轨道面向所述第二轨道的一侧，所述第二驱动线圈设置于所述第二轨道面向所述第一轨道的一侧。

根据本申请的一些实施例，所述浮动线圈组、所述限位线圈组和所述驱动线圈组均采用超导材料制成。

根据本申请的一些实施例，所述集成管片包括管片主体和管片盖体，所述管片盖体与所述管片主体固定连接，所述管片盖体分别与所述第一轨道和所述第二轨道间隙配合，所述管片盖体与所述管片主体之间形成冷却腔。

根据本申请的一些实施例，所述温度维持结构包括输送泵体和冷媒存储罐，所述输送泵体的输出端与所述冷却腔连通。

根据本申请的一些实施例，所述第一接电接口为凸块，所述凸块沿远离所述集成管片的方向延伸，所述第二接电接口为凹槽，所述凹槽与所述凸块相适配。

本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：

本申请实施例提供的一种集成磁悬浮轨道的拼装式盾构管片组件，包括：集成管片和拼装管片，集成管片设置有磁悬浮轨道结构和温度维持结构，磁悬浮轨道结构固定设置于集成管片的内部，且磁悬浮轨道结构的设置方向与集成管片的轴线方向平行，温度维持结构的输出端与磁悬浮轨道结构连通，沿磁悬浮轨道结构的设置方向，集成管片的两端分别设置有第一接电接口和第二接电接口，相邻集成管片可拆卸地连接，且第一接电接口和相邻集成管片的第二接电接口电性连接，拼装管片可拆卸地连接在集成管片平行于集成管片的轴线设置的两侧。通过磁悬浮轨道结构和温度维持结构的设置使得轨道与集成管片结合为一体，在进行隧道的管片布置时，可以通过相邻集成管片的第一接电接口和第二接电接口相互搭接，实现的电路通路，在进行管片安装的同时进行轨道安装，并且物料运输时，节省了轨道输送的物料安排，也就是集成管片与拼装管片能够实现轨道和管片的统一布置，缩短管片布置后安装轨道的时间和人力物力消耗，进而缩短了现场施工的工期。本申请有效地解决了现有技术中的在隧道中铺设轨道需要在完成隧道挖掘和管片布置之后，并且轨道的材料需要从地面向隧道内的转运，导致工期延长，施工效率低的问题。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明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，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1示出了本申请实施例提供的一种集成磁悬浮轨道的拼装式盾构管片组件的集成管片与拼装管片装配后的结构示意图；

图2示出了图1集成管片的立体结构示意图；

图3示出了图1集成管片的内部结构的俯视示意图；

图4示出了图1集成管片的内部结构的主视示意图；

图5示出了图1集成管片的仰视示意图；

图6示出了图1拼装管片的立体结构示意图；

图7示出了本申请实施例提供的一种硬岩隧道掘进机的结构示意图；

图8示出了图7硬岩隧道掘进机使用时的结构示意图；

图9示出了图7硬岩隧道掘进机的内部结构示意图；

图10示出了图7硬岩隧道掘进机另一角度的内部结构示意图；

图11示出了图7硬岩隧道掘进机的推进的原理示意图；

图12示出了图7硬岩隧道掘进机的掘进机构的结构示意图；

图13示出了图12掘进机构的驱动组件的结构示意图；

图14示出了图12掘进机构的转动组件的结构示意图。

其中，上述附图包含如下的附图标记：

10、驱动组件；11、第一环形面板；111、转动座；112、信号接收器；12、驱动线圈；121、第一接线端子；122、第二接线端子；13、固定轴体；14、驱动电源；141、电源正极；142、电源负极；143、固定座体；145、第一位移结构；146、第二位移结构；15、第二保护壳体；20、转动组件；21、第二环形面板；22、感应线圈；221、信号发射器；23、轴承；24、第一保护壳体；25、冷却结构；251、冷却泵体；252、冷却介质存储罐；253、传输管路；26、传输线圈；30、掘进机刀盘；31、刀盘主体；40、集成管片；41、磁悬浮轨道结构；411、浮动线圈组；4111、第一浮动线圈；4112、第二浮动线圈；412、限位线圈组；4121、第一限位线圈；4122、第二限位线圈；413、第一轨道；414、第二轨道；416、驱动线圈组；4161、第一驱动线圈；4162、第二驱动线圈；42、温度维持结构；421、输送泵体；422、冷媒存储罐；43、第一接电接口；431、限位卡块；432、第一接电件；44、第二接电接口；441、限位卡槽；442、第二接电件；45、管片主体；451、第一锁合槽；452、第一锁合块；46、管片盖体；50、拼装管片； 51、第二锁合槽；52、第二锁合块；60、支护机构；61、护盾；62、盾体支架；70、推进机构；71、推进油缸；80、拼装机构；81、抓取组件；811、真空吸盘；812、延伸臂；82、位移组件；90、主梁；100、工作车。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，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的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。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的相对位置关系或运动情况，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“下方”、“上面”、“上方”、“前”、“后”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。例如，如果在图中的装置发生了位置翻转或者姿态变化或者运动状态变化，那么这些方向性的指示也相应的随着变化，例如：描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面”或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在……下方”可以包括在上和在下的方位。装置可以另外定向(旋转90度或者在其它方向)并且文中使用的空间相对关系描述符相应地进行解释。

如图1至图6所示，本申请实施例提供了一种集成磁悬浮轨道的拼装式盾构管片组件，包括：集成管片40和拼装管片50集成管片40设置有磁悬浮轨道结构41和温度维持结构42，磁悬浮轨道结构41固定设置于集成管片40的内部，且磁悬浮轨道结构41的设置方向与集成管片40的轴线方向平行，温度维持结构42的输出端与磁悬浮轨道结构41连通，沿磁悬浮轨道结构41的设置方向，集成管片40的两端分别设置有第一接电接口43和第二接电接口44，相邻集成管片40可拆卸地连接，且第一接电接口43和相邻集成管片40的第二接电接口44电性连接；拼装管片50可拆卸地连接在集成管片40平行于集成管片40的轴线设置的两侧。

通过磁悬浮轨道结构41和温度维持结构42的设置使得轨道与集成管片40结合为一体，在进行隧道的管片布置时，可以通过相邻集成管片的第一接电接口43和第二接电接口44相互搭接，实现的电路通路，在进行管片安装的同时进行轨道安装，并且物料运输时，节省了轨道输送的物料安排，也就是集成管片40与拼装管片50能够实现轨道和管片的统一布置，缩短管片布置后安装轨道的时间和人力物力消耗，进而缩短了现场施工的工期。本申请有效地解决了现有技术中的在隧道中铺设轨道需要在完成隧道挖掘和管片布置之后，并且轨道的材料需要从地面向隧道内的转运，导致工期延长，施工效率低的问题。

如图1、图3和图4所示，在本实施例的技术方案中，磁悬浮轨道结构41包括浮动线圈组411和限位线圈组412，浮动线圈组411用于提供车体的浮力，限位线圈组412用于限制车体的周向自由度。限位线圈组412的设置用于限制车体的位置和形态，避免脱轨或者车体与轨道相接触产生摩擦的情况出现，也可以用于车体的纠偏等，车体可以是掘进机中的工作车100，即磁悬浮轨道结构41一边进行拼装，一边使用。需要说明的是，浮动线圈组411和限位线圈组412的设置可以单独形成回路，即第一接电接口43和第二接电接口44与浮动线圈组411和限位线圈组412之间并不影响，这样的设置一方面能够使得磁悬浮轨道结构41的使用并不用受到电路闭合的限制，应用更加便捷，另一方面，磁悬浮轨道结构41在管片的装配后就能投入使用，也不会因为其装配对施工过程产生影响，并且这样的磁悬浮轨道结构41更加标准化，降低了装配的要求，轨道的紧凑性更强，装配难度也大幅度降低。

如图1至图4所示，在本实施例的技术方案中，磁悬浮轨道结构41包括沿平行于集成管片40的轴线方向延伸的第一轨道413和第二轨道414，浮动线圈组411包括第一浮动线圈4111和两个第二浮动线圈4112，第一浮动线圈4111设置于第一轨道413和第二轨道414之间的平面上，两个第二浮动线圈4112分别设置在第一轨道413和第二轨道414靠近轴线方向的平面上。第一轨道413和第二轨道414的设置用于布置浮动线圈组411和限位线圈组412，以及作为第一轨道413的导向基准，两个轨道的布置能够有效地组合出引导磁悬浮轨道结构41的导向位置，从而实现精准地布置。

需要说明的是，第一浮动线圈4111和两个第二浮动线圈4112的磁场方向相同，均朝向上方设置，这样的设置用于增大磁悬浮的浮力作用，避免车体过于靠近轨道。进一步地，第一浮动线圈4111主要应对车体的最底部，第二浮动线圈4112主要对应车体与轨道之间的对应位置，不同位置设置不同的线圈对应，悬浮的效果更好。如图10所示，在对应的车体中，各线圈需要对应设置不同的作用线圈，以达到最佳的作用状态和控制效果，在车体的行驶过程中提供更加稳定的磁力支持。

如图1至图4所示，在本实施例的技术方案中，限位线圈组412包括第一限位线圈4121和第二限位线圈4122，第一限位线圈4121设置于第一轨道413面向第二轨道414的一侧，第二限位线圈4122设置于第二轨道414面向第一轨道413的一侧。第一限位线圈4121和第二限位线圈4122的设置用于施加相对应的斥力，并且第一限位线圈4121和第二限位线圈4122之间属于斥力，这样的设置一方面能够稳定轨道的布置，使得轨道收到一个近似于预应力的作用，当车体进入第一轨道413和第二轨道414之间时，同一位置受到的斥力或者吸力的方向相反大小相同，因而能够平衡车身，在车体转弯时能够快速的恢复平衡，增加稳定性。需要说明的是，对应第一限位线圈4121和第二限位线圈4122的位置可以设置与第一限位线圈4121和第二限位线圈4122均为斥力的线圈，这样使得第一限位线圈4121和第二限位线圈4122对车体均相斥，形成一个类似于夹持的作用，一方面能够防止脱离，另一方面能够增加车体在磁悬浮轨道结构41上的平衡性。

如图1至图4所示，在本实施例的技术方案中，磁悬浮轨道结构41包括驱动线圈组416，驱动线圈组416设置在第一轨道413和第二轨道414之间。驱动线圈组416的设置用于车体的驱动，即通过相邻驱动线圈组416的交变，使得磁场规律变化，从而实现车体的前进与后退。

如图4所示，在本实施例的技术方案中，驱动线圈组416包括第一驱动线圈4161和第二驱动线圈4162，第一驱动线圈4161设置于第一轨道413面向第二轨道414的一侧，第二驱动线圈4162设置于第二轨道414面向第一轨道413的一侧。这样的设置使得驱动线圈组416所形成的牵引力或者推力在沿轨道方向上的作用力为平衡作用力，即不会发生偏转的情况，进而降低了车体偏向行驶的可能，稳定车辆的形式。

需要说明的是，第一驱动线圈4161和第二驱动线圈4162均位于对应的第一限位线圈4121和第二限位线圈4122之下，这样的设置使得牵引力或者推力的作用位于第一限位线圈4121和第二限位线圈4122形成的夹持力之下，这样能够避免车体在第一限位线圈4121和第二限位线圈4122的斥力之下向外逃逸。

在本实施例的技术方案中，浮动线圈组411、限位线圈组412和驱动线圈组416均采用超导材料制成。超导体材料的设置能够稳定磁场，以便于磁悬浮轨道结构41的控制，并且对于车体的运转能够降低其使用的能耗。

如图1和图2所示，在本实施例的技术方案中，集成管片40包括管片主体45和管片盖体46，管片盖体46与管片主体45固定连接，管片盖体46分别与第一轨道413和第二轨道414间隙配合，管片盖体46与管片主体45之间形成冷却腔。设置管片盖体46形成冷却腔是用于包裹住浮动线圈组411、限位线圈组412和驱动线圈组416，一方面是提供超导材料温度控制的环境，以便于超导材料使用中电阻为零和完全抗磁性，另一方面管片盖体46提供了保护作用，即使温度出现波动导致线圈出现电阻时，也能够及时地吸收掉因电阻产生的热能，避免热能过大，导致出现安全事故的情况。

需要说明的是，管片盖体46通过一体成型的方式与管片主体45连接成一体，即固定安装好各线圈组后，再形成管片盖体46，这样的方式结构紧凑，具有更好的保护性能，并且也能够避免冷媒的逃逸，为超导体的运转提供了较高的环境。

如图4所示，在本实施例的技术方案中，温度维持结构42包括输送泵体421和冷媒存储罐422，输送泵体421的输出端与冷却腔连通。输送泵体421可将多个冷媒存储罐422内的冷媒通过加压的方式泵入冷却腔内，这样的设置一方面有利于控制冷媒的形态和容量，以达到需要的温度需求，另一方面主动的控制能够更加精准控制冷媒的用量以节省成本。冷媒具体可以是液态氮气，液态氮气为无色透明液体，且具有惰性、无色、无嗅、无腐蚀性、不可燃的特点，是常见并且可以大量制备的冷却介质，其经济性能相对优越，且化学稳定性良好，也便于存储。

在本实施例的技术方案中，集成管片40设置有变压模组，变压模组分别与浮动线圈组411、限位线圈组412和驱动线圈组416电性连接，以控制浮动线圈组411、限位线圈组412和驱动线圈组416中的电流方向。变压模组的设置一方面可以有效地改变电流的方向，使得不同位置的浮动线圈组411、限位线圈组412和驱动线圈组416所呈现的磁场能够控制，另一方面，变压模组采用的原理可以实现单独的集成管片40中的电路相互独立，这样的设置使得磁悬浮轨道结构41连接后不会在电路上相互影响，仅需要通过一条主电路实现电路的通断即可，相邻集成管片40之间也属于并联的状态。

如图2至图5所示，在本实施例的技术方案中，第一接电接口43为凸块，凸块沿远离集成管片40的方向延伸，第二接电接口44为凹槽，凹槽与凸块相适配。凹槽与凸块的设置结构简单，配合精度高，并且可以在凹槽与凸块中相接触的位置布置接电件，即完成凹槽与凸块的装配即可完成电性连接，这样的结构装配方式简单，利于装配操作的实现。

需要说明的是，在相邻的集成管片40装配时，需要间隔一个集成管片40通电，这样的设置，使得管片在装配后的通电试验能够保证安全性，并且即使发生通电失误的情况也可以进行重新布置，装配适应性强，施工可靠性更强。

如图2至图5所示，在本实施例的技术方案中，第一接电接口43的两个侧壁均设置有限位卡块431，第二接电接口44的两个侧壁均设置有限位卡槽441，相邻集成管片40连接时，限位卡槽441于限位卡块431卡接。限位卡块431和限位卡槽441能够形成卡接，使得相邻的集成管片40连接更加稳定，结合度更高。需要说明的是，如图3和图5，在一个具体的实施例中，限位卡块431的端部的两侧设置有向内延伸的卡槽，对应限位卡槽441设置有向内延伸的卡接件，这样的设置使得两者相互卡合对接的时候能够形成沿轨道延伸方向的限位，进而实现相邻集成管片40连接更加紧固。

如图2至图5所示，在本实施例的技术方案中，第一接电接口43的底部设置有第一接电件432，第二接电接口44底壁设置有第二接电件442，相邻集成管片40连接时，第一接电件432与第二接电件442相接触。这样的设置使得第一接电接口43与第二接电接口44完成拼装后才能够实现第一接电件432与第二接电件442的电性连接，这样的设置一方面是在装配过程中不会出现直接电性连接的情况，导致装配过程中出现漏电的情况，另一方面第一接电件432与第二接电件442实现导通后能够判断第一接电接口43与第二接电接口44的拼装符合要求。

需要说明的是，如图1至图6所示，本申请实施例提供的集成管片40的管片主体45还包括第一锁合槽451和第一锁合块452，拼装管片50对应设置有第二锁合槽51和第二锁合块52，第一锁合块452和第二锁合块52的形状体积相同，第一锁合槽451和第二锁合槽51的形状体积相同，即第一锁合槽451可以与第一锁合块452以及第二锁合块52配合，第二锁合槽51可以与第一锁合块452以及第二锁合块52配合，这样的设置使得拼装管片50与集成管片40之间的装配更加方便，并且能够相互适配，相邻管片组之间的装配也相同，装配过程更加的便捷。需要说明的是，第一锁合槽451可以与第一锁合块452以及第二锁合块52配合，以及第二锁合槽51可以与第一锁合块452以及第二锁合块52配合，可以采用紧固件连接的方式，零部件结构简单便于安装，并且具有良好的结构强度。

进一步地，为便于进行冷却介质的补充，可以在锁合块与锁合槽的位置设置管路，两者配合的时候实现管路串联，通过隧道两端的冷却介质入口进行冷却介质的补充。更进一步地，管路等与液态氮气相接触的材料可以使用奥氏体不锈钢材料，能够有效地抵抗超低温的环境，在奥氏体不锈钢的外侧，可以包覆一层由硼硅酸盐玻璃制成的空心玻璃微球和气凝胶材料组成的隔热涂层，（硼硅酸盐玻璃制成的空心玻璃微球掺杂在气凝胶材料里），气凝胶本身就是一种隔热材料，硼硅酸盐玻璃制成的空心玻璃微球可进一步提高其隔热性。

本申请还提供了一个可选择的实施例，该实施例提供了一种集成磁悬浮轨道的拼装式盾构管片组件，其包括：集成管片40、拼装管片50、第一锁合槽451、第一锁合块452、第二锁合槽51、第二锁合块52、螺栓、冷媒存储罐422、输送泵体421、管片盖体46。

结构说明：一种集成磁悬浮轨道的拼装式盾构管片组件可实现在管片拼装的同时完成轨道铺装。每一环管片由位于底部的集成管片40以及其余位置的拼装管片50拼接而成。集成管片40内置第一浮动线圈4111、第一限位线圈4121、驱动线圈组416，集成管片40中还安装有冷媒存储罐422、输送泵体421并通过管片盖体46与其他部分隔开。若干集成管片40之间通过第一接电接口43与第二接电接口44的第二接电件442搭接输送电力，并通过输送泵体421输送为超导线圈降温用的液氮。管片之间通过螺栓与第一锁合块452和第二锁合块52的连接实现连接固定成环。

各部分之间的关系： 集成管片40的上部轨道部分内竖向放置第一限位线圈4121与驱动线圈组416，集成管片40的上部轨道部分以及底部平面部分水平内置第一浮动线圈4111。集成管片40内置冷媒存储罐422、输送泵体421。管片盖体46位于集成管片40平面部分下方隔开超导线圈第一浮动线圈4111、第一限位线圈4121、驱动线圈组416与其他装置。第一接电接口43从集成管片40平面处向外突出，在第一接电接口43的下方有第二接电件442，第二接电接口44位于集成管片40平面处与第一接电接口43同一轴线上，前后相邻的两个集成管片40的第一接电接口43可完整契合放入第二接电接口44中。

各部分的作用：每一环管片由位于底部的集成管片40以及其余位置的拼装管片50拼接而成。管片间的纵向连接通过轴向固定接头凸台（第一锁合块452或第二锁合块52）以及与其同一轴线上的轴向固定接头凹槽（第一锁合槽451或第二锁合槽51）实现，轴向固定接头凸台与轴向固定接头凹槽均预制有螺栓孔位，当轴向固定接头凸台放入轴向固定接头凹槽后可将螺栓插入将两者连接。管片间的环向连接通过径向固定接头凸台（第一锁合块452或第二锁合块52）以及与其同一环向线上的径向固定接头凹槽（第一锁合槽451或第二锁合槽51）实现，径向固定接头凸台与径向固定接头凹槽均预制有螺栓孔位，当径向固定接头凸台放入径向固定接头凹槽后可将螺栓插入将两者连接。第一接电接口43朝下一侧以及第二接电接口44朝上一侧都安装有第二接电件442，当新安装的集成管片40的第一接电接口43的第二接电件442与既有集成管片40上第二接电接口44内第二接电件442搭接后可导电，使得新安装的集成管片40通电，进而为其内部各线圈供电。集成管片40内第一浮动线圈4111通电后产生方向向上的磁场可托举其轨道上方车体使其悬浮，轨道两侧第一限位线圈4121通电后产生磁场限制轨道上方车体左右移动使其平稳运行，驱动线圈组416在交流电作用下变换电流方向进而交替改变磁场方向牵引轨道上方车体移动。输送泵体421也可将冷媒存储罐422内的液氮泵送入管片盖体46包裹的第一浮动线圈4111、第一限位线圈4121、驱动线圈组416以维持其低温超导特性。

第二方面，本申请实施例还提供了一种磁悬浮轨道和管片一体化衬砌拼装的TBM施工设备，其包括：掘进机构和拼装机构80，掘进机构包括驱动组件10、转动组件20和掘进机刀盘30，驱动组件10面向转动组件20的一侧设置有多个驱动线圈12，转动组件20面向驱动组件10的一侧设置有一一对应的多个感应线圈22，掘进机刀盘30设置于转动组件20背离驱动组件10的一侧，驱动线圈12和/或感应线圈22采用超导材料制成；拼装机构80设置于掘进机构远离掘进机刀盘30的一侧，拼装机构80包括固定连接的抓取组件81和位移组件82，抓取组件81用于夹持集成管片40和拼装管片50，位移组件82移动抓取组件81完成集成管片40和拼装管片50的拼装，集成管片40设置有磁悬浮轨道结构41。

采用超导材料制成的驱动线圈12和/或感应线圈22进行掘进机刀盘30的驱动，能够实现电能的高转化率和高利用率，增加掘进的功率，同时设置拼装机构80在掘进机构的一侧，随着掘进机构的逐步挖掘漏出安装空间，再通过拼装机构80进行集成管片40与拼装管片50的安装，同步进行挖掘和拼装工作，从而提高了隧道建设的效率。本申请有效地解决了现有技术中的隧道施工受到工序相互影响和破岩效率的影响导致综合施工效率低下，施工周期较长的问题。

需要说明的是，在本实施例的技术方案中，驱动线圈12和感应线圈22能够直接采用电力产生磁场进行刀盘主体31的驱动，避免了二次的力作用转换，这样的设置一方面降低了能量的转化次数，能量的转化效率高，应用于刀盘主体31切割的作用更好，另一方面，超导材料的设置使得电路运转不会因为线圈的电阻存在发热的损耗，即电能的运转损耗降低，利用率较高。超导材料的设置还能够保证驱动线圈12和/或感应线圈22材料具有完全抗磁性，即材料内部磁场为零，这样产生的感应磁场更加准确可控，不会出现材料影响磁场产生的情况，刀盘主体31的运转更加精准。

如图7至图10所示，在本实施例的技术方案中，磁悬浮轨道和管片一体化衬砌拼装的TBM施工设备还包括主梁90，抓取组件81与位移组件82可滑动地连接，位移组件82可相对主梁90的长度方向滑动，以及位移组件82可环绕主梁90的轴线转动。 主梁90的设置用于支撑和保持结构稳定，抓取组件81和位移组件82设置在主梁90上，其活动的基准与掘进机构的基准一致，隧道内的基准一致，安装集成管片40与拼装管片50的基准一致，装配效果与掘进效果直接关联，形成的一体隧道结构稳定，并且误差范围极小，可实现精准化的隧道施工。

如图7至图10所示，在本实施例的技术方案中，抓取组件81包括真空吸盘811，真空吸盘811与位移组件82之间设置有延伸臂812，延伸臂812可沿其长度方向伸缩。真空吸盘811的设置用于进行集成管片40与拼装管片50的吸取，原理是通过真空吸盘811产生负压，这样的设置使得抓取的时候不会进行夹持，对集成管片40与拼装管片50产生损伤，并且夹持的位置和范围具有更多的选择，以便于集成管片40与拼装管片50处于不同的形态和位置的调整，更适用于精确的安装。延伸臂812的设置用于调整真空吸盘811的具体位置，这样的设置能够避免在工作车100进行活动的时候不会出现运动干涉，保证拼装机构80的安全。

需要说明的是，真空吸盘811与延伸臂812之间为可转动地连接，这样使得真空吸盘811在抓取集成管片40与拼装管片50后可以进行角度调整，以便于装配。延伸臂812与位移组件82可转动地连接，从而实现顶部和侧壁的拼装管片50的装配。

如图7至图10所示，在本实施例的技术方案中，磁悬浮轨道和管片一体化衬砌拼装的TBM施工设备还包括支护机构60，支护机构60包括固定连接的护盾61和盾体支架62，盾体支架62固定设置在主梁90上，护盾61可沿远离盾体支架62向外支撑。支护机构60的设置用于支撑岩体侧壁，避免掘进后对设备造成挤压或者岩壁流失的情况，并且起到防止岩土滑落进入设备内部的作用，为后续集成管片40与拼装管片50的装配提供了装配位置和装配基础。

如图7至图10所示，在本实施例的技术方案中，磁悬浮轨道和管片一体化衬砌拼装的TBM施工设备还包括推进机构70，推进机构70包括多个推进油缸71，推进油缸71与盾体支架62远离掘进机构的一端固定连接，沿隧道的中心线方向，推进油缸71的输出端与集成管片40或者拼装管片50重合。推进油缸71的设置用于抵推成型的管片，以管片为基础推动位于前端的掘进机构，实现掘进机构的顶进，这样的设置一方面能够固定住集成管片40或者拼装管片50，装配更加牢固，另外可以通过集成管片40或者拼装管片50对前推位置进行限制，以避免推进的方向精准。

需要说明的是，多个推进油缸71可分别对应不同的集成管片40或者拼装管片50，这样的抵推作用力分散不会对集成管片40或者拼装管片50产生 导致破损的情况出现，并且多个推进油缸71可以控制推进的力度，进而可以控制挖掘的方向，以确保推进方向的精准性。

如图11所示，磁悬浮轨道结构41成型后，工作车100与其配合的结构原理如图示，通过两侧轨道产生的相反的磁场与车体两侧产生的相反的磁场进行配合，使得车体能够按照预定的方向前进。

如图12至图14所示，在本实施例的技术方案中，驱动线圈12相互独立，感应线圈22串联设置，且相邻感应线圈22的缠绕方向相反，即相邻感应线圈22产生的磁场方向相反，这样的设置使得驱动线圈12能够按照驱动方式根据不同的需要产生不同的磁场，而感应线圈22的磁场设置可以使得间隔的感应线圈22受到的作用力能够形成环形，即刀盘主体31受到的作用力为持续的，且沿着刀盘转动方向的切线方向，施力的方向与切割方向一致，不存在力损失，切割效果更好，且切割的能耗也能降低。相邻感应线圈22磁场方向相反的设置也使得感应线圈22受到相邻感应线圈的相互作用力相反且大小固定，相当于感应线圈相互夹持住，因此感应线圈22受到的作用力稳定，即感应线圈22即使在转动过程中的受力也相对平衡，不会出现感应线圈22位置波动的情况，对于掘进机的切割作用更加精准。

如图12所示，在本实施例的技术方案中，感应线圈22采用超导材料制成，转动组件20包括第一保护壳体24和冷却结构25，第一保护壳体24与第二环形面板21形成感应线圈22的容纳空间，冷却结构25向容纳空间输送冷却介质。感应线圈22采用超导材料制成，产生的磁场强度、大小和方向均能得到有效的控制，降低了因为电阻而出现电能损耗以及发热问题。设置第一保护壳体24形成容纳空间是用于包裹住感应线圈22，一方面是提供超导材料温度控制的环境，以便于超导材料使用中电阻为零和完全抗磁性，另一方面第一保护壳体24提供了安装和保护作用，避免了感应线圈22装配的歪斜，并且即使温度出现波动导致线圈出现电阻时，也能够及时地吸收掉因电阻产生的热能，避免热能过大，导致出现安全事故的情况。需要说明的是，驱动组件10对应设置有第二保护壳体15，用于驱动线圈12的保护，作用与第一保护壳体24相近，此处不再赘述。

如图12所示，在本实施例的技术方案中，冷却结构25包括冷却泵体251、冷却介质存储罐252和传输管路253，冷却泵体251的输出端与容纳空间通过传输管路253连通，冷却泵体251的输入端连通冷却介质存储罐252。冷却介质存储罐252的设置用于存储冷却介质，冷却泵体251可将多个冷却介质存储罐252内的冷却介质集中起来并通过加压的方式泵入容纳空间内，这样的设置一方面有利于控制冷却介质的形态和容量，以达到需要的温度需求，另一方面主动的控制能够更加精准控制冷却介质的用量以节省成本。需要说明的是，传输管路253的设置相对冷却介质存储罐252独立，即冷却介质存储罐252不会直接向容纳空间内通入冷却介质。

在本实施例的技术方案中，冷却介质存储罐252用于冷却介质的存储，冷却介质为液态氮气。液态氮气为无色透明液体，且具有惰性、无色、无嗅、无腐蚀性、不可燃的特点，是常见并且可以大量制备的冷却介质，其经济性能相对优越，且化学稳定性良好，也便于存储。需要说明的是，形成容纳空间的材料具有良好的物理性质，能够有效地耐低温，不会出现因为液态氮气的使用，导致材料变得易碎的情况出现。

在本实施例的技术方案中，转动组件20设置有储能电路，感应线圈22与储能电路电性连接，储能电路与驱动组件10的驱动电路或者超导线圈驱动机构的驱动电源电性连接。储能电路的设置用于将经过感应线圈22的电流进行收集，降低感应线圈22产生的电量损失和能耗。储能电路与驱动组件10的驱动电路或者超导线圈驱动机构的驱动电源电性连接，即超导线圈驱动机构，先通过电能输送至感应线圈22，产生感应磁场，电流再想储能电路进行充能，并减少能耗，再将电能转移给驱动电路或者驱动电源，实现电能的回收和利用，从而提高电能的综合利用率和降低能量损失。

如图12所示，在本实施例的技术方案中，第一环形面板11内设置有与驱动线圈12一一对应的多个驱动电源14，多个驱动电源14分别与驱动组件10的驱动电路电性连接。单独设置的驱动电源14能够实现单独的驱动线圈12控制，这使得驱动线圈12产生的磁场控制更加便捷，且单独的驱动电源14供能更加稳定，磁场的精度控制更能得到保障，进而更好地控制变化的磁场。需要说明的是，掘进机的设置用于持续掘进，传统的线缆供电会在电力输送环节产生能量损耗，尤其是在刚开始开挖的时候，线缆使用长度并不需要特别多，长电缆产生的不必要损耗过大，后续开挖深度较深时，长线缆的长度不一定够用，不管是采用重新拼接的方式，还是更换线缆均会造成工期的延误，置于掘进机所需要的电能较为庞大，若采用发电式的供能方式，也无法满足对交流电的大功率和稳定需求，而采用单独的驱动电源14既能够满足稳定的需求，也能够将功率分散，满足对驱动机构大功率的要求。

如图12所示，在本实施例的技术方案中，驱动电源14包括电源正极141和电源负极142，驱动线圈12设置有第一接线端子121和第二接线端子122，电源正极141分别与第一接线端子121和第二接线端子122具有搭接位置，电源负极142分别与第一接线端子121和第二接线端子122具有搭接位置。驱动电源14的电源正极141和电源负极142均可以与第一接线端子121或者第二接线端子122搭接，即驱动线圈12的接电方式可以是正接也可以是反接，能够满足不同磁场产生的需求，以达到驱动的效果。

如图12所示，在本实施例的技术方案中，驱动电源14设置有固定座体143，第一环形面板11设置有转动座111，固定座体143与转动座111固定连接，转动座111可相对第一环形面板11转动。固定座体143用于固定驱动电源14，转动座111用于驱使驱动电源14进行正负极的切换，即实现电流的转向，因为采用驱动电源14进行供电，采用的电源为直流电源，直流电源可以蓄电不会产生无功功率，能量利用率较高，且便于控制和调试。直流电源需要改变驱动线圈12中的电流流向从而改变磁场方向，则需要将电流方向变为相反反向，而驱动线圈12的位置相对固定，以保证磁场的稳定，因此采用转动座111的设置实现驱动线圈12的搭接方式改变。

在一个可选择的实施例中，驱动电源14固定设置，通过在驱动电源14端部设置可以改变电源正负极的转动结构，使得电源正极141和电源负极142的物理位置能够进行切换，该结构保证了驱动电源14的稳定性，装配更加合适，对驱动电源14的要求更高。

如图12所示，在本实施例的技术方案中，驱动电源14设置有第一位移结构145和第二位移结构146，电源正极141与第一位移结构145固定连接，第一位移结构145用于使电源正极141相对第一接线端子121或第二接线端子122位移，电源负极142与第二位移结构146固定连接，第二位移结构146用于使电源负极142相对第一接线端子121或第二接线端子122位移。第一位移结构145和第二位移结构146的设置用于电源正极141和电源负极142的伸缩，在进行电源正极141和电源负极142的切换时，先通过第一位移结构145将电源正极141从第一接线端子121上脱除，第二位移结构146将电源负极142从第二接线端子122上脱除，然后再进行切换，这样保护了电源正极141、电源负极142、第一接线端子121和第二接线端子122，避免切换时出现损伤。

需要说明的是，第一位移结构145和第二位移结构146可以是延伸臂或者弹性卷簧，实现将电源正极141或电源负极142伸缩的动作即可。

如图12所示，在本实施例的技术方案中，每个感应线圈22面向第一环形面板11的一侧设置有信号发射器221，第一环形面板11设置有信号接收器112，信号接收器112接收信号发射器221所发射的信号，以检测感应线圈22的实时位置。信号发射器221与信号接收器112的设置用于检测感应线圈22的实时位置，以检测掘进机破岩的效率和速度，以及与岩石物理作用的情况，达到精准控制的效果。

在本实施例的技术方案中，信号发射器221为激光发射器，信号接收器112为激光接收器。信号发射器221为激光发射器，可单独发射出激光，信号接收器112为板状的接收器，具有较大的面积，能够对应接收到每个感应线圈22在每个位置所发射出的激光光束信号。

在本实施例的技术方案中，第一环形面板11上固定设置有第一螺旋形导线架，驱动线圈12沿第一螺旋形导线架的周外侧固定，第二环形面板21上固定设置有第二螺旋形导线架，感应线圈22沿第二螺旋形导线架的周外侧固定。第一螺旋形导线架和第二螺旋形导线架的设置用于精准的装配驱动线圈12和感应线圈22，这样的设置用于精准控制产生的磁场，并且相较于传统的绕固定轴的设置，第一螺旋形导线架和第二螺旋形导线架，两者的中间位置为镂空布置，能够有效地降低材料的使用量，进而降低驱动组件10和转动组件的重量，在结构强度满足使用要求的情况，能够降低能耗。

需要说明的是，固定轴体13设置有穿过轴线的圆柱形通道，用于传输线圈26的布置，该结构使得固定轴体13为圆筒形，具有较高的结构强度，轴承23为转动轴承，与固定轴体13之间的连接也更加便捷。

第三方面，本申请实施例提供了一种隧道施工方法，隧道施工方法使用如上述的磁悬浮轨道和管片一体化衬砌拼装的TBM施工设备，隧道施工方法还包括如下步骤：

S10，启动掘进机构，通过驱动组件10驱动转动组件20带动掘进机刀盘30转动；具体地，向转动组件20中的感应线圈22通电产生磁场，并控制冷却泵体251持续向容纳腔体内注入液态氮气，使得感应线圈22处于低温状态，物理性质变为零电阻和完全抗磁性，此时通过驱动电源14进行驱动线圈12的供电，驱动线圈12产生驱动感应线圈22的磁场，此时第二环形面板21进行转动，从而带动掘进机刀盘30转动进行切削。

更进一步地，在护盾61以及盾体支架62的支撑保护下，掘进机刀盘30在转动组件20的带动下转动切削前方岩体，同时护盾61尾部的推进油缸71抵推集成管片40与拼装管片50，使得设备整体向前移动。

S20，磁悬浮轨道和管片一体化衬砌拼装的TBM施工设备的推进机构70推动掘进机构前进切削岩体；推进机构70的多个推进油缸71抵推已经安装好的集成管片40和拼装管片50，使得集成管片40与拼装管片50之间结合紧密，并同时推进掘进机刀盘30向前挖掘。

S30，推进机构70完成推进后，通过抓取组件81和位移组件82将集成管片40和拼装管片50依次拼装；多个推进油缸71推进到一定位置后，露出可以进行装配集成管片40和拼装管片50的位置，然后通过抓取组件81和位移组件82进行物料的搬运与装配。

S40，重复步骤S10。持续连续地进行挖掘和管片拼装。

在本实施例的技术方案中，推进机构70完成推进后，还包括如下步骤：

S21，将推进机构70的各推进油缸71缩回。推进油缸71缩回为管片的安装提供的让位空间，并且管片装配完成后，推进油缸71的端口与管片相接触，提供下一次推进的抵推作用。先进行底部支撑的集成管片40的部分推进油缸71向前收缩，为安装新的集成管片40腾出空间，再进行其他的推进油缸71收缩，逐步进行，安装顺序固定。

在本实施例的技术方案中，通过抓取组件81和位移组件82将集成管片40和拼装管片50依次拼装，还包括如下步骤：

S41，通过抓取组件81的真空吸盘811夹持集成管片40，具体拼装机构80的真空吸盘811产生负压，使得集成管片40与真空吸盘811相贴合，完成集成管片40的抓取，并通过延伸臂812与位移组件82使得集成管片40提升到指定位置后放下，随后抓取组件81与位移组件82配合实现拼装管片50的抓取，将其安装在与集成管片40相接的环向其他位置，安装过程中集成管片40的第一接电接口43插入到第二接电接口44，连接后形成连接电路，为新铺设的集成管片40内各线圈充电，并进行检测。

S42，通过位移组件82将相邻集成管片40的第一接电接口43插入到第二接电接口44中，使第一接电接口43的第一接电件432与第二接电接口44的第二接电件442相接触。具体地，通过抓取组件81的真空吸盘811吸住将集成管片40，并通过位移组件82和延伸臂812将集成管片40运行至上一集成管片40中，将集成管片40的第一接电接口43和第二接电接口44连接后，装订螺栓，完成集成管片40的安装，然后再次通过真空吸盘811抓取集拼装管片50，重复上述的装配步骤即可。这样的装配过程精确稳定，并且利用了掘进机开挖时候的作用空间和时间，提高了施工的效率。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种集成磁悬浮轨道的拼装式盾构管片组件，其特征在于，包括：

集成管片（40），所述集成管片（40）设置有磁悬浮轨道结构（41）和温度维持结构（42），所述磁悬浮轨道结构（41）固定设置于所述集成管片（40）的内部，且所述磁悬浮轨道结构（41）的设置方向与所述集成管片（40）的轴线方向平行，所述温度维持结构（42）的输出端与所述磁悬浮轨道结构（41）连通，沿所述磁悬浮轨道结构（41）的设置方向，所述集成管片（40）的两端分别设置有第一接电接口（43）和第二接电接口（44），相邻所述集成管片（40）可拆卸地连接，且所述第一接电接口（43）和相邻所述集成管片（40）的第二接电接口（44）电性连接；

拼装管片（50），所述拼装管片（50）可拆卸地连接在所述集成管片（40）平行于所述集成管片（40）的轴线设置的两侧；所述磁悬浮轨道结构（41）包括浮动线圈组（411）和限位线圈组（412），所述浮动线圈组（411）用于提供车体的浮力，所述限位线圈组（412）用于限制所述车体的周向自由度；

所述磁悬浮轨道结构（41）包括沿平行于所述集成管片（40）的轴线方向延伸的第一轨道（413）和第二轨道（414），所述浮动线圈组（411）包括第一浮动线圈（4111）和两个第二浮动线圈（4112），所述第一浮动线圈（4111）设置于所述第一轨道（413）和所述第二轨道（414）之间的平面上，两个所述第二浮动线圈（4112）分别设置在所述第一轨道（413）和所述第二轨道（414）靠近轴线方向的平面上；

所述磁悬浮轨道结构（41）包括驱动线圈组（416），所述驱动线圈组（416）设置在所述第一轨道（413）和所述第二轨道（414）之间；

所述驱动线圈组（416）包括第一驱动线圈（4161）和第二驱动线圈（4162），所述第一驱动线圈（4161）设置于所述第一轨道（413）面向所述第二轨道（414）的一侧，所述第二驱动线圈（4162）设置于所述第二轨道（414）面向所述第一轨道（413）的一侧；

所述浮动线圈组（411）、所述限位线圈组（412）和所述驱动线圈组（416）均采用超导材料制成；

所述集成管片（40）包括管片主体（45）和管片盖体（46），所述管片盖体（46）与所述管片主体（45）固定连接，所述管片盖体（46）分别与所述第一轨道（413）和所述第二轨道（414）间隙配合，所述管片盖体（46）与所述管片主体（45）之间形成冷却腔。

2.根据权利要求1所述的集成磁悬浮轨道的拼装式盾构管片组件，其特征在于，所述限位线圈组（412）包括第一限位线圈（4121）和第二限位线圈（4122），所述第一限位线圈（4121）设置于所述第一轨道（413）面向所述第二轨道（414）的一侧，所述第二限位线圈（4122）设置于所述第二轨道（414）面向所述第一轨道（413）的一侧。

3.根据权利要求1所述的集成磁悬浮轨道的拼装式盾构管片组件，其特征在于，所述温度维持结构（42）包括输送泵体（421）和冷媒存储罐（422），所述输送泵体（421）的输出端与所述冷却腔连通。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的集成磁悬浮轨道的拼装式盾构管片组件，其特征在于，所述第一接电接口（43）为凸块，所述凸块沿远离所述集成管片（40）的方向延伸，所述第二接电接口（44）为凹槽，所述凹槽与所述凸块相适配。