CN1327120A - 隧道挖掘机及挖掘方法 - Google Patents

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Abstract

一种高速构建型的隧道挖掘机以及相应的挖掘方法,包括:圆柱形挖掘机主要部分1,带有可旋转地安装的刀具头4并通过密封件23安装到现有分段S的外周;圆柱形挖掘机辅助部分2,在前后方向上可运动地安装在主要部分1内部,带有组装覆盖件的安装器25;多个主推进千斤顶20,装在主要部分1与辅助部分2之间;多个辅助推进千斤顶22,装在辅助部分2上。在挖掘机主要部分1进行推进和挖掘时,借助安装器25进行覆盖件的组装。

Description

隧道挖掘机及挖掘方法
本发明涉及一种挖掘和形成地下隧道的隧道挖掘机及其挖掘方法。
近来，在挖掘和形成隧道时，人们强烈要求缩短隧道的构建周期，于是用隧道挖掘机来进行高速构建成为重要的课题。
为此，在诸如盾构挖掘机(shield excavating)的挖掘机主体推进一个行程而进行掘进之后，挖掘暂时中断并随后组装覆盖件。在组装后，通过再向覆盖件施加推动反力，挖掘机被推进。已经开发了各种能够在挖掘机主体的推进和挖掘下组装覆盖件的挖掘机来替代这种普通类型的隧道挖掘机。
例如，如下的隧道挖掘机是公知的：其主体分为前圆柱和后圆柱，它们可伸缩地相互安装(套管式的)，在通过相对于后圆柱推进前圆柱而掘进时，将分段在后圆柱同时组装。
此外，另一种公知的隧道挖掘机带有很长(两个冲程长)的盾构千斤顶，当一个冲程的掘进完成时开始组装各分段，同时进行剩余冲程的掘进。
然而，在前一种挖掘机中，当挖掘施加有土壤压力和水压的土地时，在前圆柱和后圆柱的伸缩部分(安装部分)阻水是必不可少的，因而设置了密封机构。然而，因为沙土伴随伸缩运动进入伸缩部分，存在着密封机构很容易被破坏的问题。
此外，在后一种隧道挖掘机中，因为组装各分段的安装器随着挖掘机主体移动，其相对于现有的分段运动。因此，存在另一个问题，即各分段的定位也很困难。
本发明旨在解决上述问题，本发明的目的在于提供一种高速构建类型的隧道挖掘机，以及一种发掘方法，可以完全阻挡水的入侵，并且使覆盖件易于组装。
为实现上述目的，本发明的隧道挖掘机包括：圆柱形挖掘机主要部分，其带有可旋转地安装于其前部的刀具头，主要部分通过密封件安装到覆盖件的外周；圆柱形挖掘机辅助部分，在前后方向上可运动地安装在挖掘机主要部分的内部，并带有组装覆盖件的安装器；多个主推进千斤顶，设置在挖掘机主要部分与挖掘机辅助部分之间；多个辅助推进千斤顶，安装在挖掘机辅助部分上，并能够相对于覆盖件伸缩，其中覆盖件的组装可以在挖掘机主要部分的推进和挖掘下进行。
本发明的另一特征在于，多个辅助推进千斤顶通过各可伸缩选择阀分别与具有相同容量的分立液压源相连。
本发明的又一特征在于，多个辅助推进千斤顶被控制成：在伸长运动时，多个辅助推进千斤顶被成组控制，而在收缩时，各辅助推进千斤顶被单独控制。
此外，本发明还提供了一种隧道挖掘方法，其中在用隧道挖掘机挖掘和形成隧道时，实现第一步，使主推进千斤顶从主推进千斤顶和辅助千斤顶都收缩的初始位置伸长，以推进挖掘机的主要部分；第二步，使主推进千斤顶收缩同时使辅助推进千斤顶伸长，以推进挖掘机辅助部分；第三步，使主推进千斤顶伸长以推进挖掘机主要部分，同时依次部分地收缩辅助推进千斤顶，从而以安装器组装覆盖件，而后重复第二和第三步骤。
下面参照附图详细描述本发明。附图中：
图1为本发明一实施例的作为隧道挖掘机的土地压力型盾构挖掘机的侧视剖视图；
图2为同一实施例的前视图；
图3为沿图1中III-III线截取的剖视图；
图4为挖掘过程的示意图；
图5为挖掘过程的示意图；
图6为挖掘过程的示意图；
图7为挖掘过程的示意图；
图8为辅助推进千斤顶的简要液压线路示意图；
图9为在辅助推进千斤顶中推进产生的示意图；
图10为传统盾构千斤顶的简要液压线路示意图；
图11为在同一盾构千斤顶中推进产生的示意图。
下面将参照附图详细描述本发明隧道挖掘机和挖掘方法的实施例。
图1为本发明一实施例的作为隧道挖掘机的土压型(earth pressure type)盾构挖掘机的侧视剖视图；图2为同一实施例的前视图；图3为沿图1中III-III线截取的剖视图；图4-7为挖掘过程的示意图；图8为辅助推进千斤顶的简要液压线路示意图；图9为在辅助推进千斤顶中关于推进的产生的示意图。
如图1和2所示，该实施例的土压型盾构挖掘机的主体包括圆柱形的挖掘机主要部分1，和结合在主要部分1中并在前后方向可动的圆柱形挖掘机辅助部分2，上述这些部分以双圆柱的形式形成。挖掘机的主要部分在前后方向上被分成前挖掘机主要部分1a和后挖掘机主要部分1b。
刀具头4通过轴承等可旋转地安装在前述挖掘机主要部分1a的隔壁室(大头)3上。刀具辐杆5径向固定在刀具头4、多个刀具刀头6和滚刀(rollercutter)7的前表面。合适数量的复制刀具9安装成可以在刀具头4的直径方向借助于液压千斤顶8伸长或收缩(出现)。齿圈(ring gear)10固定在刀具头4的后部。
在另一方面，刀具旋转电机11作为刀具驱动机构安装到前述隔室壁3，使得该刀具旋转电机11的驱动齿轮12与前述齿圈10啮合。因此，如果刀具旋转电机11启动而转动启动齿轮12，则刀具头4通过齿圈10而被转动。旋转接头13安装在隔室壁3的中心，从而加压油从液压源(未示出)通过旋转接头13供应到前述复制刀具9的液压千斤顶8并被排出。合适数量的可折叠的千斤顶15设置在隔室壁3的外周部分和位于后挖掘机主要部分1b前的环形加强部分14之间。
螺旋输送器16穿过在前挖掘机主要部分1a和后挖掘机主要部分1b中的挖掘机辅助部分2设置，使得刀具头挖掘的沙土可以排到隧道的后部。即，螺旋输送器16的前端部(抽取口)穿过隔室壁3的底部并在刀具头4和隔室壁3之间形成的腔室17中开口。设置在后底部的排放口(由门19打开或关闭，用于驱动千斤顶18)与位于隧道中长度方向的带传送带(未示出)相对。该螺旋输送器16具有螺旋叶片16c并带有倾斜的圆柱形管16a，圆柱形管16a随着向后延伸而抬起，这样螺旋叶片由驱动电机16b转动。
如图3所示，多个主推进千斤顶20设置在后挖掘机主要部分1b的环形加强部分14和挖掘机辅助部分2的内周之间，从而这些千斤顶在圆周方向以预定的间隔隔开。多个辅助千斤顶22能够相对于构造(组装)在隧道的内圆周面作为覆盖件的分段S伸长或收缩，辅助千斤顶设置在挖掘机辅助部分2的外圆周部分上，从而这些千斤顶在圆周方向以预定的间隔隔开。
后挖掘机主要部分1b的后端通过密封件23安装到现有分段S的外周。支撑件24组装在挖掘机辅助部分2的后部，随后用于组装上述分段S的安装器25和用于保持组装的分段S的圆度的分段调节器26安装在该支撑件24上。
如图8所示，用于上述多个辅助推进千斤顶22的液压回路采用了使用多联泵(multi-link pump)来控制推进速度的液压回路(可以采用多口型液压泵)。
每一个上述辅助推进千斤顶22通过各可收缩选择阀30和各单向阀32分别连接到各液压泵31，各液压泵31具有相同容量，选择阀30包括伸长侧出口30a，中间出口30b和收缩侧出口30c。各液压泵31的排放量(dischargeamount)由控制器(未示出)控制，使得各辅助推进千斤顶22在挖掘机前进时根据负荷产生推进力(见图9)。在图8中，标号33表示过滤器，标号34表示设定初始压力的泄压阀，标号35表示防止千斤顶受损的泄压阀。
下面参照图4-7描述采用上述土压型盾构挖掘机的挖掘方法。
首先，在所有主推进千斤顶20和辅助推进千斤顶22都收缩的初始位置，刀具旋转电机11启动而转动刀具头4(见图4)。
接着，所有的主推进千斤顶20从上述状态伸长而推进(送进)挖掘机主要部分1一个冲程(见图1的第一步骤)。此时，现有的分段S通过挖掘机辅助部分2受到推进反作用力。通过该推进，安装在刀具头4上的多个刀具刀头6和滚刀7挖掘前面的土石。挖掘出的沙土借助于螺旋传送器16等从腔室17排到外部。
其次，在刀具头4的转动被停下(根据情况，刀具头也可能不停下)、并使所有主推进千斤顶20收缩时，所有辅助推进千斤顶22伸长而推进挖掘机辅助部分2一个冲程，用于复位(图6所示的第二步骤)。此时，现有的分段S受到推进反作用力。因此，主推进千斤顶处于完全收缩的状态，以备推进，同时所有辅助推进千斤顶22完全伸长以便能够组装各分段。
再次，在刀具头4转动时，所有主推进千斤顶20伸长进而挖掘机主要部分1被推进，同时辅助推进千斤顶22依次(in successively)部分收缩以便用安装器25、分段调节器26组装各分段并维持其圆度(见图7所示第三步骤)。
接着重复第二步骤和第三步骤以便挖掘和形成预定长度的隧道。
在土压型盾构挖掘机的该实施例中，在第三步骤，分段S可以在挖掘机主要部分1进行推进和挖掘的情况下组装，允许在分段S的组装过程中不停下挖掘机主体，而不象传统的普通盾构挖掘机，从而可以实现高速构建。
另一方面，在该实施例挖掘机的前部和后部中间存的收缩运动不与传统的高速构建型挖掘机相类似，于是完全可以阻止水进入并防止密封机构等的损坏。此外，由于在分段组装时安装器25/分段调节器26与现有分段S之间没有相对运动，分段S可以很容易地高精度组装。又，因为安装器25和分段调节器26设置在挖掘机的辅助部分2上，从而使得它们可以整体地移动，不仅安装器25和分段调节器26在挖掘机前进时不需要单独地推进，而且构造效率进一步提高，因而加速了上述的高速。
同时，采用该实施例的土压型盾构挖掘机的每星期挖掘量可以用下面的公式(1)来表示，采用传统普通盾构挖掘机每星期挖掘量可以用下面的公式(2)来表示。
L＝{W/(W/v＋tr)}×60/1000×Td×Dw×η……(1)
式中：
L：每星期的挖掘量    米/星期
W：分段宽度          毫米/圈
V：挖掘速度          毫米/分
tr：复位时间         分/圈
Td：每天工作时间     小时/天
Dw：每星期工作天数   天/星期
η：工作效率         ％
此处，
W：1500              毫米/圈
V：30                毫米/分
tr：10               分/圈
Td：24               小时/天
Dw：6                天/星期
η：64               ％
因此L：138米/星期
L＝{W/(W/v＋ts)}×60/1000×Td×Dw×η……(2)
式中：
L：每星期的挖掘量    米/星期
W：分段宽度          毫米/圈
V：挖掘速度           毫米/分
ts：分段组装时间      分/圈
Td：每天工作时间      小时/天
Dw：每星期工作天数    天/星期
η：有效性            ％
此处，
W：1500               毫米/圈
V：30                 毫米/分
ts：40                分/圈
Td：24                小时/天
Dw：6                 天/星期
η：64                ％
因此L：92米/星期
在该实施例的土压型盾构挖掘机中，忽略分段组装时间而只需要考虑取决于液压泵31的容量的复位时间，从而与传统普通盾构挖掘机相比可以获得高速的构建，
由于如上所述的原因，在上述多个辅助推进千斤顶22的液压回路和采用多级泵3l控制推进速度的液压回路中，当挖掘机推进时，液压泵3l的排放量受到控制而产生与辅助推进千斤顶22的负荷相对应的推进力(见图8和9)。
因此，在上述第三步骤中，辅助推进千斤顶22依次(successively)部分地(partially)收缩，从而当采用安装器25组装个分段S时，转动力矩的产生受到抑制，从而避免挖掘机等的弯曲。
例如，如果如图10中的传统盾构挖掘机液压回路示意图中所示出的，辅助推进千斤顶22经过每个可收缩选择阀30连接到单一一个液压泵31，则由于使用了同一个液压源，每个辅助推进千斤顶22的推进力是相等的，正如图11所示。
因此，如果各辅助推进千斤顶22在上述分段组装时或类似时刻借助于可伸缩选择阀30和预定的千斤顶选择阀36局部地收缩，如图11所示，旋转力矩会施加到挖掘机上而使得在挖掘机中产生弯曲。在图10中，相同的标号标在与图8相似的元件上，故省去其描述。
根据该实施例，在辅助推进千斤顶22中，在伸长运动时，多件千斤顶作为一组控制，而在收缩时，各件单独控制。因此，辅助推进千斤顶22可以根据组件的状态有效地收缩，并在推进同时，各辅助推进千斤顶22可以很容易形成沿着现有分段S的倾斜。
尽管根据该实施例，本发明的隧道挖掘机已经就土压型盾构挖掘机进行了描述，其也可以应用到泥水型挖掘机或隧道钻机上。当然本发明也可以在不脱离本发明要点的范围内进行各种改变。
如上所详细描述的，因为根据本发明第一方面的隧道挖掘机的特征包括：圆柱形挖掘机主要部分，该主要部分带有可旋转地安装于其前部的刀具头，且其通过密封件安装到覆盖件的外周；圆柱形挖掘机辅助部分，其安装在挖掘机主要部分的内部并在前后方向上可移动，并带有组装覆盖件的安装器；多个主推进千斤顶，设置在挖掘机的主要部分与辅助部分之间；多个辅助推进千斤顶，安装在挖掘机辅助部分上，并能够相对于覆盖件伸缩，其中覆盖件的组装可以在挖掘机主要部分的推进和挖掘下同时进行，所以可以提供高速构建型隧道挖掘机，其可以完全阻止水的入侵并使覆盖件易于组装。
因为根据本发明第二方面的隧道挖掘机的特征包括：多个辅助推进千斤顶通过各可伸缩选择阀分别与具有相同容量的分立液压源相连，除了本发明第一方面的操作和效果之外，还存在如下优点：即在覆盖件组装时或类似操作时可避免在辅助推进千斤顶局部收缩时挖掘机发生弯曲等。
根据本发明第三方面的隧道挖掘机的特征包括，多个辅助推进千斤顶被如下控制：在伸长运动时，多个辅助推进千斤顶被成组控制，而在收缩时，各辅助推进千斤顶被分立控制，因此除了本发明第二方面的相同操作和效果之外，还存在如下优点：辅助推进千斤顶可以根据覆盖件的组装状态有效地收缩，并且在推进时，可以使各辅助推进千斤顶很容易跟随覆盖件的倾斜。
根据本发明第四方面的隧道挖掘方法的特征，包括在用隧道挖掘机挖掘和形成隧道时，实现第一步，使主推进千斤顶从主推进千斤顶和辅助千斤顶都收缩的初始位置伸长，以推进挖掘机的主要部分；第二步，使辅助推进千斤顶伸长同时使主推进千斤顶收缩，以推进挖掘机辅助部分；第三步，使主推进千斤顶伸长以推进挖掘机主要部分，同时依次部分地收缩辅助推进千斤顶，从而以安装器组装覆盖件，而后重复第二和第三步骤，可以获得与本发明第一方面相同的操作和效果。

Claims (4)

1.一种隧道挖掘机，包括：圆柱形挖掘机主要部分，其带有可旋转地安装于其前部的刀具头，主要部分通过密封件安装到覆盖件的外周；圆柱形挖掘机辅助部分，其在前后方向上可运动地安装在挖掘机主要部分的内部，并带有用于组装所述覆盖件的安装器；多个主推进千斤顶，设置在挖掘机的主要部分与辅助部分之间；多个辅助推进千斤顶，安装在挖掘机辅助部分上，并能够相对于所述覆盖件伸缩，其中覆盖件的组装可以在挖掘机主要部分的推进和挖掘下进行。
2.如权利要求1所述的隧道挖掘机，其特征在于，多个辅助推进千斤顶通过各可伸缩选择阀分别与具有相同容量的分立液压源相连。
3.如权利要求2所述的隧道挖掘机，其特征在于，多个辅助推进千斤顶被控制成：在伸长运动时，多个辅助推进千斤顶被成组控制，而在收缩时，各辅助推进千斤顶被单独控制。
4.一种采用如权利要求1所述的隧道挖掘机挖掘和形成隧道的隧道挖掘方法，包括：第一步骤，主推进千斤顶从主推进千斤顶和辅助千斤顶都收缩的初始位置伸长，来推进挖掘机的主要部分；第二步骤，在使所述主推进千斤顶收缩的同时，使辅助推进千斤顶伸长，以推进挖掘机辅助部分；第三步骤，使主推进千斤顶伸长来推进挖掘机主要部分，同时依次部分地收缩辅助推进千斤顶，从而用设在挖掘机辅助部分中的安装器组装覆盖件，重复其中第二和第三步骤。
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