CN202391431U - 一种适用于复合地层的硬岩复合式tbm - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种适用于复合地层的硬岩复合式TBM，包括位于盾体最前面的刀盘，与刀盘连接的前盾，以及与前盾连接的中盾，与中盾连接的尾盾，其特征在于：所述的刀盘为复合式刀盘，包括刀盘钢结构，在刀盘钢结构上焊接有耐磨面板以及保径刀及位于保径刀旁边的刀盘外围耐磨块，耐磨面板上设置有滚刀、边刮刀和刮刀，滚刀周围设置有滚刀保护块，满足刀盘双向旋转开挖的边刮刀和刮刀；刀盘背部设置有前盾搅拌棒，刀盘前部和后部布置有渣土改良端端口。本设备设备具有很强的地质适应性，尤其适用于市政地铁软、硬复杂地层施工，同时施工干扰小、控制方便，整机造价较硬岩掘进机大幅度降低。

Description

一种适用于复合地层的硬岩复合式TBM

技术领域

技术领域本实用新型属于盾构及TBM工程技术领域，主要涉及一种隧道施工工程机械，具体为一种既适用于软土、软岩、硬岩等单一地层，同时适用于软硬交替地层、过渡地层的硬岩复合式TBM施工装备。 

背景技术

在具有世界地质博物馆之称的中国，地层工程、水文地质复杂，对于许多地下市政工程，施工区间以一种地质为主，同时存在其他地层及复杂地层的地质。盾构应用技术大致可以分为三种地层，以上海、郑州为主要代表的软弱地层；以北京、广州为主要代表的沙层、砂卵石地层及风化岩等软硬不均地层；以重庆、青岛、大连为代表的砂岩、板岩、花岗岩等硬岩地层。盾构及TBM对工程施工具有快速、优质、安全、经济、环保等诸多突出优点，是隧道建设中首选施工设备。EPB盾构在城市地铁软土及砂卵石地质中施工优势明显，造价低，但设备对硬岩地质不能适应。TBM在地质单一的硬岩地层中掘进效率占居优势，但设备总长过长，工筹难度大，造价昂贵、特别应用于城市地铁优势难以充分发挥。TBM通用缺点为遇到不良地质或软、硬岩交替地层，施工难度及风险急剧增大。 

针对国内市政地下工程地质中软土、软岩、软硬不均地层工程地质工况，这种只具有相对单一地层适应性的EPB盾构及TBM已不能满足复杂地层施工要求。 

如何利用性价比最优的隧道掘进机完成复杂地质工程项目建设的问题亟待解决，提供一种既能在软弱地层或围岩较差地层中掘进又兼具有硬岩掘进机性能的隧道施工装备，在地层地质变化时切换掘进模式，使一台设备具有软土、软岩、硬岩及交替地层广泛的地质适应性，同时对配套施工干扰小，降低工程风险，是隧道掘进机设计及施工中的一大难题，也是制约隧道掘进机使用范围的重要原因。 

发明内容

为了克服上述现有技术中的不足，本实用新型公开了一种既能适用于软土、软岩、硬岩等单一地层，同时兼具有适用于软硬交替地层、过渡地层具体为具体为淤、粘、粉、砂、卵砾、风化岩地层的硬岩盾构施工装备，具体为一种适用于复合地层的硬岩复合式TBM，本设备可以实现两种掘进模式：土压平衡掘进模式和敞开掘进模式。设备具有很强的地质适应性，尤其适用于市政地铁软、硬复杂地层施工，同时整机造价低廉，对配套施工干扰小、控制方便，设备造价低廉、经济实用。 

本实用新型的目的是这样实现的： 

一种适用于复合地层的硬岩复合式TBM，包括位于盾体最前面的刀盘1，与刀盘1连接的前盾2，以及与前盾2连接的中盾6，与中盾6连接的尾盾8，其特征在于：所述的刀盘1为复合式刀盘，包括刀盘钢结构20，在刀盘钢结构20上焊接有耐磨面板21以及保径刀24及位于保径刀24旁边的刀盘外围耐磨块25，耐磨面板21上设置有滚刀22、边刮刀23和刮刀28，滚刀22周围设置有滚刀保护块27，满足刀盘双向旋转开挖的边刮刀23和刮刀28；刀盘背部设置有前盾搅拌棒33，刀盘1前部和后部布置有渣土改良端端口，所述的渣土改良端端口为刀盘泡沫口(26)、膨润土口(29)、喷水口(36)； 

前盾2的前盾壳体30上设置有位于左上方与右上方的稳定器3，以及位于左下方与右下方的两组共计四个前盾摆动缸31；与前盾壳体30连接的隔板上还设置有超前注浆口、螺旋机前闸门32、膨润土34、超前钻机预留口35、喷水口36、泡沫口37、有工业空气口38、土压传感器39、前盾搅拌棒33，前盾搅拌棒33上加焊条网状耐磨焊条； 

中盾6的中盾壳体40内布置有推进油缸41，在推进油缸41的连接处间设置 有超前注浆管42，以及位于左下方与右下方的两组共计四个的中盾摆动缸15； 

所述的前盾1为锥形状，并在前部与刀盘1之间焊有切口耐磨层19； 

所述尾盾8内还设置有管片拼装机10，以及与管片拼装机10连接的超前钻机9； 

积极有益效果：本实用新型所述的硬岩盾构，又称复合式TBM，是以传统的硬岩掘进机(TBM)为基础，吸取了土压平衡盾构的原理及优点的一种掘进机，适应于软土、硬岩、及软硬交替地层，具体为淤、粘、粉、砂、卵砾、风化岩地层的隧道施工工程机械。在软弱地层掘进时对控制掌子面稳定，地表沉降和保证施工安全时十分有利。硬岩盾构可根据地质及埋深情况采用开敞式、土压平衡模式两种模式互换施工，能同时适用于软土、软岩、硬岩、过渡地层及交替地的地下工程施工设备。本实用新型克服了传统土压平衡盾构硬岩地层使用受限及TBM在软土地层中不能使用等缺点，兼顾了硬岩、软土两种掘进模式的优点，集硬岩掘进机技术与软土盾构技术于一体硬岩盾构，既具有硬岩快速掘进功能，又具有开挖面平衡功能，使土压平衡盾构技术与TBM相互渗透、相互融合，拓展了设备的地质适应范围，使单台隧道掘进设备具有更广泛的地质适应性，适用于国内绝大多数市政地下工程施工。设备对配套施工干扰小，能有效降低施工风险，有同时设备造价低廉，控制方便，经济实用。 

附图说明：

图1为本实用新型的主机结构示意图； 

图2为是本实用新型的刀盘结构示意图； 

图3为本实用新型的主机前盾结构示意图； 

图4为本实用新型的中盾结构示意图； 

图中为：刀盘1；前盾2；稳定器3；驱动系统4；保压人仓系统5；中 盾6；推进系统7；尾盾8；超前钻机9；管片拼装机10；管片11；螺旋输送机12；皮带输送机13；铰接油缸14；中盾摆动缸15；螺旋机前部筒体16；耐磨合金块17；中心回转接头18；切口耐磨层19；刀盘钢结构20；耐磨面板21；滚刀22；边刮刀23；保径刀24；刀盘外围耐磨块25；刀盘泡沫口26；滚刀保护块27；刮刀28；膨润土口29；前盾壳体30；前盾摆动缸31；螺机前闸门32；前盾搅拌棒33；膨润土口34；超前钻机预留口35；喷水口36；泡沫口37；工业空气口38；土压传感器39；中盾壳体40；推进油缸41；超前注浆管42；米字梁43。 

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作进一步的说明： 

如图1、图2所示，一种适用于复合地层的硬岩复合式TBM，包括位于盾体最前面的刀盘1，与刀盘1连接的前盾2，以及与前盾2连接的中盾6，与中盾6连接的尾盾8，其特征在于：所述的刀盘1为复合式刀盘，包括刀盘钢结构20，在刀盘钢结构20上焊接有耐磨面板21以及保径刀24及位于保径刀24旁边的刀盘外围耐磨块25，耐磨面板21上设置有滚刀22、边刮刀23和刮刀28，滚刀22周围设置有有滚刀保护块27，满足刀盘双向旋转开挖的边刮刀23和刮刀28；刀盘1背部设置有前盾搅拌棒33，刀盘1前部和后部布置有渣土改良端端口，所述的渣土改良端端口为刀盘泡沫口26、膨润土口29、喷水口36； 

如图3所示，前盾2的前盾壳体30上设置有位于左上方与右上方的稳定器3，稳定器3具有在硬岩地质条件下均进具有吸收主机振动作用，在换刀时具有防振及稳定盾体功能；以及位于左下方与右下方的两组共计四个前盾摆动缸31；与前盾壳体30连接的隔板上还设置超前注浆口、螺旋机前闸门32、膨润土34、超前钻机预留口35、喷水口36、泡沫口37、有工业空气口38、土压传感器39、前盾 搅拌棒33，前盾搅拌棒33上加焊条网状耐磨焊条；起到强制搅拌渣土和改良材料，增加渣土流动性，便于出渣；前盾2隔板上同时布置有膨润土34、喷水口36、泡沫口37、有工业空气口38，必要时起到改良渣土作用；前盾周围预留有超前注浆口，在硬岩地层中遇到破碎围岩时，可在管片拼装机10部位设置超前钻机9，进行超前地质注浆加固作业；前盾隔板上预留有平行与隧道中轴线方向上的超前钻机预留口35，必要时可进行超前地质勘测； 

如图1所示，前盾2内还设置与刀盘1连接的驱动系统4、中心回转接头18，中心回转接头18上设置有各自独立的膨润土及泡沫通道，中心回转接头18与前盾2内的土压仓连接，土压仓与中盾6内的保压人仓系统5连接； 

如图4所示，中盾6的中盾壳体40内布置有推进油缸41，在推进油缸41的连接处间设置有超前注浆管42，以及位于左下方与右下方的两组共计四个的中盾摆动缸15，跟前盾摆动缸31一起其功能是通过盾体带动刀盘1摆动获得边刀的更换空间，同时也可以在硬岩地质中掘进时辅助主机转向和纠偏功能。 

如图1所示，所述的前盾1为锥形状，并在前部与刀盘1之间焊有切口耐磨层19，增加耐磨性。 

所述的在前盾2、中盾6、尾盾8组成的盾体内还设置有推进系统7，以及与前盾土压仓连接的螺旋输送机12，以及与螺旋输送机12连接的皮带输送机13。 

所述的中盾6与尾盾8间设置有铰接油缸14，尾盾8内还设置有管片拼装机10，以及与管片拼装机10连接的超前钻机9。 

所述的螺旋输送机12为轴式输送机，可适应经改良后软土及硬岩渣土输送，焊接在轴上的叶片在筒体内形成半封闭结构利于输送松散碴土，叶片轴前部镶焊复合耐磨合金块17，并在复合耐磨合金块17上再堆焊耐磨焊条；螺旋输送机12设置有底部滑块导向装置，补焊修复时拆除螺旋机前部筒体16与前盾的联结法兰 螺栓，借助人工道链吊拽螺旋机沿滑块装置抽出，在主机内对叶片轴及前部筒体进行补焊耐磨层。 

本实用新型所述主机具有岩石切削和软土开挖双重功能，在软土地层EPB掘进模式下能够保证开挖面稳定、平衡水土压力、最大限度减小地表沉降。在硬岩TBM掘进模式下设备具有足够的推力及扭矩保证顺利掘进及渣土输送。 

本实用新型所述的驱动系统为加强型主驱动，满足硬岩掘进低贯入度，高转速，大功率掘进要求及刀盘脱困所需扭矩；  本实用新型在管片拼装机部位布置超前钻机9，具有在敞开式掘进模式穿越不稳定围岩地层时通过中盾6上的超前注浆管42，进行超前地质钻孔，起到超前注浆地质加固作用，有效降低工程风险。 

本设备可根据地质特点及埋深情况，可分为两种掘进模式进行施工：土压平衡掘进模式与敞开掘进模式： 

如图1所示，两种模式掘进共有特征为：掘进过程中，以前盾2、中盾6作为驱动系统4及复合式刀盘1的支撑，由推进系统7为整机掘进提供推力，并由驱动系统4带动复合式刀盘1回转开挖掘进；能适应复合式刀盘1的中心回转接头18，设置有各自独立的膨润土及泡沫通道，可同时向刀盘前面注入膨润土和泡沫，在第一空间内对切削的碴土进行搅拌获得较好的混合效果；经过改良的渣土通过复合式刀盘1进入前盾2土压仓，在通过螺旋输送机12输送至皮带输送机13，然后经皮带输送机13输送至后配套拖车，然后由编组列车或者连续皮带机运出洞外。主机由推经系统7协调控制提供推进力向前推进，并通过多组铰接油缸14拖拉尾盾8向前掘进；同时，管片拼装机10拼装管片11循环向前掘进，由预先铺设的管片11为掘进提供反力，伴随管片背衬的同步注浆加固，推进系统7循环换步向前推进，最终形成由环形管片衬砌的隧道。 

土压平衡掘进模式： 

当掘进地质为淤、粘、粉、砂等软土、砾卵石复杂地层时，采用土压平衡模式掘进。盾构在推进系统7向前推进掘进的过程中，复合式刀盘1开挖下来的渣土充满前盾2土压仓，同时控制螺旋输送机12的出渣速率，必要时通过前盾2隔板上的工业空气口38使土压仓内保持一定气压，最终达到土仓内的渣土产生的土压力及空气压力平衡刀盘掌子面水土压力，防止掌子面坍塌，涌水，最大限度的控制地表沉降，达到安全施工的目的。在此中掘进模式下，稳定器3、前盾摆动缸31、中盾摆动缸15收回不予工作，超前钻机9可暂不安装。前盾2切口耐磨层19可增强此处耐磨性。土压平衡模式掘进必要建立部分气压时利用设置在前盾2隔板上的工业空气口38建立部分气压，与土压一起平衡掌子面水土压力。在进行保压检修需要进入土仓时，通过保压人仓系统5作为进入土仓过渡空间，为作业人员安全提供保障。 

敞开式掘进模式： 

当掘进地层为砂岩，泥岩、板岩等自稳性良好的硬质岩层或者一个区间地层变化为硬岩地层时，刀盘掌子面稳定，采用敞开掘进模式。由推进系统7提供推力，由驱动系统4带动复合式刀盘1切削掌子面岩土，掉落下来的岩土进入前盾2土仓，经螺旋输送机12排出。 

敞开掘进模式中复合式刀盘1，包括刀盘钢结构20，刀盘结构强度能满足硬岩掘进强度要求，其上焊接有耐磨面板21，适应硬岩掘进要求的滚刀22，滚刀22周围有刀具保护快27，满足刀盘双向旋转开挖有求边刮刀23和刮刀28，刀具在磨损时或者在不同地层施工时可以更换。边刮刀23形成的刮渣斗进碴口板具有较宽的宽度，能够将进入开口的碴土全部带走，其作用相当于硬岩TBM刀盘的溜碴板，将碴土带到上部后直接落到螺机叶片处输出。刀盘背部设置有主动搅拌棒， 刀盘前部和后部布置有渣土改良端端口，如泡沫口26、膨润土口29，可改善渣土流动性，便于出渣、防止渣土粘结，降低土仓面板及后续渣土输送装置螺旋输送机的磨损等多种功能。复合式刀盘1上布置的喷水口可在滚刀破碎围岩时降低岩面温度，减小刀具过快磨损作用，降低刀具结泥饼的概率。这一系列措施都可以改善刀具适应掌子面的能力，改良渣土等功能，保证刀盘能适应不同地质地层掘进要求。 

敞开模式掘进过程中布置在前盾2左上、右上的油缸伸靴式稳定器3，掘进时伸出支撑在径向开挖面上随主机向前移动。稳定器3与盾体底部与开挖面的接触点一起形成三角形支撑结构，伸靴的油缸可以吸收主机传来的振动，对刀盘振动形成半刚性约束，可有效减少刀盘的振动及噪音。同时由于增加了约束点，增大了盾体与开挖面的摩擦力以获得较大的反扭矩，减少盾体由于刀盘1扭矩引起的滚转速率。如遇盾体发生滚转时，刀盘1可向相反方向旋转开挖掘进，使盾体逐步回到正常位置。 

敞开式掘进模式可以使用主机辅助调向及纠偏装置。具体为在前盾2左下、右下梁方位布置两组共四个摆动缸31，与中盾6中下部设置的两组共4个中盾摆动缸15，为主机摆动提供支撑点及摆动力，每组伸靴可提供260t的支撑及摆动力，其功能是通过盾体带动复合式刀盘1摆动获得边刀的更换空间。同时也可以在必要时协助主机的转向与纠偏。 

在敞开式掘进中为了防止卡盾在尾盾8壳体外设置膨润土注入系统，在掘进过程中起到润滑尾盾与岩土作用，可减少大约600-1000T的推阻力，降低尾盾被卡风险。 

敞开掘进模式中如遇到破碎围岩，需要超前地质加固时，可临时在管片拼装机10部位布置超前钻机9，具有在穿越不稳定围岩地层时进行超前地质钻孔，超 前注浆地质加固作用，有效降低工程施工风险。在需要进行超前地质勘测时利用布置在前盾2隔板上的超前钻机预留口35进行平行与隧道中轴线方向地质勘测。 

本实用新型所述的硬岩盾构，又称复合式TBM，是以传统的硬岩掘进机(TBM)为基础，吸取了土压平衡盾构的原理及优点的一种掘进机，适应于软土、硬岩、及软硬交替地层，具体为淤、粘、粉、砂、卵砾、风化岩地层的隧道施工工程机械。在软弱地层掘进时对控制掌子面稳定，地表沉降和保证施工安全时十分有利。硬岩盾构可根据地质及埋深情况采用开敞式、土压平衡模式两种模式互换施工，能同时适用于软土、软岩、硬岩、过渡地层及交替地的地下工程施工设备。本实用新型克服了传统土压平衡盾构硬岩地层使用受限及TBM在软土地层中不能使用等缺点，兼顾了硬岩、软土两种掘进模式的优点，集硬岩掘进机技术与软土盾构技术于一体硬岩盾构，既具有硬岩快速掘进功能，又具有开挖面平衡功能，使土压平衡盾构技术与TBM相互渗透、相互融合，拓展了设备的地质适应范围，使单台隧道掘进设备具有更广泛的地质适应性，适用于国内绝大多数市政地下工程施工。设备对配套施工干扰小，能有效降低施工风险，有同时设备造价低廉，控制方便，经济实用。 

以上实施例仅用于说明本实用新型的优选实施方式，但本实用新型并不限于上述实施方式，在所述领域普通技术人员所具备的知识范围内，本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替代和改进等，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围之内。

Claims (6)

1.一种适用于复合地层的硬岩复合式TBM，包括位于盾体最前面的刀盘(1)，与刀盘(1)连接的前盾(2)，以及与前盾(2)连接的中盾(6)，与中盾(6)连接的尾盾(8)，其特征在于：所述的刀盘(1)为复合式刀盘，包括刀盘钢结构(20)，在刀盘钢结构(20)上焊接有耐磨面板(21)以及保径刀(24)及位于保径刀(24)旁边的刀盘外围耐磨块(25)，耐磨面板(21)上设置有滚刀(22)、边刮刀(23)和刮刀(28)，滚刀(22)周围设置有滚刀保护块(27)，满足刀盘双向旋转开挖的边刮刀(23)和刮刀(28)；刀盘(1)背部设置有前盾搅拌棒(33)，刀盘(1)前部和后部布置有渣土改良端端口。

2.根据权利要求1所述的一种适用于复合地层的硬岩复合式TBM，其特征在于：所述的渣土改良端端口为刀盘泡沫口(26)、膨润土口(29)、喷水口(36)。

3.根据权利要求1所述的一种适用于复合地层的硬岩复合式TBM，其特征在于：所述的前盾(2)的前盾壳体(30)上设置有位于左上方与右上方的稳定器(3)，以及位于左下方与右下方的两组共计四个前盾摆动缸(31)；与前盾壳体(30)连接的隔板上还设置有超前注浆口、螺旋机前闸门(32)、膨润土(34)、超前钻机预留口(35)、喷水口(36)、泡沫口(37)、有工业空气口(38)、土压传感器(39)、前盾搅拌棒(33)，前盾搅拌棒(33)上加焊条网状耐磨焊条。

4.根据权利要求1所述的一种适用于复合地层的硬岩复合式TBM，其特征在于：所述的中盾(6)的中盾壳体(40)内布置有推进油缸(41)，在推进油缸(41)的连接处间设置有超前注浆管(42)，以及位于左下方与右下方的两组共计四个的中盾摆动缸(15)。

5.根据权利要求1所述的一种适用于复合地层的硬岩复合式TBM，其特征在于：所述的前盾(1)为锥形状，并在前部与刀盘1之间焊有切口耐磨层(19)。

6.根据权利要求1所述的一种适用于复合地层的硬岩复合式TBM，其特征 在于：所述尾盾(8)内还设置有管片拼装机(10)，以及与管片拼装机(10)连接的超前钻机(9)。

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