CN207999260U - 一种新型复合防卡单护盾tbm - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型复合防卡单护盾TBM，解决了现有技术中护盾式TBM卡机风险较高、安全系数低、盾体姿态不易调节的问题。本实用新型包括与控制系统相连接的刀盘、主驱动、前盾体和后盾体，所述前盾体包括上前盾和下前盾，后盾体包括上后盾和下后盾，上前盾和下前盾通过第一举升油缸相连接，上前盾通过第二举升油缸与主驱动相连接，下前盾通过第三举升油缸与主驱动相连接；上后盾和下后盾分别通过第四举升油缸、第五举升油缸及变径油缸相连接。本实用新型通过刀盘快速提升扩挖、盾体动态支护、主驱动调向、超前注浆等多种方式防止单护盾TBM在不良地层中卡机。同时可通过主驱动摆动实现盾体纠滚，从而实现单护盾TBM在硬岩地层中的使用。

Description

一种新型复合防卡单护盾TBM

技术领域

本实用新型涉及地下施工技术领域，特别是指一种新型复合防卡单护盾TBM。

背景技术

全断面硬岩隧道掘进机（Full Face Tunnel Boring Machine），简称TBM，主要应用于硬岩地层的开挖，在城市轨道交通、市政、引水隧洞、铁路、公路等领域具有广泛应用。TBM根据结构形式可分为敞开式TBM和护盾式TBM，其中敞开式TBM主要包括凯式（双X支撑）TBM和主梁式TBM，护盾式TBM主要包括双护盾TBM和单护盾TBM。

根据地质条件不同，敞开式TBM主要应用于岩石稳定性好、软弱围岩占比较低的隧道，护盾式TBM主要应用于软弱围岩占比较大的隧道。在软硬围岩交互地层中，通常选用双护盾TBM；在软弱围岩占比较高、岩石强度较低的地质条件下，通常选用单护盾TBM。

敞开式TBM主机较短，在主机后部布置多种支护设备和支护平台，主要包括钢拱架安装装置、锚杆钻机、喷浆系统等，因此在软弱围岩中的通过性较好。然而在软弱围岩大变形底层、断层破碎带、高地应力等不良地层中，由于人工作业区域缺少防护，因此安全性较低。

护盾式TBM整个主机处在盾体防护之中，且后配套区域采用管片拼装衬砌，因此安全性较高。但是与敞开式TBM相比，护盾式TBM主机较长，在大变形、断裂破碎带地层中卡机风险增加。

在软弱围岩占比较高的地层中掘进时，单护盾TBM通常通过刀盘双向旋转的方式调整盾体姿态。但是在硬岩地层中刀盘单向旋转的特点使得单护盾TBM盾体滚转无法有效解决，因此限制了其使用范围。

实用新型内容

针对上述背景技术中的不足，本实用新型提出一种新型复合防卡单护盾TBM及其施工方法，解决了现有技术中护盾式TBM在大变形、断裂破碎带地层中卡机风险较高、安全系数低、盾体姿态不易调节的问题。

本实用新型的技术方案是这样实现的：一种新型复合防卡单护盾TBM，包括刀盘、主驱动、前盾体和后盾体，主驱动设置在前盾体和后盾体的内部，刀盘安装在前盾体的前部，后盾体安装在前盾体的后部，所述前盾体包括上前盾和下前盾，后盾体包括上后盾和下后盾，上前盾和下前盾通过第一举升油缸相连接，上前盾通过第二举升油缸与主驱动相连接，下前盾通过第三举升油缸与主驱动相连接；上后盾和下后盾分别通过第四举升油缸、第五举升油缸及变径油缸相连接；下后盾的前端通过铰接油缸与主驱动相连接，下后盾的后端通过复合油缸与主驱动相连接，上后盾和下后盾内部均设有用于顶紧管片的推进油缸，下后盾内部设有超前注浆管、超前钻机和管片拼装机，超前钻机位于管片拼装机的上方，超前注浆管与注浆机构相连接。

所述下后盾内固定连接有米字梁，主驱动的后部设有箱型钢结构，箱型钢结构内设有主机皮带机；复合油缸包括第一复合油缸和第二复合油缸，第一复合油缸设置在箱型钢结构的左右两侧，第二复合油缸设置在箱型钢结构的上部。

所述第一复合油缸的一端与米字梁固定连接、另一端与箱型钢结构面接触，第二复合油缸的一端与米字梁相连接、另一端与箱型钢结构相连接，主机皮带机向前延伸至刀盘后部。

所述上后盾的前端通过变径油缸与下后盾相连接，上后盾的中部通过第四举升油缸与下后盾相连接，上后盾的后端通过第五举升油缸与下后盾相连接。

所述铰接油缸和推进油缸均沿周向设置在上后盾和下后盾的内部。

所述上前盾内部和下前盾内部对称设有导向槽，主驱动上对称设有导向柱，导向柱位于导向槽中且与导向槽相配合。

所述第二举升油缸对称设置在上前盾上，第三举升油缸对称设在在下前盾上。

本实用新型通过刀盘快速提升扩挖、盾体动态支护、主驱动调向、超前注浆等多种方式防止单护盾TBM在不良地层中卡机。同时可通过主驱动摆动实现盾体纠滚，从而延伸单护盾TBM在硬岩地层中的使用。本实用新型通过创新性的结构设计，实现了主机姿态滚转的有效调整，克服了传统单护盾TBM在硬岩地层中掘进的缺陷，拓宽了单护盾TBM的应用领域，降低了工程设备造价，具有广泛的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型整体内部机构示意图。

图2为图1中A向视图。

图3为图1中B向视图。

图4为图1中C向视图。

图5为图1中D向视图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1-5所示，实施例1，一种新型复合防卡单护盾TBM，包括由控制系统控制的刀盘1、主驱动2、前盾体和后盾体，主驱动2设置在前盾体和后盾体的内部，刀盘1安装在前盾体的前部，后盾体安装在前盾体的后部，所述前盾体包括上前盾3和下前盾4，上前盾3和下前盾4的横截面为半圆形，后盾体包括上后盾7和下后盾8，上后盾7的横截面为约三分之一圆形，下后盾8的横截面为约三分之二的圆形。前盾和后盾结构的分半设计，新型单护盾TBM减少了传统单护盾TBM的盾体种类。通过前盾和后盾的分半设计，实现了盾体的缩放，提高了单护盾TBM在不良地质中的通过性。上前盾3和下前盾4通过第一举升油缸13相连接，上前盾3通过第二举升油缸14与主驱动2相连接，下前盾4通过第三举升油缸15与主驱动2相连接；上前盾和下前盾可相对于主驱动分别沿着导向槽运动，刀盘可在主驱动的作用下转动。上后盾7和下后盾8分别通过第四举升油缸16、第五举升油缸17及变径油缸20相连接；下后盾8的前端通过铰接油缸6与主驱动2相连接，铰接油缸可在掘进过程中利用行程差控制主机转向，推进油缸的靴板可撑紧管片，为单护盾TBM掘进提供推力，上后盾和下后盾通过第四举升油缸、第五举升油缸和变径油缸的伸缩实现缩放。下后盾8的后端通过复合油缸与主驱动相连接，可通过复合油缸的伸缩控制主驱动后部箱型结构的运动，从而进行掘进方向的微调、提供掘进过程中刀盘的反扭矩。上后盾7和下后盾8内部均设有用于顶紧管片的推进油缸5，下后盾8内部设有超前注浆管9、超前钻机10和管片拼装机11，超前钻机10位于管片拼装机11的上方，超前注浆管9与注浆机构相连接。在碰到破碎地层时超前注浆管可通过注浆的方式稳定地层，超前钻机可探测单护盾TBM前方地质条件，并在地质条件不利时，通过锚杆进行加固。

进一步，上前盾3内部和下前盾4内部对称设有导向槽24，主驱动2上对称设有导向柱25，导向柱25位于导向槽24中且与导向槽24相配合。所述第二举升油缸14有两个且对称设置在上前盾3上，第三举升油缸15有两个且对称设在在下前盾4上。主驱动和上前盾、上后盾均为油缸连接。当第三举升油缸或第二举升油缸伸出，主驱动沿着导向槽方向运动，可实现刀盘的快速及时扩挖。

一种新型复合防卡单护盾TBM的施工方法，包括普通单护盾模式和防卡单护盾TBM模式（动态支护模式）两种施工模式。a、普通单护盾模式时：在地层稳定时，上前盾和下前盾上的第一举升油缸、第二举升油缸、第三举升油缸和上后盾和下后盾上的第四举升油缸、第五举升油缸和变径油缸均处于固定状态，其工作步骤如下：1、刀盘旋转、推进油缸的靴板顶紧管片并逐渐伸出，单护盾TBM开始掘进；2、掘进完成一个行程后，刀盘停止旋转，推进油缸渐次收回直至一环管片拼装完成；3、刀盘继续旋转，完成一个掘进行程；

b、防卡单护盾TBM模式时：掘进的工作步骤如下：1、上前盾和下前盾上的第一举升油缸、第二举升油缸、第三举升油缸和上后盾和下后盾上的第四举升油缸、第五举升油缸、变径油缸均逐渐伸出并浮动撑紧洞壁，支柱拱顶；2、刀盘开始旋转，推进油缸的靴板撑紧管片并逐渐伸出，TBM开始掘进，掘进过程中，遇到围岩收敛或变形，上前盾和上后盾均进行动态调整，调整拱顶与盾体间的间隙；3、掘进完成一个行程后，上前盾和上后盾撑紧拱顶，刀盘停止旋转，推进油缸渐次收回，直至一环管片拼装完成；4、刀盘继续旋转，完成一个掘进循环。

所述动态调整包括方向调整、扩挖调整和纠滚调整；方向调整：控制第一复合油缸、第二复合油缸和铰接油缸的伸缩量，改变主驱动后部箱型钢结构的摆动量，从而改变主驱动方向实现单护盾TBM主机的调向；扩挖调整：控制第二举升油缸和第三举升油缸的伸出量，主驱动沿着导向槽方向运动，可实现刀盘的快速及时扩挖；纠滚调整：通过前盾体撑紧洞壁（或者后盾体撑紧洞壁），控制第一复合油缸和第二复合油缸的伸缩量，改变第一复合油缸和第二复合油缸作用于主驱动后部箱型钢结构的力，完成后盾体（或前盾体）姿态的调整。

实施例2，一种新型复合防卡单护盾TBM，所述下后盾8内固定连接有米字梁21，主驱动2的后部设有箱型钢结构22，箱型钢结构22内设有主机皮带机23；复合油缸包括第一复合油缸18和第二复合油缸19，第一复合油缸18设置在箱型钢结构22的左右两侧，第二复合油缸19设置在箱型钢结构22的上部，实现主驱动上下左右的摆动，起到调向和纠滚的作用。所述第一复合油缸18的一端与米字梁21固定连接、另一端与箱型钢结构22保持面接触，第二复合油缸19的一端与米字梁21相连接、另一端与箱型钢结构22相连接，主机皮带机23向前延伸至刀盘1后部。将传统的主驱动结构延伸至后盾米字梁位置，并通过在主驱动和米字梁之间采用油缸连接，创造性的实现单护盾TBM调向方式和纠滚方式的创新。

进一步，上后盾7的前端通过变径油缸20与下后盾8相连接，上后盾7的中部通过第四举升油缸16与下后盾8相连接，上后盾7的后端通过第五举升油缸17与下后盾8相连接。即上后盾7从前至后依次通过变径油缸20、第四举升油缸16、第五举升油缸17与下后盾8相连接，通过调节变径油缸20、第四举升油缸16、第五举升油缸17的伸缩量，调节后盾体直径的调节，配合前盾体起到扩挖的作用。铰接油缸6和推进油缸5均沿周向设置在上后盾7和下后盾8的内部，推进油缸5位于铰接油缸6的上方，使下后盾受力均匀，匀速前进。

其他结构与方法与实施例1相同。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种新型复合防卡单护盾TBM，包括刀盘（1）、主驱动（2）、前盾体和后盾体，主驱动（2）设置在前盾体和后盾体的内部，刀盘（1）安装在前盾体的前部，后盾体安装在前盾体的后部，其特征在于：所述前盾体包括上前盾（3）和下前盾（4），后盾体包括上后盾（7）和下后盾（8），上前盾（3）和下前盾（4）通过第一举升油缸（13）相连接，上前盾（3）通过第二举升油缸（14）与主驱动（2）相连接，下前盾（4）通过第三举升油缸（15）与主驱动（2）相连接；上后盾（7）和下后盾（8）分别通过第四举升油缸（16）、第五举升油缸（17）及变径油缸（20）相连接；下后盾（8）的前端通过铰接油缸（6）与主驱动（2）相连接，下后盾（8）的后端通过复合油缸与主驱动相连接，上后盾（7）和下后盾（8）内部均设有用于顶紧管片的推进油缸（5），下后盾（8）内部设有超前注浆管（9）、超前钻机（10）和管片拼装机（11），超前钻机（10）位于管片拼装机（11）的上方，超前注浆管（9）与注浆机构相连接。

2.根据权利要求1所述的新型复合防卡单护盾TBM，其特征在于：所述下后盾（8）内固定连接有米字梁（21），主驱动（2）的后部设有箱型钢结构（22），箱型钢结构（22）内设有主机皮带机（23）；复合油缸包括第一复合油缸（18）和第二复合油缸（19），第一复合油缸（18）设置在箱型钢结构（22）的左右两侧，第二复合油缸（19）设置在箱型钢结构（22）的上部。

3.根据权利要求2所述的新型复合防卡单护盾TBM，其特征在于：所述第一复合油缸（18）的一端与米字梁（21）固定连接、另一端与箱型钢结构（22）面接触，第二复合油缸（19）的一端与米字梁（21）相连接、另一端与箱型钢结构（22）相连接，主机皮带机（23）向前延伸至刀盘（1）后部。

4.根据权利要求1所述的新型复合防卡单护盾TBM，其特征在于：所述上后盾（7）的前端通过变径油缸（20）与下后盾（8）相连接，上后盾（7）的中部通过第四举升油缸（16）与下后盾（8）相连接，上后盾（7）的后端通过第五举升油缸（17）与下后盾（8）相连接。

5.根据权利要求3或4所述的新型复合防卡单护盾TBM，其特征在于：所述铰接油缸（6）和推进油缸（5）均沿周向设置在上后盾（7）和下后盾（8）的内部。

6.根据权利要求1所述的新型复合防卡单护盾TBM，其特征在于：所述上前盾（3）内部和下前盾（4）内部对称设有导向槽（24），主驱动（2）上对称设有导向柱（25），导向柱（25）位于导向槽（24）中且与导向槽（24）相配合。

7.根据权利要求1或6所述的新型复合防卡单护盾TBM，其特征在于：所述第二举升油缸（14）对称设置在上前盾（3）上，第三举升油缸（15）对称设在在下前盾（4）上。