专利名称：组合刀盘式土压平衡矩形顶管机的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种矩形顶管机，特别是一种组合刀盘式土压平衡矩形顶管机，属于建筑机械领域。
背景技术：
建造地下通道、共同沟等矩形隧道以前一般均用先开挖圆形结构再加以矩形内衬的方式，或使用大开挖、箱涵施工法。但这些方法存在着一些问题，首先在需穿越道路、河流、地面建筑物和地下各类管线时大开挖就无法施工，必须绕道而行，或对原有设施产生一定的破坏，势必增加额外的费用。其次，利用箱涵施工法，很难做到土压平衡，会引起地面沉降，从而影响地面设施。而普遍使用的圆形隧道施工法也存在着这样一个问题，在以矩形断面为主的隧道工程建设中，增加了不必要的掘进面积和土地征用量，使日益宝贵的地下空间日趋紧张。另外由于此种方法建造不能一步到位，需在圆形隧道施工完毕后再加以衬砌形成矩形隧道，必将增加不必要的工作量和工程造价。在大开挖和矩形箱涵顶进的施工中，对于隧道掘进机而言，矩形断面的掘削比圆形断面的掘削机械结构更复杂，而要真正做到全断面切削，难度更大，同时在掘进施工过程中，由于会遇到机头背土、机头旋转等问题，地面的沉降控制、隧道的轴线控制都比圆形隧道推进难度更大。经文献检索发现，中国专利号为95243673.6，名称为多刀盘顶管掘进机，申请人为上海市第二市政工程公司，该实用新型专利介绍了该设备可切削的断面为矩形或其他几何形状，它是将原有的单一的大刀盘结构改为多刀盘断面切削结构。它是利用多个刀盘在旋转时刀盘对断面内的土进行切削和搅拌，但是要切削矩形断面和其他几何形状断面时，它无法做到全断面切削，在其多个刀盘周围的土由于无法搅拌和切削，导致正面的土压力不均匀，不利于控制土压平衡，施工时极易引起地面的隆起和沉降。
发明内容
本发明针对现有技术的不足和缺陷，提供一种组合刀盘式土压平衡矩形顶管机，使其能进行矩形断面施工的新型地下施工，有效地控制土压平衡，保证地面建筑物不受损害，同时能充分利用其合理的断面形状，建造人行通道、电缆隧道及共同沟等矩形隧道。本发明主要包括组合刀盘、刀盘驱动系统、纠偏千斤顶装置、螺旋输送机、前段壳体、密封隔仓、密封装置和后段壳体，组合刀盘位于盾构的最前部，与刀盘驱动系统通过高强度螺栓联接，刀盘驱动系统通过高强度螺栓设置于前段壳体内，螺旋输送机通过螺栓设置于前段壳体内，纠偏千斤顶装置的两侧底座分别焊接在前段壳体和后段壳体圈板上，从而将前段壳体和后段壳体联接起来，在前段壳体和后段壳体之间设有密封装置，位于前段壳体内的刀盘驱动装置驱动组合刀盘切割土体，并由安装于顶管机内的螺旋输送机将切削土体运送出来，调整螺旋输送机的转速可保持土仓内的土压平衡，维持开挖面的稳定。
作为组合刀盘式矩形顶管机的重要组成部分，组合刀盘由大刀盘和仿形刀两部分组成，仿形刀通过支座及转轴座焊接于大刀盘的背部，仿形刀设置在组合刀盘后侧，大刀盘对大部分的正面土体进行切削，仿形刀用于切削四个角上的土体，当大刀盘旋转时，带动仿形刀装置同时作旋转运动，仿形刀由正仿形刀a和反仿形刀b两把仿形刀组成，作为刀盘正反转时切削土体用，每把仿形刀均可由液压系统单独控制，当仿形刀a伸出时，仿形刀b缩回，在转了1/8圈后，仿形刀a缩回，仿形刀b伸出，其伸出量和缩回量由液压系统和PLC(可编程序逻辑控制器)控制，其运动轨迹为矩形断面形状。
仿形刀包括滚轮、轮轴、钢垫、滑块、仿形刀本体、挡板、转轴、销轴a、油缸、销轴b、支座，其连接方式为滚轮通过轮轴安装于仿形刀本体上，并用圆螺母拧紧，滑块焊接于仿形刀本体上，与钢垫接触，作为仿形刀的一个支撑，改善了受力结构，挡板呈门字形，两立面焊接在大刀盘上，横面中有通孔，便于转轴转动，并起到保护作用，仿形刀本体通过销轴a与油缸连接，通过转轴与大刀盘焊接，油缸通过销轴b和支座相连，支座焊接在大刀盘的背面，仿形刀本体的切削面上设有条形硬质合金刀片，当大刀盘旋转时，整个仿形刀随着大刀盘一起做旋转运动，同时油缸随着矩形断面的轨迹曲线作伸缩运动。
本发明的整个工作过程以土压平衡为工作原理，通过刀盘驱动装置驱动大刀盘及仿形刀对正面土体进行全断面切削，同时启动螺旋输送机，通过改变螺旋机的旋转速度及顶进速度来控制排土量，使土压仓内的土压力值稳定并控制在所设定的压力值范围内，从而达到开挖切削面的土体稳定。在切削过程的同时主顶进系统同时工作，主顶油缸向前伸出推动整个顶管机主机向前一个行程，然后将油缸缩回，放入矩形管节，再进行第二次切削推进，进行循环掘进，掘成的矩形断面由不断顶入的矩形管节组成矩形隧道。
本发明利用大刀盘及正反两把仿形刀对矩形断面进行全断面切削，通过对机头顶部压浆等措施，解决了矩形顶管机机头背土问题，利用刀盘的正反转及压浆纠转法解决了矩形顶管机机头旋转问题，利用纠偏装置纠偏和压浆纠偏两种方法对顶进轴线偏差可作较好的控制，机头在进出洞时可顺利穿越加固层，并在以后的施工中能在复杂的地质条件下进行全断面切削，极好地控制了地面沉降和轴线偏差。当管顶与隧道底距离小于管径时，隧道段地面最大隆起值为10mm，最大沉降值为30mm，顶进时，转角控制在±1°之内。
本发明具有实质性特点和显著进步，本发明可对矩形断面进行全断面切削，保持土压平衡，对周围土体扰动小；在同等截面积下，矩形隧道比圆形隧道可更有效地利用空间，减少地下掘进土方，用于人行、车辆等的地下通道不需再进行地面铺平工序，不仅省时而且可降低工程造价20％左右；不影响原有的各类地下管线，不影响道路交通、水运以及地面的各类建筑；施工时无噪音、无环境污染；通过可编逻辑程序控制器及各类传感器等随时监测施工状况，确定施工参数，使整个施工过程处于受控状态，从而有效控制矩形隧道顶进轴线、转角偏差及地面沉降。
图1本发明结构示意2为组合刀盘结构示意主视3为仿形刀结构示意侧视图
具体实施例方式如图1、图2和图3所示，本发明主要包括组合刀盘1、刀盘驱动系统2、纠偏千斤顶装置3、螺旋输送机4、前段壳体5、密封隔仓6、密封装置7和后段壳体8，组合刀盘1位于盾构的最前部，与刀盘驱动系统2通过高强度螺栓联接，刀盘驱动系统2通过高强度螺栓设置于前段壳体5内，螺旋输送机4通过螺栓设置于前段壳体5内，纠偏千斤顶装置3的两侧底座分别焊接在前段壳体5和后段壳体8圈板上，在前段壳体5和后段壳体8之间设有密封装置7。
组合刀盘1由大刀盘9和仿形刀10两部分组成，仿形刀10通过支座及转轴座焊接于大刀盘9的背部，仿形刀10设置在组合刀盘1后侧，仿形刀10由正仿形刀11和反仿形刀12两把仿形刀组成。
仿形刀10包括滚轮13、轮轴14、钢垫15、滑块16、仿形刀本体17、挡板18、转轴19、销轴20、油缸21、销轴22、支座23，其连接方式为滚轮13通过轮轴14设置于仿形刀本体17上，并用圆螺母拧紧，滑块16焊接于仿形刀本体17上，与钢垫15接触，挡板18呈门字形，两立面焊接在大刀盘9上，横面中有通孔，仿形刀本体17通过销轴20与油缸21连接，通过转轴19与大刀盘9焊接，油缸21通过销轴22和支座23相连，支座23焊接在大刀盘9的背面。
权利要求
1.一种组合刀盘式土压平衡矩形顶管机，主要包括刀盘驱动系统(2)、纠偏千斤顶装置(3)、螺旋输送机(4)、前段壳体(5)、密封隔仓(6)、密封装置(7)和后段壳体(8)，其特征在于还包括组合刀盘(1)，组合刀盘(1)位于盾构的最前部，与刀盘驱动系统(2)通过高强度螺栓联接，刀盘驱动系统(2)通过高强度螺栓设置于前段壳体(5)内，螺旋输送机(4)通过螺栓设置于前段壳体(5)内，纠偏千斤顶装置(3)的两侧底座分别焊接在前段壳体(5)和后段壳体(8)圈板上，在前段壳体(5)和后段壳体(8)之间设有密封装置(7)。
2.根据权利要求1所述的这种组合刀盘式土压平衡矩形顶管机，其特征是组合刀盘(1)由大刀盘(9)和仿形刀(10)两部分组成，仿形刀(10)通过支座及转轴座焊接于大刀盘(9)的背部，仿形刀(10)设置在组合刀盘(1)后侧，仿形刀(10)由正仿形刀(11)和反仿形刀(12)两把仿形刀组成。
3.根据权利要求1所述的这种组合刀盘式土压平衡矩形顶管机，其特征是仿形刀(10)包括滚轮(13)、轮轴(14)、钢垫(15)、滑块(16)、仿形刀本体(17)、挡板(18)、转轴(19)、销轴(20)、油缸(21)、销轴(22)、支座(23)，其连接方式为滚轮(13)通过轮轴(14)设置于仿形刀本体(17)上，并用圆螺母拧紧，滑块(16)焊接于仿形刀本体(17)上，与钢垫(15)接触，挡板(18)呈门字形，两立面焊接在大刀盘(9)上，横面中有通孔，仿形刀本体(17)通过销轴(20)与油缸(21)连接，通过转轴(19)与大刀盘(9)焊接，油缸(21)通过销轴(22)和支座(23)相连，支座(23)焊接在大刀盘(9)的背面。
全文摘要
组合刀盘式土压平衡矩形顶管机属于建筑机械领域。主要包括组合刀盘、刀盘驱动系统、纠偏千斤顶装置、螺旋输送机、前段壳体、密封隔仓、密封装置和后段壳体，组合刀盘位于盾构的最前部，与刀盘驱动系统通过高强度螺栓联接，刀盘驱动系统通过高强度螺栓设置于前段壳体内，螺旋输送机通过螺栓设置于前段壳体内，纠偏千斤顶装置两侧底座分别焊接在前段壳体和后段壳体圈板上，在前段壳体和后段壳体之间设有密封装置。本发明可对矩形断面进行全断面切削，保持土压平衡，可更有效地利用空间，降低工程造价，且不影响原有地下管线、道路交通、水运以及地面各类建筑，施工时无噪音、无环境污染，可有效控制矩形隧道顶进轴线、转角偏差及地面沉降。
文档编号E02F3/18GK1391054SQ0213620
公开日2003年1月15日 申请日期2002年7月25日 优先权日2002年7月25日
发明者吕建中, 王鹤林, 杨磊 申请人:上海隧道工程股份有限公司