一种双推力多刀盘隧道掘进机及其掘进方法与流程

本发明涉及隧道开挖技术领域，特别是指一种双推力多刀盘隧道掘进机及其掘进方法。

背景技术：

全断面隧道掘进机（tbm）是一种集机械、电子、液压、激光等技术于一体的大型隧道掘进装备，在山岭隧道、引水工程及城市地铁的建设中发挥着重要作用。tbm分为护盾式tbm和敞开式tbm，tbm开挖的隧道断面一般都是圆形。也有部分隧道为了增加隧道空间的利用率而采用异形断面。但是由于我国地质情况复杂，在隧道的建设中不可避免的会遇到土和岩石都有的情况，在这个前提下，单一的硬岩或软土掘进机（epb）已经不能满足施工的需求，因此实际应用促进了双模式的掘进机的研发，但是双模式掘进机有其本身的缺点，模式转换工作量大、时间长，针对软硬相间的地层时，施工效率低，同时因为要具备保压和敞开模式，机器上需要配置的系统增加，造价也就上升明显。

技术实现要素：

针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种双推力多刀盘隧道掘进机及其掘进方法，解决了现有技术中双模式掘进机模式转换工作量大、时间长、造价高的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种双推力多刀盘隧道掘进机，包括掘进系统、管片拼装机系统和出渣系统，掘进系统包括盾体，盾体内设有刀盘本体和米字梁，管片拼装机系统包括管片拼装机，所述刀盘本体前端设有若干个分体式刀盘，米字梁上设有管片拼装机、用于安装第二推力机构的拱形架安装装置和混凝土喷射装置，管片拼装机位于拱形架安装装置前方，混凝土喷射装置安装在拱形架安装装置上方，米字梁上的外圈圆周上设有推进油缸，分体式刀盘与出渣系统相对应。

所述分体式刀盘包括4个前刀盘和7个后刀盘，其中一个后刀盘位于刀盘本体的中心位置，前刀盘后部设有前刀驱动装置，后刀盘后部设有后刀驱动装置。相邻刀盘的切削区域互相重叠和交叉，开挖覆盖面积能够达到80%以上。

所述前刀盘和后刀盘以刀盘本体的中心为圆心沿周向设置，前刀盘和后刀盘间隔设置，前刀盘伸出刀盘本体的距离大于后刀盘伸出刀盘本体的距离。前刀盘和后刀盘形成前后两层设置，互相不产生干涉现象，提高开挖效率。

所述第二推力机构包括传力架和支撑环，第二推进模式状态下，传力架的一端与推进油缸铰接、另一端与支撑环铰接，支撑环的外圆周上活动设有弧形钢板。该掘进机包括两种推进模式，在岩石条件较好情况下，使用第二推进模式，对隧道进行支护。

所述支撑环包括至少2个分环体，相邻两个分环体相互铰接，分环体上设有撑紧油缸，撑紧油缸的伸缩端与弧形钢板相连接。支撑环和传力架均采用圆形结构设计，分环体式支撑环便于运输。

所述出渣系统包括螺旋输送机，螺旋输送机倾斜设置，螺旋输送机的进渣口与分体式刀盘相对应，螺旋输送机穿过米字梁。利用螺旋输送机进行出渣。

所述米字梁与刀盘本体之间设有人仓，盾体尾部的内壁上设有盾尾刷和止浆板。人仓的设置便于对刀盘的检测和维修或更换，盾尾刷和止浆板的设置提高管片与隧道洞内壁的密封性。

一种双推力多刀盘隧道掘进机的掘进方法，包括第一推进模式和第二推进模式，第一推进模式包括如下步骤：s1：前刀驱动装置和后刀驱动装置带动分体式刀盘转动，对掌子面进行开挖；s2：管片拼装机对预制混凝土管片进行安装，对隧道进行支护；s3：开挖一定距离后，推进油缸伸出，顶紧预制混凝土管片向前推进；s4：在开挖的过程中，渣土经出渣系统输出；

第二推进模式包括如下步骤：b1：首先将传力架和支撑环运进隧道洞内，将它们组合成圆周的结构，然后连接好弧形钢板和撑紧油缸；b2：前刀驱动装置和后刀驱动装置带动分体式刀盘转动，对掌子面进行开挖；b3：拱形架安装装置将拼装好的支撑环和弧形钢板安装在隧道洞中，伸出撑紧油缸和弧形钢板对隧道进行支护；b4：掘进一个行程后，收回撑紧油缸和弧形钢板，推进油缸拖到传力架和支撑环向前移动一个行程，然后再伸出撑紧油缸和弧形钢板，以此循环往复，直至完成在地质较好的围岩中的掘进。

在步骤b3和b4中撑紧油缸将弧形钢板压紧在洞壁上，产生很大的摩擦力，为推进油缸提供支反力，推动整个掘进系统向前掘进。

本发明采用双推力多刀盘的设计，刀盘由多个分体式刀盘取代一个大刀盘，相应的其驱动形式改为单独驱动方式，这样的刀盘设计大大降低刀盘的造价，整体造价下降显著。此外，本发明能够实现推力的转换，有两种推力供掘进机使用，在隧道地质不良时，采用常规的土压平衡模式进行掘进；当地质较好时，采用支撑环撑紧洞壁，推进油缸通过传力架顶紧在支撑环上提供整机前进的动力。这两种推进模式切换耗时短，工序简单，操作方便。最为重要的是，能够不使用预制混凝土管片进行支护，而是在主机尾部有一套拼装钢拱架和混凝土喷射的装置，也就是能够采用钢拱架加混凝土的方式进行初期支护，在保证安全的同事，进一步降低了施工的成本，在未来具备较大的推广意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，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发明的一些实施例，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为本发明第一推进模式结构示意图。

图2为本发明第二推进模式结构示意图。

图3为图2中a-a向视图。

图4为图2中b-b向视图。

图5为图2中d-d向视图。

图6为1/4块支撑环示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

如图1-2所示，实施例1，一种双推力多刀盘隧道掘进机，包括掘进系统、管片拼装机系统和出渣系统，掘进系统包括盾体5，盾体5内设有刀盘本体1和米字梁9，刀盘本体1用于支撑刀盘。管片拼装机系统包括管片拼装机10，管片拼装机用于对预制混凝土管片8进行拼装。所述刀盘本体1前端设有若干个分体式刀盘20，分体式刀盘20的开挖面为圆形。米字梁9上设有管片拼装机10、用于安装第二推力机构的拱形架安装装置12和混凝土喷射装置13，管片拼装机10位于拱形架安装装置12前方，混凝土喷射装置13安装在拱形架安装装置12上方，米字梁9上的外圈圆周上设有推进油缸4，推进油缸4的伸缩实现掘进系统的前进，分体式刀盘20与出渣系统相对应，掘进过程中产生的渣土经出渣系统输送处隧道。

进一步，如图3所示，所述分体式刀盘20采用的是辐条式刀盘。分体式刀盘20包括4个前刀盘201和7个后刀盘202，其中一个后刀盘202位于刀盘本体1的中心位置，其余后刀盘202沿刀盘本体周向设置，前刀盘201后部设有前刀驱动装置203，后刀盘202后部设有后刀驱动装置204，一个刀盘配置一个驱动装置，形成单独驱动，提高掘进效率。所述前刀盘201和后刀盘202以刀盘本体1的中心为圆心沿周向设置，前刀盘201和后刀盘202间隔设置，前刀盘201伸出刀盘本体1的距离大于后刀盘202伸出刀盘本体1的距离。前刀盘201和后刀盘202的外边缘内切于隧道内壁圆。多刀盘的优势明显，除了降低成本以外，多刀盘旋转开挖切削扭矩大，搅拌扭矩低，对周围土体的扰动小，同时震动可控，盾体跳动小，有利于盾构姿态控制和地表沉降控制，多刀盘本身制造加工简单，后期运行的可靠性高，而且刀盘还能重复利用，断面适应性比较强。

如图3-6所示，实施例2，一种双推力多刀盘隧道掘进机，所述第二推力机构包括传力架14和支撑环15，两个部件都是圆形结构分块设计，需要分块运进洞内，便于运送，第二推力模式状态下，传力架14的一端与推进油缸4铰接、另一端与支撑环15铰接，支撑环15的外圆周上活动设有弧形钢板16，弧形钢板16相对支撑环沿径向运动，实现对隧道洞壁的支撑，其主要作用是撑紧油缸将弧形钢板压紧的洞壁上，产生很大的摩擦力，为推进油缸4提供支反力，推动整个掘进向前掘进。所述支撑环15包括4个分环体，相邻两个分环体相互铰接，分环体上设有撑紧油缸17，撑紧油缸17的伸缩端与弧形钢板16相连接。第二推进模式下，将分环体组合成圆周的结构，然后连接好弧形钢板16、撑紧油缸17，再接好液压管路，控制线路。撑紧油缸17为排列式结构，如图6所示，同时在径向由多个油缸与弧形钢板16连接。弧形钢板一共有4块，分别独立控制，其主要作用是撑紧油缸将弧形钢板压紧的洞壁上。

进一步，所述出渣系统包括螺旋输送机11，螺旋输送机11倾斜设置，螺旋输送机11的进渣口与分体式刀盘20相对应，螺旋输送机11穿过米字梁9，利用螺旋输送机进行出渣。米字梁9与刀盘本体1之间设有人仓3，盾体5尾部的内壁上设有盾尾刷6和止浆板7，人仓的设置便于对刀盘的检测和维修或更换，盾尾刷和止浆板的设置提高管片与隧道洞内壁的密封性。

其他结构与实施例1相同。

实施例3，一种双推力多刀盘隧道掘进机，一种双推力多刀盘隧道掘进机的掘进方法，包括第一推进模式和第二推进模式，第一推进模式用于围岩情况不好的情况，其掘进情况与常规掘进方式相同。第二推进模式适用于围岩情况好的情况下，第一推进模式包括如下步骤：s1：前刀驱动装置和后刀驱动装置带动分体式刀盘转动，对掌子面进行开挖；s2：管片拼装机对预制混凝土管片进行安装，对隧道进行支护；s3：开挖一定距离后，推进油缸伸出，顶紧预制混凝土管片向前推进；s4：在开挖的过程中，渣土经出渣系统输出；

第二推进模式包括如下步骤：b1：首先将传力架和支撑环运进隧道洞内，将它们组合成圆周的结构，然后连接好弧形钢板和撑紧油缸；b2：前刀驱动装置和后刀驱动装置带动分体式刀盘转动，对掌子面进行开挖；b3：拱形架安装装置将拼装好的支撑环和弧形钢板安装在隧道洞中，伸出撑紧油缸和弧形钢板对隧道进行支护；b4：掘进一个行程后，收回撑紧油缸和弧形钢板，推进油缸拖到传力架和支撑环向前移动一个行程，然后再伸出撑紧油缸和弧形钢板，以此循环往复，直至完成在地质较好的围岩中的掘进。在步骤b3和b4中撑紧油缸17将弧形钢板16压紧在洞壁上，产生很大的摩擦力，为推进油缸4提供支反力，推动整个掘进系统向前掘进。

其他结构与实施例2相同。

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