一种无管片拼装装置及盾构机的制作方法

本发明涉及隧道掘进装置技术领域，更具体地说，涉及一种无管片拼装装置。此外，本发明还涉及一种包括上述无管片拼装装置的盾构机。

背景技术

盾构机作为隧道掘进的专用工程机械，在地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程中得到广泛应用。

现有技术中的盾构机，主要通过在掘进的同时构建隧道之盾即沿隧道拼装管片，来为主机提供其前进或步进的反力。因此，盾构机主要被应用于黏土或软岩等软土地层的隧道施工。而对于硬岩地层的隧道施工来说，由于隧道壁本身具有足够的硬度及强度，无需拼装管片进行隧道衬砌就具有较好的安全性，且能够提供主机前进或步进的反力，因此，在硬岩地层施工时，通常不采用盾构机，而是采用敞开式tbm进行施工。

然而，对于施工距离较长的隧道来说，隧道地层的地质往往并不是单一的，通常是软土地层段和硬岩地层段同时存在。对于这种地层的地质复杂的隧道来说，需要采用盾构机和敞开式tbm交替施工，这将增加始发准备的工作和时间，严重制约掘进速度，同时增加施工成本。而如果单独采用现有的盾构机进行施工，则在硬岩地层段仍然拼装管片将造成工作、时间及成本的浪费，若不拼装管片，则将无法提供主机前进或步进的反力。

综上所述，如何提供一种能够为盾构机在硬岩地层施工时提供主机前进的反力的无管片拼装装置，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种无管片拼装装置，该无管片拼装装置能够为在硬岩地层施工的盾构机提供其掘进的反力。

本发明的另一目的是提供一种包括上述无管片拼装装置的盾构机，该盾构机既能够在软土地层工作，又能在硬岩地层工作，其地质适应范围大，降低施工成本的同时减少了盾构始发准备工作和时间，提高了掘进速度。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种无管片拼装装置，包括端面用于与盾构机的推进油缸相连的反力架和至少一个用于撑紧洞壁的撑紧靴环，所述反力架和所述撑紧靴环通过传力环相连，每个所述撑紧靴环均包括上撑靴、下撑靴和连接所述上撑靴和所述下撑靴的撑紧油缸。

优选地，连接所述上撑靴和所述下撑靴的所述撑紧油缸的个数为四个，四个所述撑紧油缸均竖直设置。

优选地，所述上撑靴和所述下撑靴的对应端分别相对设置，所述撑紧油缸的两端分别与所述上撑靴和所述下撑靴相对的两端铰接。

优选地，所述上撑靴和所述下撑靴相对于所述撑紧油缸对称设置。

优选地，所述撑紧靴环的数量至少为两个，所有所述撑紧靴环轴向相连且并排设置。

优选地，所述撑紧靴环与所述传力环通过卡套连接，所述卡套和与所述卡套相连的所述撑紧靴环两者中的一者设有径向内凸的限位凸缘，另一者设有用于与所述限位凸缘凹凸配合以对所述撑紧靴环进行轴向限位的限位凹槽，所述限位凸缘与所述限位凹槽的配合长度大于所述撑紧靴环的移动距离。

优选地，所述反力架包括若干片用于拼接成所述反力架的钢管片，相邻两片所述钢管片通过连接件可拆卸连接。

优选地，所述传力环包括若干片用于拼接成所述传力环的圆弧管片，相邻所述圆弧管片可拆卸连接。

优选地，所述反力架和所述传力环通过法兰可拆卸的连接，所述传力环和所述卡套通过螺栓可拆卸连接。

一种盾构机，包括盾构机本体，还包括：

可活动地设于所述盾构机本体中的管片拼装机；

可拆卸地设于所述盾构机本体中、用于根据开挖隧道的地质类型与所述管片拼装机切换工作的无管片拼装装置，所述无管片拼装装置为上述任意一种无管片拼装装置。

本发明提供的无管片拼装装置，使用时，将反力架的端面与盾构机的推进油缸相连，掘进时，撑紧油缸伸出，推动上撑靴和下撑靴张紧，从而使上撑靴和下撑靴撑紧洞壁，反力架通过传力环将作用于反力架的顶推力传递至撑紧靴环，撑紧靴环依靠上撑靴和下撑靴两者与洞壁之间的摩擦力来抵抗该顶推力，为推进油缸提供顶推反力，从而使盾构机前进。该无管片拼装装置可以保证盾构机在硬岩地层施工时无需拼装管片。

本发明提供的盾构机包括管片拼装机和无管片拼装装置，盾构机在软土地层施工时，可以通过管片拼装机拼装的隧道管片来为盾构机提供其前进的顶推反力，在硬岩地层施工时，通过无管片拼装装置为盾构机提供前进的顶推反力。因此，该盾构机既能在软土地层施工，又能在硬岩地层施工，其地质适应范围大，降低施工成本的同时减少了盾构始发准备工作和时间，提高了掘进速度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的无管片拼装装置具体实施例的主视图；

图2为本发明所提供的无管片拼装装置具体实施例的右视图；

图3为本发明所提供的无管片拼装装置具体实施例的左视图；

图4为本发明所提供的盾构机在有管片推进模式下的示意图；

图5为本发明所提供的盾构机在拼装过渡环管片时的示意图；

图6为本发明所提供的盾构机在无管片拼装模式下的示意图；

图7为本发明所提供的盾构机在拆除无管片拼装装置、拼装过渡环管片时的示意图；

图8为本发明所提供的盾构机在再次回到有管片推进模式下的示意图。

图1至图8中的附图标记如下：

1为反力架、101为钢管片、102为连接件、2为撑紧靴环、201为上撑靴、202为下撑靴、203为撑紧油缸、3为传力环、4为卡套、5为刀盘、6为盾体、7为推进油缸、8为主驱动、9为托梁、10为管片拼装机、11为螺旋输送机、12为洞壁、13为壁后填充材料、14为隧道管片、1401为管片分块、15为后配套系统、16为拖车滚轮、17为过渡环管片、18为锚杆、19为止水环、20为无管片拼装装置。

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做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。

本发明的核心是提供一种无管片拼装装置，该无管片拼装装置能够为在硬岩地层施工的盾构机提供其掘进的反力。本发明的另一核心是提供一种包括上述无管片拼装装置的盾构机，该盾构机既能够在软土地层工作，又能在硬岩地层工作，其地质适应范围大，降低施工成本的同时减少了盾构始发准备工作和时间，提高了掘进速度。

请参考图1-图8，为本申请的说明书附图。

本申请提供一种无管片拼装装置，包括端面用于与盾构机的推进油缸7相连的反力架1和至少一个用于撑紧洞壁12的撑紧靴环2，反力架1和撑紧靴环2通过传力环3相连，每个撑紧靴环2均包括上撑靴201、下撑靴202和连接上撑靴201和下撑靴202的撑紧油缸203。

需要说明的是，本申请提供的无管片拼装装置主要用于盾构机，使盾构机在硬岩地层施工时无需拼装管片也能工作。为此，本申请中的无管片拼装装置包括用于撑紧洞壁12的撑紧靴环2，工作时，依靠撑紧靴环2与洞壁12之间的摩擦力来抵抗推进油缸7作用于反力架1上的顶推力，从而为盾构机提供其前进的顶推反力，使盾构机前进。

具体地，撑紧靴环2包括上撑靴201、下撑靴202和撑紧油缸203，上撑靴201和下撑靴202由撑紧油缸203带动相互远离或靠近，当撑紧油缸203伸长时，上撑靴201和下撑靴202相互远离，直至撑紧油缸203的撑紧力达到设计指标，使上撑靴201和下撑靴202撑紧洞壁12，为盾构机提供其前进的顶推反力；当撑紧油缸203缩回时，上撑靴201和下撑靴202相互靠近，以与洞壁12分开并保持一定的间隙，从而使推进油缸7回缩时能够带动无管片拼装装置整体前移。

需要说明的是，上撑靴201和下撑靴202需要具有足够的强度和刚度，以抵抗撑紧油缸203的撑紧力，避免在撑紧时上撑靴201和下撑靴202碎裂等。

可以理解的是，上撑靴201和下撑靴202的宽度越宽，或者撑紧靴环2的数量越多，则撑紧靴环2撑紧时其与洞壁12的接触面积越大，两者之间的摩擦力越大。因此，可以通过选择上撑靴201和下撑靴202的合适宽度及撑紧靴环2的数量来保证撑紧靴环2撑紧时其与洞壁12之间的摩擦力。

可以理解的是，反力架1用于与推进油缸7相连，使推进油缸7直接作用于反力架1上。工作时，推进油缸7顶在反力架1上，反力架1为推进油缸7提供顶推反力，因此，反力架1需要具有较大的密度，其质量较大，具有较大的惯性，以抵抗推进油缸7的顶推力。

反力架1和撑紧靴环2通过传力环3相连，传力环3用于传递从反力架1传来的推进油缸7的顶推力以及撑紧靴环2与洞壁12之间的摩擦力。

需要说明的是，传力环3是根据轴向宽度需求而设定的，传力环3的密度小于反力架1的密度，因此，当反力架1与撑紧靴环2之间需要具有一定的轴向距离时，由于反力架1密度较大，为了减轻重量和节约成本，可以采用传力环3来弥补该轴向距离。

综上所述，本申请提供的无管片拼装装置，使用时，将反力架1的端面与盾构机的推进油缸7相连，掘进时，撑紧油缸203伸出，推动上撑靴201和下撑靴202张紧，从而使上撑靴201和下撑靴202撑紧洞壁12，反力架1通过传力环3将作用于反力架1的顶推力传递至撑紧靴环2，撑紧靴环2依靠上撑靴201和下撑靴202两者与洞壁12之间的摩擦力来抵抗该顶推力，为推进油缸7提供顶推反力，从而使盾构机前进。该无管片拼装装置可以保证盾构机在硬岩地层施工时无需拼装管片。

考虑到上撑靴201和下撑靴202的撑紧力的均衡性，在一个具体实施例中，连接上撑靴201和下撑靴202的撑紧油缸203的个数为四个，四个撑紧油缸203均竖直设置。

也就是说，本实施例中，每个撑紧靴环2的上撑靴201和下撑靴202分别由两个撑紧油缸203驱动，四个撑紧油缸203两两相对地均竖直设置，从而使上撑靴201和下撑靴202受到竖直方向的力，使上撑靴201更好的撑紧上洞壁，下撑靴202更好的撑紧下洞壁。

考虑到上撑靴201和下撑靴202受力的均衡性问题，在一个具体实施例中，上撑靴201和下撑靴202的对应端分别相对设置，撑紧油缸203的两端分别与上撑靴201和下撑靴202相对的两端铰接。

也就是说，两个撑紧油缸203分别位于上撑靴201和下撑靴202之间的两端，一个撑紧油缸203的两端分别与上撑靴201和下撑靴202对应的一端铰接，另一个撑紧油缸203的两端分别与上撑靴201和下撑靴202对应的另一端铰接。这种连接方式使上撑靴201和下撑靴202各自从两端开始受力，保证上撑靴201和下撑靴202在撑紧油缸203的驱动下张紧时运动的平稳性。

进一步地，考虑到上撑靴201和下撑靴202受力的均衡性问题，在一个具体实施例中，上撑靴201和下撑靴202相对于撑紧油缸203对称设置。这可以保证在撑紧油缸203伸长时，上撑靴201和下撑靴202同等受力，因此，可保证上撑靴201和下撑靴202具有同等的撑紧力，从而使上撑靴201和洞壁12之间的摩擦力与下撑靴202与洞壁12之间的摩擦力相一致，进而保证上撑靴201与下撑靴202的使用寿命的一致性。

为了提高撑紧靴环2与隧道洞壁12之间的摩擦力，在一个具体实施例中，撑紧靴环2的数量至少为两个，所有撑紧靴环2轴向相连且并排设置。

也就是说，本实施例通过提高撑紧靴环2的数量来提高撑紧靴环2与洞壁12之间的接触面积，从而提高两者之间的摩擦力。

可以理解的是，当至少两个撑紧靴环2轴向并排的设置时，轴向最外侧且靠近反力架1的撑紧靴环2与传力环3相连。

本申请对相邻撑紧靴环2之间的轴向连接方式不做具体限定，相邻撑紧靴环2可以可拆卸的连接，也可以为一体结构。

考虑到撑紧靴环2的轴向限位问题，在上述任意一项实施例的基础之上，撑紧靴环2与传力环3通过卡套4连接，卡套4和与卡套4相连的撑紧靴环2两者中的一者设有径向内凸的限位凸缘，另一者设有用于与限位凸缘凹凸配合以对撑紧靴环2进行轴向限位的限位凹槽，限位凸缘与限位凹槽的配合长度大于撑紧靴环2的移动距离。

可以理解的是，卡套4用于撑紧靴环2的轴向限位，确保撑紧靴环2的轴向位置，避免撑紧靴环2相对于传力环3发生轴向移动。

作为一种优选方案，与卡套4相连的撑紧靴环2的上撑靴201和下撑靴202的一侧均设有径向内凸的限位凸缘，卡套4的一端设有用于与限位凸缘远离卡套4的一侧贴合以阻挡所述撑紧靴环2轴向移动的止挡凸缘和用于与限位凸缘凹凸配合的限位凹槽。

为了避免撑紧靴环2张紧时，上撑靴201和下撑靴202随着撑紧油缸203的伸长而张紧时，限位凸缘与限位凹槽脱离，本申请中限位凸缘与限位凹槽的配合长度大于上撑靴201的移动距离，同时，限位凸缘与限位凹槽的配合长度大于下撑靴202的移动距离，以此来保证限位凸缘与限位凹槽始终配合不脱离，从而保证撑紧靴环2始终具有轴向限位。

为了反力架1拆卸和安装的方便，在一个具体实施例中，反力架1包括若干片用于拼接成反力架1的钢管片101，相邻两片钢管片101通过连接件102可拆卸连接。

优选地，反力架1由六块钢管片101拼装而成，钢管片101的外侧为圆弧形，拼装完成后形成反力架1的圆形外壁；钢管片101的内侧为直线形，拼装完成后形成反力架1的六边形内壁。

考虑到传力环3拆卸和安装的方便性，在一个具体实施例中，传力环3包括若干片用于拼接成传力环3的圆弧管片，相邻圆弧管片可拆卸连接。

优选地，传力环3由四块四分之一圆弧管片拼装而成，拼接完成后形成圆环形传力环。

考虑到无管片拼装装置各部件之间安装和拆卸的方便性问题，在一个具体实施例中，反力架1和传力环3通过法兰可拆卸连接，传力环3和卡套4通过螺栓可拆卸连接。

除了上述无管片拼装装置，本发明还提供一种盾构机，包括盾构机本体，还包括：

可活动地设于盾构机本体中的管片拼装机10；

可拆卸地设于盾构机本体中、用于根据开挖隧道的地质类型与管片拼装机10切换工作的无管片拼装装置20，该无管片拼装装置20为上述任意一个实施例公开的无管片拼装装置。该盾构机还包括刀盘5、盾体6、推进油缸7、主驱动8、托梁9、螺旋输送机11、隧道管片14、管片分块1401、后配套系统15、拖车滚轮16等结构，这些结构请参考现有技术，本文不再赘述。

也就是说，本实施例提供盾构机不仅包括管片拼装机10，在软土地层施工时可以通过管片拼装机10拼装管片来为其提供前进的顶推反力，还包括无管片拼装装置20，盾构机在硬岩地层施工时，利用无管片拼装装置20为其提供前进的顶推反力。因此，该盾构机既能在软土地层施工，又能在硬岩地层施工，其地质适应范围大，降低施工成本的同时减少了盾构始发准备工作和时间，提高了掘进速度。

本申请还提供一种上述实施例公开的盾构机的施工方法，请参考图4至图8，为上述盾构机处于不同的施工状态时的示意图。

当在硬岩地层施工时，包括步骤s11至步骤s15。

步骤s11：伸出撑紧油缸203的活塞杆使上撑靴201和下撑靴202撑紧在洞壁12上，直至上撑靴201和下撑靴202的撑紧力均达到设计指标。

步骤s12：伸出盾构机的推进油缸7的活塞杆直至其末端抵紧反力架1的端面。

步骤s13：转动盾构机的刀盘5并启动盾构机，逐渐提高推进油缸7的压力直至预期掘进压力值，掘进机开始掘进，完成一个步进循环的掘进距离后，停机。

步骤s14：缩回撑紧油缸203的活塞杆，使上撑靴201和下撑靴202缩回。

步骤s15：缩回推进油缸7的活塞杆，使推进油缸7拖动无管片拼装装置前进一个步进循环的掘进距离，并跳转至步骤s11，进行下一个步进循环，直至在硬岩地层施工完成。

当在软土地层施工时，采用管片拼装机10进行隧道管片14拼装，并在隧道管片14的背面与隧道壁之间的空隙中注入壁后填充材料13，以加固隧道管片14，通过隧道管片14为盾构机提供其前进的顶推反力。

当从软土地层转入硬岩地层时，也即盾构机从有管片推进工作模式转换为无管片推进工作模式时，包括步骤s21至步骤s23。

步骤s21：采用管片拼装机10在已拼装完成的隧道管片14的前端拼装过渡环管片17。

需要说明的是，过渡环管片17与隧道管片14通过螺栓轴向固定。

步骤s22：对过渡环管片17进行加固。

步骤s23：安装无管片拼装装置20。

具体地，依次按照反力架1、传力环3、撑紧靴环2的顺序安装无管片拼装装置20，安装完成后，撑紧靴环2的后端应与已拼装完成的过渡环管片17之间预留一定的调整间隙。

需要说明的是，为了防止地层渗水，在执行步骤s22之前，包括步骤s220。

步骤s220：在过渡环管片17前端加装止水环19。

考虑到过渡环管片17加固的具体方式，步骤s22包括步骤s221。

步骤s221：向过渡环管片17与隧道壁的间隙之间注入壁后填充材料13，并向隧道壁面打入锚杆18，锚杆18的数量根据实际需要来选择。

当从硬岩地层转入软土地层时，也即盾构机从无管片推进工作模式转换为有管片推进工作模式时，包括步骤s31至步骤s33。

步骤s31：依次按照撑紧靴环2、传力环3、反力架1的顺序拆除无管片拼装装置20。

步骤s32：采用管片拼装机10拼装过渡环管片17。

需要说明的是，本申请对过渡环管片17的数量不做限定，优选地，过渡环管片17的数量至少为两环。

步骤s33：对过渡环管片17进行加固。

可以理解的是，步骤s33中对过渡环管片17的加固方式可以采用步骤s221的加固方式。

需要说明的是，本申请中术语“前端”、“后端”等指示的方位或关系是与盾构机的掘进方向相一致的。术语前“上”、“下”等指示的方位或关系是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以及特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上对本发明所提供的无管片拼装装置及盾构机进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。