一种盾构机平面滑行推进装置的制作方法

本发明涉及隧道工程技术领域，具体涉及一种盾构机平面滑行推进装置。

背景技术：

近年来随着城市的快速发展，城市地铁建设快速发展，城市轨道交通建设越发火热，盾构掘进施工时现在城市地铁建设采取的主要方式，但在遇到一些复杂地质时，需要采用其他施工方法施工隧道，在盾构机施工到已经开挖好的隧道时，需要空推盾构机过已经开挖好的隧道段。为确保盾构机顺利空推过已经开挖好的隧道段，使用已开挖好隧道内混凝土导台作为盾体支撑，导台上铺设的钢轨做为盾体行走轨道，通过两台液压千斤顶作为盾体推进动力与导轨上设置反力孔，配合与反力孔配套的反力架推动盾体在轨道上向前移动。公开号为cn102337900a公开了一种循环铺垫式盾构机空推方法，该装置通过在盾构机底部设置托架，两侧设置两排竖向千斤顶，水平千斤顶通过反力装置与托架传力，水平千斤顶出力推动盾构机在托架上前移，然后启动竖向千斤顶将盾构机托起，水平千斤顶收缩，推进托架前移，收缩竖向千斤顶盾构机落在托架重复上述向前推进，上述装置由于托架与地面接触，托架前移与地面滑动摩擦对托架极易造成破坏，且盾构机一般高达上千吨，需要借助外部大型液压托起设备将盾构机完全托离托架方可使托架前移，在实际工程中施工效率低，重复利用率低，消耗大，造价高。

技术实现要素：

本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种盾构机平面滑行推进装置，以实现连续推进，提高推进效率的目的。

本发明采取的技术方案是，提供一种盾构机平面滑行推进装置，包括支撑框架，设于支撑框架上侧、用于支撑盾构机的座板，设于支撑框架下侧的多个滑移组件和多个增阻组件，以及设于支撑框架尾端的反力装置，所述盾构机一端设有伸缩装置，所述伸缩装置通过反力装置的支撑，实现盾构机推进；

所述盾构机与伸缩装置质量和为md，支撑框架质量为mzc，座板质量为mzb，滑移组件质量为mg，增阻组件质量为mzz，反力装置质量为mf；所述盾构机与座板的摩擦系数为udz，座板与支撑框架摩擦系数为uzz，滑移组件与地面的摩擦系数为ugd，所述增阻组件与地面摩擦系数为uzd，重力加速度为g，伸缩装置向外的推力和向内的收缩力分别为ft和fs，地面与滑移组件接触部位承受压力和为fg，地面与增阻组件接触部承受压力和为fz；

所述盾构机与座板的最大静摩擦力fdz＝md·g×udz大于座板与支撑框架的最大静摩擦力fzz＝(md+mzb)·g×uzz，且md+mzc+mzb+mg+mzz+mf＝fg+fz，ugd＜uzd；

在伸缩装置推力为ft的状态下：(1)

在伸缩装置收缩力为fs的状态下：(2)

所述支撑框架主要用于承接上端的盾构机并支撑于地面的作用。所述座板可以通过在支撑框架两侧设置滑槽的方式，使得座板固定在支撑框架的滑槽中。所述滑移组件和增阻组件设于支撑框架的底部，通过调节增阻组件增加与减小增阻组件与地面的摩擦力，进而在盾构机与支撑框架受到推力或拉力时控制两者之间的位移加速度的绝对值大小，实现盾构机向前推移。

所述反力装置主要作为盾构机在支座上推动的作用力支点，其中盾构机前进的方向为首端，另一端为尾端，反力装置可以通过螺纹固定件或者滑槽卡合或者其他方式固定在支撑框架的尾端，还可以通过嵌套的方式等，将反力装置嵌入支撑框架的尾端，推动盾构机前进的伸缩装置，一端连接反力装置，另一端安装于盾构机上，实现盾构机向前推进。

本发明的具体方法为当需要进行推进时，推进装置与地面之间的相对运动最小，使得盾构机相对于地面的相对运动位移最大，因此，在推进时，需要增加推进装置与地面之间的摩擦力，最优选的，增加增阻组件与地面的最大静摩擦力大于或等于盾构机向前启动时加速度所需推力与位于盾构机下侧的座板与支撑框架摩擦力之和。当一次推进完成后，需要推进装置本身向前移动，此时可以利用伸缩装置收缩时的收缩力带动推进装置向前移动，为了减小推进装置与地面的摩擦力，需要将增阻组件收缩，减小增阻组件与地面的摩擦力，使增阻组件所承受的盾构机、座板及支撑框架的重力部分转移给滑移组件，滑移组件与地面的摩擦系数远小于增阻组件与地面的摩擦系数，盾构机质量远重于支撑框架、滑移组件和增阻组件质量之和。伸缩装置收缩时，盾构机所受拉力与支撑框架所受的推力大小相等方向相反，盾构机位移加速度为拉力减于座板与支撑框架的摩擦力除于盾构机和座板重量和，支撑框架、增阻组件和滑移组件的位移加速度为所受推力减座板与支撑框架摩擦力，并减滑移组件与地面摩擦力、增阻组件和地面摩擦力，将所得值除支撑框架、滑移组件、增阻组件和反力装置质量。因此减小增阻装置与地面摩擦力，当伸缩装置输出推力恒定，可增加支撑框架、滑移组件、增阻组件的位移加速度；收缩增阻组件减小增阻组件与地面的摩擦力，直到加支撑框架、滑移组件、增阻组件的位移加速度大于盾构机加速度时，开始收缩伸缩装置，则盾构机后移，支撑框架、支撑框架、滑移组件、增阻组件和反力装置前移，则盾构机向后的相对位移距离小于支撑框架、支撑框架、滑移组件、增阻组件和反力装置前移距离。结合两个滑移过程实现盾构机和推进装置相对地面向前移动。

进一步的，所述支撑框架包括设于座板下侧、与座板平行的支撑板和多组垂直于支撑板并间隔设置的卡板，每组卡板包括两块平行的第一卡板和第二卡板，所述滑移组件包括滚轮和设于滚轮两端、用于安装滚轮的滚轮轴，两个所述滚轮轴的分别与第一卡板和第二卡板转动连接。

所述支撑板与卡板的垂直方向的横向剖视图整体呈现h型，所述支撑板水平设置，底面设有多组卡板，每组卡板都包括第一卡板和第二卡板，二者之间形成安装位，所述滑移组件设于安装位中。所述滑移组件除了采用上述的滚轮形式，其他形式，如在滚轮轴上安装多个小滚轮也可实现，其他类似的可以实现推进装置滑行的装置都在本发明的保护范围。

所述支撑板的两侧还设有与两侧的卡板一体成型或者固定连接的挡板，所述挡板设于支撑板的上侧，所述挡板的相对座板具有一定的垂直高度，用于防止盾构机侧滑，同时还能够避免座板的侧向滑动，使得座板只能实现前后的移动。

进一步的，所述支撑板上设有多组用于减小支撑板与座板之间摩擦力的转轮组件，所述支撑板上侧设置有转轮槽，所述转轮组件包括多个转轮和设于转轮两端的转动轴，所述转动轴与转轮槽的侧面转动连接。

所述转轮组件设置在支撑板上，支座置于支撑板上时，转轮组件起到支撑支座的作用，当支座相对支撑板移动时，通过转轮组件的转动，减小支撑板与座板之间的摩擦力。所述转轮槽为设置在支撑板上侧内凹的凹槽。所述转轮组件沿着盾构推进方向，纵向排列多排，优选的，在支撑板的左右两端和中部各设置一列转轮组件，每组转轮组件设置的转轮数量大于等于2个，优选的，设置3个。所述转轮和转轮轴可以是一体成型，只需要转轮轴与转轮槽内侧为转动连接；或者二者为转动连接，所述转轮轴与转轮槽内侧为固定连接。

优选的，所述增阻组件为千斤顶。

所述增阻组件可以为可伸缩支撑装置。

进一步的，所述可伸缩支撑装置包括顶支撑组件和安装在顶支撑组件下方、用于增大或减小增阻组件与地面的最大静摩擦力的可伸缩的底支撑组件，当需要增大增阻组件与地面的最大静摩擦力时，所述底支撑组件与地面的最大静摩擦力时，所述底支撑组件收缩。

通过调节底支撑组件能够实现推进装置底部受力点的调节，当底支撑组件伸长，滑移组件部分压力转移到增阻组件承担，增阻组件起到主要的受力作用，当底支撑组件缩短将增阻组件承受的部分压力转移至滑移组件，使得滑移组件起到主要的支撑作用，减小两者与地面摩擦力之和。因此，通过调节增阻组件伸缩量，能够均衡滑移组件和增阻组件的受力，实现推进装置与地面摩擦力大小的灵活调节。

进一步的，所述座板的上部设有防止盾构机侧向滚动的凹槽，凹槽内设有增加盾构机与凹槽最大静摩擦力的橡胶垫，防止盾构机与座板在推力与拉力的作用下产生纵向相对移动。

由于盾构机一般质量较大，一旦发生侧面位移，对整个挖掘推进都会影响巨大，因此，本发明通过在座板的中部设置纵向的凹槽，其两侧凸起一定高度，使得盾构机能够纵向置于凹槽中，支座两侧的凸起部位形成挡板，能够有效避免盾构机侧向滚动，使得推进过程更加稳定。其中凹槽的形状能够根据盾构机的形状进行设计，使得凹槽更加贴合盾构机，保持盾构机稳定推行。通过设置橡胶垫能够增加摩擦力，减小刚性结构之间的磨损。

进一步的，所述反力装置为固定在推进装置尾端的金属板。优选的，所述金属板为矩形钢板。通过将钢板垂直固定在支撑框架的尾端，伸缩装置一端固定在钢板上，形成伸缩装置的受力点，实现盾构机向前推动。

进一步的，所述伸缩装置为液压推缸，所述液压推缸为盾构机提供推力和拉力，实现盾构机的连续推行。

本发明还提供一种盾构机平面滑行推进方法，利用上述的推进装置实现；所述推进方法为：

当伸缩装置伸长推进时，启动增阻组件增加阻力，使得所述盾构机相对座板的加速度大于支撑框架相对地面的加速度；

当伸缩装置收缩时，启动增阻组件减小阻力，使得所述盾构机相对座板的加速度小于支撑框架相对地面的加速度。

具体的，所述盾构机与伸缩装置质量和为md，支撑框架质量为mzc，座板质量为mzb，滑移组件质量为mg，增阻组件质量为mzz，反力装置质量为mf；所述盾构机与座板的摩擦系数为udz，座板与支撑框架摩擦系数为uzz，滑移组件与地面的摩擦系数为ugd，所述增阻组件与地面摩擦系数为uzd，重力加速度为g，伸缩装置向外的推力和向内的收缩力分别为ft和fs，地面与滑移组件接触部位承受压力和为fg，地面与增阻组件接触部承受压力和为fz；

所述推进方法包括以下步骤：

s1：将盾构机平面滑行所述推进装置的座板上，并将盾构机一端的伸缩装置与反力装置固定；

s2：启动增阻组件增加阻力，使增阻组件与地面的最大静摩擦力增大，盾构机平面滑行推进装置与地面的最大静摩擦阻力(fmzd)满足：

s3：停止增阻组件继续增加增阻组件与地面的最大静摩擦力值，启动伸缩装置，施加推力ft1推动盾构机与座板向前移动，完成一个推进步距，停止伸缩装置推进；

s4：启动增阻组件减小阻力，使增阻组件与地面的最大静摩擦阻力减小，盾构机平面滑行推进装置与地面的最大静摩擦阻力(fmzd)满足：

s5：停止增阻组件减小阻力；启动伸缩装置，其收缩力fs1开始收缩，完成一个收缩布距；

s6：重复步骤s2、步骤s3、步骤s4、步骤s5，直至盾构机达到指定位置。

进一步的，所述步骤s2中增阻组件增加阻力的方式为伸长底支撑组件的高度，增加增阻组件受力实现；所述步骤s3中，停止增阻组件继续增加增阻组件与地面的最大静摩擦力通过停止伸长底支撑组件高度实现；所述步骤s4中，使增阻组件与地面的最大静摩擦阻力减小是通过缩短底支撑组件高度实现。

进一步的，所述步骤s2中启动增阻组件增加阻力，使得增阻组件与地面的静摩擦力大于或等于盾构机向前启动时加速度所需推力与位于盾构机下侧的座板与支撑框架摩擦力之和。

进一步的，所述步骤s4中，启动增阻组件减小阻力，使得增阻组件与地面的静摩擦力小于或等于盾构机向前启动时加速度所需推力与位于盾构机下侧的座板与支撑框架摩擦力之和。

进一步的，所述推进方法还包括将盾构机平面滑行推进装置安置于经过处理后的路面的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明通过在支撑框架的底部同时设置滑移组件和增阻组件，能够针对不同的推进过程，灵活调节推进装置与地面的最大静摩擦力，从而实现推进速度的调节，同时还能够实现不同部件之间的支撑作用功能的转换，能够延长推进装置的使用寿命。

(2)本发明的推进装置根据不同的推进过程，改变推进装置与地面的最大静摩擦力，通过盾构机自带的液压缸的伸展与收缩功能实现推进装置与盾构机整体的循环持续推进，充分利用资源机械，减少机械装置额外造价。

(3)本发明通过在支座的中部设置凹槽，其两侧凸起，使得盾构机能够纵向置于凹槽中，支座两侧的凸起部位形成挡板，能够有效避免盾构机侧向滚动，使得推进过程更加稳定。

(4)本发明通过调节滑移组件和增阻组件两个共同承受的压力，改变支撑装置所有的摩擦力，控制推进装置与盾构机的位移加速度的不同，实现盾构机顺利向前推进。

(5)与现有技术相比，本发明可保证盾构机与滑移组件无需发生竖向位移，减少竖向力的输出，避免因盾构机过重借助大型升降设备提升和降低盾构机的竖向位移。

(6)本发明的推进方法，只需要调节增阻组件的伸缩即可实现不同推进过程中，推进装置与地面之间的最大静摩擦力大小，且通过增阻组件高度的调节可以实现增阻组件与滑移组件之间受力的转换，操作简单，且减少了对推进装置底部的磨损，提高使用寿命，且利用了伸缩装置的收缩力，减少了能耗的浪费，提高推进效率。

附图说明

图1为本发明推进装置立体结构示意图。

图2为本发明推进装置安装盾构机后的结构示意图。

图3为本发明推进装置侧面结构示意图。

图4为图1中转轮组件放大示意图。

图5为本发明推进装置底部结构示意图。

图6为本发明增阻组件结构示意图。

图7为本发明推进装置底部结构又一示意图。

图8为本发明盾构机平面滑行推进方法示意图。

具体实施方式

本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

本实施例提供一种盾构机平面滑行推进装置，能够实现连续推进，提高推进效率的目的。

本发明采取的技术方案是，结合图1～2所示，提供一种盾构机平面滑行推进装置，包括支撑框架1，设于支撑框架1上侧、用于支撑盾构机10的座板2，设于支撑框架1下侧的多个滑移组件3和多个增阻组件4，以及设于支撑框架1尾端的反力装置5，所述盾构机10一端设有伸缩装置6，所述伸缩装置(6)液压推缸，所述液压推缸为盾构机提供推力和拉力。所述液压推缸6通过反力装置5的支撑，实现盾构机10推进；

所述盾构机10与液压推缸6质量和为md，支撑框架1质量为mzc，座板2质量为mzb，滑移组件3质量为mg，增阻组件4质量为mzz，反力装置5质量为mf；所述盾构机10与座板2的摩擦系数为udz，座板2与支撑框架1摩擦系数为uzz，滑移组件3与地面的摩擦系数为ugd，所述增阻组件4与地面摩擦系数为uzd，重力加速度为g，液压推缸6向外的推力和向内的收缩力分别为ft和fs，地面与滑移组件3接触部位承受压力和为fg，地面与增阻组件4接触部承受压力和为fz；

所述盾构机10与座板2的最大静摩擦力fdz＝md·g×udz大于座板2与支撑框架1的最大静摩擦力fzz＝(md+mzb)·g×uzz，且md+mzc+mzb+mg+mzz+mf＝fg+fz，ugd＜uzd；

在液压推缸6推力为ft的状态下：(1)

在液压推缸6收缩力为fs的状态下：(2)

进一步的，结合图1、图3和图5所示，所述支撑框架1包括设于座板2下侧、与座板2平行的支撑板11和多组垂直于支撑板并间隔设置的卡板12，每组卡板12包括两块平行的第一卡板121和第二卡板122，所述滑移组件3包括滚轮31和设于滚轮两端、用于安装滚轮31的滚轮轴32，两个所述滚轮轴32分别与第一卡板121和第二卡板122转动连接。

所述支撑板的两侧还设有与两侧的卡板一体成型或者固定连接的挡板13，所述挡板13设于支撑板的上侧，所述挡板13的相对座板具有一定的垂直高度，用于防止盾构机侧滑，同时还能够避免座板的侧向滑动，使得座板只能实现前后的移动。

进一步的，结合图1和图4所示，所述支撑板11上设有多组用于减小支撑板11与座板2之间摩擦力的转轮组件7，所述支撑板11上侧设置有转轮槽20，所述转轮组件7包括多个转轮71和设于转轮71两端的转动轴72，所述转动轴与转轮槽20的侧面转动连接。

进一步的，所述增阻组件4为可伸缩支撑装置。

进一步的，如图6～7所示，所述可伸缩支撑装置包括顶支撑组件41和安装在顶支撑组件41下方、用于增大或减小增阻组件4与地面的最大静摩擦力的可伸缩的底支撑组件42，当需要增大增阻组件4与地面的最大静摩擦力时，所述底支撑组件42伸长，当需要减小增阻组件4与地面的最大静摩擦力时，所述底支撑组件42收缩。

进一步的，如图1～2所示，所述座板2的上部设有防止盾构机10侧向滚动的凹槽30，所述凹槽内设有增加盾构机与凹槽最大静摩擦力的橡胶垫(图中未标识出)，防止盾构机与座板在推力与拉力的作用下产生纵向相对移动。进一步的，如图2所示，所述反力装置5为固定在推进装置尾端的金属板。优选的，所述金属板与矩形钢板。通过将钢板垂直固定在支撑框架的尾端，所述液压推缸一端固定在钢板上，形成液压推缸的受力点，实现盾构机向前推动。

实施例2

本发明还提供一种盾构机平面滑行推进方法，利用如图1～7所示的推进装置实现；结合图8所示，所述推进方法为：

当伸缩装置6伸长推进时，启动增阻组件4增加阻力，使得所述盾构机10相对座板2的加速度大于支撑框架1相对地面的加速度；

当伸缩装置6收缩时，启动增阻组件4减小阻力，使得所述盾构机10相对座板2的加速度小于支撑框架1相对地面的加速度。

具体的，所述盾构机10与伸缩装置6质量和为md，支撑框架1质量为mzc，座板2质量为mzb，滑移组件3质量为mg，增阻组件4质量为mzz，反力装置5质量为mf；所述盾构机10与座板2的摩擦系数为udz，座板2与支撑框架1摩擦系数为uzz，滑移组件3与地面的摩擦系数为ugd，所述增阻组件4与地面摩擦系数为uzd，重力加速度为g，液压推缸6向外的推力和向内的收缩力分别为ft和fs，地面与滑移组件3接触部位承受压力和为fg，地面与增阻组件4接触部承受压力和为fz；

所述推进方法包括以下步骤：

s1：将盾构机10平面滑行所述推进装置的座板2上，并将盾构机10一端的伸缩装置6与反力装置5固定；

s2：启动增阻组件4增加阻力，使增阻组件4与地面的最大静摩擦力增大，盾构机10平面滑行推进装置与地面的最大静摩擦阻力(fmzd)满足：

s3：停止增阻组件4继续增加增阻组件4与地面的最大静摩擦力值，启动伸缩装置，施加推力ft1推动盾构机10与座板2向前移动，完成一个推进步距，停止伸缩装置推进；

s4：启动增阻组件4减小阻力，使增阻组件4与地面的最大静摩擦阻力减小，盾构机10平面滑行推进装置与地面的最大静摩擦阻力(fmzd)满足：

s5：停止增阻组件4减小阻力；启动伸缩装置6，其收缩力fs1开始收缩，完成一个收缩布距；

s6：重复步骤s2、步骤s3、步骤s4、步骤s5，直至盾构机10达到指定位置。

进一步的，所述步骤s4中，增阻组件4与地面的最大静摩擦力降至0，使得增阻组件4脱离地面后，启动伸缩装置6开始收缩。

进一步的，所述步骤s2中增阻组件4增加阻力的方式为伸长底支撑组件42的高度，增加增阻组件4受力实现；所述步骤s3中，停止增阻组件4继续增加增阻组件4与地面的最大静摩擦力值通过停止伸长底支撑组件42高度实现；所述步骤s4中，使增阻组件4与地面的最大静摩擦阻力减小是通过缩短底支撑组件42高度实现。

进一步的，所述步骤s2中启动增阻组件4增加阻力，使得增阻组件与地面的静摩擦力大于或等于盾构机向前启动时加速度所需推力与位于盾构机下侧的座板与支撑框架摩擦力之和。

进一步的，所述步骤s4中，启动增阻组件4减小阻力，使得增阻组件与地面的静摩擦力小于或等于盾构机向前启动时加速度所需推力与位于盾构机下侧的座板与支撑框架摩擦力之和。

进一步的，所述推进方法还包括将盾构机10平面滑行推进装置安置于经过处理后的路面的步骤。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。