一种超大断面隧道掘进主机及盾构机的制作方法

[0001]
本发明涉及隧道施工技术领域，特别是指一种超大断面隧道掘进主机及盾构机。


背景技术：

[0002]
城市地下空间的开发利用对于改善城市环境、建设宜居城市、提高城市综合承载能力具有重要意义。地下空间的开发有诸多形式，其中在修建城市地铁隧道以及公路隧道方面以盾构法应用的最为普遍。
[0003]
近年来，隧道施工向着更大直径、更复杂地层和更小扰动的方向发展，超大断面多功能隧道也越来越多。一般将开挖面积超过100
㎡
的隧道称为超大断面隧道。随着隧道掌子面开挖面积越来越大，掌子面拱顶和底部土体的压力差更大，土体自稳性更差，掌子面发生失稳、塌方、地表沉降失控等次生灾害的概率大大增加，严重影响工程质量、安全、进度，乃至造成巨大的经济损失。
[0004]
现今盾构法施工设备主要有两种：即土压平衡盾构和泥水平衡盾构。这两种设备类型在隧道掌子面与隧道轴线垂直的超大断面隧道施工时的特点如下：（1）土压平衡盾构是将掌子面开挖下来的渣土产生土压，以平衡掌子面的压力。其具有施工成本低、施工进度快等优点，但用于超大断面隧道施工时，刀盘扭矩会随着开挖面面积的增大成几何倍数的增加，致使盾构机驱动功率增大，刀盘磨损严重，施工成本大大增加。且土压平衡盾构机在在施工时无法做到满仓掘进，土仓压力控制精准度不高，施工后地表沉降大，并不能精确控制掌子面各个高度的压力，掌子面易发生失稳；（2）泥水平衡盾构可将制备好的泥浆送入泥水仓，在开挖面处形成难透水的泥膜，通过泥膜建立的压力平衡掌子面的水土压力，支撑隧道掌子面。为了确保开挖面稳定，必须建立合适的泥膜压力：若开挖面前方的泥膜按照超大断面隧道顶部压力建压，由于掌子面拱顶和底部土体的压力差太大，掌子面底部泥膜对土体无法形成实质性支撑；若开挖面前方的泥膜按照超大断面隧道底部压力建压，则掌子面顶部泥膜压力大于土体压力，掌子面稳定性差、易发生塌方。
[0005]
综上所述，超大断面隧道由于拱顶和底部的压力差太大，局部大压力的可能性增大，现有的隧道掘进机在施工时均不能精确控制掌子面各个高度的压力，不能保证开挖面前方的掌子面稳定性。


技术实现要素：

[0006]
针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种超大断面隧道掘进主机及盾构机，以解决上述技术问题。
[0007]
本发明的技术方案是这样实现的：一种超大断面隧道掘进主机，包括盾体，所述盾体的前端设有倾斜设置的刀盘，盾体内设有倾斜设置的主驱动，主驱动与刀盘相连接。所述刀盘的倾斜角度与掌子面的土体自然倾斜角θ相同。
[0008]
优选地，所述盾体的前端面为斜面，斜面的倾斜角度与刀盘的倾斜角度相同，盾体
内依次设有前隔板和中间隔板，主驱动连接在前隔板和中间隔板上，主驱动通过刀盘法兰和支撑臂与刀盘相连接。
[0009]
优选地，所述前隔板倾斜设置，前隔板与刀盘之间形成泥土仓，前隔板上设有泡沫注入口、膨润土注入口和土压传感器；刀盘的后部设有主动搅拌棒，主动搅拌棒与设置在前隔板上的被动搅拌棒相对应。
[0010]
优选地，所述中间隔板的上部连接有人舱，人舱与设置在前隔板上的前舱门相对应，中间隔板的下部连接有排渣管路。
[0011]
优选地，所述盾体包括依次连接的前盾、中盾和尾盾，前盾、中盾和尾盾的直径依次减小，前盾、中盾和尾盾均采用分块连接盾体。
[0012]
一种盾构机，包括所述的超大断面隧道掘进主机，还包括设置在盾体内的推进系统、管片拼装机和管片运输装置。
[0013]
本发明掘进主机利用土体自然安息角原理，在盾构机前方形成一种倾斜式隧道掌子面和刀盘（倾斜角度与土体自然安息角相同）结构，使底部掌子面对顶部掌子面有实质性支撑，有效保证隧道掌子面的稳定，保证盾构法隧道施工的安全。盾构机利用安装在盾体的前方、与隧道轴线倾斜一定角度的刀盘系统，将开挖面的渣土切削下来进入刀盘后面的泥土仓内，产生泥土压力平衡掌子面，控制地表沉降。隧道掌子面与刀盘面板平行，也即与隧道轴线倾斜一定角度，刀盘对掌子面进行高效稳定开挖，进一步提高施工效率，具有较高的推广价值。
附图说明
[0014]
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。
[0015]
图1为本发明盾构机布置图。
[0016]
图2为本发明盾体中前盾内部结构示意图。
[0017]
图3为本发明盾体中前隔板的孔位布置图。
[0018]
图中：1-刀盘、101-刀盘刀具、102-主动搅拌棒、103-支撑臂、104-刀盘法兰、2-主驱动、201-主轴承、202-电机和减速器、203-中心回转接头、3-盾体、301-前盾、302-中盾、303-尾盾、304-前盾隔板、3041-前舱门、3042-泡沫注入口、3043-膨润土注入口、3044-土压传感器接口、305-中间隔板、306-米子梁、307-排渣管、308-被动搅拌棒、4-管片拼装机、5-人舱、6-推进系统、7-管片、8-盾尾密封、9-管片输送装置、10-隧道掌子面、11-泥土仓。
具体实施方式
[0019]
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。
[0020]
如图1所示，实施例1，一种超大断面隧道掘进主机，包括盾体3，所述盾体3的前端设有倾斜设置的刀盘1，盾体3内设有倾斜设置的主驱动2，主驱动2与刀盘1相连接，为刀盘
提供转动动力。优选地，主驱动系统2包括主轴承201、电机和减速机202和中心回转接头203；所述主驱动系统2的中心线与刀盘系统中心线重合（与隧道轴线倾斜一定角度），其位于与隧道轴线方向重合的盾体系统3的内部，且与刀盘1法兰连接。刀盘1通过主驱动2的电机和减速机202提供扭矩而转动；刀盘系统1通过连接法兰104与主驱动2的外齿圈连接。所述刀盘1的倾斜角度与掌子面10的土体自然倾斜角θ相同。超大断面隧道掌子面10由于土体自重，顶部和底部上下压力差较大，掌子面稳定性较差。可利用土体自然倾斜角（也称土体自然安息角）原理，将所述刀盘系统1的轴线与隧道轴线倾斜一定角度，从而使刀盘前方形成一种倾斜式隧道掌子面（倾斜角度与土体自然安息角相同）结构，使底部掌子面对顶部掌子面有实质性支撑，有效保证隧道掌子面10的稳定，保证盾构法隧道施工的安全。
[0021]
进一步，如图2所示，所述盾体3的前端面为斜面，与刀盘的倾斜方向相同，斜面的倾斜角度与刀盘1的倾斜角度相同，为刀盘提供更好的支撑。盾体3内依次设有前隔板304和中间隔板305，主驱动2连接在前隔板304和中间隔板305上，主驱动2通过刀盘法兰104和支撑臂103与刀盘1相连接。盾体3支撑整个盾构设备并隔离地层中的水土压力。与刀盘1和主驱动2的轴线相对于隧道轴线倾斜不同，盾体3的中心线与隧道中心线重合。根据施工地质不同，安装在刀盘面板上的刀盘刀具101应相应配置不同数量和种类的滚刀装置、切刀装置、刮刀和边刮刀组件等。考虑到实际运输尺寸和重量的限制，刀盘1分为中心块和若干个周边块，采用模块化设计，保证刀盘整体完整性和掘进效率。
[0022]
进一步，如图3所示，所述前隔板304倾斜设置在前盾内，将前盾301沿掘进方向划分为两个部分，前隔板304与刀盘1之间形成泥土仓11。前隔板304上设有泡沫注入口3042、膨润土注入口3043和土压传感器3044，可将泡沫、膨润土等添加剂从后配套通过管路经过前盾隔板304上的隔板孔引入刀盘，实现对泥土仓11内的渣土进行改良，以保证倾斜式隧道掌子面的稳定；土压传感器3044用于实时监测泥土仓内部压力。刀盘1的后部设有主动搅拌棒102，主动搅拌棒102与设置在前隔板304上的被动搅拌棒308相对应。随着刀盘系统1的旋转，主动搅拌棒102在泥土仓11内旋转，随支撑臂103和被动搅拌棒309一起对泥土仓11内的渣土进行搅拌，改良渣土的流动性，降低刀盘结泥饼的概率。
[0023]
如图1所示，实施例2，一种超大断面隧道掘进主机，所述中间隔板305的上部连接有人舱5，人舱5与设置在前隔板304上的前舱门3041相对应，即人舱5是从常压状态进入泥土仓11的过渡设备，与中间隔板305法兰连接。中间隔板305的下部连接有排渣管路307。所述前盾隔板304上还设有预留的电液通道、水气通道等孔。刀盘1上的刀盘刀具101将前方掌子面10的原状土切削下来，经泡沫、膨润土泥浆、聚合物水溶液等渣土改良材料改良形成具有较大流动状态，并经过设置在刀盘背部的主动搅拌棒102搅拌均匀后，经过排渣口307排出。
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进一步，所述盾体3包括依次连接的前盾301、中盾302和尾盾303，由于刀盘1的轴线相对于隧道轴线倾斜，为保证盾体3中前盾301的切口环前端面与刀盘1的距离保持不变，前盾301的上部壳体长度也应比下部壳体大，如图3所示；所述前盾301、中盾302和尾盾303的壳体直径依次减小，呈梭形。并且均采用分块式设计，形成分块连接盾体，以提高装置的灵活性。盾尾密封8安装在尾盾303的末端，用以防止土体中的水、土及压注材料从尾盾303进入盾构机内部，保证了盾构机整体的密封性。在掘进过程中，随着与隧道轴线平行的推进系统6向前推进，盾构机利用安装在盾体系统3的前方、与隧道轴线倾斜一定角度的刀盘系
统1，将开挖面的渣土切削下来进入刀盘后面的泥土仓11内，产生泥土压力平衡掌子面，控制地表沉降。泥土仓11内的水土压力可用安装在前盾隔板304上的土压传感器测量。隧道掌子面10与刀盘面板平行，也即与隧道轴线倾斜一定角度，使底部掌子面对顶部掌子面有实质性支撑，有效保证隧道掌子面的稳定。
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如图1所示，实施例3，一种盾构机，包括所述的超大断面隧道掘进主机，还包括设置在盾体内的推进系统6、管片拼装机4和管片运输装置9。所述推进系统6固定在米子梁306上。管片拼装系统4与米子梁306法兰连接，其主要由托梁、移动架、回转架、回转支撑等部件组成。并通过升降、平移、回转等动作拼装衬砌管片7，将一环管片的多块管片按顺序拼装成一环，以构成隧道内壁。在盾构机掘进时，端部顶在管片7上，给盾构机提供向前掘进的推力。与刀盘系统1轴线与隧道轴线倾斜一定角度不同，推进系统6中的推进油缸轴线与隧道轴线平行；管片拼装系统4拼装管片7，推进系统6以管片7为支撑推进盾构机前移，如此反复，实现盾构机的掘进。所述管片输送装置9通过其前部的牵引机构与米子梁306连接，随着盾构机正常掘进一起向前移动。在拼装管片时，管片拼装系统4后移，从管片运输装置9上抓取管片，然后管片输送装置9再把下块管片运送到此抓取位置，如此循环。
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该盾构机，其刀盘1和主驱动2轴线与隧道轴线倾斜一定角度，而盾体3的轴线与隧道轴线平行，也即刀盘1和主驱动2相对于盾体3倾斜一定角度（倾斜角度与土体自然安息角相同）。盾构机在沿隧道轴线掘进的同时，刀盘1在主驱动2驱动下沿自身轴线旋转，使刀盘前方形成一种倾斜式隧道掌子面（倾斜角度与土体自然安息角相同）结构，使底部掌子面对顶部掌子面有实质性支撑，土体自稳性强。解决了超大断面隧道掌子面由于顶部和底部压力差较大而导致掌子面稳定性较差的问题。
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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。