一种半马盾构机的开挖装置及马蹄形断面盾构机的制作方法

1.本实用新型涉及盾构机技术领域，具体涉及一种半马盾构机的开挖装置及马蹄形断面盾构机。


背景技术：

2.目前在山岭隧道施工中，经常使用的施工方法有钻爆法、台阶法、三台阶法、双侧壁导坑法、中隔壁（cd）法、交叉中隔壁（crd）法等。它们大多采用锚杆和喷射混凝土对隧道进行支护，控制围岩的变形和松弛。但施工过程中若遇到断层破碎带，由于该地质具有岩体稳定性差、强度低、透水性差、容易变形和压缩性差等特点，围岩结构极不稳定，自承载能力较弱，经常会出现坍塌、冒顶等事故，给隧道施工安全造成很大影响。
3.国内外专业技术人员对马蹄形隧道采用的盾构法施工工法进行了大量研究，例如授权公告号为cn211924170u的中国实用新型专利公开的一种半马盾构机的开挖装置及掘进机，开挖装置包括设置在盾体横截面上部的挖掘臂装置和设置在盾体横截面下部的组合式旋转刀盘装置，组合式旋转刀盘装置与设置在盾体内的驱动系统相连接，组合式旋转刀盘装置包括两个后辅助刀盘和多个前刀盘组成的前组合刀盘组，前组合刀盘组位于后辅助刀盘的前方，各前刀盘位于同一平面内。前刀盘包括主轴套筒以及设置在主轴套筒上的呈y形布置的刀梁，刀梁上设有切刀，相邻前刀盘的刀梁错开布置且转向相反。
4.上述开挖装置通过挖掘臂装置和组合式旋转刀盘装置共同配合，可以开挖出马蹄形隧道，且开挖装置的上半部分为挖掘臂，仅有下半部分为刀盘，相当于是半敞开式的马蹄形断面盾构机，因此称之为半马盾构机的开挖装置。然而，其组合式旋转刀盘装置中的多个前刀盘并列交错，不仅结构复杂，而且切削面积重复较多，刀盘有效利用率低，同时还存在很多的开挖盲区，使用效果差。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供一种半马盾构机的开挖装置，以解决现有开挖装置结构复杂、切削重复面积大、开挖盲区多的问题；本实用新型的目的还在于提供一种马蹄形断面盾构机，以解决现有盾构机中的开挖装置结构复杂、切削重复面积大、开挖盲区多的问题。
6.为实现上述目的，本实用新型中的半马盾构机的开挖装置采用如下技术方案：
7.一种半马盾构机的开挖装置，包括：
8.盾体；
9.组合式刀盘，安装在盾体上且位于盾体横截面的下部；
10.组合式刀盘包括：
11.中部刀盘，中部刀盘用于沿前后方向延伸的轴线360度旋转，以开挖出马蹄形断面下半部分的左右方向上的中部；
12.翼部刀盘，翼部刀盘包括左翼部刀盘和右翼部刀盘，左翼部刀盘设置于中部刀盘
的左上方，右翼部刀盘设置于中部刀盘的右上方，左翼部刀盘和右翼部刀盘分别用于沿前后方向延伸的轴线在设定角度范围内往复摆动，左翼部刀盘和右翼部刀盘均包括多个刀梁，左翼部刀盘和右翼部刀盘中均有至少一个刀梁的长度大于其他刀梁而形成长刀梁，以开挖出马蹄形断面下半部分的左翼和右翼。
13.上述技术方案的有益效果在于：中部刀盘位于中部，进行360度旋转，可以开挖出马蹄形断面下半部分的左右方向上的中部；左翼部刀盘和右翼部刀盘分别位于中部刀盘左上方和右上方，并分别具有至少一个长刀梁，且在设定角度范围内往复摆动，这样就可以开挖出马蹄形断面下半部分的左翼和右翼。
14.本实用新型中采用中部刀盘+两个翼部刀盘的形式，结构简单，切削重复面积少，提高了刀盘的有效利用率，并且通过两个翼部刀盘上的长刀梁减少了开挖盲区。
15.进一步的，为了提高翼部刀盘的结构强度，左翼部刀盘和右翼部刀盘中的长刀梁均有两个，两个长刀梁之间连接有加强梁。
16.进一步的，为了提高加强效果，所述加强梁包括两个间隔设置的弧形梁以及连接在两个弧形梁之间的连接梁，弧形梁的两端分别与两个长刀梁固定连接。
17.进一步的，为了保证开挖效率和开挖面积，左翼部刀盘和右翼部刀盘均包括六个圆周均布设置的刀梁，其中除两个长刀梁之外的其余四个刀梁均为短刀梁，各个短刀梁的长度相等。
18.进一步的，为了使结构布局合理，提高开挖效率，左翼部刀盘和右翼部刀盘位于同一平面内，且左翼部刀盘和右翼部刀盘位于中部刀盘的后方。
19.进一步的，为了方便开挖出马蹄形断面的上半部分，盾体内于盾体横截面的中部固定有横梁，半马盾构机的开挖装置还包括安装在横梁上且位于盾体横截面上部的挖掘机，挖掘机用于开挖出马蹄形断面的上半部分，挖掘机包括旋转底座和机械臂，旋转底座固定在横梁上，机械臂的一端安装在旋转底座上，机械臂的另一端连接有开挖头。
20.进一步的，为了简化结构，减少开挖盲区，所述中部刀盘仅有一个且位于盾体横截面下部的正中间。
21.为实现上述目的，本实用新型中的马蹄形断面盾构机采用如下技术方案：
22.一种马蹄形断面盾构机，包括开挖装置，开挖装置包括：
23.盾体；
24.组合式刀盘，安装在盾体上且位于盾体横截面的下部；
25.组合式刀盘包括：
26.中部刀盘，中部刀盘用于沿前后方向延伸的轴线360度旋转，以开挖出马蹄形断面下半部分的左右方向上的中部；
27.翼部刀盘，翼部刀盘包括左翼部刀盘和右翼部刀盘，左翼部刀盘设置于中部刀盘的左上方，右翼部刀盘设置于中部刀盘的右上方，左翼部刀盘和右翼部刀盘分别用于沿前后方向延伸的轴线在设定角度范围内往复摆动，左翼部刀盘和右翼部刀盘均包括多个刀梁，左翼部刀盘和右翼部刀盘中均有至少一个刀梁的长度大于其他刀梁而形成长刀梁，以开挖出马蹄形断面下半部分的左翼和右翼。
28.上述技术方案的有益效果在于：中部刀盘位于中部，进行360度旋转，可以开挖出马蹄形断面下半部分的左右方向上的中部；左翼部刀盘和右翼部刀盘分别位于中部刀盘左
上方和右上方，并分别具有至少一个长刀梁，且在设定角度范围内往复摆动，这样就可以开挖出马蹄形断面下半部分的左翼和右翼。
29.本实用新型中采用中部刀盘+两个翼部刀盘的形式，结构简单，切削重复面积少，提高了刀盘的有效利用率，并且通过两个翼部刀盘上的长刀梁减少了开挖盲区。
30.进一步的，为了提高翼部刀盘的结构强度，左翼部刀盘和右翼部刀盘中的长刀梁均有两个，两个长刀梁之间连接有加强梁。
31.进一步的，为了提高加强效果，所述加强梁包括两个间隔设置的弧形梁以及连接在两个弧形梁之间的连接梁，弧形梁的两端分别与两个长刀梁固定连接。
32.进一步的，为了保证开挖效率和开挖面积，左翼部刀盘和右翼部刀盘均包括六个圆周均布设置的刀梁，其中除两个长刀梁之外的其余四个刀梁均为短刀梁，各个短刀梁的长度相等。
33.进一步的，为了使结构布局合理，提高开挖效率，左翼部刀盘和右翼部刀盘位于同一平面内，且左翼部刀盘和右翼部刀盘位于中部刀盘的后方。
34.进一步的，为了方便开挖出马蹄形断面的上半部分，盾体内于盾体横截面的中部固定有横梁，开挖装置还包括安装在横梁上且位于盾体横截面上部的挖掘机，挖掘机用于开挖出马蹄形断面的上半部分，挖掘机包括旋转底座和机械臂，旋转底座固定在横梁上，机械臂的一端安装在旋转底座上，机械臂的另一端连接有开挖头。
35.进一步的，为了简化结构，减少开挖盲区，所述中部刀盘仅有一个且位于盾体横截面下部的正中间。
36.进一步的，为了方便出渣，马蹄形断面盾构机还包括出渣装置，出渣装置包括设置于组合式刀盘背面的输送机以及用于将渣土扒到输送机上的机械手。
37.进一步的，为了方便机械手将渣土扒到输送机上，输送机的前端由后向前逐渐向下倾斜并抵触在盾体底部。
附图说明
38.图1为本实用新型中马蹄形断面盾构机部分结构的主视图；
39.图2为本实用新型中马蹄形断面盾构机部分结构的侧视图。
40.图中：1
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挖掘机；11
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旋转底座；12
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机械臂；13
‑
开挖头；2
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组合式刀盘；21
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中部刀盘；211
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前刀梁；22
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左翼部刀盘；221
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后长刀梁；222
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后短刀梁；223
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弧形梁；224
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连接梁；23
‑
右翼部刀盘；3
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盾体；31
‑
横梁；4
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驱动系统；5
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机械手；6
‑
输送机。
具体实施方式
41.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型，即所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
42.因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实
施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
43.需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
44.以下结合实施例对本实用新型的特征和性能作进一步的详细描述。
45.本实用新型中马蹄形断面盾构机的一个实施例如图1和图2所示，包括开挖装置，开挖装置包括盾体3以及固定在盾体3内且位于盾体3横截面中部的横梁31，开挖装置还包括安装在横梁31上且位于盾体3横截面上部的挖掘机1，挖掘机1用于开挖出马蹄形断面的上半部分。具体的，挖掘机1包括旋转底座11和机械臂12，旋转底座11固定在横梁31上，机械臂12的一端安装在旋转底座11上，机械臂12的另一端连接有开挖头13，在旋转底座11的作用下，机械臂12可以左右摆动，同时机械臂12可以带动开挖头13进行多自由度运动，开挖灵活，能够在较大范围内实现开挖，满足各种角度的开挖需要。并且，为了保证开挖面积和开挖效率，方便开挖出马蹄形断面的上半部分，挖掘机1设有两个，两个挖掘机1左右间隔并对称布置，如图2所示。
46.开挖装置还包括安装在盾体3上且位于盾体3横截面下部的组合式刀盘2，开挖装置还包括设置于盾体3内的驱动系统4，驱动系统4与组合式刀盘2传动连接，以驱动组合式刀盘2转动。
47.具体的，组合式刀盘2包括中部刀盘21和翼部刀盘，中部刀盘21仅有一个且位于盾体3横截面下部的正中间，在驱动系统4的作用下沿前后方向延伸的轴线360度旋转，以开挖出马蹄形断面下半部分的左右方向上的中部。中部刀盘21包括五个等长且圆周均布的前刀梁211，各前刀梁211上均安装有切刀，中部刀盘21最大回转直径等于马蹄形断面下半部分的高度，以保证最大开挖面积。
48.上述翼部刀盘设置于中部刀盘21的后方，翼部刀盘包括左翼部刀盘22和右翼部刀盘23，左翼部刀盘22设置于中部刀盘21的左后上方，右翼部刀盘23设置于中部刀盘21的右后上方，左翼部刀盘22和右翼部刀盘23位于同一平面内且左右对称布置。在驱动系统4的作用下，左翼部刀盘22和右翼部刀盘23分别沿前后方向延伸的轴线在设定角度范围内往复摆动。
49.如图2所示，左翼部刀盘22和右翼部刀盘23均包括六个圆周均布设置的刀梁，以左翼部刀盘22为例，左翼部刀盘22的六个刀梁中有两个刀梁的长度大于其他刀梁而形成后长刀梁221，除两个后长刀梁221之外的其余四个刀梁均为后短刀梁222，各个后短刀梁222的长度相同，两个后长刀梁221的长度相同，且两个后长刀梁221布置在马蹄形断面下半部分的左侧，以开挖出马蹄形断面下半部分的左翼，同理右翼部刀盘23上的两个长刀梁用以开挖出马蹄形断面下半部分的右翼。
50.由于两个长刀梁长度较长而受力较大，因此为了提高翼部刀盘的结构强度，以左
翼部刀盘22为例，在两个后长刀梁221之间连接有加强梁，加强梁包括两个间隔设置的弧形梁223以及连接在两个弧形梁223之间的连接梁224，弧形梁223的两端分别与两个后长刀梁221固定连接。
51.本实用新型中组合式刀盘2的中部刀盘和翼部刀盘不在同一平面，中部刀盘在前，翼部刀盘在后，相互独立，互不干涉，同时两个翼部刀盘间隔设置，且两个翼部刀盘只在设定角度范围内往复摆动，可以对掌子面进行全面不干涉开挖，提高开挖效率。
52.马蹄形断面盾构机还包括出渣装置，如图1和图2所示，出渣装置包括设置于组合式刀盘2背面的输送机6以及用于将渣土扒到输送机6上的机械手5。出渣装置设有两套，两套对称设置在盾体3底部，且位于中部刀盘21分别与左翼部刀盘22和右翼部刀盘23交界部分的下方。具体的，输送机6采用刮板输送机，刮板输送机设置在盾体3横截面底部的集渣口中下部，机械手5设置在盾体3横截面底部的集渣口上部，机械手5向集渣口扒动渣土并由刮板输送机运送出去，并且为了方便扒渣，输送机6的前端由后向前逐渐向下倾斜并抵触在盾体3底部。
53.马蹄形断面盾构机的工作流程如下：
54.如图1中的挖掘机1，挖掘机1的开挖头13向上向前伸出，插入掌子面，通过抓举动作将渣土从掌子面脱离，旋转底座11调整机械臂12支点位置和机械臂12左右伸出的角度，重复上述动作，挖掘整个掌子面上半部。
55.如图2中的组合式刀盘，假设中部刀盘21绕其中心线逆时针旋转，左翼部刀盘22和右翼部刀盘23绕其轴线上下摆动，中部刀盘和翼部刀盘位于不同平面，相互独立，互不干涉；刀盘将碎石块进行破碎、过滤和搅动，这样，三个刀盘共同拟合开挖出马蹄形断面下半部。
56.如图1中的出渣装置，掌子面开挖后掉落盾体底部的渣土一方面通过自重堆积在输送机6附近，另一方面，通过扒渣机械手5将渣土聚集，再由刮板输送机输送出掌子面。
57.本实用新型适用于黄土、黏土等地质，挖掘机装置开挖断面在前，组合式刀盘装置开挖断面在后，形成台阶，增加了开挖工作面面积，前后干扰小，有利于掌子面稳定；出渣装置在底部两侧，提升了出渣效率；降低了施工成本，提升了施工安全性。并且组合式刀盘采用中部刀盘+两个翼部刀盘的形式，结构简单，切削重复面积少，提高了刀盘的有效利用率，并且通过减少刀盘数量以及两个翼部刀盘上的长刀梁减少了开挖盲区。
58.在马蹄形断面盾构机的其他实施例中，输送机也可以采用螺旋输送机或皮带输送机。
59.在马蹄形断面盾构机的其他实施例中，输送机的前端也可以是水平布置。
60.在马蹄形断面盾构机的其他实施例中，出渣装置也可以不包括机械手。
61.在马蹄形断面盾构机的其他实施例中，中部刀盘也可以设置两个，两个中部刀盘左右布置，它们的刀梁交错设置、转向相反。
62.在马蹄形断面盾构机的其他实施例中，盾体内可以不设置横梁以及挖掘机，例如开挖装置全部依靠旋转刀盘进行开挖，也即盾体横截面上部也设有刀盘。
63.在马蹄形断面盾构机的其他实施例中，左翼部刀盘和右翼部刀盘也可以不在同一平面内，当然左翼部刀盘和右翼部刀盘也可以设置在中部刀盘的前方。
64.在马蹄形断面盾构机的其他实施例中，左翼部刀盘和右翼部刀盘的刀梁数量也可
以不是六个，而是根据实际情况进行设置，但至少应该保证刀梁的数量满足左翼部刀盘和右翼部刀盘在设定角度内摆动时可以正常进行开挖。
65.在马蹄形断面盾构机的其他实施例中，加强梁可以只有弧形梁，或者是直的连接梁。
66.在马蹄形断面盾构机的其他实施例中，在刀盘强度足够的情况下，也可以不设置加强梁。
67.在马蹄形断面盾构机的其他实施例中，左翼部刀盘和右翼部刀盘的长刀梁的个数可以不是两个，例如只有一个，或者根据实际情况进行设置。
68.本实用新型中半马盾构机的开挖装置的实施例为：半马盾构机的开挖装置的具体结构与上述马蹄形断面盾构机实施例中的开挖装置相同，在此不再重述。
69.以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，本实用新型的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本实用新型的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本实用新型的保护范围内。