一种超大矩形断面盾构顶管的制造方法
【专利摘要】一种超大矩形断面盾构顶管机，包括刀盘装置、驱动系统、护盾结构、螺旋输送机和后配套系统，所述护盾结构的截面为矩形、上部起拱；护盾结构包括前盾、纠偏油缸、尾盾、可调节式铰接密封和出洞油缸；前盾支撑驱动系统，前盾和尾盾之间至少通过两组纠偏油缸连接，出洞油缸设置于尾盾后端。为了进一步改进本发明的结构，刀盘装置为组合式刀盘，能够保证掘进面与前盾的土压力平衡的效果，且对地层扰动小；驱动系统为独立驱动系统，能够根据地质情况实时调节扭矩。因此，本发明施工效率高，对底层扰动小，减少了地表沉降，提高施工的可靠性，提高了排渣效率，且整机拆装、操作和控制方便安全，设备造价低廉、经济实用。
【专利说明】一种超大矩形断面盾构顶管机
【技术领域】
[0001] 本发明属于隧道施工设备【技术领域】，尤其涉及一种盾构顶管设备。
【背景技术】
[0002] 盾构技术不用大量拆迁，不用开挖地面，地面上无噪音、无尘土、不扰民，而且全部 采用自动化控制，工程进度较快，因此，是一种即可减少工程污染，又可大幅度节约工程投 资的施工技术。其中，顶管机是一种采用盾构法的集机械、电子、液压、激光和控制等技术于 一体的高度机械化和自动化的开挖衬砌成套设备。
[0003] 在郑州下穿中州大道机动车道隧道工程中，其施工地点位于黄河泛滥平原区，地 表有道路，基床下为第四系冲积物，岩性以灰黄、浅黄色的粉土、粉质粘土、粉砂为主，厚度 大，基岩埋深在拟建场地附近1300m左右。该地区地层岩性特征为：区内地层属华北地层 区，根据钻孔资料揭露，新生界底板自西南向东北逐渐变深，沉积厚度增大，新生界由上第 三系馆陶组、明化镇组和第四系更新世、全新世组成。
[0004] 该工程为国内首次超大矩形断面10. 12mX 7. 27m的暗挖施工项目，没有类似施工 案例可以参考；开挖断面大，掘进面受到推力不均匀的状态不易调节；覆土很浅，隧道最大 埋深为4. 2米，导致地表沉降不易控制；该工程中间为2个机动车道，两侧平行挖开两个非 机动车道，每个车道开挖面横向净间距为0. 5米，导致顶管掘进轴线精度控制难度很高。
【发明内容】
[0005] 为了解决上述问题，本发明公开能够开挖超大矩形断面，产生地表沉降较小的，根 据地质情况实时调节扭矩，可精密调向，整体拆装操作控制方便安全的一种超大矩形断面 盾构顶管机。
[0006] 本发明采用如下的技术方案：一种超大矩形断面盾构顶管机，包括设置在前端的 刀盘装置、相邻于刀盘装置后部的驱动系统、支撑整个设备的护盾结构、设置刀盘装置后部 的螺旋输送机和后配套系统，其特征在于：所述护盾结构的截面为矩形，上部起拱；护盾结 构包括前盾、纠偏油缸、尾盾、可调节式铰接密封和出洞油缸；前盾支撑驱动系统，至少两组 纠偏油缸连接前盾和尾盾，出洞油缸设置于尾盾后端；其中，前盾分为前盾上部和前盾下 部，尾盾分为尾盾上部和尾盾下部。
[0007] 所述刀盘装置是由六个辐条式小刀盘组成的组合式刀盘，六个辐条式小刀盘的驱 动轴均相互平行；每个辐条式小刀盘包括五个主刀梁、设置在中心的中心鱼尾刀，组合式刀 盘的正面设有切刀或超挖刀。
[0008] 所述组合式刀盘包括前部小刀盘和后部小刀盘，组成前部小刀盘的三个小刀盘呈 倒品字形分布且在前同一平面上，组成后部小刀盘的三个小刀盘呈正品字形分布且在后同 一平面上，此分布方式减少了开挖盲区，且能很好的保证掘进面与前盾的土压力平衡效果。
[0009] 所述驱动系统为独立驱动系统，包括六组独立驱动装置，分别与六个辐条式小刀 盘采用花键连接，每组驱动装置旋转中心设计有回转接头。
[0010] 所述可调节式铰接密封包括两道密封，前一道密封为慢头型密封,后一道密封为 双唇型密封，可提高其密封效果和使用寿命，减少了设备维护成本。
[0011] 所述前盾前端环截面呈锥形，前盾后端环截面呈箱型结构，前盾前端沿环周相应 位置焊有盾体耐磨切刀，前盾后端外环箱型截面与尾盾前端内环截面采用可调节式铰接密 封连接。
[0012] 所述前盾的上拱部位焊接有帽檐结构，帽檐结构与前盾上拱部位之间预留有单向 阀注入触变泥浆的流动空间，帽檐后端分段间隔焊接有间隙垫板，便于触变泥浆均匀分散。
[0013] 所述的前盾上部和前盾下部采用法兰固定连接，法兰的侧翼沿周长围有翼缘板； 前盾后端环截面的上部和下部之间固定连接有支撑杆，增加了护盾在推进作业时的刚度和 强度，提高了纠偏功能的准确度；所述前盾上部和/或尾盾的上部设有隐藏式吊耳，吊装 时，吊耳与前盾铰接，耳孔可连接吊具；当前盾推进工作时，该吊耳折叠隐藏于外环截面内， 并用螺栓堵塞耳孔，便于前盾或尾盾运输和吊装。
[0014] 所述螺旋输送机为两台可实现土压平衡掘进模式的轴式输送机，排渣效率高，利 于土压平衡的效果。
[0015] 本发明提供的一种超大矩形断面盾构顶管机，施工效率高，采用土压平衡原理进 行掘进，对地层扰动小；在开挖矩形断面时能够很好调节掌子面与前盾的土压力平衡效果， 有效地减少了地表沉降，拥有流畅的排渣能力；将原始渣土改良成拥有止水性、塑性、流动 性的渣土，便于用螺旋输送机高效排渣，提高了排渣能力；且对配套设备要求低、操作控制 方便安全，设备造价低廉、经济实用。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1为本发明的整体结构示意图。
[0017] 图2为本发明的刀盘装置的结构示意图。
[0018] 图3为本发明矩形矩形护盾的结构示意图。
[0019] 图4为本发明矩形护盾的可调节式铰接密封的结构示意图。
[0020] 图5为本发明矩形护盾的前盾帽檐结构示意图。
[0021] 图6为本发明矩形护盾的隐藏式吊耳的结构示意图。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0023] 如图1所示，本发明所述一种超大矩形断面盾构顶管机，包括：刀盘装置1、独立驱 动系统2、支撑整个设备的矩形护盾3、螺旋输送机4和后配套系统5。
[0024] 如图2所示，刀盘装置1为组合式刀盘，由六个辐条式小刀盘组成，其中前部小刀 盘101的三个辐条式小刀盘呈倒品字形分布在前同一平面上，后部小刀盘102的三个辐条 式小刀盘呈正品字形分布在后同一平面上，从而使切削面积相互交叉重叠分布。每个辐条 式小刀盘结构主要由五个主刀梁、设置在中心的中心鱼尾刀104组成，组合式刀盘的正面 设有切刀105。每个辐条式小刀盘的后部有若干个主动搅拌棒103,且后部小刀盘102安装 的主动搅拌棒103的数量比前部小刀盘101多，这种结构使搅拌区域最大化，利于渣土输送 的流畅，便于控制地表沉降。此外，独立驱动系统2包括六组独立驱动装置，每个辐条式小 刀盘后面花键连接有一组独立驱动装置，该设置可实现单一驱动装置正反转开挖作业，也 可实现六组驱动装置联动开挖作业，同时在每组驱动装置旋转中心设计有回转接头，渣土 改良所用的泡沫、膨润土、水均可通过回转接头注入到土仓内。
[0025] 如图3、4、5和6所示，本发明的矩形护盾3为整个设备的主体结构，截面为矩形， 上部起拱，即左面、右面和下面为直线，上面为弧形。矩形护盾3包括前盾、纠偏油缸310、尾 盾、土仓313、可调节式铰接密封308和出洞油缸309。前盾分为前盾上部301和前盾下部 302,尾盾分为尾盾上部306和尾盾下部312。前盾与尾盾之间至少通过两组纠偏油缸310 铰接，并利用可调节式铰接密封308来防止土体的水或浆液内渗。在尾盾上部306内侧设有 出洞油缸309,能够使主机的尾盾在进入接受井后与矩形管节实现主动分离，使施工更加安 全可靠。可调节式铰接密封308包括两道密封，前一道密封为慢头型密封3081,后一道密封 为双唇型密封3082,两种密封均与前盾后端3015的光洁面紧贴，基础支撑部分为尾盾前端 3061，正常情况下双唇密封3082起主要的密封作用，尤其是在最大纠偏角度下，唇口仍能 够压紧箱体，防止浆液内渗，当双唇密封3082长期工作磨损失效后，通过调节装置3083,压 紧压块，来调节馒头密封3081的高度，延长密封的使用寿命。前盾前端的环截面呈锥形，该 部分前盾上部301和前盾下部302采用加强型法兰303固定连接，且该法兰侧翼焊接有翼 缘板构成类工字钢结构；前盾后端3015环截面为箱型结构，该部分连接前盾上部301和前 盾下部302时采用内嵌式法兰304。考虑到护盾结构的矩形截面是横向的，采用支撑梁305 来保证整个前盾刚度。前盾上部301的外侧设置有帽檐结构307,其帽檐3012与前盾前端 3011焊接，并预留有注浆单向阀3014注入触变泥浆的流动空间；帽檐后端与间隙垫板3013 分段间隔焊接，即留有多处间隙，便于触变泥浆在顶推过程向后流动并均匀分散，同时可用 来保护注入触变泥浆的单向阀3014,并提高润滑效果。前盾上部301或尾盾306上设置有 数个隐藏式吊耳311，并预留有空槽；隐藏式吊耳311上设有螺栓3113、止动垫块3112、活 动吊耳3114、销轴3115和底座3111，活动吊耳3114与销轴铰接且可折叠，可通过拆卸或安 装螺栓3113和止动垫块3112实现吊装时使用、施工时隐藏的功能。
[0026] 本发明的工作流程如下： (1)在始发工作井内顶管机主机的组装 先将后配套系统5中的主顶油缸装置、后靠、尾部平台、轨道等装置安装于始发井中， 调节后配套系统5中的轨道标高与顶进中心的距离。主机按以下顺序组装：安装前盾下部 302、尾盾下部312和两台螺旋输送机4 ;利用可隐藏式吊耳311起吊安装前盾上部301、尾 盾上部306、可调节式铰接密封308 ;前盾和尾盾合拢，至少通过两组纠偏油缸310使前盾与 尾盾连接；按先内后外、先下后上的顺序安装刀盘装置1。启动独立驱动系统2和主顶油缸 装置，利用顶铁将主机沿轨道顶进洞里，停止主机，吊出顶铁，令第一节矩形管节与尾盾安 装连接，再吊入顶铁，主顶油缸推进至合适位置待下一次推进。
[0027] (2)掘进过程 再次启动独立驱动系统2使刀盘装置1逐步达到额定转速和扭矩，刀盘装置1中的中 心鱼尾刀104、切刀105和主动搅拌棒103原地搅拌前方渣土；启动螺旋输送机4逐步提高 转速，慢慢开启其后仓门；调整主机推进方向与设计轴线偏差值，并逐渐增大主顶油缸装置 的推力，达到额定推进速度，调节并保持掘进面土体与前盾的压力平衡；前盾下部312的土 仓313内的渣土经过泵入的水和膨润土的改良后，被螺旋输送机4送至后配套系统5中的 托泵或拖车排渣直至第一节矩形关节全部被推入土体后；停止主机，吊出顶铁，令第二节矩 形关节与第一节管节安装连接，再吊入顶铁；独立驱动系统2带动刀盘装置1旋转，主顶油 缸装置推进主机向前掘进，如此往复。在掘进过程中，通过纠偏油缸310调节掘进方向；通 过前盾的帽檐结构307和管节的预留孔注入触变泥浆来减小摩擦阻力；在前盾调向或向前 掘进时，通过可调节式铰接密封308阻止土体的水或浆液内渗；待顶管作业完毕，顶管机主 机进入接受井时，主机近似为半悬空状态，通过出洞油缸309使尾盾与第一节管节主动脱 离。
【权利要求】
1. 一种超大矩形断面盾构顶管机，包括设置在前端的刀盘装置、相邻于刀盘装置后部 的驱动系统、支撑整个设备的护盾结构、设置刀盘装置后部的螺旋输送机和后配套系统，其 特征在于：所述护盾结构的截面为矩形、上部起拱；护盾结构包括前盾、纠偏油缸、尾盾、可 调节式铰接密封和出洞油缸；前盾支撑驱动系统，前盾和尾盾之间至少通过两组纠偏油缸 连接，出洞油缸设置于尾盾后端；其中，前盾分为前盾上部和前盾下部，尾盾分为尾盾上部 和尾盾下部。
2. 根据权利要求1所述的一种超大矩形断面盾构顶管机，其特征在于：所述刀盘装置 是由六个辐条式小刀盘组成的组合式刀盘，六个辐条式小刀盘的驱动轴之间相互平行；每 个辐条式小刀盘包括五个主刀梁、设置在中心的中心鱼尾刀，组合式刀盘的正面和护盾盾 体前端的切口周边方向上设置有切刀或超挖刀。
3. 根据权利要求2所述的一种超大矩形断面盾构顶管机，其特征在于：所述的组合式 刀盘分为前部小刀盘和后部小刀盘，组成前部小刀盘的三个辐条式小刀盘呈倒品字形分布 且在前同一平面上，组成后部小刀盘的三个辐条式小刀盘呈正品字形分布且在后同一平面 上。
4. 根据权利要求2或3所述的一种超大矩形断面盾构顶管机，其特征在于：所述六个 辐条式小刀盘背面安装有若干个主动搅拌棒，且后部小刀盘安装主动搅拌棒的数量比前部 小刀盘多。
5. 根据权利要求1所述的一种超大矩形断面盾构顶管机，其特征在于：所述驱动系统 为独立驱动系统，包括六组独立驱动装置，分别与六个辐条式小刀盘采用花键连接，每组驱 动装置旋转中心设计有回转接头。
6. 根据权利要求1所述的一种超大矩形断面盾构顶管机，其特征在于：所述可调节式 铰接密封包括两道密封，前一道密封为慢头型密封，后一道密封为双唇型密封。
7. 根据权利要求1所述的一种超大矩形断面盾构顶管机，其特征在于：所述前盾前端 环截面呈锥形，前盾后端环截面呈箱型结构，前盾前端沿环周相应位置焊有盾体耐磨切刀， 前盾后端外环箱型截面与尾盾前端内环截面采用可调节式铰接密封连接。
8. 根据权利要求1所述的一种超大矩形断面盾构顶管机，其特征在于：所述前盾的上 拱部位焊接有帽檐结构，帽檐结构与前盾上拱部位之间预留有单向阀注入触变泥浆的流动 空间，帽檐后端分段间隔焊接有间隙垫板。
9. 根据权利要求1所述的一种超大矩形断面盾构顶管机，其特征在于：所述的前盾上 部和前盾下部采用法兰固定连接，法兰的侧翼沿周长围有翼缘板；前盾后端环截面的上部 和下部之间固定连接有支撑杆；所述前盾上部和/或尾盾的上部设有隐藏式吊耳，吊装时， 吊耳与前盾铰接，耳孔可连接吊具；当前盾推进工作时，该吊耳折叠隐藏于外环截面内，并 用螺栓堵塞耳孔。
10. 根据权利要求1所述的一种超大矩形断面盾构顶管机，其特征在于：所述螺旋输送 机为两台可实现土压平衡掘进模式的轴式输送机。
【文档编号】E21D9/08GK104088647SQ201410247831
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年6月6日 优先权日:2014年6月6日
【发明者】李建斌, 范磊, 贾连辉, 卓兴建, 董艳萍, 王小涛, 龚廷民 申请人:中铁工程装备集团有限公司