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一种大直径土压平衡盾构机
    【技术领域】

    本发明涉及盾构机，尤其涉及一种大直径土压平衡盾构机。

    背景技术

    目前，世界上使用的盾构机，一般都采用单一刀盘进行土体切削。在实际使用中，单一刀盘的盾构存在如下问题：

    1.盾构机身滚动问题

    (1)盾构机身滚动是由于刀盘在切削开挖面土体时，产生的扭矩大于盾构机壳体与隧道洞壁之间的摩擦力矩，而使盾构本体产生滚动的现象。在某些特殊的地层中，比如在两种构造与强度差异较大的地层中，上面是软土层，下面是硬岩层。盾构在两地层分界面掘进时，由于岩性差别太大，且岩层稳定性较好，此时刀盘切削扭矩很大，而盾构机壳体与洞壁之间只有部分产生摩擦力，当摩擦力矩无法平衡刀盘切削土体产生的扭矩时，将引起盾构机身的滚动。

    大直径盾构在隧道掘进过程中，由于隧道地层的地质生成年代不同，上部土体与下部土体的差异性是很大的，致使盾构本体旋转的情况时有发生。

    (2)盾构机本体的滚动，会产生以下不良后果：a)影响管片的拼装，甚至损坏管片；b)引起隧道轴线的偏斜；c)有时，为了对优化碴土流动有利，刀盘必须向一个指定方向旋转，但由于刀盘仅能单向旋转(纠正盾构滚动)，因此不能用改变刀盘旋转方向的方法对盾构姿态进行纠正；d)在采用刀盘单向旋转的施工时，为了抵消推进油缸偏斜所造成的力矩，必须在一定程度上把力矩传递给隧道衬砌。这对隧道衬砌提出了额外的要求。

    一般情况下，当盾构机身滚动偏差超过0.5°时，就必须改变刀盘旋转方向，并且放慢推进速度。

    盾构机身滚动的问题，在大小盾构上都有发生。但是，在大盾构(直径11米以上)发生滚动，所造成的危害与后果是十分严重的，纠正起来也很困难。

    2.泥饼问题

    大直径盾构的刀盘转动速度很低，每分钟小于1转。盾构机穿越粘性土层时，由于刀盘正面需维持较高的压力，而且温度一般也很高，这样粘性土在高温、高压作用下易压实固结。特别是在刀盘的中心部位，由于刀盘转速很低，大直径刀盘的中心部位相对于周边土体几乎不动，很慢的转速使刀盘刀具无法有效地扰动土体使之流动，刀盘中心的土体几乎是被刀盘压迫着前行，且越压越实，在高压与高温双作用下，粘性土体结成泥饼。泥饼粘附在刀盘正面表面，随刀盘一齐转动，并且越结越大。当产生泥饼时，盾构机推进的推力大大超过平时正常所需要的推力，掘进速度急剧下降，刀盘扭矩也会上升，大大降低了盾构机工作效率。当泥饼的直径达到刀盘直径的三分之二时，盾构甚至无法掘进。

    【发明内容】

    本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构合理、推进速度快、对土体扰动效果优良的大直径土压平衡盾构机。

    本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

    一种大直径土压平衡盾构机，包括刀盘、刀盘驱动部、推进油缸、拼装机、螺旋输送机、车架，其特征在于，所述的刀盘为双刀盘，该双刀盘包括外周大刀盘与独立中心刀盘，所述的刀盘驱动部包括两个驱动机构，该两个驱动机构分别驱动外周大刀盘与独立中心刀盘，所述的外周大刀盘、独立中心刀盘各自独立双向旋转。

    驱动外周大刀盘的驱动机构设有大轴承，该大轴承通过大传力环与外周大刀盘连接，驱动独立中心刀盘的驱动机构设有小轴承，该小轴承通过小传力环与独立中心刀盘连接；大轴承以外啮合的方式与驱动小齿轮进行齿面啮合，小轴承以内啮合齿的方式与驱动小齿轮进行齿面啮合。

    所述的两个驱动机构的电机为变频器控制，各自同步正反双向旋转。

    所述的外周大刀盘的技术参数如下：结构为八组辐条面板刀臂，类型为基于软土地基设计，刀盘直径为Φ14850mm，开口率为18％，转速为0-0.8r.p.m，旋转方向为向左或向右；与刀盘连接的大轴承类型为3道滚柱轴承，密封系统的最大压力为7.5bar，电机功率为200Kw×16，为4P变频，总功率为3200Kw，工作扭矩为3818×10⁴N.m，1min内最大扭矩为4582×10⁴N.m。

    所述的独立中心刀盘的技术参数如下：结构为六组辐条面板刀臂，类型为基于软土地基设计，直径为Φ6700mm，开口率为27.5％，转速为0-1.6r.p.m，旋转方向为向左或向右；与刀盘连接的小轴承类型为3道滚柱轴承，密封系统的最大压力为7.5bar，电机功率为90Kw×8，为4P变频，总功率为720Kw，工作扭矩为430×10⁴N.m，1min内最大扭矩为515×10⁴N.m。

    所述的外周大刀盘与独立中心刀盘的材料为低合金结构钢。

    所述的外周大刀盘与独立中心刀盘的最外圈与正面表面设有耐磨层，该耐磨层为贴附的耐磨材料层。

    所述的外周大刀盘与独立中心刀盘的正面切割边缘的圆周表面设有耐磨层，该耐磨层为焊接的硬质合金层。

    所述的硬质合金层的厚度为5mm，所述的硬质合金硬度为55-58HRC。

    所述的螺旋输送机包括三台。

    采用本发明双刀盘设计，可以根据盾构推进的需要，将大刀盘外周上的线速度与中心刀盘外周上的线速度根据需要优化设定，这样，外周边刀的磨损速度将大大下降，改变了盾构刀具损坏不均的情况，提高盾构刀具的使用期限，减少了盾构机推进过程中换刀的机率，提高了盾构机使用的效率。而在一般的盾构机上，大刀盘上的外周边刀具，往往是损坏最快的，因为刀盘外周上刀具的切削线速度是最大的，外周刀具的切削速度大，行程大，受到的撞击也大，磨损也最快。

    本发明盾构机上独立的中心刀盘可以根据要求设制转速，中心刀盘最大切削速度由原来的0.8转/分(单刀盘)提高到了1.6转/分，加快了刀盘对中心土体的扰动，提高了中心土体的流动性，减少了中心土体结泥饼的几率，并减少了盾构的推进力，加快了盾构的推进速度与工作效率。

    本发明根据软土层地层的特点，在大刀盘与中心刀盘上设计采用不同的开口率。中心刀盘的开口率27.5％，大刀盘的开口率18％。中心刀盘开口率较大，有利于中心土体的流向螺旋输送机，防止产生泥饼；而周边大刀盘开口率较小，能使刀盘对正面上部分的土体有效地支护，保持正面上部土体的稳定，防止土体塌陷，减少盾构掘进时对周围环境的影响。

    本发明双刀盘通过内刀盘和外刀盘旋转方向的控制，实现了部分转矩补偿的相关效应。双刀盘盾构在切削力极大的地层下，维持大直径刀盘开挖工作状态的稳定控制，防止刀盘切削土体产生的巨大的扭矩影响盾构的姿态，避免了盾构产生滚动时产生的诸多不良后果。

    本发明采用三台螺旋输送机，输送排出刀盘切削下来的土体。使用三台螺旋机，除了大直径盾构出土量大的需要外，还有控制盾构正面土体压力，调节盾体推进姿态的作用。在盾构推进过程中，由于地下情况复杂，常常会发生一侧面土压力升高，盾构姿态发生变化，隧道轴线偏移的情况；通过控制不同侧螺旋机的出土量，可以有效地控制盾构姿态，防止隧道轴线偏移。

    与现有技术相比，本发明盾构采用双刀盘设计，大大优化刀盘对土体的切削速度，进而提高盾构的推进速度，同时优化刀盘对土体的扰动效果，防止盾构机机身的滚动；在刀盘上设计不同的开口率，适用于隧道推进时中心部位与周边部位的不同情况，防止中心土体产生泥饼并保持正面上部土体的稳定；三台螺旋输送机排土，有效地控制盾构姿态，防止隧道轴线偏移。

    【附图说明】

    图1为本发明盾构机的轴向结构示意图；

    图2为本发明的刀盘驱动部的结构示意图；

    图3为本发明的刀盘驱动部的后视结构示意图；

    图4为本发明的刀盘的主视图。

    【具体实施方式】

    下面对照附图及具体实施例对本发明作进一步说明。

    实施例1

    如图1～图4所示，一种以上海地质条件为设计依据的大直径(11m以上)土压平衡盾构机，包括刀盘、刀盘驱动部、推进油缸1、拼装机2、螺旋输送机、车架。

    所述的刀盘为双刀盘，该双刀盘包括整体式外周大刀盘3与独立中心刀盘4，外周大刀盘3包括八组辐条面板刀臂31，独立中心刀盘4与中心刀盘中心回转5连接，独立中心刀盘4包括六组辐条面板刀臂41，二者的技术参数如表1所示：

    表1外周大刀盘和独立中心刀盘的技术参数表

       外周大刀盘 技术参数  独立中心刀盘 技术参数  结构 8×1辐条+8×1面板刀臂  结构 6×1辐条+6×1面板刀臂

       外周大刀盘 技术参数  独立中心刀盘 技术参数  类型 基于软土地基设计  类型 基于软土地基设计  刀盘直径  Φ14850  刀盘直径  Φ6700  开口率  18％  开口率  27.5％  大轴承类型  3道滚柱轴承  小轴承类型  3道滚柱轴承  密封系统  7.5bar(最大压力)  密封系统  7.5bar(最大压力)  电机功率  200Kw×16-4P变频  电机功率  90Kw×8-4P变频  总功率  3200Kw  总功率  720Kw  工作扭矩  3818×10⁴N.m  工作扭矩  430×10⁴N.m  最大扭矩  4582×10⁴N.m(1min内)  最大扭矩  515×10⁴N.m(1min内)  转速  0-0.8r.p.m  转速  0-1.6r.p.m  旋转方向  左/右  旋转方向  左/右

    所述的刀盘驱动部包括两个驱动机构，该两个驱动机构分别驱动外周大刀盘3与独立中心刀盘4，外周大刀盘3与独立中心刀盘4各自独立双向旋转。

    所述的两个驱动机构采用直径不同的大小两个轴承：驱动外周大刀盘3的驱动机构设有大轴承6，大轴承6通过大传力环7与外周大刀盘3连接，驱动独立中心刀盘4的驱动机构设有小轴承8，小轴承8通过小传力环9与独立中心刀盘4连接；大轴承6采用外啮合的方式与大轴承驱动小齿轮12进行齿面啮合，在转速要求相对不高的外周大刀盘3上实现扭矩最大化，小轴承8采用内啮合齿的方式与小轴承驱动小齿轮13进行齿面啮合。外周大刀盘3通过大刀盘电机10驱动，中心独立刀盘4通过中心刀盘电机11驱动，两个驱动机构的电机均采用变频器控制，并各自实现同步正反双向旋转。

    驱动外周大刀盘3的驱动机构还设有油脂组合密封系统14、机械迷宫密封15，驱动独立中心刀盘4的驱动机构还设有油脂组合密封系统16、机械迷宫密封17。

    本实施例设有左螺旋输送机23、中螺旋输送机24和右螺旋输送机25三台螺旋输送机。三台螺旋输送机满足大直径盾构出土量大的需要，并能控制盾构正面土体压力，调节盾体推进姿态。

    外周大刀盘3与独立中心刀盘4的盘体材料采用低合金结构钢焊接制作，自动焊接成型，结构强度高，刚性好。

    外周大刀盘3与独立中心刀盘4的最外圈与正面表面使用耐磨性材料贴附；正面切割边缘的圆周表面，焊接了厚度为5mm硬质合金，硬度约为55-58HRC，以增强耐磨性。

    所述的盾构机还包括土仓搅拌机构18、中心人行闸19、左人行闸20、右人行闸21、人孔22。