一种盾构机及其前盾系统 【技术领域】
本发明涉及隧道及地下工程领域， 具体地说， 涉及一种盾构机及其前盾系统。背景技术 盾构机 ( 全名盾构隧道掘进机 ) 是一种专门用于隧道掘进的工程机械， 其已被证 明为是一种经济高效的隧道施工机械， 被广泛应用于地铁、 铁路、 公路、 市政、 水电等隧道工 程中。
目前国内外使用的盾构机中， 以土压平衡盾构机和泥水平衡盾构机为主。此类盾 构机在前盾前端设置刀盘， 并在刀盘上安装若干刀具， 通过刀盘的旋转可实现对土体的挖 掘。此外， 为了建立开挖面的压力平衡， 需要在刀盘后面设置承压隔板并形成土仓或泥水 仓， 通过土料或泥浆实现压力调整。
上述盾构机在粘土地层工作时， 极易在刀盘中心形成泥饼， 该泥饼将刀盘抱死从 而导致施工困难、 掘进效率降低。另外， 刀盘的旋转也容易带动盾体的滚动， 从而影响施工 作业的稳定性。
而且， 对于砂卵石地层而言， 刀具与刀盘基体磨损严重， 需要频繁带压进舱作业 ( 通常操作人员需要带压进舱换刀或处理大块径孤石砾石 )， 大块径孤石砾石还会封堵出 碴口。尤其当地层含大粒径 ( 大于 300mm)， 甚至超大粒径 ( 大于 500mm) 的砾石或孤石时， 常需要开挖小导洞或挖竖井将障碍石取出， 严重影响施工进度。
此外， 通过泥浆或土料难以在砂卵石地层建立开挖面的压力平衡， 容易导致地面 沉降， 严重时甚至会引起坍塌事故。
发明内容 为了克服现有技术的上述缺陷和不足， 本发明的目的在于提供一种盾构机前盾系 统， 该前盾系统避免了刀盘结泥饼、 盾体滚动问题， 可以直接处理开挖面的大块径卵砾石， 可广泛适用于多种地层尤其是无水砂卵石地层的隧道掘进施工。
本发明的盾构机前盾系统， 包括 ：
前盾盾体， 所述前盾盾体具有筒状结构 ；
挖掘装置， 所述挖掘装置设置于盾构机的固定部件上， 所述挖掘装置的头部用于 对开挖面的不同作业点进行多动作挖掘作业 ；
输送机， 用于排出挖掘装置的头部挖出的渣土， 所述输送机的第一端设置于挖掘 装置下方， 所述输送机的第二端设置于第一端后方 ；
隔板， 所述挖掘装置的头部及输送机的第一端位于所述隔板的前方， 所述输送机 的第二端位于所述隔板的后方， 所述隔板上设置有可开合的密封门。
作为上述技术方案的优选， 所述挖掘装置上设置有伸缩机构、 变幅机构、 回转机构 中的一种或几种， 使得挖掘装置的头部相对于盾构机的固定部件进行回转、 伸缩、 变幅作业 中的一种或几种。
作为上述技术方案的优选， 所述隔板上设置有调节隔板前方压力的调压装置， 所 述调压装置为气压装置， 所述气压装置向所述隔板前方注入气体。
作为上述技术方案的优选， 所述挖掘装置的头部设置截齿掘削头、 铲斗或破碎锤。
作为上述技术方案的优选， 所述盾构机前盾系统还包括 ：
扒渣装置， 所述扒渣装置设置于隔板前方， 用于将挖掘装置的头部挖出的渣土推 送至输送机的第一端。
作为上述技术方案的优选， 所述扒渣装置为铲斗， 该铲斗上设置有仰俯角调整机 构、 变幅机构、 平移机构和侧摆机构中的一种或几种， 使得铲斗进行仰俯角调整、 变幅、 平移 和侧摆作业中的一种或几种。
作为上述技术方案的优选， 在所述前盾盾体的上部筒体周向设置有支撑前檐， 所 述支撑前檐为片状结构， 相对于所述前盾盾体可伸缩移动， 在所述支撑前檐上还设置有可 摆动的活动挡板， 所述活动挡板完全摆出后， 相对于支撑前檐竖向设置， 所述活动挡板的前 侧表面还设置有弹性板。
作为上述技术方案的优选， 在所述支撑前檐的多个轴向位置设置有铰接支座， 所 述活动挡板可拆卸地设置在不同的铰接支座上。
作为上述技术方案的优选， 所述活动挡板包括独立的矩形挡板和三角形挡板。 本发明的另一个目的在于提供一种盾构机， 该盾构机包括前述的盾构机前盾系统。 作为上述技术方案的优选， 所述盾构机的其中一个盾体外周还设置有超前注浆 孔， 用于对开挖面前方和 / 或前上方土体进行超前加固。
作为上述技术方案的优选， 所述盾构机的其中一个盾体外周还设置有紧急密封， 用于防止同步注浆浆液侵入开挖面。
本发明的盾构机及其前盾系统， 通过铲斗、 截齿掘削头或破碎锤等对开挖面进行 多动作挖掘作业， 并不依赖于刀盘的旋转作业。与现有技术相比， 本发明避免了刀盘结泥 饼、 盾体滚动、 渣土改良处理、 带压进舱换刀等问题 ； 此外， 本发明可以通过铲斗、 截齿掘削 头或破碎锤对开挖面的大块径卵砾石进行直接处理， 不必采用开挖小导洞或挖竖井的方式 取出障碍石， 提高了施工进度 ； 而且， 本发明可以通过隔板上的气压装置向隔板前方注入气 体， 能够有效地建立开挖面的平衡， 防止地面沉降和坍塌事故的产生 ； 另外， 相对于刀盘单 一旋转作业挖掘的圆形隧道， 本发明还可以根据隧道用途实现方形、 拱形等其它多种不同 截面的仿形开挖 ； 同时， 本发明还具有制造及施工成本低、 节能高效等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案， 下面将对实施例或现 有技术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性的前提下， 还可 以根据这些附图获得其他的附图。
图 1 是本发明一实施例的盾构机的结构图 ；
图 2 是本发明另一实施例的盾构机的结构图 ；
图 3 是本发明一实施例的盾构机前盾前端的结构图 ；图 4 是本发明另一实施例的盾构机前盾前端的结构图 ； 图 5 是本发明一实施例的支撑前檐和活动挡板的布局示意图 ； 图 6 是本发明又一实施例的盾构机前盾前端的结构图 ； 图 7 是本发明又一实施例的盾构机的结构图。具体实施方式
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作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。
图 1 所示是本发明一实施例的盾构机的结构图， 该图中盾构机包括前盾盾体 1a、 中盾盾体 1b 和尾盾盾体 1c。应当清楚， 盾构机的前方指的是向开挖面掘进的方向。各盾体 为筒状结构， 可以对已挖掘但还未衬砌的隧道段起临时支撑作用， 各盾体还用于承受周围 土层的压力。在各盾体的掩护下， 盾构机的挖掘、 排土、 衬砌等作业得以顺利进行。
前盾盾体 1a 与中盾盾体 1b 之间可以采用螺栓连接， 中盾盾体 1b 与尾盾盾体 1c 之间通过铰接油缸 7 连接， 铰接油缸 7 可以实现盾构机的曲线推进。此外， 还可以在中盾盾 体 1b 和尾盾盾体 1c 之间采用铰接密封 8， 以保证盾体内部与土层之间的隔离。 在尾盾盾体 1c 内设置有 H 型支撑 9， 该 H 型支撑 9 至少安装管片拼装机的行走梁 11， 尾盾盾体 1c 末端 的内壁 设置有密封刷 12( 图中所示为三道密封刷 )。在管片安装机 10 将隧道周向方向的 管片衬砌完成以后， 推进油缸 13 通过顶推已拼装好的隧道管片推动盾构机各盾体前进。在 推进时， 通过盾尾密封注脂管路向密封刷 12 与管片表面形成的空腔中注入油脂， 起到密封 作用。此外， 在推进过程中， 还可以进行注浆作业。
上述仅对本发明一实施例的中盾盾体 1b 和尾盾盾体 1c 进行了说明。应当清楚， 在对盾构机的盾体进行各种改制时 ( 比如省略中盾盾体 1b， 仅包括前盾盾体 1a 和尾盾盾体 1c)， 各改制后的盾构机仍然可以适用于本发明的盾构机前盾系统， 本发明并不受限于此。
如图 1 和图 2 的实施例所示， 本发明的盾构机至少包括前盾盾体 1a、 挖掘装置、 输 送机 3 及隔板 4。 本发明的前盾盾体 1a 具有筒状结构， 其截面除了圆形外， 还可以根据隧道 用途实现方形、 拱形等其它多种不同截面。
挖掘装置设置于盾构机的固定部件上， 该挖掘装置的头部 20 用于对开挖面的不 同作业点进行多动作挖掘作业。挖掘装置可以设置在盾构机的多个固定部件上， 如 H 型支 撑 9 或其它支撑结构上。优选地， 如图 1 和图 2 所示， 挖掘装置设置在隔板 4 上， 相应地可 以在隔板 4 上设置增强部件， 以保证其能够稳定地支撑挖掘装置。
与现有技术作为挖掘装置的刀盘的单一作业面和单一旋转动作相比， 本发明的挖 掘装置的作业方式更加灵活多变， 能够适应多种不同地层的挖掘需要。挖掘装置的头部 20 可以设置截齿掘削头 ( 如图 1 所示 )、 铲斗 ( 如图 2 所示 ) 或破碎锤。截齿掘削头的结构及 工作原理可以参考采掘机械如掘进机的刀具， 铲斗和破碎锤可以参考挖掘机的工作装置。
相对于开挖面而言， 本发明的挖掘装置的头部 20 的作用面极小， 因此需要实现对 开挖面的不同作业点的挖掘作业， 如对土体自上而下、 从中间向两侧进行分层逐级开挖。 与 此同时， 还可以不断地调整挖掘装置头部 20 的动作， 如实现旋转、 俯仰、 伸缩、 侧移等， 以保证挖掘装置的头部 20 能够对整个开挖面的所有区域进行多动作挖掘作业。作为一个实施 例， 优选本发明的挖掘装置上设置有伸缩机构、 变幅机构、 回转机构中的一种 或几种， 从而 使得挖掘装置的头部 20 相对于盾构机的固定部件进行回转、 伸缩、 变幅作业中的一种或几 种。相应地， 可以在挖掘装置上设置固定臂、 活动臂、 伸缩油缸 21、 变幅油缸 22 或回转支承 23 等结构来实现上述功能。其中回转支承 23 既可以选择水平回转， 也可以选择纵向回转， 本发明并不受限于此。 此外， 伸缩油缸 21、 变幅油缸 22 也可以设置在多种方位上， 均能够实 现本发明的技术效果。如图 2 所示， 对于作为挖掘装置头部 20 的铲斗而言， 还可以设置铲 斗调整油缸 24， 从而调整铲斗的抓取动作。
输送机 3 用于排出挖掘装置的头部 20 挖出的渣土， 该输送机 3 的第一端设置于挖 掘装置下方， 第二端设置于第一端后方。挖出的渣土下落并堆积在输送机 3 的第一端， 并在 输送机 3 的输送作用下被运送到输送机 3 的第二端， 在输送机 3 的第二端可以设置皮带输 送机， 以便于将渣土运送至隧道外部。该输送机 3 可以为螺旋输送机 ( 如图 1 或图 2 所示 ) 或刮板输送机 ( 如图 7 所示 )， 或者其它的吸取式排送装置。
此外， 为了便于输送机 3 的第一端对渣土的吸入， 优选在隔板 4 前方还设置有扒渣 装置 30， 该扒渣装置 30 可以用于将挖掘装置的头部 20 挖出的渣土推送至输送机 3 的第一 端。该扒渣装置 30 可以采用铲斗 ( 如图 3 所示 ) 或多爪转盘 ( 如图 4 所示 ) 等结构。 铲斗的结构可以参考挖掘机的工作装置， 其通过铲斗的耙取动作将渣土推送至输 送机 3。 该铲斗可以进行多动作作业， 如实现旋转、 俯仰、 伸缩、 侧移等。 作为一个实施例， 优 选铲斗上设置有仰俯角调整机构、 变幅机构、 平移机构和侧摆机构中的一种或几种， 使得铲 斗进行仰俯角调整、 变幅、 平移和侧摆作业中的一种或几种。相应地， 可以通过设置俯仰角 调整油缸、 变幅油缸、 平移导轨和侧摆油缸等结构来实现上述功能。
多爪转盘为旋转式叶片结构， 其通过叶片的旋转进行渣土推送， 优选采用图 4 所 示的两个多爪转盘进行协同作业， 输送机 3 的第一端可以位于两个多爪转盘中间。
挖掘装置的头部 20 及输送机 3 的第一端位于隔板 4 的前方， 输送机 3 的第二端位 于隔板 4 的后方， 隔板 4 上设置有可开合的密封门 40。输送机 3 的第一端和第二端位于隔 板 4 前后两边。在挖掘装置安装在 H 型支撑 9 上时， 挖掘装置的伸缩机构或变幅机构穿过 该隔板 4。优选地， 可以将挖掘装置设置在隔板 4 上， 此时， 挖掘装置的头部 20、 伸缩机构、 变幅机构、 回转机构等均可以位于输送机 3 第二端的前方。优选隔板 4 上还设置有调节隔 板 4 前方压力的调压装置， 该调压装置为气压装置， 该气压装置向隔板 4 前方注入气体， 该 气体可以是压缩空气等其它气体。 由于在砂卵石地层中， 砂卵石之间的空隙较大， 采用本发 明的气压装置相对于现有技术而言能够建立更加稳定的开挖面平衡。
此外， 还可以在隔板 4 上设置可开合的密封门 40， 打开该密封门 40 后， 操作人员可 以进入隔板 4 前方， 进行挖掘装置或输送机 3 等的维修和更换， 也可以对开挖面障碍物进行 人工干涉。在一个工作状况下， 该密封门 40 可以打开， 隔板 4 两端压力相同 ； 在有可能出现 地面沉降等工况时， 将该密封门 40 进行关闭， 同时通过气压装置注入气体， 从而保证开挖 面的压力平衡， 防止进一步的坍塌事故的发生。本发明可以在正常挖掘时， 保持密封门 40 为常开状态。
在施工过程中， 为了减少避免落石及土体坍塌， 本发明还在前盾盾体 1a 的上部筒 体周向设置有支撑前檐 5， 该支撑前檐 5 为片状结构， 相对于前盾盾体 1a 可伸缩移动。 支撑
前檐 5 可以设置在前盾盾体的筒体外壁， 也可以设置在筒体内壁， 本发明并不受限于此， 优 选后者。相应地， 如图 1 和图 2 所示， 在前盾盾体 1a 和支撑前檐 5 之间设置有支撑前檐伸 缩油缸 51。在该支撑前檐 5 上可以设置有插刀 50， 该插刀 50 可以预先伸出并插入到前方 开挖面土体中， 从而在挖掘作业中， 支撑掌子面和上方拱顶土体， 避免落石及土体坍塌。支 撑前檐 5 整体形成类似于 “帽檐” 的结构。
此外， 为了进一步提高支护效率， 在支撑前檐 5 上还设置有可摆动的活动挡板 6， 该活动挡板 6 完全摆出后， 相对于支撑前檐 5 竖向设置。相应地， 在支撑前檐 5 和活动挡板 6 之间设置有挡板张合油缸 61。
为了适应不同地层的支护要求， 优选在本发明的支撑前檐 5 的多个轴向位置设置 有铰接支座， 活动挡板 6 可拆卸地设置在不同的铰接支座上。对于图 5 所示的实施例而言， 在支撑前檐 5 上设置了两个铰接支座 A 和 B。
对于软弱地层， 活动挡板 6 可以设置在离支撑前檐 5 前端较远的铰接支座 B 上。 支 护过程中， 在支撑前檐伸缩油缸 51 的推动下， 支撑前檐 5 插入土层至铰接支座 B 处， 然后通 过挖掘装置的头部 20 预先挖掘出相应空间， 以供活动挡板 6 摆出并竖立支护前端土层。
对于自稳定性较好的地层， 活动挡板 6 可以设置在离支撑前檐 5 前端较近的铰接 支座 A 上。支护过程中， 可以先通过挖掘装置的头部 20 松动土层， 然后再将支撑前檐 5 插 入土层。后续活动挡板 6 摆出的过程与前述相同。 在上述技术方案的基础上， 本发明可以根据适应多种土层的支护要求， 提高盾构 机的挖掘作业适应性。
此外， 如图 6 所示所有活动挡板摆出后的示意图， 活动挡板 6 可以采用多个扇形板 组合而成。优选支撑前檐 5 和活动挡板 6 覆盖前盾盾体 1a 圆周方向上部 90-160°范围。
作为一个实施例， 本发明的活动挡板 6 也可以是如图 7 所示， 包括独立的矩形挡板 和三角形挡板。在软弱地层上， 可以将矩形挡板摆出， 挖掘装置的头部 20 可以从该矩形挡 板支护区域至上而下沿半径或直径方向进行一次开挖， 从而明显提高挖掘效率。本发明可 以在挖掘装置头部 20 和矩形挡板之间进行尺寸匹配。
作为本发明的一种施工工法， 可以先将所有的支撑前檐 5 伸出， 然后逐次摆出活 动挡板 6。在摆出一个活动挡板 6 后， 即可以对其支护区域至上而下进行开挖作业。本发明 可以先摆出最中间的活动挡板 6， 后摆出两边的活动挡板 6。
与此同时， 还可以在活动挡板 6 的前侧表面设置有弹性板 61， 在支护过程中， 该弹 性板 61 与前端开挖面接触， 以便于补偿前端开挖面侧向高度的不平整， 提高支护稳定性。 该弹性板 61 可以为橡胶板。
除了上述盾构机前盾系统， 本发明还提供一种包括该盾构机前盾系统的盾构机。 除了前述的中盾盾体 1b、 尾盾盾体 1c、 铰接油缸 7、 铰接密封 8、 H 型支撑 9、 管片安装机 10、 行走梁 11、 密封刷 12 等可能的结构外， 本发明的盾构机还可以包括超前注浆孔。超前注浆 孔设置在盾构机的其中一个盾体外周， 用于对开挖面前方和 / 或周围土体进行超前加固。 该超前注浆孔可以设置在盾体外周多个位置， 为了结构上的整体布局， 优选设置在中盾盾 体 1b 外周， 可以通过插入小导管并注入浆液的形式对前方土层进行超前加固， 从而防止土 层沉降或坍塌， 以便于后续挖掘作业的顺利进行。
优选地， 本发明在盾构机的其中一个盾体外周还设置有如图 7 所示的紧急密封
14， 该紧急密封 14 用于防止同步注浆浆液侵入开挖面。在盾构机的管片安装机 10 将管片 安装完成， 在推进过程中或推进完成后， 一般会在管片外周和土层之间进行注浆， 以提高管 片和土层的凝固力。现有技术一般会设置止浆板 15， 以防止同步注浆浆液向前侵入。本发 明在盾体外周还设置一个紧急密封 14， 避免了因止浆板 15 故障而引起的浆液侵入， 从而可 以起到双重保护的作用。该紧急密封 14 可以设置在盾体外周多个位置， 优选设置在尾盾盾 体 1c 外周。该紧急密封 14 可以采用加压橡胶和补强用钢板结构， 在可能出现浆液侵入时， 向加压橡胶中充入水或气体等物质， 使其膨胀并将钢板顶起， 钢板通过密封橡胶与土层密 封接触， 从而阻挡浆液向前的流动。 应当清楚， 本发明也可以采用其它多种密封结构作为紧 急密封 14， 本发明并不受限于此。
综上所述， 本发明的盾构机及其前盾系统， 通过铲斗、 截齿掘削头或破碎锤等对开 挖面进行多动作挖掘作业， 并不依赖于刀盘的旋转作业。 与现有技术相比， 本发明可以避免 以下缺陷 ：
1) 避免刀盘结泥饼
本发明挖掘装置的头部 20 可以进行回转、 伸缩、 变幅等多种动作的施工， 可以有 效脱离依附在挖掘装置头部 20 的土料， 不会产生因单一的旋转作业方式而形成的泥饼。 2) 避免盾体滚动
本发明可以从多个方位对大块径卵砾石进行挖掘施工， 挖掘装置和土层之间的咬 合力小， 因此不易产生盾体滚动。
3) 避免渣土改良处理
本发明的渣土无需改良即可以通过输送机 3 直接排除， 不需要像土压平衡盾构机 和泥水平衡盾构机一样进行渣土改良， 避免了环境污染。
4) 避免带压进舱作业
本发明在一般工作状况下， 通过支撑前檐 5 和活动挡板 6 即可以稳定开挖面， 不需 要对开挖面进行增压。操作人员在常压下， 即可以进入隔板 4 前方进行挖掘装置或输送机 等的维修和更换。
此外， 与现有的土压平衡盾构机和泥水平衡盾构机相比， 本发明还具有以下显著 的优势 ：
1) 施工进度快
本发明可以通过铲斗、 截齿掘削头或破碎锤对开挖面的大块径卵砾石进行直接处 理， 不必采用开挖小导洞或挖竖井的方式取出障碍石， 提高了施工进度和掘进效率。
2) 稳定性强
本发明可以通过隔板 4 上的气压装置向隔板 4 前方注入气体， 能够有效地建立开 挖面的平衡， 防止地面沉降和坍塌事故的产生。
3) 适应性好
相对于刀盘单一旋转作业挖掘的圆形隧道， 本发明还可以根据隧道用途实现方 形、 拱形等其它多种不同截面的仿形开挖 ( 各盾体形状需要根据隧道用途进行相应调整 )， 具有适应性好的优点。
同时， 本发明还具有制造及施工成本低、 节能高效等优点。
因此， 本发明可广泛适用于多种地层， 并且对于围岩自立性较好的无水地层， 尤其
是无水砂卵石地层具有极其重要的意义， 其有益效果是显而易见的。
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。