无刀盘式土压平衡盾构机

摘要

本发明公开一种无刀盘式土压平衡盾构机，土压平衡舱隔板由土压平衡舱活动隔板和土压平衡舱固定隔板组成；在前盾的前边装有切削刀具，切削刀具由截割头和分布在上面的截齿组成，每个截割头与一个刀轴的一端固连，刀轴的另一端与动力传动装置相连；动力传动装置由分动箱以及与分动箱相连的减速机和驱动马达组成；位于盾构机上半部的动力传动装置中的分动箱的前端固定在土压平衡舱的活动隔板上，与分动箱相连的减速机和驱动马达由滑动装置支撑，滑动装置的后边与伸缩油缸相连。采用上述技术方案，本发明的无刀盘式土压平衡盾构机具有切削效率高、工作寿命均衡、方向控制性好、对隧道断面的适应性强。

说明书

技术领域

本发明属于盾构机技术领域，具体涉及一种无刀盘式土压平衡盾构机。

背景技术

目前，国内外既有的土压平衡盾构机中，均采用刀盘—刀具切削系统。在圆形盾构机中，刀盘作回转运动，在椭圆形、矩形或其他异形盾构机中，刀盘通过曲柄连杆机构作平面运动。根据地质条件和工程条件的需要，在刀盘上安装有滚刀、切刀、刮刀等各种刀具。刀具随着刀盘的运动而运动，本身不做主动自转。由于刀盘的运动速度很低（每分钟几转），因而刀具的切削线速度也很低，制约了切削效率的提高。同时由于刀具在刀盘上所处的位置不同，各个刀具的切削线速度存在很大差异，因而工作寿命也存在很大差异。

发明内容

本发明的目的是针对目前采用刀盘—刀具的土压平衡盾构机存在的缺陷，提供一种无刀盘的土压平衡盾构机。在该盾构机中不设置刀盘，每个刀具能独立主动自转。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的无刀盘式土压平衡盾构机，包括切削刀具、刀轴、螺旋集渣器、土压平衡舱、分动箱、减速机、驱动马达、渣土输送机、土压平衡舱隔板、滑动托架、伸缩油缸、推进油缸、气压过渡舱、前盾、中盾、后盾、中盾隔板组成；土压平衡舱隔板由土压平衡舱活动隔板和土压平衡舱固定隔板组成；在前盾的前边装有切削刀具，切削刀具由截割头和分布在上面的截齿组成，每个截割头与一个刀轴的一端固连，刀轴的另一端与动力传动装置相连；动力传动装置由分动箱以及与分动箱相连的减速机和驱动马达组成；位于盾构机上半部的动力传动装置中的分动箱的前端固定在土压平衡舱的活动隔板上，与分动箱相连的减速机和驱动马达由滑动装置支撑，滑动装置的后边与伸缩油缸相连。

位于盾构机下半部的动力传动装置中的分动箱的前端固定在中盾支撑板上，而与分动箱相连的减速机和驱动马达由支撑架支撑，支撑架下端固定在中盾后端；与装配在盾构机下部动力传动装置相连的刀轴上装有螺旋集渣器，渣土输送机的入口位于螺旋集渣器的后方；在中盾隔板上设有止回阀；切削刀具在与前盾垂直的横截面上的投影呈矩阵式排列。

所述的土压平衡舱活动隔板通过螺栓与土压平衡舱固定隔板和前盾连接在一起。

所述的滑动装置由滑动托架、滑靴和导轨所组成；减速机和驱动马达固装在滑动托架上，滑动托架的下方设有滑靴，它扣在导轨上，导轨固定在中盾支撑台上，滑动托架的后方与伸缩油缸相连。

本发明采用该技术方案后产生了以下优点。

1．切削效率高

刀具的切削效率与刀具的线速度紧密相关。以直径为4m的有刀盘圆形盾构机为例，它的适中转速为（3r/min），那么安装在刀盘上的刀具的平均切削线速度为0.314m/s。而采用无刀盘且刀具独立主动自转的方式，截割头的适中转速为30r/min，截割头的回转半径若设为400mm，则截齿的切削线速度可达1.256 m/s，为前者的4倍。

2．工作寿命均衡

对于有刀盘盾构机，由于布置在刀盘上的各个刀具的径向位置不同，因而各个刀具随刀盘转动所经历的路径也不相同，势必造成刀具的磨损速度也不相同。靠刀盘外圈的刀具磨损快，靠刀盘内圈的刀具磨损慢，这样会增加换刀的次数，影响施工效率的提高。

而无刀盘的盾构机，采用每个刀具独立主动自转的方式，全部刀具主动自转的转速相同，因而所有刀具的线速度基本相同，使其工作寿命非常接近，这样可实现批量式整体换刀，大大节省换刀时间，提高盾构机的掘进效率。

3．方向控制性好

对于有刀盘盾构机，由于刀盘的转动惯量很大，有可能使盾构机沿刀盘旋转方向滚动。为了纠正这种滚动偏差，只有使刀盘反转。如此反复进行刀盘的正反转操作，虽然可以稳定盾构机的掘进方向，但存在着一定的操控难度。若掌握不好，会使掘进方向出现较大的偏差。

而本发明中，不同刀轴上的螺旋集渣器的叶片呈相反方向的布置，这说明不同刀轴的旋转方向是相反的，目的在于平衡不同刀轴刀具之间的旋转惯性力，避免出现盾体滚动，因此勿需进行滚动纠偏。

4．对隧道断面的适应性强

对于有刀盘盾构机，最为适应的是圆形断面。对于矩形、椭圆形等特异断面，则必须通过复杂的曲柄连杆机构、摆动机构或仿形机构来控制刀具的切削轨迹。而对于无刀盘矩阵式布刀的盾构机，只需改变矩阵排列的形式，即可适应各种复杂形状的隧道断面。

附图说明

图1是实施例1的结构示意图；

图2是图1A-A剖视图；

图3是矩形盾构机的布刀示意图；

图4是圆形盾构机的布刀示意图。

具体实施方式

实施例1

本实施例所描述的盾构机是矩形无刀盘土压平衡盾构机，用于开挖矩形断面隧道。如图1～图3 所示。

本实施例中的驱动马达7采用电动机，渣土输送机9采用可弯曲埋刮板输送机。

该盾构机主要由切削刀具1、刀轴2、螺旋集渣器3、土压平衡舱4、分动箱5、减速机6、驱动马达7、渣土输送机9、土压平衡舱隔板、滑动托架25、伸缩油缸26、推进油缸16、气压过渡舱27、前盾13、中盾14、后盾15、中盾隔板32等组成。

在前盾13的前边装有切削刀具1，切削刀具由截割头11和分布在上面的截齿12组成，每个截割头11与一个刀轴2的一端固连，刀轴2的另一端与动力传动装置相连；动力传动装置由分动箱5、分动箱5相连的减速机6和驱动马达7组成。位于盾构机上半部的动力传动装置和位于盾构机下半部的动力传动装置与其他部件的连接关系有所不同；位于盾构机上半部的动力传动装置中的分动箱5的前端固定在土压平衡舱的活动隔板30上，与分动箱5相连的减速机6和驱动马达7由滑动装置支撑，滑动装置的后边与伸缩油缸26相连；本实施例中所述的滑动装置由滑动托架25、滑靴24和导轨23所组成；减速机6和驱动马达7固装在滑动托架25上，滑动托架25的下方设有滑靴24，它扣在导轨23上，导轨23固定在中盾支撑台33上，滑动托架25的后方与伸缩油缸26相连。所述的滑动装置也可采用在导轨上开有槽，滑动托架的支腿下端固装有与导轨上的槽形状相匹配的滑块。

位于盾构机下半部的动力传动装置中的分动箱5的前端固定在中盾支撑板10上，而与分动箱5相连减速机6和驱动马达7由支撑架18支撑，支撑架18下端固定在中盾14后端；与装配在盾构机下部动力传动装置相连的刀轴上装有螺旋集渣器3，渣土输送机9的入口位于螺旋集渣器3的后方；该盾构机的土压平衡舱4，由前盾13、土压平衡舱活动隔板30、土压平衡舱固定隔板31和开挖面组成。为了保护换刀作业人员的安全，在中盾隔板上设有止回阀29。为了减小掘进阻力，截齿12在截割头11上呈螺旋线排列；切削刀具1在与前盾垂直的横截面上的投影呈矩阵式排列（见图3），图3中的实线圆为截割头11的正投影，双点划线圆19为截齿12的最大半径切削轨迹。从图3中可以看出，切削刀具1的切削轨迹基本上可以覆盖隧道的整个开挖断面。

动力传动装置中的分动箱5的结构与洛阳雷斯达传动有限公司的产品结构相同。分动箱5与刀轴2可采用键连接或法兰盘连接也可采用其他的连接方式。

土压平衡舱隔板由土压平衡舱活动隔板30和土压平衡舱固定隔板31组成，土压平衡舱活动隔板30通过螺栓与土压平衡舱固定隔板31和前盾13连接在一起。

实施例2

本实施例为圆形无刀盘土压平衡盾构机，用于开挖圆形断面隧道。图4为该盾构机的左视图。

本实施例中驱动马达7采用液压马达，渣土输送机9采用接力式可折弯螺旋输送机；其他结构及各部件的连接关系与实施例1相同。

实施例1中的驱动马达7也可采用液压马达，渣土输送机9也可采用接力式可折弯螺旋输送机。

实施例2中的驱动马达7也可采用电动机，渣土输送机9也可采用可弯曲埋刮板输送机。

上述实施例中采用的分动箱5为一分四结构，即一个驱动马达7可同时驱动四个切削刀具1旋转。当然也可根据设计的需要选用一个驱动马达同时驱动2个切削刀具、3个切削刀具、5个切削刀具或其他数量的切削刀具旋转。

本发明中的盾构机除可以制造成如实施例1的矩形及如实施例2的圆形外，还可采用相同的方法制造成多边形、椭圆形等各种形状特异的盾构机，用于开挖各种断面形状的隧道。

装配在盾构机上的切削刀具的数量可根据开挖隧道断面的需要做选择。

该无刀盘土压平衡盾构机的切削刀具勿需刀盘的支承，所有刀具均由动力传动装置直接驱动，实现独立主动自转。

在工作时，切削刀具1的切削运动由切削刀具的旋转运动（主运动）和纵向进给运动组成。驱动马达7通过减速机6、分动箱5带动刀轴2及切削刀具1旋转。分动箱5的作用是使用较少的驱动马达7同时带动较多的切削刀具1旋转以节省空间，解决动力传动装置空间布置拥挤的问题。如图1和图2所示。切削刀具1的纵向进给运动是通过钢筋混凝土衬砌管片17、推进油缸16实现的。当推进油缸16的活塞杆向后伸出，即可顶推钢筋混凝土管片17。因为钢筋混凝土管片17通过浆液的凝固与隧道洞壁固结在一起，因此它所提供的支反力可以迫使推进油缸16带动整个盾体（包括前盾13、中盾14和后盾15）向前推进，同时带动切削刀具1实现纵向进给运动。

在盾构机工作过程中落入土压平衡舱4底部的渣土通过盾构机下半部分的刀轴2上装有的螺旋集渣器3被连续不断地推向后方至渣土输送机9的入口处，以使排渣顺畅。

在隧道掘进的过程中，当切削刀具磨损量超限时，就应该进行切削刀具的更换。更换切削刀具时，首先应将土压平衡舱4内的渣土排空，然后松掉紧固螺栓28，使土压平衡舱活动隔板30与固定隔板31及前盾13的连接脱开，通过伸缩油缸26的回缩，带动滑动托架25和上半部分的驱动装置以及切削刀具1沿导轨向后移动一定的距离，现场作业人员即可从活动隔板30和固定隔板31之间的空隙进入到土压平衡舱4内对刀具进行更换。

为了保护换刀作业人员的安全，根据开挖面的地质情况，通过止回阀29向中盾隔板32前方的密闭空间注入0~3bar的压缩空气，用来平衡开挖面的水土压力，防止坍塌。

为了防止换刀、维修作业人员患气压病，不允许直接从高压环境进入大气环境，必须经过气压过渡舱27的过渡。作业人员进入气压过渡舱27后，通过输入压缩空气对舱内空间进行升压，当压力升到与中盾隔板32前方的气压相等时，方可打开人闸22，安全地进入中盾隔板32前方的空间。当作业人员从中盾隔板32前方的空间退入到气压过渡舱27后，必须待舱内的气压缓慢地降到与大气压相等时，作业人员才能从气压过渡舱27内退出。

为了安装和维修方便本发明中的固定及连接多采用螺栓，如：位于盾构机上半部分的驱动马达7、减速机6和分动箱5之间是分别用螺栓连接，分动箱5的前端用螺栓固定在土压平衡舱的活动隔板30上，土压平衡舱活动隔板30通过紧固螺栓28与前盾13和土压平衡舱固定隔板31相连。减速机6和驱动马达7通过螺栓与滑动托架25相连。滑动托架25的后方通过螺栓与伸缩油缸26相连。