CN100554645C - 一种复合式土压平衡盾构机 - Google Patents
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Abstract
一种复合式土压平衡盾构机，包括：机壳(1)、刀盘(2)、土仓(3)、螺旋输送机(4)和推进油缸(6)，其特征在于：所述刀盘位于机壳前部，刀盘上同时设置撕裂刀(21)和切削刀(22)，且所述切削刀的刀锋略靠撕裂刀之后；所述土仓位于刀盘的后部，且土仓的后壁面上设有注浆孔(32)，土仓后部安装有气压平衡设备(5)，土仓下部设有出土口(31)；螺旋输送机的下部入口与土仓的出土口相接；所述推进油缸沿机壳内壁均匀设置。该盾构机可解决在高透水的砾砂土层或卵(砾)石土层中的正常掘进问题，或需要穿过30厘米以上大石块等障碍物时的正常掘进问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合式土压平衡盾构机，更具体地说，是一种适用于高渗透土层的复合式土压平衡盾构机。
背景技术
对于在江边、海边所建的电厂，循环水取水是非常重要的工程，以前基本上使用明渠取水的方法，但施工难度非常大，尤其是对于浅滩取水。后来，随着施工技术的提高，引进了沉管、顶管等施工工艺，但仍存在很多弊端，尤其是大直径的取水隧道。
随着引入盾构施工法，逐渐代替了以前的施工工艺，但宁海电厂工程循环水取水隧道地质复杂，土层较多，并且含水率高，3#砾砂土层渗透系数Kv达到3.0×10-2cm/s，6#卵(砾)石土层渗透系数Kv更是高达3.0×10-1cm/s，对于含水量如此之高的地质情况下施工盾构，国内还是首例。
采用盾构掘进方式进行施工时，一般要考虑地质情况，盾构的外径、隧道的长度、工程施工程序、劳动力情况等，对盾构机进行选型。根据地质条件选择盾构机类型，对砂质土类自立性能差的地层，应尽量使用密封型的盾构施工，若为地下水较丰富且透水性较好的砂质土，则应优先考虑泥水平衡盾构机；对粘性土，则可首先考虑土压平衡盾构机。但在渗透系数大于10-2cm/s的卵、砾石层或遇到大的障碍物时泥水平衡盾构机和土压平衡盾构机均不太适合。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种复合式的土压平衡盾构机，以解决在高透水的砾砂土层或卵(砾)石土层中的正常掘进问题，或需要穿过30厘米以上大石块等障碍物时的正常掘进问题。
本发明所提供的复合式土压平衡盾构机包括：机壳、刀盘、土仓、螺旋输送机和推进油缸，其中，所述刀盘位于机壳前部，刀盘上同时设置撕裂刀和切削刀，且所述切削刀的刀锋略靠撕裂刀之后；所述土仓位于刀盘的后部，且土仓的后壁面上设有注浆孔，土仓后部安装有气压平衡设备，土仓下部设有出土口；螺旋输送机的下部入口与土仓的出土口相接；所述推进油缸沿机壳内壁设置。
在本发明所述盾构机中，所述土仓的下部为出土口，螺旋输送机的底端位于出土口中。所述螺旋输送机设置两道闸门，第一道为液压闸门，第二道为手动闸门。
在本发明所述盾构机中，所述气压平衡设备与土仓面板上的进气口和出气口连通。土仓的面板上设置有人行闸供操作人员进入开挖面处理。
在本发明中，所述土压平衡就是调整推进压力与土层压力和地下水压力相抗衡，通过调整顶力、出土速度，使土仓中的土压力与地下水压力相平衡，保证正面土体不塌方，从而使盾构机正常掘进。
在本发明所述盾构机中，所述机壳内壁的四周均匀设置推进油缸。所设置的推进油缸的数量可以由本领域普通技术人员依据本领域的常识和盾构机的规格要求经计算确定，例如，可以设置10-50台推进油缸，优选12-40台，进一步优选15-35台。位于机壳上部的推进油缸最好是采用长行程推进油缸，例如，其行程可以为2000mm；而位于机壳下部的推进油缸最好是采用短行程推进油缸，例如，其行程可以为1200mm。优选所述长行程推进油缸的台数占推进油缸总台数的约25％左右，而所述短行程推进油缸的台数占推进油缸总台数的约75％左右。
在本发明所述盾构机中，盾构机的盾尾设有三道钢丝盾尾密封刷，其中，最后一道钢丝盾尾密封刷最好是可以进行拆除更换的。在三道钢丝盾尾密封刷之间充填满盾尾油脂，以起到密封作用。所述盾尾油脂可以选用任何本领域常用的密封油脂。
本发明所述盾构机的盾尾采用聚胺脂等材料进行止水密封后，也可将最后一道盾尾钢丝密封刷替换成Y型止水环，以起到止水的作用。
与现有技术相比，本发明所提供的盾构机具有以下有益效果：
1、盾构机在刀盘的设计上增加了撕裂刀。遇到硬层时，先用撕裂刀破碎块石，这样就能保护切削刀不受损坏，从而使切削刀在其他土层中发挥有效的作用。
2、在盾构机前布置若干个注浆孔，使盾构机在穿越卵石层以及渗透系数为10-1cm/s的土层时，用浓泥浆或水泥浆注入到前面的土层中。这样做一方面改善土层中卵石土的流塑性能，使之能有效地从螺旋输送机排出，另一方面使盾构机在穿越该土层时使掘进面土体保持稳定。
3、螺旋输送机上设置两道闸门，当盾构机在穿越含水率高的土层时如果一道闸门发生故障，备用闸门可安全工作。
4、在该土压平衡盾构机上同时安装了气压平衡设备，在遇到地层中不能破碎的大块石块时，可由人工处理。
5、在盾尾设计时采用了三道钢丝密封刷，且靠内侧的一道可以进行更换。当在20m以上水头高差压力下掘进时钢丝刷作为盾尾密封是不理想的，此时，可在盾尾采用聚胺脂等材料进行止水密封后，第三道盾尾钢丝刷改为Y型止水环来达到止水效果。
附图说明
图1是本发明所述盾构机的剖面图。
图2是本发明所述盾构机前视图。
图3是本发明所述盾构机后视图。
图4是本发明所述盾尾Y型止水环的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明所提供的盾构机予以进一步的说明，但本发明并不因此而受到任何限制。
如图1、2所示，本发明所述的复合式土压平衡盾构机包括机壳1，机壳1的前端为刀盘2；在刀盘2上同时设置撕裂刀21和切削刀22，其中切削刀22的刀锋略靠撕裂刀21之后。撕裂刀21主要针对未风化块石，如未风化凝灰岩，通过挤压和自身滚动，来破碎较硬块石。遇到软土层，撕裂刀21失去作用，此时依靠切削刀22，在刀盘2的转动下，切削软土。实际的盾构掘进过程是在这两种刀的共同作用下完成的。
参看图1和图3，刀盘2后部为土仓3，土仓3下部设置出土口31，刀盘2切削下来的土进入土仓3中。螺旋输送机4的底端与出土口31相接，用于将土仓3内的土输送到皮带运输机7上，然后输送到弃土车(图中未示)上。在土仓3的后壁面上设置有多个注浆孔32，用于注入浓泥浆或水泥浆到前面的土层中。
当盾构机进入硬土时，因土层自立性好，土仓3不应有压力存在以减小刀盘2的扭矩。此时为顺利出土，可通过注浆孔32适当向土仓3中加一定量稠粘土，使硬岩土易通过螺旋输送机4送上皮带运输机7出土。而当盾构机进入软土时，包括砂层土时，盾构土仓需有一定压力，可人为设定，来平衡正面土体静止土压力达到土压平衡，此时土仓中软土层在一定压力下向螺旋输送器4进行出土。为防止全断面砂层在一定压力下向螺旋输送机4和出土口31喷发，也需向土仓3内压注一定量的粘土，保持土仓粘土达10％以上，产生土塞，防止喷发事故。
参看图1，螺旋输送机4上设置两道闸门，其中前一道闸门为液压闸门41，后一道闸门为手动闸门42。当盾构机穿越含水率高的土层时如果一道闸门发生故障，备用闸门可安全工作。
参看图3，土仓3后部安装有气压平衡设备5，该气压平衡设备5与土仓面板63上的进气口51和出气口52连通。施工中配合现场的空压机，给予土仓一定的压力。根据掘进的实际情况调节气压，如果气压太低，起不到平衡水压力的作用；气压过高，则有可能击穿覆盖层。
在一个具体的实施方式中，为了减小刀盘2的扭矩，防止正面塌方及螺旋输送机喷砂，土仓内的气压力一般控制在0.3Mpa左右(根据地下水位和土仓内气压损失的不同而不同)。在掘进前，先通气大约30分钟到1个小时为佳，将水逼到正面土体以外，然后再顶进。掘进时，应先加气压，后出土。此外，还要注意螺旋输送机4中的土不能出空，否则气体会从螺旋输送机漏出，土仓内的气压力就不起作用。
在土仓3的面板63上设置有人行闸(未显示)，当开挖面出现有未知障碍物(如基础、桩等)或出现意外情况时，操作人员可以进入开挖面处理。
如图1所示，在盾构机壳体1的四周均匀布置推进油缸6，且油缸伸出端头部安装的撑靴61，可将推进力均匀地传递到管片62上，保证盾构机平衡推进。根据本发明的一个具体的实施例，沿着盾构机内壁圆周共布置了26台推进油缸6，每台推进油缸6的推力为1200kN，盾构总推力为31200kN，这是盾构往前推进的动力。为适应最后一块封顶块全纵向***式管片的需要，推进油缸6有两种行程，上部7台长行程推进油缸6，其行程为2000mm，下部19台为短行程推进油缸6，其行程为1150mm。
盾尾设有三道钢丝盾尾密封刷8，其中最后一道可以进行拆除更换。在三道钢丝刷之间充填满盾尾油脂，以使达到封堵泥浆的目的。在盾构机推进过程中，利用盾尾油脂泵(未显示)可以不断地补充盾尾油脂，从而保证盾尾密封的可靠性。
在另一具体实施方式中，当在20m以上水头高差压力下掘进时，钢丝刷作为盾尾密封是不理想的。此时，可在盾尾采用聚胺脂等材料进行止水密封后，将第三道(最后一道)盾尾钢丝密封刷改为Y型止水环来达到止水效果。
图4所示是本发明所述盾尾Y型止水环的剖面图。在该图中，71为环板、72为止水板固定块、73为定位销、74为弹性钢板、75为Y型密封环、76为尾部压板、77为高压填充物。其中，止水板固定块72和弹性钢板74在安装时是并列的；弹性钢板74和Y型密封环75是粘结固定的。把Y型止水环安装在盾构机的尾部，夹在管片与壳体之间，把“Y”形压成“一”字形，通过弹性钢板74的弹性保证其密封的紧密性，达到止水的目的。
聚胺脂是一种高分子材料，遇水后可瞬间膨胀，从而起到盾尾密封的作用。因此，本领域普通技术人员也可以采用其它的具有类似性质的材料进行密封。
在本发明的一个具体的实施方式中，盾构机盾尾部850mm范围内，设有三道WB-2型钢丝刷密封装置，其中最后一道可以拆除更换，在三道钢丝刷之间，由盾尾油脂泵充填满SFZ-864型盾尾油脂，以达到封堵泥浆的目的。在盾构推进过程中，盾尾油脂泵可以不断地补充盾尾油脂而保证盾尾密封的可靠性。
在本发明中着重说明了该盾构机的改进之处，未提到的部分，如动力***、液压***、常规的密封***等均为本领域普通技术人员依据本领域的常识即可完成的部分。例如，通过液压控制***来完成盾构机掘进的各种功能，完成隧道的掘进；刀盘可通过6台45KW的电机控制，供油量240-300升/分钟；顶进***通过1台30KW的电机控制，但顶进***每个千斤顶是可单独作业的，供油量50升/分钟；通过1台60KW的电机控制，供油量60升/分钟，螺旋输送机、拼装机共用一台，但是分开作业的；所有的液压***均是通过转向阀来实现油路的走向；动作控制全部采用电磁阀完成，按钮集中安装在盾构操纵控制台上，拼装机千斤顶和盾构千斤顶拼装模式采用二地控制，在盾构操纵台上可控制外，在拼装机旁边也可控制，以方便管片拼装机拼装管片；刀盘回转密封可由多个具有唇形的密封圈组成，主要用来阻挡泥浆水，土沙进入刀盘驱动***，并且通过集中润滑***向密封圈中加注油脂，增加密封圈的背压及改善密封圈和接触面的润滑***，以确保密封的可靠性等等。
Claims (8)
1.一种复合式土压平衡盾构机，包括：机壳(1)、刀盘(2)、土仓(3)、螺旋输送机(4)和推进油缸(6)，所述刀盘位于机壳前部，刀盘上同时设置撕裂刀(21)和切削刀(22)，且所述切削刀的刀锋略靠撕裂刀之后；所述土仓位于刀盘的后部，且土仓的后壁面上设有注浆孔(32)，土仓后部安装有气压平衡设备(5)，土仓下部设有出土口(31)；螺旋输送机的下部入口与土仓的出土口相接；所述推进油缸沿机壳内壁设置，其特征在于：该盾构机还包括安装在盾构机的尾部的Y型止水环，该Y型止水环夹在管片与壳体之间，所述Y型止水环包括环板(71)、止水板固定块(72)、定位销(73)、弹性钢板(74)、Y型密封环(75)、尾部压板(76)、高压填充物(77)，其中，止水板固定块(72)和弹性钢板(74)并列安装；弹性钢板(74)和Y型密封环(75)互相粘结固定。
2.按照权利要求1所述的盾构机，其特征在于：所述螺旋输送机(4)上设置两道闸门，分别是液压闸门(41)和手动闸门(42)。
3.按照权利要求2所述的盾构机，其特征在于：所述气压平衡设备(5)与土仓面板上的进气口(51)和出气口(52)连通。
4.按照权利要求3所述的盾构机，其特征在于：所述土仓(3)的面板上设有人行闸。
5.按照权利要求1或4所述的盾构机，其特征在于：所述推进油缸(6)沿机壳内壁均匀设置，数量为10-50台，其中，位于机壳上部的推进油缸(6)采用长行程推进油缸，而位于机壳下部的推进油缸(6)采用短行程推进油缸。
6.按照权利要求5所述的盾构机，其特征在于：所述推进油缸(6)为12-40台，所述长行程推进油缸占3-10台，其行程为2000mm；而所述短行程推进油缸占9-30台，其行程为1150mm。
7.按照权利要求1或6所述的盾构机，其特征在于：所述盾构机的盾尾设有三道钢丝密封刷，且三道钢丝密封刷之间充填满盾尾油脂；其中，最后一道钢丝密封刷是能够拆换的。
8.按照权利要求1或6所述的盾构机，其特征在于：所述盾构机的盾尾依次地设置两道钢丝密封刷和一道Y型止水环，密封刷之间填充聚胺脂。
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| CN102200014A (zh) * | 2010-03-23 | 2011-09-28 | 同济大学 | 一种土压平衡式环形盾构机 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN1982650A (zh) | 2007-06-20 |
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