CN110439578B - 一种盾构机的基座结构及其设计方法 - Google Patents

一种盾构机的基座结构及其设计方法 Download PDF

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Abstract

一种盾构机的基座结构及其设计方法，包括基座结构单元；基座结构单元包括底托、基座、轨道支架和轨道；底托与隧道底板之间固定连接；基座包括基座主体和连接杆；基座主体安装在底托上；连接杆平行间隔连接在基座主体的内侧边上；在连接杆上、沿横向间隔开设有连接孔；左右两侧基座上的连接杆横向可调连接；轨道支架包括腹板和轨道安装板；腹板沿纵向通长固定在基座主体上，且腹板由下而上逐渐向内倾斜；轨道安装板垂直连接在腹板顶部；轨道沿纵向通长固定在轨道安装板的板面中部。本发明解决了传统的始发基座中左右两轨之间的间距无法改变，盾构安装高度调节困难、底板施工时高程偏差难以控制以及其适应性和周转性都受到极大限制的技术问题。

Description

一种盾构机的基座结构及其设计方法
技术领域
本发明属于机械工程技术领域，特别是一种盾构机的基座结构及其设计方法。
背景技术
盾构机被广泛应用于隧道掘进等工程中，在始发工作竖井里，盾构机的后端是一个反力架，用以提供反力的后背，底部采用始发基座承载盾构机，通过施加外力推动始发基座移动来实现盾构机平移或横移；由于盾构机结构庞大、重量较重、动作幅度不易控制；传统的始发基座根据特定直径的盾构机专门设计，其适应的盾构机型号，以及所对应的底板面安装高程为为固定数据，在地铁盾构隧道断面多变、始发井地板面高程设计多样化的今天，其适应性和周转性都受到极大的限制。由此，亟需一种广适性的盾构基座来解决不同直径、不同环境下盾构机始发接收问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种盾构机的基座结构及其设计方法，要解决传统的始发基座中左右两轨之间的间距无法改变，盾构安装高度调节困难、底板施工时高程偏差难以控制以及其适应性和周转性都受到极大限制的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
一种盾构机的基座结构，包括有设置在盾构机底部左右两侧的基座结构单元；两个基座结构单元之间横向可调连接；
所述基座结构单元包括有由下而上依次设置的底托、基座、轨道支架和轨道；所述底托呈条形板状，沿纵向通长设置，并且底托与隧道底板之间固定连接；所述基座包括有基座主体和连接杆；基座主体为框架结构，沿纵向水平安装在底托上；所述连接杆有一组，沿纵向平行间隔布置；每根连接杆横向连接在基座主体的内侧边上；在连接杆上、沿横向间隔开设有连接孔；左右两侧基座上的连接杆之间对应前后搭接，并且通过穿设在对应连接孔中的连接件横向可调连接；
所述轨道支架包括有腹板和轨道安装板；所述腹板沿纵向通长固定在基座主体上，并且腹板由下而上逐渐向内倾斜；所述轨道安装板垂直连接在腹板顶部；在轨道支架的外侧设置有反力托架；
所述轨道沿纵向通长固定在轨道安装板的板面中部，并且轨道由下而上逐渐向内倾斜；所述轨道的倾角与腹板的倾角一致，且在轨道的内外两侧分别设置有轨道压板。
优选的，所述底托中设置有竖向的预埋件；所述预埋件有一组，间隔布置在底托中，并且基座与预埋件之间焊接连接。
优选的，所述腹板与水平面之间的夹角为58°～63.5°。
优选的，所述基座主体包括有纵杆、横杆和斜杆；所述横杆有一组，沿纵向平行间隔布置；所述纵杆连接在一组横杆的里端之间；所述斜杆倾斜连接在相邻横杆之间；所述连接杆横向连接在纵杆上，并且左右两根连接杆的搭接长度为1000mm～1500mm。
优选的，所述腹板的外侧设置有外加劲板；所述外加劲板有一组，沿纵向间隔布置；外加劲板的顶边与轨道安装板的底面连接，外加劲板的底边与基座主体连接；所述腹板的内侧设置有内加劲板；所述内加劲板有一组，沿纵向间隔布置，并且内加劲板与外加劲板对应布置；内加劲板的顶边与轨道安装板的底面连接，内加劲板的底边与基座主体连接。
优选的，在一组外加劲板的底部之间设有连系梁；所述连系梁将一组外加劲板连接成整体。
优选的，所述反力托架包括有反力托板和斜撑；所述反力托板水平连接在轨道安装板的外端，并且在反力托板的板面上开设有用于安装反力装置的孔洞；所述斜撑有一组，支撑在反力托板的底部；斜撑的上端托接在反力托板的底面，斜撑的下端支撑在连系梁上。
优选的，所述横杆中、对应轨道支架设置的位置处设有加强板；所述加强板有一组，沿横向间隔布置。
一种盾构机的基座结构的设计方法，包括步骤如下。
步骤一，确定基座结构的设计参数：设计参数包括有基座的宽度a、轨道的高度b、左右轨道的间距L、盾构机的直径D、隧道底板的顶面与盾构机的始发中心轴线的设计高差h1以及轨道轨头最低处与基座顶面的高差h2。
步骤二，根据步骤一所得数据以及钢结构设计规范，对基座结构进行设计。
由盾构机的直径D和盾构机的安装稳定性需求角度θ来确定左右轨道之间的间距L的范围， L=D·sinθ。
由轨道轨头最低处与基座顶面的高差h2确定基座所能支撑的盾构机的最大角度θmax= arccos（1-2h2/D）。
由隧道底板的顶面与盾构始发中心轴线的设计高差h1计算轨道高度b：b=h1-0.5D·cosθ= h1-0.5Ls·cotθ，并确定基座连接后轨道宽度LS：LS根据常规的盾构机的直径范围Dmin～Dmax确定，为Ls=D·sinθ；连接杆的调节范围值C：C=Lmax-Lmin。
步骤三，验证基座的结构稳定和安全性，选用相应的材料和结构形式，确保基座满足使用条件的稳定性和安全性没，通过对基座的整体受力和节点受力分析，利用基座安装稳定性计算公式： FL+ Fs+ F1≥kF进行确定；FL基座四周支撑的容许轴力，所述基座采用与底托预埋件焊接的形式，基座四周支撑的容许轴力FL=0；Fs为座基与隧道底板之间的摩擦力；F1为底托中的预埋件自身抗剪承载力与预埋件和基座之间焊缝的抗剪承载力二者的较小者；k为安全系数，取1.5；F为盾构机推力对基座产生的作用力。
步骤四，根据施工需求，增设功能性构件；反力托架即为考虑盾构机安拆过程中盾构机移动功能所需增设的功能性构件，至此设计完毕。
与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果。
1、本发明中的基座结构能够广泛使用于一定范围外径（6250mm~6900mm）的盾构机安装和接收工程中，周转效率提高，经济效益明显。
2、在同一工程中，本发明的基座结构可根据隧道底板的表面高程和隧道洞门中心高程的测量结果，对基座和轨道的高度以及轨道之间的间距进行安装前调整，在一定范围内无需对高程进行凿出或垫高处理，可在一定范围内解决隧道底板高程因设计或施工造成与盾构施工所需参数冲突的矛盾，极大的提高了施工效率，节约工期。
3、本发明的基座结构，包括左右两个基座结构单元，并且两个基座结构单元之间横向可调连接；
这种安装对接方便，具有使用便捷的，适用于多种型号的盾构机安装的特点。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
图1是本发明的基座结构使用时的横断面结构示意图。
图2是本发明中基座的平面结构示意图。
图3是本发明中基座结构单元的横断面结构示意图。
图4是本发明中底托的布置图。
图5是本发明中轨道压板的结构示意图。
附图标记：1－盾构机、2－底托、3－基座、3.1－基座主体、3.1.1－纵杆、3.1.2－横杆、3.1.3－斜杆、3.2－连接杆、4－轨道支架、4.1－腹板、4.2－轨道安装板、5－轨道、6－隧道底板、7－连接孔、8－反力托架、8.1－反力托板、8.2－斜撑、9－轨道压板、9.1－压板主体、9.2－支撑板、10－内加劲板、11－外加劲板、12－加强板、13－连接件、14－连系梁、15－孔洞、16－螺栓孔。
具体实施方式
如图1-5所示，这种盾构机的基座结构，包括有设置在盾构机1底部左右两侧的基座结构单元；其特征在于：两个基座结构单元之间横向可调连接；
所述基座结构单元包括有由下而上依次设置的底托2、基座3、轨道支架4和轨道5；所述底托2呈条形板状，沿纵向通长设置，并且底托2与隧道底板6之间固定连接；所述基座3包括有基座主体3.1和连接杆3.2；基座主体3.1为框架结构，沿纵向水平安装在底托2上；所述连接杆3.2有一组，沿纵向平行间隔布置；每根连接杆3.2横向连接在基座主体3.1的内侧边上；在连接杆3.2上、沿横向间隔开设有连接孔7；左右两侧基座3上的连接杆3.2之间对应前后搭接，并且通过穿设在对应连接孔7中的连接件13横向可调连接；
所述轨道支架4包括有腹板4.1和轨道安装板4.2；所述腹板4.1沿纵向通长固定在基座主体3.1上，并且腹板4.1由下而上逐渐向内倾斜；所述轨道安装板4.2垂直连接在腹板4.1顶部；在轨道支架4的外侧设置有反力托架8；
所述轨道5沿纵向通长固定在轨道安装板4.2的板面中部，并且轨道5由下而上逐渐向内倾斜；所述轨道5的倾角与腹板4.1的倾角一致，且在轨道5的内外两侧分别设置有轨道压板9。
本实施例中，所述底托2中设置有竖向的预埋件；所述预埋件有一组，间隔布置在底托2中，并且基座3与预埋件之间焊接连接。
本实施例中，所述腹板4.1与水平面之间的夹角为58°～63.5°。
本实施例中，所述基座主体3.1包括有纵杆3.1.1、横杆3.1.2和斜杆3.1.3；所述横杆3.1.2有一组，沿纵向平行间隔布置；所述纵杆3.1.1连接在一组横杆3.1.2的里端之间；所述斜杆3.1.3倾斜连接在相邻横杆3.1.2之间；所述连接杆3.2横向连接在纵杆3.1.1上，并且左右两根连接杆3.2的搭接长度为1000mm～1500mm。
本实施例中，所述腹板4.1的外侧设置有外加劲板11；所述外加劲板11有一组，沿纵向间隔布置；外加劲板11的顶边与轨道安装板4.2的底面连接，外加劲板11的底边与基座主体3.1连接；所述腹板4.1的内侧设置有内加劲板10；所述内加劲板10有一组，沿纵向间隔布置，并且内加劲板10与外加劲板11对应布置；内加劲板10的顶边与轨道安装板4.2的底面连接，内加劲板10的底边与基座主体3.1连接。
本实施例中，在一组外加劲板11的底部之间设有连系梁14；所述连系梁14将一组外加劲板11连接成整体。
本实施例中，所述反力托架8包括有反力托板8.1和斜撑8.2；所述反力托板8.1水平连接在轨道安装板4.2的外端，并且在反力托板8.1的板面上开设有用于安装反力装置的孔洞15；所述斜撑8.2有一组，支撑在反力托板8.1的底部；斜撑8.2的上端托接在反力托板8.1的底面，斜撑8.2的下端支撑在连系梁14上。
本实施例中，所述横杆3.1.2中、对应轨道支架4设置的位置处设有加强板12；所述加强板12有一组，沿横向间隔布置。
本实施例中，所述底托2的板面上间隔开设有螺栓孔16；所述底托2通过穿设在螺栓孔16中的螺栓与隧道底板6固定连接。
本实施例中，所述轨道压板9包括有压板主体9.1和支撑板9.2；所述压板主体9.1的横截面呈L形，包括有竖边和横边；所述压板主体9.1的竖边紧贴在轨道5的腹板上，压板主体9.1的横边压接在轨道5的下翼缘板上；压板主体9.1的横边外侧超出轨道5的下翼缘板外端，并且超出部位通过螺栓连接在轨道安装板4.2上；所述支撑板9.2有一组，间隔支撑在压板主体9.1的横边和竖边之间，并且每块支撑板9.2呈梯形，支撑板9.2的顶端托接在轨道5的上翼缘板底部；轨道压板9压板的这种结构设计，不仅保证轨道5与轨道安装板连接的牢固性，而且还提高了轨道5的受力性能。
本实施例中，所述连接件13为螺栓。
这种盾构机的基座结构的设计方法，包括步骤如下。
步骤一，确定基座结构的设计参数：设计参数包括有基座3的宽度a、轨道5的高度b、左右轨道5的间距L、盾构机1的直径D、隧道底板6的顶面与盾构机1的始发中心轴线的设计高差h1以及轨道5轨头最低处与基座3顶面的高差h2。
步骤二，根据步骤一所得数据以及钢结构设计规范，对基座结构进行设计。
由盾构机1的直径D和盾构机1的安装稳定性需求角度θ来确定左右轨道5之间的间距L的范围， L=D·sinθ。
由轨道5轨头最低处与基座3顶面的高差h2确定基座3所能支撑的盾构机1的最大角度θmax= arccos1-2h2/D。
由隧道底板6的顶面与盾构始发中心轴线的设计高差h1计算轨道高度b：b=h1-0.5D·cosθ= h1-0.5Ls·cotθ，并确定基座3连接后轨道宽度LS：LS根据常规的盾构机1的直径范围Dmin～Dmax确定，为Ls=D·sinθ；连接杆3.2的调节范围值C：C=Lmax-Lmin。
步骤三，验证基座的结构稳定和安全性，选用相应的材料和结构形式，确保基座3满足使用条件的稳定性和安全性没，通过对基座3的整体受力和节点受力分析，利用基座安装稳定性计算公式： FL+ Fs+ F1≥kF进行确定；FL基座3四周支撑的容许轴力，所述基座3采用与底托2预埋件焊接的形式，基座3四周支撑的容许轴力FL=0；Fs为座基3与隧道底板6之间的摩擦力；F1为底托2中的预埋件自身抗剪承载力与预埋件和基座3之间焊缝的抗剪承载力二者的较小者；k为安全系数，取1.5；F为盾构机推力对基座产生的作用力。
步骤四，根据施工需求，增设功能性构件；反力托架8即为考虑盾构机安拆过程中盾构机移动功能所需增设的功能性构件，至此设计完毕。
上述实施例并非具体实施方式的穷举，还可有其它的实施例，上述实施例目的在于说明本发明，而非限制本发明的保护范围，所有由本发明简单变化而来的应用均落在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种盾构机的基座结构，包括有设置在盾构机（1）底部左右两侧的基座结构单元；其特征在于：两个基座结构单元之间横向可调连接；
所述基座结构单元包括有由下而上依次设置的底托（2）、基座（3）、轨道支架（4）和轨道（5）；所述底托（2）呈条形板状，沿纵向通长设置，并且底托（2）与隧道底板（6）之间固定连接；所述基座（3）包括有基座主体（3.1）和连接杆（3.2）；基座主体（3.1）为框架结构，沿纵向水平安装在底托（2）上；所述连接杆（3.2）有一组，沿纵向平行间隔布置；每根连接杆（3.2）横向连接在基座主体（3.1）的内侧边上；在连接杆（3.2）上、沿横向间隔开设有连接孔（7）；左右两侧基座（3）上的连接杆（3.2）之间对应前后搭接，并且通过穿设在对应连接孔（7）中的连接件（13）横向可调连接；
所述轨道支架（4）包括有腹板（4.1）和轨道安装板（4.2）；所述腹板（4.1）沿纵向通长固定在基座主体（3.1）上，并且腹板（4.1）由下而上逐渐向内倾斜；所述轨道安装板（4.2）垂直连接在腹板（4.1）顶部；在轨道支架（4）的外侧设置有反力托架（8）；
所述轨道（5）沿纵向通长固定在轨道安装板（4.2）的板面中部，并且轨道（5）由下而上逐渐向内倾斜；所述轨道（5）的倾角与腹板（4.1）的倾角一致，且在轨道（5）的内外两侧分别设置有轨道压板（9）；
所述底托（2）中设置有竖向的预埋件；所述预埋件有一组，间隔布置在底托（2）中，并且基座（3）与预埋件之间焊接连接；
所述腹板（4.1）与水平面之间的夹角为58°～63.5°；
所述基座主体（3.1）包括有纵杆（3.1.1）、横杆（3.1.2）和斜杆（3.1.3）；所述横杆（3.1.2）有一组，沿纵向平行间隔布置；所述纵杆（3.1.1）连接在一组横杆（3.1.2）的里端之间；所述斜杆（3.1.3）倾斜连接在相邻横杆（3.1.2）之间；所述连接杆（3.2）横向连接在纵杆（3.1.1）上，并且左右两根连接杆（3.2）的搭接长度为1000mm～1500mm。
2.根据权利要求1所述的盾构机的基座结构，其特征在于：所述腹板（4.1）的外侧设置有外加劲板（11）；所述外加劲板（11）有一组，沿纵向间隔布置；外加劲板（11）的顶边与轨道安装板（4.2）的底面连接，外加劲板（11）的底边与基座主体（3.1）连接；所述腹板（4.1）的内侧设置有内加劲板（10）；所述内加劲板（10）有一组，沿纵向间隔布置，并且内加劲板（10）与外加劲板（11）对应布置；内加劲板（10）的顶边与轨道安装板（4.2）的底面连接，内加劲板（10）的底边与基座主体（3.1）连接。
3.根据权利要求2所述的盾构机的基座结构，其特征在于：在一组外加劲板（11）的底部之间设有连系梁（14）；所述连系梁（14）将一组外加劲板（11）连接成整体。
4.根据权利要求3所述的盾构机的基座结构，其特征在于：所述反力托架（8）包括有反力托板（8.1）和斜撑（8.2）；所述反力托板（8.1）水平连接在轨道安装板（4.2）的外端，并且在反力托板（8.1）的板面上开设有用于安装反力装置的孔洞（15）；所述斜撑（8.2）有一组，支撑在反力托板（8.1）的底部；斜撑（8.2）的上端托接在反力托板（8.1）的底面，斜撑（8.2）的下端支撑在连系梁（14）上。
5.根据权利要求1所述的盾构机的基座结构，其特征在于：所述横杆（3.1.2）中、对应轨道支架（4）设置的位置处设有加强板（12）；所述加强板（12）有一组，沿横向间隔布置。
6.一种权利要求1-5中任意一项所述的盾构机的基座结构的设计方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤一，确定基座结构的设计参数：设计参数包括有基座（3）的宽度a、轨道（5）的高度b、左右轨道（5）的间距L、盾构机（1）的直径D、隧道底板（6）的顶面与盾构机（1）的始发中心轴线的设计高差h1以及轨道（5）轨头最低处与基座（3）顶面的高差h2；
步骤二，根据步骤一所得数据以及钢结构设计规范，对基座结构进行设计：
由盾构机（1）的直径D和盾构机（1）的安装稳定性需求角度θ来确定左右轨道（5）之间的间距L的范围，L=D·sinθ；
由轨道（5）轨头最低处与基座（3）顶面的高差h2确定基座（3）所能支撑的盾构机（1）的最大角度θmax= arccos（1-2h2/D）；
由隧道底板（6）的顶面与盾构始发中心轴线的设计高差h1计算轨道高度b：b=h1-0.5D·cosθ= h1-0.5Ls·cotθ，并确定基座（3）连接后轨道宽度LS：LS根据常规的盾构机（1）的直径范围Dmin～Dmax确定，为Ls =D·sinθ；连接杆（3.2）的调节范围值C：C=Lmax-Lmin；
步骤三，验证基座的结构稳定和安全性，选用相应的材料和结构形式，确保基座（3）满足使用条件的稳定性和安全性没，通过对基座（3）的整体受力和节点受力分析，利用基座安装稳定性计算公式： FL+ Fs+ F1≥kF进行确定；FL基座（3）四周支撑的容许轴力，所述基座（3）采用与底托（2）预埋件焊接的形式，基座（3）四周支撑的容许轴力FL=0；Fs为座基（3）与隧道底板（6）之间的摩擦力；F1为底托（2）中的预埋件自身抗剪承载力与预埋件和基座（3）之间焊缝的抗剪承载力二者的较小者；k为安全系数，取1.5；F为盾构机推力对基座产生的作用力；
步骤四，根据施工需求，增设功能性构件；反力托架（8）即为考虑盾构机安拆过程中盾构机移动功能所需增设的功能性构件，至此设计完毕。
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