CN108756908B - 一种自行破除洞门的盾构设备及出洞方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于盾构施工技术领域，具体涉及一种自行破除洞门的盾构设备及出洞方法，解决了现有盾构机出洞时需人工进行地下连续墙的洞门破除，存在工序繁琐且易造成安全隐患的问题，包括盾构机和辅助设备，以及一种自行破除洞门的盾构设备出洞方法。本发明通过对盾构机刀盘进行改进，在刀盘靠近外缘位置均匀布设多个水钻，水钻利用刀盘的旋转为其提供洞门切割点位，将洞门位置的地下连续墙完整钻透，进一步利用洞门两侧的液压油缸将切割后的地下连续墙体顶紧运送到接收井内通过吊机吊出。

Description

一种自行破除洞门的盾构设备及出洞方法

技术领域

本发明属于盾构施工技术领域，具体涉及一种自行破除洞门的盾构设备及出洞方法。

背景技术

盾构机是一种隧道掘进的专用工程机械，盾构机是一种使用盾构法的隧道掘进机，涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制及测量等多门学科技术，而盾构法隧道建造施工方法需要做两个工作井作为盾构始发井和接收井，盾构机在工作井中完成始发和到达，在盾构机到达接收井处，常常设置有地下连续墙。盾构机出洞常采用油锤结合人工修凿的方法对地下连续墙的钢筋混凝土进行凿除，为保证洞门围护结构的稳定性，根据洞门面积将洞门分为若干块分别进行凿除，凿除时可按照从上到下，从左到右的顺序进行，首先用油锤将外层钢筋保护层混凝土破除，然后用乙炔切割机将钢筋切断，最后将内侧钢筋混凝土凿除，直至露出风化岩层为止。

由上可见，如果使用常规方法进行洞门破除，会对地下连续墙及地下结构产生极大的扰动，不仅容易造成地下连续墙及洞体的坍塌，存在安全隐患，而且工序繁杂、费时费力。

因此，发明一种能够自行破除洞门的盾构设备及出洞方法就显的极其重要。

发明内容

本发明为了解决现有盾构机出洞时需人工进行地下连续墙的洞门破除，存在工序繁琐且易造成安全隐患的问题，提供了一种自行破除洞门的盾构设备及出洞方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：一种自行破除洞门的盾构设备，包括盾构机和辅助设备，盾构机的前盾后端设置有铺设供给装置、第一液压油缸、旋转电机和变速箱，铺设供给装置内部设置有控制器、水箱和水泵，旋转电机连接有变速箱，变速箱连接有刀盘，前盾设置有多个能够伸缩的水钻，多个水钻沿刀盘外圆周呈等角度布设,且水钻的轴向分别沿10～20°中的某一固定角向刀盘外倾斜设置，水钻后端连接有水钻电机，水钻电机后端连接有电动推杆；辅助装置包括设置在接收井顶部的吊机以及设置在接收井底部的第二液压油缸和接收基座，接收基座下部设置有轨道，第二液压油缸固定在接收井的远端。

控制器包括变压模块、单片机、输出端、输入端、第一驱动模块、第一继电器、第二继电器、第一电磁阀、第二电磁阀、第二驱动模块、第三驱动模块和角位移传感器，其中单片机上端通过电源线与变压模块相连，变压模块连接有电源，单片机下端设置有输入端，输入端通过信号线分别连接有压力传感器和角位移传感器，单片机的两侧分别设置有第一输出端和第二输出端，第二输出端连接有第一驱动模块、第一继电器和第二继电器，第一输出端连接有第一电磁阀、第二电磁阀、第二驱动模块和第三驱动模块，其中第一驱动模块连接有旋转电机，第一继电器连接有水泵，第二继电器连接有电动推杆，第一电磁阀连接有第一液压油缸，第二电磁阀连接有第二液压油缸，第二驱动模块连接有水钻电机，第三驱动模块连接有吊机。

控制器位于水箱的上方，水泵两端通过水管分别连接有水箱和水槽，水槽设置在前盾内部，水槽一端安装有喷头，喷头分别设置在水钻的钻头位置。

旋转电机采用同步电动机，且通过信号线连接有角位移传感器，旋转电机通过自身转子连接有变速箱，该变速箱采用ZLY型硬齿面圆柱齿轮减速机。

水钻电机采用1200W至1400W功率的异步电动机，该水钻电机通过第二驱动模块控制可以实现水钻的正、反转，同时水钻打孔过程中，水泵通过水管和水槽为水钻提供冷却液，且通过喷头喷到水钻的工作位置。

压力传感器采用重载压力传感器，数量为两个，分别设置在第二液压油缸的活塞杆的外部端面上。

水钻的数量为6个或8个或10个或12个中的任意一种。

一种自行破除洞门的盾构设备出洞方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.确定盾构隧道线路轴线，预先挖掘始发井和接收井，盾构机从始发井出发，按照隧道线路轴线开始挖掘，同时沿路铺设管片；

S2.在接收井内设置接收基座和轨道；

S3. 盾构机到达地下连续墙位置，进行出洞准备；

S4. 操作位于前盾的水钻使其同步伸出刀盘并与地下连续墙接触，此时调节第二液压油缸，使其液压伸缩杆向前顶紧地下连续墙，进而通过电动推杆的不断顶升实现对地下连续墙的钻孔，由于水钻轴向分别沿10～20°中的某一固定角向刀盘外倾斜设置，通孔所组成的圆周直径大于盾构机直径，且水钻一次钻孔同时完成的通孔数量与水钻个数相同；

S5.钻孔完毕后，水钻通过电动推杆的控制回缩到原位置；进一步的，刀盘旋转一定的角度后重新固定；重复S4步骤，进行水钻的二次打孔，二次打孔须保证与已生成孔实现咬合；

S6.重复步骤S5，直至若干次打孔后地下连续墙沿水钻通孔形成的断面断开为止，至此完成破除工作；

S7.盾构机前进，通过第一液压油缸伸长，前盾将破除的地下连续墙顶紧，同时地下连续墙的背面通过第二液压油缸支撑，进一步通过第一液压油缸和第二液压油缸的配合，保持地下连续墙处于二者油缸的夹持作用下并沿轨道推送到接收井内吊机的下方；

S8.在破除的地下连续墙上方安装吊环，将吊机的吊钩与吊环连接后，最终将破除的地下连续墙调离接收井。

刀盘的旋转可按照顺时针或者逆时针中任意一种方向进行旋转，刀盘一次的旋转角度根据水钻的数量以及钻头直径进行角确定，保证刀盘每次旋转均可实现钻孔的连续咬合。

本发明相比现有技术具有的特定技术特征及有益效果是：

本发明通过对盾构机刀盘进行改进，在刀盘靠近外缘位均匀布设多个水钻，水钻利用刀盘的旋转为其提供洞门切割点位，将洞门位置的地下连续墙完整钻透，进一步利用洞门两侧的液压油缸将切割后的地下连续墙体顶紧运送到接收井内方便吊离的位置，最终通过吊机吊出。具体的：

1.本发明的旋转电机的设置，性能稳定，寿命较长，便于精准控制前盾的旋转角度，提高设备的使用效率。

2.本发明的轨道的设置，便于承受盾构机的重量，且有利于盾构机在接收井内的移动。

3.本发明的水钻和水钻电机的设置，便于在离心力的作用下，水钻内的墙芯可以被甩出来，有利于水钻的连续运用，提高水钻的工作效率。

4.本发明的压力传感器的设置，便于控制第一液压油缸与第二液压油缸之间的协调工作，使墙芯移动到吊机的下方，并通过墙芯上方安装的吊环将其勾出。

附图说明

图1是本发明盾构装置的结构示意图；

图2是图1中前盾刀盘的示意图；

图3是本发明前盾的内部结构示意图；

图4是图1中的A-A的放大结构示意图；

图5是图2中B-B的放大结构示意图；

图6是本发明中线路的连接示意图；

图7是本发明水钻相对于刀盘的布设实施例图；

图8是图7的局部放大图。

图中：1-铺设供给装置，2-控制器，201-变压模块，202-单片机，203-第一输出端，2031-第二输出端，204-输入端，205-第一驱动模块，206-第一继电器，207-第二继电器，208-第一电磁阀，209-第二电磁阀，2010-第二驱动模块，2011-第三驱动模块，2012-角位移传感器，3-水箱，4-水泵，5-水管，6-盾构机，7-第一液压油缸，8-管片，9-地下连续墙，10-旋转电机，11-变速箱，12-轴承，13-前盾，14-轨道，15-第二液压油缸，16-接收基座，17-墙芯，18-吊环，19-吊机，20-水钻，21-刀盘，22-保护钢套，23-压力传感器，24-水钻电机，25-水槽，26-喷头，27-电动推杆，28-接收井，29-实施例中采用的水钻，30-所钻通孔。

具体实施方式

参照图1～图6对发明进行进一步阐述， 本发明提供一种自行破除洞门的盾构出洞方法，首先确定隧道线路轴线，在挖掘始发井和接收井，并预先设置有接收基座16和轨道14，盾构机6从始发井出发，按照隧道线路轴线开始挖掘，同时沿路铺设管片8，到达地下连续墙9位置，使用水钻20向外倾斜10度至20度的角度对地下连续墙9进行钻孔，根据安装水钻20数量的不同钻出不同数量孔，钻孔完毕后，水钻20通过电动推杆27的控制进行伸缩到原位置，且前盾13顺时针旋转一定角度后，水钻20继续前进钻孔，直到将地下连续墙9完成切割；盾构机6前进，前盾13将破除的地下连续墙9，即墙芯17通过预先铺设的轨道14推出，同时墙芯17的背面通过第二液压油缸15支撑，第一液压油缸7和第二液压油缸15配合工作，第一液压油缸7伸长，则第二液压油缸15就收缩相应的长度，墙芯17被推到吊机19下方的位置，在墙芯17上方安装吊环18，通过吊机19将挖掘下来的地下连续墙9的墙芯17调离接收井。

一种自行破除洞门的盾构设备，包括铺设供给装置1、控制器2、水箱3、水泵4、水管5、盾构机6、第一液压油缸7、管片8、地下连续墙9、旋转电机10、变速箱11、轴承12、前盾13、轨道14、第二液压油缸15、接收基座16、墙芯17、吊环18、吊机19、水钻20、前盾刀盘21、保护钢套22、压力传感器23、水钻电机24、水槽25、喷头26和电动推杆27，其中所述控制器2，水箱3和水泵4均设置在铺设供给装置1的内部，且控制器2位于水箱3的上方，该水泵4两端通过水管5连接有水箱3或水槽25；所述第一液压油缸7位于铺设供给装置1与盾构机6之间，且第一液压油缸7的四周安装有管片8，该管片8下方设置有轨道14，其中接收井内的轨道14下方还设置有接收基座16；旋转电机10和变速箱11安装在盾构机6的内部，盾构机6内设置有水管5；变速箱11通过轴承12连接有前盾13，且前盾13内部设有水槽25，水槽25一端安装有喷头26；水钻20，前盾刀盘21和保护钢套22安装在前盾13的一端，其中水钻20采用六个或八个或十个或十二个中的任意一种，水钻20的后端安装有保护钢套22，且水钻20的后侧连接有水钻电机24，水钻电机24后端连接有电动推杆27；墙芯17上方通过吊环18与吊机19相连，且墙芯17与第二液压油缸15之间设置有压力传感器23。

控制器2包括变压模块201、单片机202、输出端203、输入端204、第一驱动模块205、第一继电器206、第二继电器207、第一电磁阀208、第二电磁阀209、第二驱动模块2010、第三驱动模块2011和角位移传感器2012，其中单片机202上端通过电源线与变压模块201相连，变压模块201连接有电源，单片机202下端设置有输入端204，输入端204通过信号线分别连接有压力传感器23和角位移传感器2012，单片机202的两侧分别设置有第一输出端203和第二输出端2031，第二输出端2031连接有第一驱动模块205、第一继电器206和第二继电器207，第一输出端203连接有第一电磁阀208、第二电磁阀209、第二驱动模块2010和第三驱动模块2011，其中第一驱动模块205连接有旋转电机10，第一继电器206连接有水泵4，第二继电器207连接有电动推杆27，第一电磁阀208连接有第一液压油缸7，第二电磁阀209连接有第二液压油缸，第二驱动模块2010连接有水钻电机24，第三驱动模块2011连接有吊机19。所述旋转电机10采用同步电动机，且通过信号线连接有角位移传感器2012；所述旋转电机10通过自身转子连接有变速箱11，该变速箱11采用ZLY型硬齿面圆柱齿轮减速机，性能稳定，寿命较长，便于精准控制前盾13的旋转角度，提高设备的使用效率。

轨道14采用条形结构的钢板铺设而成，且接收井内的轨道14下方还设有接收基座16，该接收基座16采用钢板以及混凝土浇灌而成，便于承受盾构机6的重量，且有利于盾构机6在接收井内的移动。

水钻20和水钻电机24配对使用，水钻电机24安装角度为向外倾斜10度至20度，且水钻电机24采用1200W至1400W功率的异步电动机，该水钻电机24通过第二驱动模块2010控制可以实现水钻20的正、反转，同时水钻20打孔过程中，水泵4通过水管5和水槽25为水钻20提供冷却液，且通过喷头26喷到水钻20的工作位置，便于通过离心力的作用下，水钻20内的钻芯可以被甩出来，便于水钻20的连续运用，提高水钻20的工作效率。

压力传感器23采用重载压力传感器，数量采用两个，均安装在墙芯17与第二液压油缸15的接触面之间，且所述压力传感器23通过信号线连接有控制器，便于控制第一液压油缸7与第二液压油缸15之间的协调工作，使墙芯17移动到吊机19的下方，并通过墙芯17上方安装的吊环18将其吊出。

具体的，刀盘21每次的旋转角度确定可根据水钻20的数量以及水钻20的直径结合确定。用实施例进行阐述如下：如图7和图8所示，选取水钻20的个数为6个，则水钻20的布置间距为相邻60°，此时如果洞门的直径为7米，水钻20的直径为20厘米，则实施例中采用的水钻29初始位置如图所示，此时需保证相邻的所钻通孔30具有一定的咬合宽度，此咬合宽度值一般取3～5厘米，当咬合宽度值取3厘米时，可知所钻通孔30数量为21，用60°除以21等于2.86°，可得刀盘21一次旋转角度为2.86°。

Claims (9)

1.一种自行破除洞门的盾构设备，包括盾构机（6）和辅助设备，其特征在于，盾构机（6）的前盾（3）后端设置有铺设供给装置（1）、第一液压油缸（7）、旋转电机（10）和变速箱（11），铺设供给装置（1）内部设置有控制器（2）、水箱（3）和水泵（4），旋转电机（10）连接有变速箱（11），变速箱（11）连接有刀盘（21），前盾（3）设置有多个能够伸缩的水钻（20），多个水钻（20）沿刀盘（21）外圆周呈等角度布设,且水钻（20）的轴向分别沿10～20°中的某一固定角向刀盘外倾斜设置，水钻（20）后端连接有水钻电机（24），水钻电机（24）后端连接有电动推杆（27）；辅助装置包括设置在接收井（28）顶部的吊机（19）以及设置在接收井（28）底部的第二液压油缸（15）和接收基座（16），接收基座（16）下部设置有轨道（14），第二液压油缸（15）固定在接收井（28）的远端。

2.根据权利要求1所述的一种自行破除洞门的盾构设备，其特征在于，控制器（2）包括变压模块（201）、单片机（202）、输出端（203）、输入端（204）、第一驱动模块（205）、第一继电器（206）、第二继电器（207）、第一电磁阀（208）、第二电磁阀（209）、第二驱动模块（2010）、第三驱动模块（2011）和角位移传感器（2012），其中单片机（202）上端与变压模块（201）相连，变压模块（201）连接有电源，单片机（202）下端设置有输入端（204），输入端（204）通过信号线分别连接有压力传感器（23）和角位移传感器（2012），单片机（202）的两侧分别设置有第一输出端（203）和第二输出端（2031），第二输出端（2031）连接有第一驱动模块（205）、第一继电器（206）和第二继电器（207），第一输出端（203）连接有第一电磁阀（208）、第二电磁阀（209）、第二驱动模块（2010）和第三驱动模块（2011），其中第一驱动模块（205）连接有旋转电机（10），第一继电器（206）连接有水泵（4），第二继电器（207）连接有电动推杆（27），第一电磁阀（208）连接有第一液压油缸（7），第二电磁阀（209）连接有第二液压油缸，第二驱动模块（2010）连接有水钻电机（24），第三驱动模块（2011）连接有吊机（19）。

3.根据权利要求2所述的一种自行破除洞门的盾构设备，其特征在于，控制器（2）位于水箱（3）的上方，水泵（4）两端通过水管（5）分别连接有水箱（3）和水槽（25），水槽（25）设置在前盾（13）内部，水槽（25）一端安装有喷头（26），喷头（26）分别设置在水钻（20）的钻头位置。

4.根据权利要求3所述的一种自行破除洞门的盾构设备，其特征在于，旋转电机（10）采用同步电动机，且通过信号线连接有角位移传感器（2012），旋转电机（10）通过自身转子连接有变速箱（11），该变速箱（11）采用ZLY型硬齿面圆柱齿轮减速机。

5.根据权利要求2所述的一种自行破除洞门的盾构设备，其特征在于，水钻电机（24）采用1200W至1400W功率的异步电动机，水钻电机（24）通过第二驱动模块（2010）控制可以实现水钻（20）的正、反转，同时水钻（20）打孔过程中，水泵（4）通过水管（5）和水槽（25）为水钻（20）提供冷却液，且通过喷头（26）喷到水钻（20）的工作位置。

6.根据权利要求2所述的一种自行破除洞门的盾构设备，其特征在于，压力传感器（23）采用重载压力传感器，数量为两个，分别设置在第二液压油缸（15）的活塞杆的外部端面上。

7.根据权利要求1～6中任意一项所述的一种自行破除洞门的盾构设备，其特征在于，水钻（20）的数量为6个或8个或10个或12个中的任意一种。

8.一种自行破除洞门的盾构设备出洞方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.确定盾构隧道线路轴线，预先挖掘始发井和接收井，盾构机（6）从始发井出发，按照隧道线路轴线开始挖掘，同时沿路铺设管片（8）；

S2.在接收井（28）内设置接收基座（16）和轨道（14）；

S3. 盾构机（6）到达地下连续墙（9）位置，进行出洞准备；

S4. 操作位于前盾（13）的水钻（20）使其同步伸出刀盘（21）并与地下连续墙（9）接触，此时调节第二液压油缸（15），使其液压伸缩杆向前顶紧地下连续墙（9），进而通过电动推杆（27）的不断顶升实现对地下连续墙（9）的钻孔，由于水钻（20）轴向分别沿10～20°中的某一固定角向刀盘（21）外倾斜设置，通孔所组成的圆周直径大于盾构机直径，且水钻（20）一次钻孔同时完成的通孔数量与水钻（20）个数相同；

S5.钻孔完毕后，水钻（20）通过电动推杆（27）的控制回缩到原位置；进一步的，刀盘旋转一定的角度后重新固定；重复S4步骤，进行水钻（20）的二次打孔，二次打孔须保证与已生成孔实现咬合；

S6.重复步骤S5，直至若干次打孔后地下连续墙（9）沿水钻通孔形成的断面断开为止，至此完成破除工作；

S7.盾构机（6）前进，通过第一液压油缸（7）伸长，前盾（13）将破除的地下连续墙（9）顶紧，同时地下连续墙（9）的背面通过第二液压油缸（15）支撑，进一步通过第一液压油缸（7）和第二液压油缸（15）的配合，保持地下连续墙（9）处于二者油缸的夹持作用下并沿轨道（14）推送到接收井（28）内吊机（19）的下方；

S8.在破除的地下连续墙（9）上方安装吊环（18），将吊机（19）的吊钩与吊环（18）连接后，最终将破除的地下连续墙（9）调离接收井（28）。

9.根据权利要求8所述的一种自行破除洞门的盾构设备出洞方法，其特征在于，刀盘（21）的旋转可按照顺时针或者逆时针中任意一种方向进行旋转，刀盘（21）一次的旋转角度根据水钻（20）的数量以及钻头直径进行确定，保证刀盘（21）每次旋转均可实现钻孔的连续咬合。