可进可退的TBM和盾构机制造技术

“可进可退的TBM和盾构机”，包括：可径向伸缩的主机刀盘，可径向伸缩的主机护盾和外壳，TBM的连接桥和后配套设备及盾构机的皮带输送机和后接设备的相关改造，隧道管片衬砌的施工限制，其它；其特征是，可径向伸缩的主机刀盘，可径向伸缩的主机护盾外壳，TBM的连接桥和后配套设备及盾构机皮带输送机与后接设备的相关改造与安装和拆卸，隧道除安装管片衬砌外不做其它施工，使“可进可退的TBM和盾构机”实现原路退出的功能。从而对200年来传统只进不退的TBM和盾构机，做了最大一次改进，改造成可进可退的TBM和盾构机，既保存传统TBM和盾构机只进不退的长程隧道施工功能，又新增在特殊工况和堵头长短程隧道施工中由原路退出的功能，使TBM和盾构机如虎添翼，在民用、军用隧道施工中具广泛用途。

【技术实现步骤摘要】
可进可退的TBM和盾构机
：本专利技术涉及隧道掘进TBM和盾构机技术
技术介绍
：TBM(tunnelboringmachine)隧道挖掘设备即盾构机，已有近200年历史，首先由英国人提出。1818年，法国工程师M.I.Brunel正式提出盾构手挖施工技术，获得专利。此后在英国获长足发展，70余年后盾构施工相继传入美国、法国、德国、日本、苏联、经过100余年改进发展，盾构技术硕果累累，盾构机家族日益庞大，各种功能、形态、规格、尺寸的盾构机相继问世，适应各种地质水文条件的隧道挖掘，在交通(铁路、公路、地铁等)、水底隧道、城市地下管线、共同沟工程施工中获得巨大成功，成为现代隧道施工的必备机械，在世界各地大放异彩。20世纪90年代，英法海峡隧道(总长50.5km)的成功建成通车，为盾构机技术树立起一座辉煌里程碑。我国自20世纪50年代引入盾构技术，在改革开放后获得迅猛发展，在引进德国、日本技术和设备后，我国在高铁、高速公路、城市地铁等基础设施施工中，盾构机和TBM大显身手。为我国高铁打下世界品牌，为我国地铁遍地开花，创下了赫赫功业。而且，经过对国外设备的消化改造，我国在盾构机与TBM
，也开始创造具自主知识产权的新型盾构机与TBM设备。下面简述目前的盾构机与TBM技术概况：就TBM而言，其家族庞大，种类繁多，以围岩划分，可分为硬岩TBM，软硬岩兼容TBM，软士TBM；以护盾形式划分，可分为开敞式(单盾式)TBM，双护盾或多护盾TBM；以TBM的开挖直径划分，可分为微型TBM(直径0.3～1.0M)，小型TBM(直径1.0～3.0M)，中型TBM(直径3.0～8M)，大型TBM(直径8～20M)；以开挖断面划分，可分为园形断面TBM，双园或多园TBM，矩形、马蹄形、椭园形断面TBM，等等；以隧道的水平、垂直度划分，可分为水平掘进TBM，竖井掘进TBM，斜井掘进TBM；以隧道转弯半径划分，可分为大曲章半径TBM(曲率半径100～200M)，小曲率半径TBM(曲率半径＜30M)，等等。就通常所说的盾构机而言，依据对土体开挖面与质构机作业室之间隔板构造可分为敞开式，半敞开式，闭胸式三种，而以闭胸式的泥水式、土压式(土压平衡式与加泥式土压平衡式最常见；其余情况与TBM大同小异，此处不做赘述。TBM和质构机的工作原理，以TBM为例，通常是，外机架上撑靴(11)撑紧围岩洞壁，固定主机机架(14)，推进油缸(10)对刀盘(1)施加推力，刀盘(1)由液压马达(7)驱动旋转，刀具(3，图2的1，2，3)绕轴线旋转和自身旋转，切割岩体，崩落的岩渣由铲斗铲入带式输送机，运至机后卸载。推进油缸(10)伸长一个行程，刀盘(1)及与刀盘(1)连接的构件(包括内机架(14))相应向前移动一个行程；换步，撑靴(11)缩回，推进油缸(10)收缩，外机架(9)沿内机架(14)向前移，后支撑(13)在换步过程中予以配合，TBM主机恢复原始状态，开始下一个行程作业。盾构机的工作原理与TBM大同小异，此处也不赘述。现代TBM和盾构机集光、机、电、液、传感和信息技术于一身，具开挖、切削土体(软、硬岩、土层)，输送土渣(石渣)、拼装隧道管片衬砌，以及测量和纠偏等功能，涉及地质、水文、土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等学科技术，而且往往需要依据地质水文条件和人为隧道设计要求，量体裁衣定身制作，非常复杂，堪称高科技大型机械装备。目前，国际上TBM和盾构机市场，以日本三菱重工的软硬土掘进机，土压平衡式盾构机，德国维尔特公司的NFM和球形刀盘盾构机、矩形刀盘盾构机，德国海瑞克公司生产的适应不同地质状况的TBM，美国罗宾斯公司生产的TBM，最为有名。我国起步非常晚，改革开放后尤其近年来，才在这个领域急起直追。现代TBM与盾构机，好比神话中的土行孙(《封神演义》)中的神话人物)，在地下行“遁地术”，自由穿行，把古人几千年前的梦想，变成了活生生的现实。不过，目前的TBM和盾构机，有一共同的大缺陷，就是除竖井TBM外，几乎无例外只能进不能退，这种只进不退的单程掘进在长程隧道施工中可以大显身手，几无问题，从一端掘进从另一端掘出。但若遇到喀斯特地形的大型溶洞，或是在具有堵头的短程隧道施工(只有一个出入洞口)，目前只进不退的TBM和盾机构，便几乎束手无策，牛刀杀不了鸡，大材无法小用，施展不开手脚，TBM和盾构机便僵死在溶洞前或堵头前，动弹不得。而喀斯特地形常常遇到；具堵头只有一个出入口的短程隧道，更是现代隧道施工中大量出现的工况，涉及民用、军用的大量领域，在交通、城建、国防乃至外星体的防幅射、防陨石撞击、防极端温度的地下隧道设施中，均会遇到。故此，消除200年TBM和盾机构的只进不退的大缺陷，使它能进能退，便具有非常重大的意义，使现代TBM和盾机构，如虎添翼。就此，我们提出“可进可退的TBM和盾构机”的专利技术构想，对200年TBM和盾构机技术动大手术，在现代TBM和盾构机的大家族中，增加一大类既保存原有TBM和盾构机只进不退的、长程隧道施工优点，又兼有适应在特殊工况和具堵头只有一个出入口的短程隧道施工中自由退回优点的可进可退的TBM和盾构机的新成员，将现代TBM和盾构机技术提升到一个新的高度。
技术实现思路
：为了解决目前的TBM和盾构机只能进不能退的严重缺陷，使之能进能退，为现代TBM和盾构机家族增添一大类全新成员，使现代TBM和盾构机技术如虎添翼，满足交通、城建、国防和航天外星体隧道工程施工需要，我们提出“可进可退的TBM和盾构机”专利技术构想。这种原路进退的TBM和盾构机，应具有如下基本特征：①刀盘可沿径向伸缩，掘进时刀盘达于最大直径，退出时刀盘最外缘刀具组块沿径向回缩，使刀盘直径小于安装管片衬砌后的隧道直径，为可进可退的TBM和盾构机原路退回提供条件；②TBM的护盾(无论是单护盾还是双护盾或多护盾)可沿径向伸缩，掘进时，护盾达于最大直径；退出时，护盾径向回缩，护盾直径小于安装管片衬砌后的隧道直径，为可进可退TBM沿原路退回提供条件；盾构机的封闭外壳，也应满足掘进时外壳达于最大直径；退出时，外壳径向回缩，直径小于安装管片衬砌后的隧道直径，为可进可退盾构机沿原路退回提供条件。③可进可退的TBM和盾构机，在执行只进不退的长程隧道施工任务时，TBM的连接桥、后配套设备，盾构机的皮带输送机和后接设备，依然维持传统设计，连接传统设备；在执行原路退回长程隧道施工和具堵头短程隧道施工任务时，TBM的连接桥、后配套设备，盾构机的皮带输送机和后接设备，需卸掉传统设备，改变传统设计，改接可拆卸的纵向(轴向)缩短的连接桥、后配备设备或皮带输送机和后接设备，使TBM和盾构机的主机能灵活进退，由原路退出。④可进可退的TBM和盾构机，只有在隧道仅安装有管片衬砌而没有进一步铺设钢架轨道等工况下，才可自由退出。如若在安装有管片衬砌和钢架轨道的隧道自由退出，则需要可径向伸缩刀盘能沿隧道轴线由垂直位置偏转到水平位置。同时需拆除可径向伸缩护盾或外壳的底部组合拼接式护盾子块或外壳子块。⑤TBM和盾构机原路退回时，为防止地下水和泥沙涌入隧道，在刀盘上可设计注入水泥混凝土的注入孔，供TBM和盾构机退出前压注混凝土形成隔离层，然后收缩刀盘和护盾及盾构机的前、中，尾外壳，逐渐后退，并进一步通过刀盘注入口本文档来自技高网...

【技术保护点】
本专利技术“可进可退的TBM和盾构机”，包括：可径向伸缩的主机刀盘(1)，可径向伸缩的主机护盾(2)和外壳(2)，TBM的连接桥和后配套设备及盾构机的皮带输送机和后接设备的相关改造，隧道管片衬砌(15)的施工限制，其它；其特征是，可径向伸缩的主机刀盘(1)，可径向伸缩的主机护盾(2)或外壳(2)，TBM的连接桥和后配套设备及盾构机皮带输送机与后接设备的相关改造与安装和拆卸，隧道除安装管片衬砌(15)外不做其它施工，使本专利技术“可进可退的TBM和盾构机”能实现原路退出的功能。

【技术特征摘要】
1.本发明“可进可退的TBM和盾构机”，包括：可径向伸缩的主机刀盘(1)，可径向伸缩的主机护盾(2)和外壳(2)，TBM的连接桥和后配套设备及盾构机的皮带输送机和后接设备的相关改造，隧道管片衬砌(15)的施工限制，其它；其特征是，可径向伸缩的主机刀盘(1)，可径向伸缩的主机护盾(2)或外壳(2)，TBM的连接桥和后配套设备及盾构机皮带输送机与后接设备的相关改造与安装和拆卸，隧道除安装管片衬砌(15)外不做其它施工，使本发明“可进可退的TBM和盾构机”能实现原路退出的功能。2.根据权利要求1所述的可进可退的TBM和盾构机，其特征是，所述可径向伸缩的主机刀盘(1，图2的1，)刀盘(1，图2的1，)最外缘安装有2N组(N＝4，5，6……，N由设计选定)径向布置、由油压缸(4，图2的4)控制伸缩的刀具(3，图2的2，)，刀具上装有滚刀(图2的3，)，N组滚刀(图2的3，)径向位置错开；TBM和盾构机执行掘进任务时，油压缸(4，图2的4)使所有(2N组)伸缩刀具(3，图2的2，)径向伸展至最大位置，使刀盘(1，图2的1，)处于最大直径Dmax；TBM和盾构机执行原路退回任务时，油压缸(4，图2的4，)使所有(2N组)伸缩刀具(3，图2的2，)收缩至最小位置，使刀盘(1，图2的1，)处于最小直径Dmin，小于已开挖并安装有管片衬砌(15)的隧道直径Ds，从而为刀盘(1，图2的1，)循已安装管片衬砌(15)也仅安装有管片衬砌(15)的隧道原路退回提供条件；2N组油压缸(4，图2的4，)控制伸缩的刀具(3，图2的2，)都安有位移传感器，确保TBM和盾构机在执行掘进任务或执行原路退回任务时，所有2N组油压缸(4，图2的4，)控制的刀具(3，图2的2，)，都能准确伸展至最大位置，或准确伸缩至最小位置，为向前掘进或向后退回提供条件；可伸缩刀具(3，图2的2，)及支持它的刀盘(1，图2的1，)滑槽(6)及护腔(5)，具有足够的强度和刚度，能够承受主机掘进时由于刀盘(1，图2的1，)旋转推进所产生的巨大反作用力和剪切应力。3.根据权利要求1所述的可进可退的TBM和盾构机，其特征是：所述可径向伸缩的主机护盾(2)和外壳(2)，其特征是：TBM和盾构机的护盾(2)(单护盾、双护盾或多护盾)，外壳(2)(前体外壳、中体外壳、盾尾外壳)，可径向伸缩；TBM和盾构机执行向前掘进任务时，护盾(2)或外壳(2)径向伸展至最大直径，即等于小于可径向伸缩刀盘(1，图2的1)最大直径Dmax，；TBM和盾构机执行原路退回任务时，护盾(2)或外壳(2)径向收缩至最小直径，小于已开挖并安装有管片衬砌(15)的隧道直径Ds，为TBM和盾构机主机循已安装管片衬砌(15)也仅安装有管片衬砌(15)的隧道原路退回提供条件；TBM和盾构机的护盾(2)和外壳(2)径向伸缩的途径，是将传统TBM的整体的园筒形护盾或盾构机的整体园筒形外壳，改设计成组合拼接式护盾(2，图3的1，2，3，图5的2，)或组合拼接式外壳(2，图3的1，2，3，图5的2)，由相关油压缸(8，图3的4，5，图5的3)准确控制所有组合拼接式护盾子块(图3的2，3，图5的2，)或所有组合拼接式外壳子块(图3的2，3，图5的2，)的径向伸缩，满足TBM和盾构机掘进时组合拼接式护盾(2，图3的1，2，3，图5的2，)或组合拼接式外壳(图3的1，2，3，图5的2，)的最大直径等于小于可径向伸缩刀盘(1，图2的2，3，)的最大直径Dmax；TBM和盾构机原路退回时，组合拼接式护盾(2，图3的1，2，3，图5的2，)或组合拼接式外壳(2，图3的1，2，3，图5的2，)的最小直径小于已开挖并安装有管片衬砌(15)的隧道直径Ds这两个必备条件，从而为可进可退TBM和盾构机的顺利掘进和顺利退回提供条件；TBM的组合拼接式护盾(2，图3的1，2，3，图5的2，)或盾构机的组合拼接式外壳(2，图3的1，2，3，图5的2，)的设计方案可以有多种选择，本发明提供二种方案：A方案：将TBM的整体园筒形护盾，均分为2N(N＝4，5，6，……，N由设计选定)组组合拼接式护盾子块(2，图3的1，2，3，)，或将盾构机的整体园筒形外壳，均分为2N(N＝4，5，6，……，N由设计选定)组组合拼接式外壳子块(2，图3的1，2，3，)；每组拼接式护盾子块(图3的2，3，)或外壳子块(图3的2，3，)，由长弧子块(图3的2，)和短弧子块(图3的3)组成；所有2N组组合拼接式护盾子块(2，图3的2，3，)或外壳子块(2，图3的2，3，)的长弧子块(图3的2，)或短弧子块(图3的3，)，都由主机轴向前后布置的两个油压缸(8)(共2N×2个)作径向伸缩控制；短孤子块(图3的3)的横断面约为正梯形，长弧子块(图3的2)的横断面约为倒梯形；TBM和盾构机执行掘进任务时，油压缸(8，图3的4，5，)控制的所有2N组组合拼接式护盾子块(2，图3的2，3，)或外壳子块(2，图3的2，3，)的长弧子块(图3的2，)和短弧子块(图3的3，)，都准确伸展致最大设计位置，使形成的组合拼接式护盾(2，图3的1，2，3，)或盾构机外壳(2，图3的1，2，3，)，其最大直径等于小于可伸缩刀盘(1，图2的1，2，3，)的最大直径Dmax；TBM和盾构机执行原路退回任务时，所有2N组组合拼接式护盾子块(2，图3的2，3，)或外壳子块(2，图3的2，3，)的短弧子块(图3的3，)由油压缸(8，图3的5，)控制收缩，直至完全退出组合拼接式护盾(2，图3的1，2，3，)或组合拼接式外壳(2，图3的1，2，3)；同时，所有2N组组合拼接式护盾子块(2，图3的2，3，)或外壳子块(图3的2，3，)的长弧子块(2，图3的2，)，由油压缸(8，图3的4，)准确控制收缩，直到由所有2N组组合拼接式护盾子块(2，图3的2，3，)或外壳子块(2，图3的2，3，)的长弧子块(图3的2，)，构成此时的组合拼接式护盾(2，图3的2，)或外壳(2，图3的2)，其直径达设计最小值，小于已开挖并安装有管片衬砌(15)的隧道直径Ds；控制每组组合拼接式护盾子块(图3的2，3，)或外壳子块(图3的2，3，)的长、短弧子块(图3的2，3，)的油压缸(8，图3的4，5，)，都装有位移传感器，确保TBM和盾构机在执行掘进任务或原路退回任务时，油压缸(8，图3的4，5，)能准确控制所有2N(N＝4，5，6，……，N由设计选定)组合拼接式护盾子块(2，图3的2，3，)或外壳子块(2，图3的2，3，)的长、短弧子块(图3的2，3，)，伸展或收缩到最大或最小径向位置，使构成的组合拼接式护盾(2，图3的2，3，)或外壳(2，图3的2，3，)的最大直径等于小于可径向伸缩刀盘(1，图2的1，2，3，)的最大直径Dmax，适于TBM和盾构机的掘进任务；或使构成的组合拼接式护盾(2，图3的2，)或外壳(2，图3的2，)的最小直径，小于已开挖并安装有管片衬砌(15)的隧道直径Ds，适于TB...

【专利技术属性】
技术研发人员：康子纯，
申请(专利权)人：康子纯，
类型：发明
国别省市：湖南,43