隧道掘进机稳定方法及其稳定器与流程

178 编辑：中冶有色技术网来源：中铁工程装备集团有限公司

2023-09-22 15:09:48

本发明涉及用于软土地层的隧道掘进机稳定方法技术领域，特别是指隧道掘进机稳定方法及其稳定器。

背景技术：

城市地铁隧道施工中广泛采用隧道掘进机进行掘进，城市地铁隧道建设通常选用隧道掘进机中的土压平衡式盾构机。由于城市隧道的施工建设受限于地质条件、周边环境等影响，很多隧道存在较小转弯曲线的要求，因此，盾构机往往设计为主动铰接式，以此来适应转弯要求。在刀盘开挖掘进过程中，主动铰接的盾构机往往存在一定的振动、扭转等问题，因此需要在主机前盾设计稳定器结构来解决问题。

经检索，现有授权公告日为2018.04.03、授权公告号为cn207177903u的实用新型专利公开了一种双护盾全断面岩石隧道掘进机的辅助支撑结构和前盾组件，包括油缸和支撑块，在油缸的缸体底部设有用于与掘进机的前盾盾体内部铰接的第二铰接轴，油缸的活塞杆顶端通过第一铰接轴与支撑块的一端铰接，支撑块的另一端通过第三铰接轴与前盾盾体的外周附近铰接，支撑块能够在油缸的活塞杆伸出后向前盾盾体的外周外部偏转。所述前盾组件包括前盾盾体，在前盾盾体的端面上沿圆周装有间隔45°圆心角的两个稳定器撑靴，在两个稳定器撑靴的对面半圆上对称装有两个辅助支撑结构。该实用新型通过辅助支撑自身的结构与原有的稳定器撑靴形成锚固结构，相对传统的稳定器撑靴能更加牢固的固定住前盾，以便使得主推油缸有效地拖动后配套前进。

上述实用新型所公开的技术方案是用于过站等场景时对前盾盾体的固定，使前盾盾体轴向固定，以便于在不拼装管片的场景中提供反力，通过前盾盾体与后配套系统之间的主推油缸实现对后配套系统的牵引前进，并不能保证前盾盾体在各个方向上相对洞壁的稳定性。

如上述实用新型所公开的技术方案一样，在现有的设备中，稳定器结构配置在硬岩隧道掘进机中，硬岩隧道掘进机的地质环境是坚硬的围岩，稳定器的油缸带着撑靴伸出后支撑在围岩上，并不能侵入围岩，在围岩强度高的隧道内使用时，稳定器能够减小硬岩隧道盾构掘进的设备振动、翻滚等。但是，土压平衡式隧道掘进机施工的地质环境通常是松软的土体结构，硬岩掘进机设备使用的稳定器应用在土压平衡式隧道掘进机上，支撑块伸出45mm不能解决问题。另外，土压平衡式隧道掘进机在掘进时也存在盾体滚转的问题，硬岩掘进机的稳定器结构撑靴为圆柱状，防扭作用不佳。

技术实现要素：

针对上述背景技术中的不足，本发明提出隧道掘进机稳定方法及其稳定器，解决了土压平衡式隧道掘进机在松软的土体结构中无法保持前盾稳定的技术问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种隧道掘进机稳定方法，在隧道掘进机的前盾上设置稳定器，所述稳定器的数量根据施工隧道的土质松软程度进行合理选择，土质松软程度高时增加的稳定器的使用数量，土质松软程度低时减少稳定器的使用数量。每个稳定器包括设置在前盾上的驱动机构和鱼鳍板，驱动机构与鱼鳍板驱动相连，驱动机构位于前盾内，当隧道掘进机扭转反力不足以抵抗刀盘开挖驱动扭矩时或/和隧道掘进机在掘进过程中产生振动引起土体扰动时，控制驱动机构带动鱼鳍板相对前盾径向伸出200mm-500mm，使鱼鳍板从前盾中伸出且侵入外部的土体中提供防扭转力矩，既能防止隧道掘进机因施工环境引起的主机盾体滚转问题，又能为隧道掘进机提供一种克服刀盘扭矩的装置，同时还能减小盾体振动，降低土体扰动。鱼鳍板从前盾伸出的端口处设置与鱼鳍板滑动配合的包含密封圈的密封组件和油脂密封系统，油脂密封系统根据驱动机构带动鱼鳍板相对端口运动时的驱动参数实时加注油脂或定时加注油脂，在鱼鳍板伸出前盾及缩回前盾的过程中，密封组件和油脂密封提供润滑且阻止砂土进入，密封组件及油脂密封系统既能保证稳定器的工作环境的可靠性，又能为鱼鳍板提供支撑力，保证鱼鳍板的工作的灵活性和稳定性。

一种隧道掘进机稳定方法的稳定器，所述驱动机构包括液压缸或液压马达，驱动机构包括液压缸时，一端与前盾铰接、另一端与鱼鳍板铰接，通过控制液压缸伸缩，进而直接带动铰接的鱼鳍板转动，进而可以从前盾中伸出或缩回。驱动机构包括液压马达时，液压马达通过齿轮传动机构与鱼鳍板相连，通过控制液压马达转动带动齿轮传动机构运行，齿轮传动机构带动鱼鳍板在前盾内伸出或缩回。

进一步地，所述鱼鳍板从前盾伸出的一侧设置有切屑刃，切屑刃可以使驱动机构带动的鱼鳍板更容易侵入前盾盾壳外部的土体中，为前盾提供可靠地支撑定位功能。

进一步地，所述鱼鳍板未伸出时切削刃与前盾的周向轮廓线平齐或者位于周向轮廓线内侧，在满足为前盾提供可靠地支撑定位功能的同时，又能保证在隧道掘进机前进时的顺畅性。当切削刃位于周向轮廓线内侧时，切削刃处可以储存一定量的砂土，在需要保持前盾稳定时，鱼鳍板伸出可以将储存的砂土顶出，进一步保证定位的稳定性。

进一步地，所述前盾连接有固定箱体，固定箱体包括与鱼鳍板和前盾构成密闭容器的顶板、前侧板、上板、下板，顶板与前盾后隔板相连，前侧板连接在顶板与前盾盾壳之间，鱼鳍板铰接在前侧板后侧，驱动机构与顶板相连，上板、下板分别设置在顶板和前侧板的两侧并与前盾后隔板相连，前盾盾壳上设置所述端口。

进一步地，所述上板和下板分别包括上法兰板和下法兰板，上法兰板连接有上盖板，下法兰板连接有下盖板，盖板与法兰板之间密封连接，通过盖板可以对固定箱体内的结构进行维护。

进一步地，所述下盖板上设置有清渣孔，清渣孔位于靠近前盾盾壳的位置，清渣孔连接清渣阀门，通过清渣阀门可以便捷地对固定箱体中侵入的砂土进行清理。

进一步地，所述密封组件包括设置在活动口的卡块，卡块靠近鱼鳍板的部位设置有一圈密封槽，密封槽内设置有密封圈，卡块位于固定箱体的内侧设置有固定密封圈的压块，压块与卡块相连。

进一步地，所述鱼鳍板与卡块密封配合的前端和后端均为弧形结构，压块上设置密封槽的端面为弧形面，使得鱼鳍板与密封组件相对运动的灵活性及密封的可靠性。所述弧形结构的弧形轮廓面与所述弧形面同心设置，避免鱼鳍板相对密封运动时，对密封造成剪切破坏。

进一步地，所述卡块或/和前盾盾壳上设置有通向所述端口的油脂密封通道，油脂密封和密封圈密封共同作用，充分保证密封的有效性以及鱼鳍板动作的流畅性。

本发明提出一种适用于土压平衡盾构机等适用于松软土体隧道掘进机的稳定方法和稳定器。稳定器整体为密闭容器结构，包括固定固定箱体、稳定器鱼鳍板结构、稳定器油缸、稳定器密封结构和稳定器销轴连接结构等。固定固定箱体安装在土压平衡盾构机前盾固定箱体的内部，鱼鳍板结构位于稳定器密封结构的卡块槽内，能够能够在卡块槽内顺畅伸出、收回；所述稳定器油缸，能够为鱼鳍稳定器提供伸出、收回动力；稳定器销轴连接结构通过销轴实现运动结构件和固定结构连接。本发明的稳定器的鱼鳍板伸出盾壳，嵌入周围土体，解决土压平衡盾构机主机盾体滚转问题；为土压平衡盾构机提供一种能够克服刀盘反扭矩装置的鱼鳍式稳定器结构设计，解决了土压平衡盾构机盾体防滚转的难题，提高盾构机掘进姿态控制的精度，同时优化了隧道掘进机主机结构，提升隧道掘开挖施工质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明鱼鳍板伸出状态图；

图2为本发明稳定器周向布置正视图；

图3为本发明鱼鳍板未伸出状态图；

图4为本发明鱼鳍板的密封安装示意图；

图5为本发明的稳定器中的盖板视图；

图6为图5中f-f面的剖视图；

图7为本发明的鱼鳍板结构图；

图8为本发明中固定箱体正视图的局部放大图；

图中序号：1-鱼鳍板；101-切屑刃；2-卡块；3-鱼鳍板转动固定座子；4-密封；5-压块；6-驱动机构；7-固定座；8-固定箱体；9-盖板；10-盖板固定螺杆；11-连通支座；12-旋转销轴；13-鱼鳍板转动销轴；14-前盾；15-顶板；16-前侧板；17-上板；18-前盾盾壳；19-前盾后隔板；20-下板；22-油脂密封通道；23-螺栓；24-下盖板；25-板筋。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1，一种隧道掘进机稳定方法，如图1所示，在隧道掘进机的前盾14上设置稳定器，所述稳定器的数量根据施工隧道的土质松软程度进行合理选择，土质松软程度高时增加的稳定器的使用数量，土质松软程度低时减少稳定器的使用数量。稳定器的数量及布置间隔可以根据项目的实际工况选择，优选设置两个，两个稳定器对称布置在前盾14的下侧且相对前盾14的轴心成60度夹角设置。当施工隧道的土质松软程度高是，可以选择使用多个稳定器。

每个稳定器包括设置在前盾14上的驱动机构6和鱼鳍板1，驱动机构6与鱼鳍板1驱动相连，驱动机构6位于前盾14内。控制驱动机构6带动鱼鳍板1相对前盾14径向伸出200mm～500mm，使鱼鳍板1从前盾14中伸出且侵入外部的土体中，既能防止隧道掘进机因施工环境引起的主机盾体滚转问题，又能为隧道掘进机提供一种克服刀盘扭矩的装置，同时还能减小盾体振动，降低土体扰动。

鱼鳍板1从前盾14伸出的端口处设置与鱼鳍板1滑动配合的密封组件和油脂密封系统，油脂密封系统根据驱动机构6带动鱼鳍板1相对端口运动时的驱动参数实时加注油脂或定时加注油脂。在鱼鳍板1伸出前盾14及缩回前盾14的过程中，密封组件和油脂密封提供润滑且阻止砂土进入。同时，密封组件既能保证稳定器的工作环境的可靠性，又能为鱼鳍板1提供支撑力，保证鱼鳍板1的工作的灵活性和稳定性。

实施例2，一种隧道掘进机稳定方法的稳定器，如图2所示，在隧道掘进机的前盾14上设置至少两个稳定器，稳定器的数量及布置间隔可以根据项目的实际工况选择，优选设置两个，两个稳定器对称布置在前盾14的下侧且相对前盾14的轴心成60度夹角设置。

如图1所示，每个稳定器包括设置在前盾14上的驱动机构6和鱼鳍板1，驱动机构6与鱼鳍板1驱动相连，驱动机构6位于前盾14内，控制驱动机构6带动鱼鳍板1相对前盾14径向伸出，使鱼鳍板1从前盾14中伸出且侵入外部的土体中，既能防止隧道掘进机因施工环境引起的主机盾体滚转问题，又能为隧道掘进机提供一种克服刀盘扭矩的装置。鱼鳍板1从前盾14伸出的端口处设置与鱼鳍板1滑动配合的密封组件和油脂密封系统，油脂密封系统根据驱动机构6带动鱼鳍板1相对端口运动时的驱动参数实时加注油脂或定时加注油脂。在鱼鳍板1伸出前盾14及缩回前盾14的过程中，密封组件和油脂密封提供润滑且阻止砂土进入。同时，密封组件既能保证稳定器的工作环境的可靠性，又能为鱼鳍板1提供支撑力，保证鱼鳍板1的工作的灵活性和稳定性。

所述驱动机构6包括液压缸或液压马达，本实施例优选的液压缸作为驱动机构的动力机构。驱动机构6包括液压缸时，一端与前盾14铰接、另一端与鱼鳍板1铰接，通过控制液压缸伸缩，进而直接带动铰接的鱼鳍板1转动，进而可以从前盾14中伸出或缩回。驱动机构6包括液压马达时，液压马达通过齿轮传动机构与鱼鳍板1相连，通过控制液压马达转动带动齿轮传动机构运行，齿轮传动机构带动鱼鳍板1在前盾14内伸出或缩回。

具体地，如图3、图4所示，所述密封组件包括设置在活动口的卡块2，卡块2靠近鱼鳍板1的部位设置有一圈密封槽21，密封槽内设置有密封4，卡块2位于固定箱体的内侧设置有固定密封4的压块5，压块5通过一圈的多个螺栓23与卡块2相连。所述鱼鳍板1与卡块2密封配合的前端和后端均为弧形结构，压块5上设置密封槽21的端面为弧形面，使得鱼鳍板1与密封组件相对运动的灵活性及密封的可靠性。所述弧形结构的弧形轮廓面与所述弧形面同心设置，如图7所示，图中的r1和r2同心，避免鱼鳍板1相对密封4运动时，对密封4造成剪切破坏。

如图7所示，所述鱼鳍板1从前盾14伸出的一侧设置有切屑刃101，切屑刃101可以使鱼鳍板1在驱动机构6的带动下便捷地侵入前盾盾壳18外部的土体中，为前盾14提供可靠地支撑定位功能。如图8所示，所述切削刃101设置在轮廓线为梯形的鱼鳍板1边缘处，切削刃101并列设置有若干条，切削刃的延伸方向与隧道掘进机的掘进方向相同。

如图3所示，所述鱼鳍板1未伸出时切削刃101与前盾14的周向轮廓线平齐或者位于周向轮廓线内侧，在满足为前盾14提供可靠地支撑定位功能的同时，又能保证在隧道掘进机前进时的顺畅性。当切削刃101位于周向轮廓线内侧时，切削刃101处可以储存一定量的砂土，在需要保持前盾14稳定时，鱼鳍板1伸出可以将储存的砂土顶出，进一步保证定位的稳定性。

如图8所示，所述油脂密封系统包括设置在卡块2或/和前盾盾壳18上且通向所述端口的油脂密封通道22，油脂密封和密封圈密封共同作用，充分保证密封的有效性以及鱼鳍板动作的流畅性。油脂密封通道22与所述端口相对倾斜设置，所述油脂密封通道22连接有油脂加注管道及相应的注油控制单元，注油控制单元与驱动机构的控制系统相连，形成闭环控制系统，可根据驱动机构6带动鱼鳍板1相对端口运动时的驱动参数实时加注油脂或定时加注油脂。

如图1、图2、图3、图5、图6、图8所示，所述前盾14连接有固定箱体，固定箱体包括与鱼鳍板1和前盾构成密闭容器的顶板15、前侧板16、上板17、下板20。所述顶板15的后侧与前盾后隔板19相连，顶板15的上方设置有朝向前盾轴心的板筋25。前侧板16连接在顶板15与前盾盾壳18之间，鱼鳍板1通过鱼鳍板转动固定座子3和旋转销轴12铰接在前侧板16后侧。前侧板16设计有若干连通支座11，能够通过液压油缸的油管，能够通过过板接头连接注油口，能够预留排气孔安全阀等功能。所述驱动机构6通过固定座7铰接在顶板15上，上板17、下板20分别设置在顶板15和前侧板16的两侧并与前盾后隔板19相连，前盾盾壳18上设置所述端口，端口处设置与鱼鳍板1密封配合的密封组件。

所述鱼鳍板1的背部的后部连接驱动机构6的伸出端，鱼鳍板1的前部连接鱼鳍板转动固定座子3，通过驱动机构6实现鱼鳍板1绕着鱼鳍板转动销轴13转动动作。

进一步地，所述上板17和下板20分别包括上法兰板和下法兰板，上法兰板连接有上盖板9，下法兰板连接有下盖板24，各个盖板与对应法兰板之间密封连接，通过盖板可以对固定箱体内的结构进行维护。所述下盖板24上设置有清渣孔25，清渣孔25位于靠近前盾盾壳18的位置，清渣孔连接清渣阀门。所述上板17上的上盖板9和下板20通过盖板固定螺杆10连接，保证连接的紧固性、可靠性。

本发明未详尽之处均为本领域技术人员所公知的常规技术手段。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种隧道掘进机稳定方法，在隧道掘进机的前盾（14）上设置稳定器，其特征在于：所述稳定器的数量根据施工隧道的土质松软程度进行合理选择，土质松软程度高时增加的稳定器的使用数量，土质松软程度低时减少稳定器的使用数量，每个稳定器包括设置在前盾（14）上的驱动机构（6）和鱼鳍板（1），驱动机构（6）与鱼鳍板（1）驱动相连，驱动机构（6）通过固定箱体（8）密封设置在前盾（14）内，当隧道掘进机扭转反力不足以抵抗刀盘开挖驱动扭矩时或/和隧道掘进机在掘进过程中产生振动引起土体扰动时，控制驱动机构（6）带动鱼鳍板（1）相对前盾（14）径向伸出200mm-500mm，使鱼鳍板（1）从前盾（14）中伸出且侵入外部的土体中提供防扭转力矩，鱼鳍板（1）从前盾（14）伸出的端口处设置与鱼鳍板（1）滑动配合的包含密封圈（4）的密封组件和油脂密封系统，油脂密封系统根据驱动机构（6）带动鱼鳍板（1）相对端口运动时的驱动参数实时加注油脂或定时加注油脂，在鱼鳍板（1）伸出前盾（14）及缩回前盾（14）的过程中，密封组件和油脂密封提供润滑且阻止砂土进入。

2.根据权利要求1所述的隧道掘进机稳定方法的稳定器，其特征在于：所述驱动机构（6）包括液压缸或液压马达，驱动机构（6）包括液压缸时，一端与前盾（14）铰接、另一端与鱼鳍板（1）铰接；驱动机构（6）包括液压马达时，液压马达通过齿轮传动机构与鱼鳍板（1）相连。

3.根据权利要求1或2所述的隧道掘进机稳定方法的稳定器，其特征在于：所述鱼鳍板（1）从前盾（14）伸出的一侧设置有切屑刃（101）。

4.根据权利要求3所述的隧道掘进机稳定方法的稳定器，其特征在于：所述鱼鳍板（1）未伸出时，切削刃（101）与前盾（14）的周向轮廓线平齐或者位于周向轮廓线内侧。

5.根据权利要求4所述的隧道掘进机稳定方法的稳定器，其特征在于：所述固定箱体（8）包括与鱼鳍板（1）和前盾构成密闭容器的顶板（15）、前侧板（16）、上板（17）、下板（20），顶板（15）与前盾后隔板（19）相连，前侧板（16）连接在顶板（15）与前盾盾壳（18）之间，鱼鳍板（1）铰接在前侧板（16）后侧，驱动机构（6）与顶板（15）相连，上板（17）、下板（20）分别设置在顶板（15）和前侧板（16）的两侧并与前盾后隔板（19）相连，前盾盾壳（18）上设置所述端口。

6.根据权利要求5所述的隧道掘进机稳定方法的稳定器，其特征在于：所述上板（17）和下板（20）分别包括上法兰板和下法兰板，上法兰板连接有上盖板（9），下法兰板连接有下盖板（24）。

7.根据权利要求6所述的隧道掘进机稳定方法的稳定器，其特征在于：所述下盖板（24）上设置有清渣孔（25），清渣孔（25）位于靠近前盾盾壳（18）的位置，清渣孔连接清渣阀门。

8.根据权利要求5-7任一项所述的隧道掘进机稳定方法的稳定器，其特征在于：所述密封组件包括设置在活动口的卡块（2），卡块（2）靠近鱼鳍板（1）的部位设置有一圈密封槽（21），密封槽内设置有密封圈（4），卡块（2）位于固定箱体的内侧设置有固定密封圈（4）的压块（5），压块（5）与卡块（2）相连。

9.根据权利要求8所述的隧道掘进机稳定方法的稳定器，其特征在于：所述鱼鳍板（1）与卡块（2）密封配合的前端和后端均为弧形结构，压块（5）上设置密封槽（21）的端面为弧形面，弧形结构的弧形轮廓面与所述弧形面同心设置。

10.根据权利要求9所述的隧道掘进机稳定方法的稳定器，其特征在于：所述油脂密封系统包括设置在卡块（2）或/和前盾盾壳（18）上通向所述端口的油脂密封通道（22）。

技术总结

本发明公开了隧道掘进机稳定方法及其稳定器，解决了土压平衡式隧道掘进机在松软的土体结构中无法保持前盾稳定的技术问题。本发明在隧道掘进机的前盾上设置稳定器，每个稳定器包括设置在前盾上的驱动机构和鱼鳍板，驱动机构与鱼鳍板驱动相连，驱动机构位于前盾内，控制驱动机构带动鱼鳍板相对前盾径向伸出，使鱼鳍板从前盾中伸出且侵入外部的土体中，鱼鳍板从前盾伸出的端口处设置与鱼鳍板滑动配合的密封组件。本发明为土压平衡盾构机提供一种能够克服刀盘反扭矩装置的鱼鳍式稳定器结构设计，解决了土压平衡盾构机盾体防滚转的难题，提高盾构机掘进姿态控制的精度，同时优化了隧道掘进机主机结构，提升隧道掘开挖施工质量。

技术研发人员：白岩龙;王昆;贺开伟;叶超;高文梁;闫阳;尹跃峰;张子华;赵石;朱雷;郑康泰

受保护的技术使用者：中铁工程装备集团有限公司

技术研发日：2021.04.27

技术公布日：2021.07.13

声明：

“隧道掘进机稳定方法及其稳定器与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。

我是此专利(论文)的发明人(作者)