一种盾构机
技术领域
本发明涉及土层或岩石的钻进技术领域，尤其是涉及一种盾构机。
背景技术
盾构机是一种使用盾构法施工的隧道掘进机具。盾构法施工是掘进机在掘进的同时铺设隧道的支撑管片。该机具有一次开挖完成隧道的特色，从开挖、推进、支撑全由该机具完成。
利用盾构机进行隧道掘进施工设备技术虽已成熟，但仍有很多局限：
第一、现有盾构机多局限于圆形、马蹄形、类矩形。如果要满足其它异形断面的隧道，譬如隧道断面是扁圆形、椭圆形、半椭圆形时，现有技术却很难做到。若同时又要满足特大跨度时，现有技术就更难做到。
第二，特大直径盾构机的制造、运输、安装、拆除的工作量大、难度大、耗时长。特大直径盾构机因自身体积庞大，自身质量重大，对运输或吊装的设备要求很高，对运输途中经过的公路、桥梁的通行能力要求也很高。特大直径盾构机对安装、拆除的工作场地要求也很高。
第三、盾构机掘进施工的隧道断面呈圆形居多，不能将隧道断面依据需要的形状进行挖掘施工，譬如隧道宽度大于隧道高度的双线铁路隧道、双线地铁隧道、多车道公路隧道、地下机库隧道。所以，使用圆形盾构机施工多挖出了隧道下部原本不需要挖出的岩土，增大了挖掘工作量，增大了瓦片或箍碹材料的耗用量，增加了隧道下部大量的回填材料，耗费了大量资金。隧道断面的直径越大，挖出原本不需要挖出的岩土量越大，耗费的时间、材料、资金亦越大。
发明内容
本发明公开了一种盾构机，能够满足断面是扁圆形、椭圆形、半椭圆形等异形断面或特殊地形的掘进和施工；
本发明通过以下技术方案来实现：
一种盾构机，包括塔形框架、传输带驱动装置、刀盘驱动装置、瓦片拼装机、护盾装置以及出渣装置；所述塔形框架掘进端外缘设置有传输带，该传输带由所述传输带驱动装置驱动绕塔形框架外缘运行；所述塔形框架掘进端端部以及所述传输带上设置有刀盘，所述刀盘由所述刀盘驱动装置驱动旋转。
所述传输带驱动装置包括一对以上数量的动力支撑轮；所述传输带由动力支撑轮驱动运行。
所述刀盘驱动装置包括电源滑触线以及电源滑触线轨槽，所述电源滑触线轨槽固接在传输带下方的塔形框架上，所述电源滑触线设置在电源滑触线轨槽内；所述电源滑触线一端与所述刀盘轴尾连接为所述刀盘的旋转提供动力。
所述塔形框架为可拆卸连接的塔形框架。
包括防止传输带下挠装置，所述防止传输带下挠装置包括固接在塔形框架上的悬挂行走轮轨槽和安装在传输带两侧的悬挂行走轮，悬挂行走轮在悬挂行走轮轨槽内由传输带携动运行。
所述塔形框架掘进端呈“凸”字形阶梯布置，各所述“凸”字形架体外缘设置有传输带。
任意相邻的两个所述传输带运行方向互为逆方向。
所述塔形框架掘进端端部设置的所述刀盘由往复装置驱动做往复运动。
不同的所述传输带上的刀盘尺寸相同或不同。
所述塔形框架掘进端端部设置的所述刀盘后轴侧设置有滚动轮槽，滚动轮槽内设置有滚动轮。
本发明的有益效果：
1、本发明涉及的盾构机，包括塔形框架，所述塔形框架外缘上部设置有传输带，该传输带由传输带驱动装置驱动绕塔形框架外缘运行，传输带上设置有刀盘，所述刀盘由所述刀盘驱动装置驱动在所述传输带上旋转，由所施工的断面形状搭建塔形框架，塔形框架决定传输带运行的轨道，进而能够满足隧道的断面呈扁圆形、椭圆形、半椭圆形、类矩形的双线铁路隧道、双线地铁隧道、多车道公路隧道、地下机库隧道的盾构掘进施工。并且隧道的跨度可以做到3米以上。使隧道断面的设计更符合实际需要，更经济安全。
2、本发明所涉及的盾构机，适应于掘进粘土、砂岩、软岩、硬岩的隧道。
3、本发明所涉及的盾构机，可以制造成相对较小的零部件或总成现场安装。塔形框架选择螺栓连接可拆装形式。彻底改变了目前大型盾构设备整体体积庞大，质量重大而造成的制造、运输、安装、拆除的工作量大、难度大、耗时长、费资金的窘境。同时也大大改变了大型盾构设备安装、拆除对工作场地要求特别高的现状。
附图说明
图1是本发明正面结构示意图；
图2是图1中A-A剖面示意图；
图3是图1中B-B剖面示意图；
图4是图3中A1放大示意图；
图5是图3中A2放大示意图；
图6是图3中B1放大示意图；
图7是图3中B2放大示意图；
图8是图3中C放大示意图；
图9是图4、图6中a1放大示意图；
图10是图5、图7中a2放大示意图；
图11是图4、图6中b1放大示意图；
图12是图5、图7中b2放大示意图；
图13是出渣装置示意图；
图14是瓦片安装装置示意图。
图中：1-1：第一刀盘，1-2：第二刀盘，1-3：第三刀盘，2-1：一号传输带，2-2：二号传输带，3：塔形框架，3-1：塔形框架外一级，3-2：多级塔形框架次外一级，3-3：塔形框架端部，4-1：动力支撑轮，4-2：非动力支撑轮，5-1：悬挂行走轮，5-2：悬挂行走轮轨槽，6-1：滑触线轨槽，6-2：滑触线，7：往复运行装置，8-1：滚动轮，8-2：滚动轮槽，9-1：中间瓦片拼装机，9-2：机械手，10-1：两侧瓦片拼装机，10-2：第一机械手，11：护盾板，12：可伸缩支撑，13-1：滚动轮，13-2：滚动轮槽B，14：预制瓦片，15：出渣筒。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明进行详细完整地描述。
如图1～14所示，一种异形断面盾构机，包括：刀盘、传输带、多级塔形框架、支撑轮、悬挂行走轮槽、电源滑触线、往复装置、横向不偏移装置、瓦片拼装机及其机械手、护盾装置、控制传输带横向不偏移装置、出渣装置。
一种盾构机，包括塔形框架、传输带驱动装置、刀盘驱动装置、瓦片拼装机、护盾装置以及出渣装置；所述塔形框架掘进端外缘设置有传输带，该传输带由所述传输带驱动装置驱动绕塔形框架外缘运行；所述塔形框架掘进端端部以及所述传输带上设置有刀盘，所述刀盘由所述刀盘驱动装置驱动旋转；塔形框架掘进端端部的刀盘在塔形框架推进中旋转达到掘进的目的，塔形框架掘进端的结构或形状决定了传输带的运行轨迹进而决定了掘进面的形状。
所述传输带驱动装置包括一对以上数量的动力支撑轮，动力支撑轮驱动传输带运行；传输带由非动力支撑轮来支撑，保证传输带平稳运行，防止传输带运行中发生下挠。
所述刀盘驱动装置包括电源滑触线以及电源滑触线轨槽，所述电源滑触线轨槽固接在传输带下方的塔形框架上，所述电源滑触线设置在电源滑触线轨槽内；所述电源滑触线一端与所述刀盘轴尾连接为所述刀盘的旋转提供动力电源，电源滑触线轨槽为电源滑触线提供支撑且具有防水防潮、保护电源滑触线的作用。
所述塔形框架为可拆卸连接的塔形框架，便于组装、拆卸、运输；降低运输成本。
包括防止传输带下挠装置，所述防止传输带下挠装置包括固接在塔形框架上的悬挂行走轮轨槽和安装在传输带两侧的悬挂行走轮，悬挂行走轮在悬挂行走轮轨槽内由传输带携动运行，当盾构机在掘进时，传输带绕塔形框架外缘运行，塔形框架外缘顶部的传输带由非动力支撑轮支撑，塔形框架外缘底部的传输带由悬挂行走轮支撑。
所述塔形框架掘进端呈“凸”字形阶梯布置，各所述“凸”字形架体外缘设置有传输带，首先达到阶梯掘进的目的以保证安全，其次防止在掘进中各运行旋转的刀盘发生碰撞，造成设备损坏。
任意相邻的两个所述传输带运行方向互为逆方向，防止在掘进过程在产生集中扭力，损坏设备。
所述塔形框架掘进端端部设置的所述刀盘由往复装置驱动做往复运动，防止在掘进过程中产生死角。
不同的所述传输带上的刀盘尺寸相同或不同，可根据具体掘进的地质选择具体的刀盘布局。
所述塔形框架掘进端端部设置的所述刀盘后轴侧设置有滚动轮槽，滚动轮槽内设置有滚动轮，防止在掘进过程中，隧道轴向的岩土阻力产生的水平反向力造成刀盘轴向后偏移。
所述刀盘，是指第一刀盘1-1，第二刀盘1-2和第三刀盘1-3，在每个刀盘轴部均配有独立的动力以驱动刀盘旋转。根据隧道断面设计的高度和宽度选择制定第一刀盘1-1，第二刀盘1-2和第三刀盘1-3的直径尺寸及分布个数。第一刀盘1-1，第二刀盘1-2和第三刀盘1-3的直径尺寸可以相同也可以不同，主要依据施工隧道的地质情况而定。如果施工隧道的地质含大量地下水，则第一刀盘1-1的直径以大为宜，以防止地下水溅入多级塔形框架3-1处为旋转的第一刀盘1-1提供动力的电源滑触线轨槽6-1内；如果地下岩土硬度高，则第一刀盘1-1，第二刀盘1-2和第三1-3直径尺寸不宜太大，但刀盘的转速可以提高或增加刀盘个数，以保证切削进度。同时增加一条传输带和一组刀盘，以弥补刀盘尺寸小而出现对隧道断面不能覆盖的部分。刀盘的直径尺寸及个数是一个综合性指标，可以根据岩土资料提前评估，制定出最佳方案。刀盘的转速或传输带的行走速度在掘进中均可调可变。
一号传输带2-1、二号传输带2-2，分别搭载多个第一刀盘1-1以及多个第二刀盘1-2，围绕在除多级塔形框架端部3-3以外的外一级3-1或次外一级3-2的外缘运行方式。两条及以上传输带运行方向互为逆方向，用以抵消或降低传输带运行中对塔形框架3产生的集中扭力。同时降低盾构掘进中的跑偏风险。
所述塔形框架是根据已经制定的刀盘直径或传输带的宽度测算出搭设塔形框架阶梯状凸台的具体尺寸。塔形框架优先选用可拆装形式，以便于运输、安装、拆除。
传输带由动力支撑轮4-1和非动力支撑轮4-2支撑。传输带驱动装置为多组动力支撑轮4-1，动力支撑轮4-1在电机或其他动力装置的驱动下旋转带动传输带搭载刀盘沿塔形框架阶梯状凸台的外缘运行。动力支撑轮4-1和非动力支撑轮4-2之间的距离或个数以传输带搭载刀盘平稳运行，并且支撑传输带在上部不发生明显下挠为宜。支撑轮具有可调节升降功能。
所述悬挂行走轮槽，是由悬挂行走轮5-1和悬挂行走轮轨槽5-2组成。在传输带搭载刀盘运行到掘进端外缘底部位置，因传输带及刀盘的自重力原因造成传输带发生下挠，影响传输带搭载刀盘正常运行。为避免传输带发生下挠，悬挂行走轮轨槽5-2分别固定在塔形框架外一级3-1或多级塔形框架次外一级3-2处，悬挂行走轮5-1分别固定在一号传输带2-1和二号传输带2-2两侧，悬挂行走轮5-1在悬挂行走轮轨槽5-2内由传输带携动行走，控制传输带不发生下挠且正常运行。悬挂行走轮的个数或间距以传输带搭载刀盘平稳运行，且在下部不发生明显下挠为宜。
在传输带搭载刀盘运行轨迹的塔形框架上敷设电源滑触线轨槽6-1，在传输带上搭载的刀盘轴尾处设置电源滑触线6-2，电源滑触线6-2在电源滑触线轨槽6-1内由传输带携动运行，给传输带上搭载的刀盘提供驱动旋转的动力电源。隧道施工的环境复杂，潮湿多水。所以电源滑触线轨槽的防潮、防水尤为重要。
所述往复装置7，是设置在塔形框架端部3-3处，驱动第三刀盘1-3做往复运行的装置，第三刀盘1-3在旋转切削岩土的同时做横向往复运行，以切削框架端部第三刀盘1-3相互之间因圆形刀盘所不能触及的部位。其往复行程长度必须满足端部第三刀盘1-3在往复运行中不留有切削盲区。具体的，往复装置7包括设有多个轴孔的连接杆，各所述第三刀盘1-3的转轴穿过连接杆的轴孔，连接杆在电缸的驱动下在塔形框架端部做往复运动且不影响第三刀盘1-3的旋转。
所述横向不偏移装置，是由安装在端部第三刀盘后轴侧的滚动轮8-1和固定在塔形框架3上的滚动轮槽8-2组成。当第三刀盘1-3做往复运行对岩土进行切削时，岩土阻力产生的反向水平力传递给滚动轮8-1，滚动轮槽8-2控制着滚动轮8-1在轨槽内运行。使端部旋转的第三刀盘正常工作。
所述瓦片拼装机及其机械手，是指中间瓦片拼装机9-1及其机械手9-2负责对隧道的中间下部和上部的瓦片14进行拼装；两侧拼装机10-1及其第二机械手10-2负责对两侧的瓦片14进行拼装。当掘进工作面满足进行瓦片拼装时。先由中间瓦片拼装机9-1的机械手9-2拾取瓦片14从隧道底部的中间向两侧对称拼装，同时对已拼装的瓦片进行校正固定后方可进行下一块瓦片拼装。再分别由两侧瓦片拼装机10-1的第一机械手10-2拾取瓦片14从两侧对称拼装，最后由中间瓦片拼装机9-1的机械手9-2拾取瓦片14安装中间的上部瓦片。
所述护盾装置，是由护盾板11和可伸缩支撑12组成。依据隧道断面外边缘轮廓线形状，将护盾板制作成许多块弧面的护盾板11，相邻两块护盾板之间采用螺栓压开口板搭接方式。护盾板一端固定在塔形框架3的外部边缘上，另一端伸至第一刀盘1-1后部位置，以不触碰运行中的第一刀盘1-1为宜。一个以上数量的可伸缩支撑12为一周护盾板提供稳定支撑，保证护盾板安全平稳工作。护盾板11安装调试完毕后，将护盾板搭接处采用螺栓压开口板方式连接牢固，用以增强护盾板11的整体性。利用可伸缩支撑12对一周不同位置护盾板11支撑力度的调节，起到对设备进行辅助性纠偏转向及解决护盾板卡滞问题。
所述控制传输带横向不偏移装置，是由安装在传输带一端的滚动轮13-1和固定在塔形框架3上的滚动轮槽B 13-2组成。当一号传输带2-1搭载第一刀盘1-1在对岩土进行切削掘进时，岩土阻力产生的水平反向力经第一刀盘1-1、一号传输带2-1传递给滚动轮13-1，滚动轮槽B 13-2控制着滚动轮13-1在轨槽内运行。达到控制一号传输带2-1搭载切削刀盘1-1在切削岩土进程中横向不偏移的目的。二号传输带2-2搭载第二刀盘1-2切削岩土亦同理。
本发明的工作原理是：由一号传输带2-1搭载一个以上的第一刀盘1-1围绕在多级塔形框架外一级3-1外缘处运行，随着一号传输带2-1的运行，一个以上旋转的第一刀盘对掘进断面岩土进行切削掘进。由一对以上可调节升降的动力支撑轮4-1为一号传输带2-1的运行提供行走动力。一号传输带2-1搭载着第一刀盘1-1围绕在多级塔形框架外一级3-1外缘处运行时，因为自重力原因一号传输带2-1在掘进端外缘顶部出现下挠，一对以上数量的可调节升降的动力支撑轮4-1和一对以上数量的可调节升降的非动力支撑轮4-2支撑一号传输带2-1平稳运行。动力支撑轮4-1和非动力支撑轮4-2的个数或间距以传输带运行顺畅且不发生下挠为宜；为防止一号传输带2-1搭载第一刀盘1-1围绕在多级塔形框架外一级3-1外缘底部运行时在下部发生下挠，由安装在一号传输带2-1两端防止传输带下挠的悬挂行走轮5-1和安装在多级塔形框架3-1处防止传输带下挠的悬挂行走轮轨槽5-2共同完成。悬挂行走轮5-1在悬挂行走轮轨槽5-2内行走，限制了一号传输带2-1的下挠。悬挂行走轮的数量或间距以一号传输带2-1运行顺畅且不发生下挠为宜；第一刀盘1-1旋转切削所需的动力电源，由安装在多级塔形框架3-1处的电源滑触线轨槽6-1和安装在第一刀盘1-1轴尾的电源滑触线6-2提供。电源滑触线轨槽6-1沿多级塔形框架3-1环绕设置，滑触线6-2在滑触线轨槽内平稳运行，为第一刀盘1-1旋转提供动力电源。一号传输带2-1搭载第一刀盘1-1围绕多级塔形框架3-1运行对岩土进行切削时，隧道轴向的岩土阻力产生的水平反向推力由第一刀盘1-1传递给一号传输带2-1，使一号传输带2-1发生横向偏移影响正常运行。控制一号传输带2-1横向不偏移的滚动轮13-1安装在第一刀盘1-1轴尾处的一号传输带2-1上，控制滚动轮的轮槽13-2安装在多级塔形框架3-1处，沿滚动轮13-1的轨迹环绕设置。横向不偏移的滚动轮13-1在控制滚动轮的滚动轮槽B 13-2内滚动行走，使一号传输带2-1不发生横向偏移。
由二号传输带2-2搭载第二刀盘1-2在塔形框架次外一级3-2处围绕塔形框架运行，其工作原理与一号传输带2-1搭载第一刀盘1-1工作原理相同，此处不再赘述。二号传输带2-2与一号传输带2-1的运行方向互为逆方向。
第三刀盘1-3设置在多级塔形框架端部3-3处。在端部一个以上第三刀盘1-3旋转切削岩土的同时，由驱使第三刀盘1-3横向往复运行的往复装置7连接并进行往复运行。一个以上第三刀盘1-3一起往复运行，削除了第三刀盘相互之间所不能触及的岩土部位。
当第三刀盘1-3掘进时，隧道轴向的岩土阻力产生的水平反向推力由第三刀盘1-3传递给往复装置7。为了避免第三刀盘1-3或往复装置7向后偏移，在第三刀盘1-3的轴尾处安装横向不偏移的滚动轮8-1，在多级塔形框架端部3-3处安装滚动轮槽8-2。当一个以上第三刀盘1-3由往复装置7驱动往复运行时，控制第三刀盘1-3不向后偏移的滚动轮8-1在控制滚动轮槽8-2内运行，使第三刀盘1-3在多级塔形框架端部3-3处做往复运行时不向后偏移。如此，在第一刀盘1-1、第二刀盘1-2、第三刀盘1-3一同旋转切削运行时，隧道断面全部在旋转的切削刀盘运行轨迹覆盖之下，实现无盲区全覆盖掘进。
