一种大断面矩形顶管机
技术领域
本实用新型涉及一种顶管机，尤其适用于城市地下大型矩形空间施工和构筑的大断面矩形顶管机。
背景技术
城市地下空间的开发是未来城市发展的必然趋势，其中圆形隧道因其结构受力合理，施工工艺简单而广为采用。与圆型断面相比，矩形断面有效使用面积通常大于20%以上，在市政隧道工程中尤以矩形最为经济。相对于明挖法、箱涵顶进法、HEP&JES法构筑矩形空间，盾构法和矩形顶管法对周边环境影响较小、综合成本低。但相对于盾构法采用盾构机掘进，矩形顶管机制造时间短，组装场地小，适用于短距离的地下空间构筑工程。
随着市政隧道施工断面逐渐往大断面趋势发展，大断面矩形顶管机得到广泛应用与发展，但现阶段，大断面矩形顶管机掘进过程中，因其断面较大，净空断面面积＞50 m2，全断面开挖风险高，难以实现掌子面压力控制，造成掌子面稳定性差，地层扰动大等问题。
发明内容
技术问题：针对传统矩形地下空间施工中在存在的地层变形控制难度大、程序冗杂、交通及环境影响明显，掌子面易崩塌等问题，提供一种能有效控制地层沉降和维持掌子面稳定、且经济可行的大断面矩形顶管机。
技术方案：为实现上述技术目的，本新型的一种大断面矩形顶管机，包括前盾体，前盾体包括盾体外壳，盾体外壳内设有多组形成独立掘进面的掘进系统，每组掘进系统包括多个水平布置的掘进单元，每组掘进系统均布置独立的排土系统并与泥浆处置槽连接；
所述掘进单元包括独立的开挖壳体，开挖壳体安装在盾体外壳中设置竖向隔板和横向隔板分割而成的隔间内；
多组掘进系统在前盾体的垂直方向水平错动布置从而形成多级台阶结构，每两级台阶结构之间形成水平错动台阶，使前盾体在切割断面时每一个掘进系统只对应自身面积的断面，无需应对整个前盾体大小的断面切割，
前盾体的掘进单元后方通过多个盾内纠偏千斤顶连接有矩形箱涵管节。
所述多组掘进系统包括设置在前盾体最上方的上部掘进系统Ⅱ、中间位置的上部掘进系统Ⅰ和下方位置的下部掘进系统，其中上部掘进系统Ⅱ通过盾体顶部横向隔板和盾体上部竖向隔板在顶管机盾体外壳中分割出多个容纳掘进单元的密闭隔间，上部掘进系统Ⅰ和下部掘进系统通过盾体中部竖向隔板和盾体中部横向隔板分割出多个容纳掘进单元的密闭隔间，上部掘进系统Ⅱ两侧分别设有多个油压式防前倾修正栓。
所述上部掘进系统Ⅱ与上部掘进系统Ⅰ的端面之间水平错动布置形成水平错动台阶d1，上部掘进系统Ⅰ与下部掘进系统的端面之间水平错动布置形成水平错动台阶d2。
所述的上部掘进系统Ⅱ和上部掘进系统Ⅰ之间的水平错动台阶d1长度在0.4m-1.5m之间；所述的上部掘进系统Ⅰ和下部掘进系统之间的水平错动台阶d2长度在0.4m-1.5m之间；上部掘进系统Ⅱ挖掘出的开挖断面的高度为2m-4m之间，上部掘进系统Ⅰ和下部掘进系统挖掘出的开挖断面的高度为4m-6m之间。
所述下部掘进系统的掘进单元包括下部掘进系统独立壳体，下部掘进系统独立壳体前方设有防止砂石进入的下部掘进系统舱体隔板，下部掘进系统舱体隔板上设有减阻涂层，下部掘进系统舱体隔板上中心设有主刀具，在主刀具四周设有多个下部掘进系统高压注浆孔和搅拌辅刀具，主刀具由三个独立自转的椭圆形刀具组成，三个独立自转的椭圆形刀具中间设有渣土仓，渣土仓上设有排土装置，排土装置通过尾部设置的螺旋排土驱动电机驱动，排土装置上通过防堵控制阀设有渣土排出口，渣土排出口下方设有渣土排出装置，渣土排出装置通过软管与泥浆处置槽连接，主刀具通过设置在下部掘进系统舱体隔板内的旋转装置连接有刀盘驱动电机，主刀具的两侧偏上位置分别设有下部掘进系统土压传感器，在掘进单元与掘进单元之间设有拐角辅刀具，拐角辅刀具连接有设置在辅刀具的独立驱动单元。
所述上部掘进系统的掘进单元包括上部掘进系统独立壳体，上部掘进系统独立壳体前方设有防止砂石进入的上部掘进系统舱体隔板，上部掘进系统舱体隔板上设有两组主刀具Ⅲ，在两组主刀具Ⅲ之间设有上部掘进系统高压注浆孔和上部掘进系统土压传感器，两组主刀具Ⅲ处的上部掘进系统舱体隔板内设有渣土仓Ⅲ，渣土仓Ⅲ上设有上部掘进系统排土装置，F排土装置通过上部掘进系统排土软管与泥浆处置槽连接，主刀具Ⅲ通过设置在上部掘进系统舱体隔板内的上部掘进系统旋转装置连接有刀具驱动单元Ⅲ；
所述中部掘进系统的掘进单元包括中部掘进机独立壳体，中部掘进机独立壳体前方设有防止砂石进入的中部掘进机舱体隔板，中部掘进机舱体隔板上中心设有主刀具Ⅱ，主刀具Ⅱ四周设有多个中部掘进系统高压注浆孔和搅拌辅刀具Ⅱ，主刀具Ⅱ由三个独立自转的椭圆形刀具组成，三个独立自转的椭圆形刀具中间设有渣土仓Ⅱ，渣土仓Ⅱ上设有排土装置Ⅱ，排土装置Ⅱ尾部设有驱动排土的螺旋排土驱动电机Ⅱ，排土装置Ⅱ通过中部掘进机独立排土软管与泥浆处置槽连接，主刀具Ⅱ通过设置在中部掘进机舱体隔板内的中部掘进机旋转装置连接有刀盘驱动电机Ⅱ，主刀具Ⅱ的两侧偏上位置分别设有两个中部掘进系统土压传感器，在掘进单元与掘进单元连接处设有拐角辅刀具Ⅱ；
其中上部掘进系统和中部掘进系统后方设有盾体，上部掘进系统的盾体部分后方设有上部掘进系统顶进千斤顶与矩形箱涵管节连接，中部掘进系统的盾体部分后方设有中部掘进机的顶进千斤顶与矩形箱涵管节连接。
所述上部掘进系统Ⅱ的上部掘进系统独立壳体与盾体外壳以及上部掘进系统舱体隔板之间填充有上部掘进系统前制动塞和上部掘进系统后制动塞用以限制上部掘进系统顶进千斤顶的输出收回长度，上部掘进系统Ⅰ的中部掘进机独立壳体与盾体外壳以及中部掘进机舱体隔板之间填充有中部掘进机前制动塞用以限制中部掘进机的顶进千斤顶的输出收回长度，并在掘进单元的开挖壳体中设有双重止水隔层用以防水。
三个独立自转的椭圆形刀具以120°的位置关系设置在圆形的旋转盘上，旋转盘可以绕其圆心自转，前盾体外轮廓断面上间隔设有多个外缘刮刀。
有益效果：本实用新型设有通过水平布置的掘进单元组成的多个掘进系统，每个掘进系统之间设有平错动台阶实现了顶管机掌子面的台阶法切割，利用多个掘进系统将掘进断面分割为多个小断面，能将掌子面分割成多个上部和下部开挖单元、实现独立断面开挖和掌子面压力控制、将顶进施工对地表影响最小化，无需大型刀具即可实现大断面矩形地下空间的一次性、快速施工，进而控制地层沉降，本实用新型的各掘进系统有独立的渣土排出装置、独立切割及其驱动单元等。该矩形顶管机在构筑地下空间时实现了断面的台阶式切割，具有施工场地小、一次成型、不需要构筑外围挡土墙等辅助施工等优势，可在较短时间内构筑大于50.0m2的矩形大断面地下空间，设备保养成本低，施工便利，有利于控制降减，维持掌子面稳定。
附图说明
图1为本实用新型大断面矩形顶管机的结构示意图；
图2为本实用新型大断面矩形顶管机刀盘示意图；
图3为本实用新型的施工过程示意图。
图中：1-下部掘进系统，B1-上部掘进系统Ⅰ，B2-上部掘进系统Ⅱ，
1-前盾体、2-盾体中部竖向隔板、3-盾体中部横向隔板、4-盾体顶部横向隔板、5-油压式防前倾修正栓、6-外缘刮刀、7-盾体上部竖向隔板、8-泥浆处置槽、9-矩形箱涵管节、10-渣土排出装置、11-盾内纠偏千斤顶、12-盾体外壳；
a-1-下部掘进系统舱体隔板、a-2-搅拌辅刀具Ⅰ、a-3-主刀具Ⅰ、a-4-下部掘进系统高压注浆孔、a-5-渣土仓Ⅰ、a-6-旋转装置Ⅰ、a-7-下部掘进系统土压传感器、a-8-拐角辅刀具Ⅰ、a-9-主刀具先行刀、a-10-下部掘进系统独立壳体、a-11-排土装置、a-12-渣土排出口、a-13-排土装置的防堵控制阀、a-14-刀盘驱动电机Ⅰ、a-15-辅刀具的独立驱动单元、a-16-螺旋排土驱动电机；
b-1-1-中部掘进机舱体隔板、b-1-2-搅拌辅刀具Ⅱ、b-1-3-主刀具Ⅱ、b-1-4-中部掘进机高压注浆孔、b-1-5-渣土仓Ⅱ、b-1-6-中部掘进机旋转装置、b-1-7-中部掘进机土压传感器、b-1-8-拐角辅刀具Ⅱ、b-1-9-中部掘进机独立排土软管、b-1-10-中部掘进机独立壳体、b-1-11-中部掘进机前制动塞、b-1-12-双重止水隔层、b-1-13-排土装置Ⅱ、b-1-14-刀盘驱动电机Ⅱ、b-1-15-中部掘进机的顶进千斤顶、b-1-16-螺旋排土驱动电机Ⅱ；
b-2-1-上部掘进系统舱体隔板、b-2-2-上部掘进系统高压注浆孔、b-2-3-主刀具Ⅲ、b-2-4-上部掘进系统土压传感器、b-2-5-渣土仓Ⅲ、b-2-6-上部掘进系统旋转装置、b-2-7-上部掘进系统排土装置、b-2-8-上部掘进系统排土软管、b-2-9-上部掘进系统后制动塞、b-2-10-上部掘进系统独立壳体、b-2-11-上部掘进系统前制动塞、b-2-12-双重止水隔层、b-2-13-刀具驱动单元Ⅲ、b-2-14-盾体、b-2-15-上部掘进系统顶进千斤顶。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的实施例作进一步的详细说明，
如图1和图2所示，本实用新型的一种大断面矩形顶管机，包括前盾体1，前盾体1包括盾体外壳12，盾体外壳12内设有多组形成独立掘进面的掘进系统，每组掘进系统包括多个水平布置的掘进单元，每组掘进系统均通过软管连接有泥浆处置槽8；所述掘进单元包括独立的开挖壳体，开挖壳体通过在盾体外壳12中设置竖向隔板和横向隔板分割而成，开挖壳体为盾体外壳12内分割而成的密闭隔间，多组掘进系统在前盾体1的垂直方向水平错动布置从而形成多级台阶结构，每两级台阶结构之间形成水平错动台阶，使前盾体1在切割断面时每一个掘进系统只对应自身面积的断面，无需应对整个前盾体1大小的断面切割，前盾体1的掘进单元后方通过多个盾内纠偏千斤顶11连接有矩形箱涵管节9。
所述多组掘进系统包括设置在前盾体1最上方的上部掘进系统ⅡB-2、中间位置的上部掘进系统ⅠB-1和下方位置的下部掘进系统A-1，上部掘进系统ⅡB-2与上部掘进系统ⅠB-1的端面之间水平错动布置形成水平错动台阶d1，上部掘进系统ⅠB-1与下部掘进系统A-1的端面之间水平错动布置形成水平错动台阶d2，上部掘进系统ⅡB-2和上部掘进系统ⅠB-1之间的水平错动台阶d1长度在0.4m-1.5m之间；所述的上部掘进系统ⅠB-1和下部掘进系统A-1之间的水平错动台阶d2长度在0.4m-1.5m之间；上部掘进系统ⅡB-2挖掘出的开挖断面的高度为2m-4m之间，上部掘进系统ⅠB-1和下部掘进系统A-1挖掘出的开挖断面的高度为4m-6m之间。上部掘进系统ⅡB-2通过盾体顶部横向隔板4和盾体上部竖向隔板7在顶管机盾体壳12中分割出多个容纳掘进单元的密闭隔间，上部掘进系统ⅠB-1和下部掘进系统A-1通过盾体中部竖向隔板2和盾体中部横向隔板（3）分割出多个容纳掘进单元的密闭隔间，上部掘进系统ⅡB-2两侧分别设有多个油压式防前倾修正栓5。
下部掘进系统A-1的掘进单元包括下部掘进系统独立壳体a-10，下部掘进系统独立壳体a-10前方设有防止砂石进入的下部掘进系统舱体隔板a-1，下部掘进系统舱体隔板a-1上中心设有主刀具a-3，在主刀具a-3四周设有多个下部掘进系统高压注浆孔a-4和搅拌辅刀具a-2，主刀具a-3由三个独立自转的椭圆形刀具组成，三个独立自转的椭圆形刀具以120°的位置关系设置在圆形的旋转盘上，旋转盘可以绕其圆心自转，前盾体1外轮廓断面上间隔设有多个外缘刮刀6，三个独立自转的椭圆形刀具中间设有渣土仓a-5，渣土仓a-5上设有排土装置a-11，排土装置a-11通过尾部设置的螺旋排土驱动电机a-16驱动，排土装置a-11上通过防堵控制阀a-13设有渣土排出口a-12，渣土排出口a-12下方设有渣土排出装置10，渣土排出装置10通过软管与泥浆处置槽8连接，主刀具a-3通过设置在下部掘进系统舱体隔板a-1内的旋转装置a-6连接有刀盘驱动电机a-14，主刀具a-3的两侧偏上位置分别设有下部掘进系统土压传感器a-7，在掘进单元与掘进单元之间设有拐角辅刀具a-8，拐角辅刀具a-8连接有设置在辅刀具的独立驱动单元a-15。
所述上部掘进系统B-2的掘进单元包括上部掘进系统独立壳体b-2-10，上部掘进系统独立壳体b-2-10前方设有防止砂石进入的上部掘进系统舱体隔板b-2-1，上部掘进系统舱体隔板b-2-1上设有两组主刀具Ⅲb-2-3，在两组主刀具Ⅲb-2-3之间设有上部掘进系统高压注浆孔b-2-2和上部掘进系统土压传感器b-2-4，两组主刀具Ⅲb-2-3处的上部掘进系统舱体隔板b-2-1内设有渣土仓Ⅲb-2-5，渣土仓Ⅲb-2-5上设有上部掘进系统排土装置b-2-7，上部掘进系统排土装置b-2-7通过上部掘进系统排土软管b-2-8与泥浆处置槽8连接，主刀具Ⅲb-2-3通过设置在上部掘进系统舱体隔板b-2-1内的上部掘进系统旋转装置b-2-6连接有刀具驱动单元Ⅲb-2-13；
所述中部掘进系统B-1的掘进单元包括中部掘进系统独立壳体b-1-10，中部掘进系统独立壳体b-1-10前方设有防止砂石进入的中部掘进系统舱体隔板b-1-1，中部掘进系统舱体隔板b-1-1上中心设有主刀具Ⅱb-1-3，主刀具Ⅱb-1-3四周设有多个中部掘进系统高压注浆孔b-1-4和搅拌辅刀具Ⅱb-1-2，主刀具Ⅱb-1-3由三个独立自转的椭圆形刀具组成，三个独立自转的椭圆形刀具中间设有渣土仓Ⅱb-1-5，渣土仓Ⅱb-1-5上设有排土装置Ⅱb-1-13，排土装置Ⅱb-1-13尾部设有驱动排土的螺旋排土驱动电机Ⅱb-1-16，排土装置Ⅱb-1-13通过中部掘进机独立排土软管b-1-9与泥浆处置槽8连接，主刀具Ⅱb-1-3通过设置在中部掘进系统舱体隔板b-1-1内的中部掘进机旋转装置b-1-6连接有刀盘驱动电机Ⅱb-1-14，主刀具Ⅱb-1-3的两侧偏上位置分别设有两个中部掘进系统土压传感器b-1-7，在掘进单元与掘进单元连接处设有拐角辅刀具Ⅱb-1-8；
其中上部掘进系统B-2和中部掘进系统B-1后方设有盾体b-2-14，上部掘进系统B-2的盾体b-2-14部分后方设有上部掘进系统顶进千斤顶b-2-15与矩形箱涵管节9连接，中部掘进系统B-1的盾体b-2-14部分后方设有中部掘进机的顶进千斤顶b-1-15与矩形箱涵管节9连接。
上部掘进系统ⅡB-2的上部掘进系统独立壳体b-2-10与盾体外壳12以及上部掘进系统舱体隔板b-2-1之间填充有上部掘进系统前制动塞b-2-11和上部掘进系统后制动塞b-2-9用以限制上部掘进系统顶进千斤顶b-2-15的输出收回长度，上部掘进系统ⅠB1的中部掘进机独立壳体b-1-10与盾体外壳12以及中部掘进机舱体隔板b-1-1之间填充有中部掘进机前制动塞b-1-11用以限制中部掘进机的顶进千斤顶b-1-15的输出收回长度，并在掘进单元的开挖壳体中设有双重止水隔层b-2-12用以防水。
如图3所示，所述的上部掘进系统ⅠB1、上部掘进系统ⅡB2与下部掘进系统A1可同时切割土体；所述的上部掘进系统ⅠB1、上部掘进系统ⅡB2的壳体在各自顶进千斤顶的作用下确定分段切割水平错动台阶d1的长度D1和水平错动台阶d2的长度D2，并形成上段Ⅰ上段Ⅱ和下段Ⅰ，分段切割水平错动台阶d1和水平错动台阶d2长度与后续每一节箱涵8的宽度一致，接着由上至下各隔仓的主刀具依次滑动挖掘，使土体在预支撑效果下控制地表变形。当掘进机各段切割完成后，在后续矩形箱涵管节9的推力下使得顶管机整体向前推进，依次反复将矩形箱涵管节9安装在地下一次性的、快速形成大型地下空间，所述的大型预制矩形箱涵管节9可分割成2~4模块进行加工制造，之后在现场进行一体化组装，实现顶进施工和空间一次成型。
