一种零盲区异形掘进机及其施工方法与流程

1.本发明属于隧道掘进施工技术领域，具体涉及一种零盲区异形掘进机及其施工方法。


背景技术：

2.掘进机作为一种新型的隧道工程暗挖施工设备，具有适应性范围广、安全性高、施工扰动小、环保等优点，已经在城市建 筑密集地区、交通繁忙路段、超浅埋及超大断面的隧道工程中得到广泛应用。
3.目前国内外常用的隧道掘进设备主要是盾构机及顶管机，其断面类型主要有圆形、矩形、马蹄形、椭圆形等，除圆形断面外，其他断面形式的隧道掘进设备均存在开挖盲区。例如在开挖矩形断面的隧道时，即使采用多种刀盘进行组合开挖，相邻刀盘之间仍旧会存在刀盘开挖覆盖不到的盲区，盲区的处理方式主要依靠壳体自生进行二次切削或辅助于其他设备预处理，这在一定程度上增加了施工难度以及施工效率。


技术实现要素：

4.本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种零盲区异形掘进机及其施工方法，该异形掘进机通过将多个刀盘组设置在不同平面上从而在轴向上叠合形成可施作异形隧道的掘进装置，叠加投影区域可完全覆盖异形隧道的矩形内截面，避免盲区的产生。
5.本发明目的实现由以下技术方案完成：一种零盲区异形掘进机，用于掘进开挖异形隧道，所述异形隧道在安装预制异形管节后具有呈矩形的内截面，其特征在于所述异形掘进机包括异形壳体以及设置在所述异形壳体前端面上的刀盘机构，所述刀盘机构包括至少三组设置在不同平面上的刀盘组，各所述刀盘组在所述异形壳体前端面上的叠加投影区域完全覆盖所述异形隧道的矩形内截面。
6.所述平面为垂直于所述异形壳体轴线方向的平面。
7.在轴向投影面上存在叠加区域的所述刀盘组分设在不同的所述平面上。
8.所述异形掘进机在轴向上分设三组位于不同所述平面上的所述刀盘组，第一个所述刀盘组包括半径为d1的第一刀盘，第二个所述刀盘组包括两个部分叠设于所述第一刀盘的上部两侧且半径为d2的第二刀盘，第三个所述刀盘组包括两个部分叠设于所述第一刀盘的下部两侧且半径为d2的第三刀盘。
9.所述异形掘进机在轴向上分设三组位于不同所述平面上的所述刀盘组，第一个所述刀盘组包括居中设置且半径为d3的第一刀盘，第二个所述刀盘组包括四个分别设于所述第一刀盘的四个边角位置处且半径为d3的第二刀盘，第三个所述刀盘组包括四个分别设于所述第一刀盘上、下、左、右四个方向且半径为d4的第三刀盘。
10.所述异形壳体的前端部在横向上间隔设置有若干螺旋输送机。
11.所述叠加投影区域的外缘轮廓比所述异形壳体的外缘轮廓大0-4cm。
12.一种涉及任一所述的零盲区异形掘进机的施工方法，其特征在于所述施工方法包括以下步骤：控制异形掘进机向前掘进，利用设置在轴向不同平面上的刀盘组依次对开挖面切削掘进，以开挖获得异形隧道；在所述异形掘进机开挖掘进的过程中，利用设置在所述异形掘进机前部的螺旋输送机向外输送切削渣土，并在所述异形掘进机的后方逐次拼装预制异形管节，所述预制异形管节的前端外壁面上设置有两道防水材料沟槽、后端外壁面上包裹一圈钢板并向后方延伸，所述预制异形管节的前端面和后端面上分别开设有防水材料沟槽，各所述防水材料沟槽中均嵌设有橡胶密封条，在拼装过程时，所述预制异形管节的前端插设在上一所述预制异形管节后端的一圈所述钢板内，所述橡胶密封条同所述钢板相贴合构成密封连接。
13.所述预制异形管节的外壁面形状与所述异形隧道的内壁面形状相适配，所述预制异形管节贴合安装在所述异形隧道内；以所述预制异形管节的上、下两个外壁面上最小凸出点之间的垂直间距为最大设计外径d，所述预制异形管节外壁面上最大凸出点与相邻最小凸出点之间的垂直间距
△
d为最大设计外径d的5%-10%。
14.本发明的优点是：可以解决刀盘开挖盲区，降低施工难度，节约施工成本，提高隧道防水能力，异形隧道的开挖截面可有效提高隧道承压性能。
附图说明
15.图1为本发明中异形掘进机上的第一种刀盘布置组合示意图；图2为本发明图1中采用第一种刀盘布置的异形掘进机的平面示意图；图3为本发明图1中采用第一种刀盘布置的异形掘进机的侧视图；图4为本发明图2中的a-a剖视图；图5为本发明图4中的b-b剖视图；图6为本发明图4中的c-c剖视图；图7为本发明图2中的预制异形管节主视图；图8为本发明图2中的预制异形管节侧视图；图9为本发明中异形掘进机上的第二种刀盘布置组合示意图；图10为本发明图9中采用第二种刀盘布置的异形掘进机的平面示意图；图11为本发明图9中采用第二种刀盘布置的异形掘进机的侧视图；图12为本发明图10中的d-d剖视图；图13为本发明图9中采用第二种刀盘布置的异形掘进机开挖隧道所采用的预制异形管节主视图；图14为本发明图9中采用第二种刀盘布置的异形掘进机开挖隧道所采用的预制异形管节侧视图；图15为本发明中异形掘进机上的第三种刀盘布置组合示意图；图16为本发明图15中第三种刀盘布置组合的侧视图。
具体实施方式
16.以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以
便于同行业技术人员的理解：如图1-16，图中各标记分别为：第一刀盘1、第二刀盘2、第三刀盘3、螺旋输送机4、异形壳体5、预制异形管节6、防水材料沟槽7、钢板8、防水材料沟槽9、防水材料沟槽10、第一刀盘11、第三刀盘12、第二刀盘13、异形壳体14、预制异形管节15、第二刀盘16、第一刀盘17、第三刀盘18、异形壳体19。
17.实施例1：如图1-8所示，本实施例具体涉及一种零盲区异形掘进机及其施工方法，该异形掘进机用于开挖异形隧道，异形隧道在安装预制异形管节6后具有呈矩形的内截面，异形掘进机包括异形壳体5以及设置在异形壳体5前端面上的组合式刀盘机构，刀盘机构包括三组设置在不同平面上的刀盘组，各刀盘组在异形壳体5前端面上的叠加投影区域完全覆盖异形隧道的矩形内截面，以使异形掘进机在开挖过程中无盲区，此处所述的平面是指垂直于异形壳体5轴线方向的平面，叠加投影区域的外缘轮廓比异形壳体5的外缘轮廓大0-4cm，以满足转弯需求。
18.如图1-3所示，在轴向投影面上存在叠加区域的刀盘组分设在不同的平面上，在本实施例的三组刀盘组中：第一个刀盘组包括一个居中设置且半径为d3的第一刀盘1；第二个刀盘组包括四个分别设于第一刀盘1的四个边角位置且半径为d3的第二刀盘2；第三个刀盘组包括四个分别设于第一刀盘1的上、下、左、右四个方向且半径为d4的第三刀盘3。其中，第二刀盘2同第一刀盘1的边角处在垂直投影面上存在部分叠合，而第三刀盘3则在垂直投影面上分别同相邻的第一刀盘1和第二刀盘2均存在部分叠合的情况。需要说明的是，各刀盘无论是在上、下、左、右侧均保持相互最高点的齐平。
19.如图1-6所示，在本实施例的异形掘进机中还设置有若干个螺旋输送机4，螺旋输送机4用于将掘进开挖过程中的渣土向外输送，根据异形掘进机底部的刀盘数量，螺旋输送机4进行对应布置。
20.如图4所示为本实施例中异形壳体5的形状，异形掘进机所开挖的隧道断面也就是这种类矩形的异形。
21.本实施例中异形掘进机的设计方式包括以下步骤：1.施工风险等级确定：充分调查施工项目地质以及周边环境情况，确定地层自稳性，地面风险源等级以及沉降控制要求，制定控制措施。
22.2.开挖断面尺寸确定：根据隧道结构设计，确定永久结构净空尺寸、结构厚度，计算满足设计要求的最小开挖断面尺寸。
23.3.刀盘配置确定：根据最小开挖断面尺寸，设计最优的刀盘数量、开挖直径、布置形式，以实现刀盘的最大利用率。
24.4.刀盘设计：根据地层硬度，合理设计刀盘面板形式、刀具配置、刀盘厚度等技术参数，以确保刀盘适应性。
25.5.设备性能设计：根据刀盘厚度、大小，设计合理的支撑轴承直径及长度，并确定驱动电机配置。
26.6.螺旋输送机4设计：根据刀盘断面布置图，配置不同数量的螺旋输送机4。配置原则为每个最下部刀盘数量对应配置一个螺旋输送机4，螺旋输送机4输送能力根据地质条件，掘进机工作能力等因素设计，确保工作能力满足要求。
27.7.壳体设计：根据刀盘开挖断面尺寸以及地层情况，设计壳体断面形状，并根据受
力计算要求，遵循经济、简便等原则，设计壳体厚度、组合方式（焊接或栓接）壳体组合方式。
28.如图1-8所示，本实施例中零盲区异形掘进机的施工方法包括以下步骤：控制异形掘进机向前掘进，利用设置在轴向不同平面上的刀盘组依次对开挖面切削掘进，以开挖获得异形隧道；在掘进开挖过程中，利用设置在异形壳体5前端部的螺旋输送机4将切削渣土向外输送，同时在异形掘进机的后方逐次拼装预制异形管节6形成异形隧道，本实施例中，预制异形管节6为一体浇筑成型结构形式，当然也可以是分块浇筑后拼装成型，如图7和8所示，预制异形管节6的前端外壁面上设置有防水材料沟槽9和10，沟槽采用前深后浅的楔形设计，便于防水材料粘贴后拼装，且对防水材料有一定的保护作用；预制异形管节6的后端外壁面上包裹设置有一圈钢板8，该圈钢板8向后延伸一定距离；此外，在预制异形管节6的前端面和后端面上分别设置有一圈防水材料沟槽7，且需要说明的是，防水材料沟槽7、9、10中均嵌设有橡胶密封条，在拼装时，预制异形管节6的前端插设在上一预制异形管节6的后端的一圈钢板8内，通过钢板8和橡胶密封条的组合贴合可确保管节之间的密封连接。
29.预制异形管节6的外壁面形状与异形隧道的内壁面形状相适配，预制异形管节6贴合安装在异形隧道内，预制异形管节6的外壁面呈类矩形的波浪状，内壁面呈矩形状；以预制异形管节6的上、下两个外壁面上最小凸出点之间的垂直间距为最大设计外径d，预制异形管节6外壁面上最大凸出点与相邻最小凸出点之间的垂直间距
△
d为最大设计外径d的5%-10%，从而确保预制异形管节6能够在确保具有足够力学性能的前提下，尽量减少预制异形管节6外壁面向外冗余的多余部分，过多的冗余凸出部分不仅无法有效提高管节的强度，还会提高管节的造价和制造难度。
30.本实施例的有益效果在于：（1）解决异形隧道掘进设备开挖盲区，以及由于盲区存在导致的施工困难，预处理成本高等问题。
31.（2）掘进机壳体为组合异形结构，采用多形状，相互组合焊接或栓接，以适应刀盘开挖形状。壳体断面形状、大小多样，可在提前避免盲区产生。
32.（3）隧道衬砌结构为预制异形管节，采用三道防水构造，外观断面形状根据掘进机壳体预制，内部净空形状根据设计要求预制，内部空间断面形式多变，可满足各类需求。
33.实施例2：如图9-14所示，本实施例具体涉及一种零盲区异形掘进机及其施工方法，该异形掘进机与实施例1之间的不同之处在于刀盘机构上刀盘组合形式的不同，其余结构以及施工方法相同。
34.本实施例中，刀盘机构同样包括三组设置在不同平面上的刀盘组，刀盘组在异形壳体14前端面上的叠加投影区域完全覆盖异形隧道的矩形内截面（参见图13中所示的预制异形管节15），以使异形掘进机在开挖过程中无盲区。三组刀盘中：第一个刀盘组包括一个居中设置且半径为d1的第一刀盘11；第二个刀盘组包括两个设置在第一刀盘11上部两侧且半径为d2的第二刀盘13；第三个刀盘组包括两个设置在第一刀盘11下部两侧且半径为d2的第三刀盘12；其中，第一刀盘11同第二刀盘13以及第三刀盘12之间在轴向垂直投影面上均存在部分叠合的情况，且第二刀盘13与第三刀盘12之间也在轴向垂直投影面上存在不喝叠合的情况。此外，第二刀盘13与第一刀盘11的上缘部齐平，第三刀盘12与第一刀盘11的下缘部齐
平。
35.实施例3：如图15、16所示，本实施例具体涉及一种零盲区异形掘进机及其施工方法，该异形掘进机与实施例1之间的不同之处在于刀盘机构上刀盘组合形式的不同，其余结构以及施工方法相同。
36.本实施例中，刀盘机构同样包括三组设置在不同平面上的刀盘组，包括采用两个第一刀盘17的第一个刀盘组，采用四个第二刀盘16的第二个刀盘组，采用六个第三刀盘18的第三个刀盘组，刀盘组在异形壳体19前端面上的叠加投影区域完全覆盖异形隧道的矩形内截面，以使异形掘进机在开挖过程中无盲区。