隧道施工方法及盾构机.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202011095493.3 (22)申请日 2020.10.14 (71)申请人 中铁工程装备集团有限公司 地址 450016 河南省郑州市经济技术开发 区第六大街99号 (72)发明人 阴书玉袁文征贺开伟郑康泰 张伟强徐儒村苏志学 (74)专利代理机构 郑州优盾知识产权代理有限 公司 41125 代理人 高园 (51)Int.Cl. E21D 9/00(2006.01) E21D 9/12(2006.01) E21D 9/08(2006.01) (54)发明名称 一种隧道施工。

2、方法及盾构机 (57)摘要 本发明提出一种隧道施工方法及盾构机， 该 施工方法， 包括泥水破碎模式和土压模式， 土压 模式下， 渣土依次经过螺旋输送机、 皮带机进行 排渣； 在泥水破碎模式下， 泥浆经过进浆管进入 盾体的土仓内， 然后携带渣土依次经过螺旋输送 机、 破碎机、 排浆管进行排渣。 该盾构机包括盾 体， 盾体内设有泥水平衡系统和土压平衡系统， 土压平衡系统包括螺旋输送机， 所述的螺旋输送 机与破碎机可拆卸连接， 螺旋输送机的后端存储 有皮带机。 本发明的有益效果： 该盾构机可进行 模式切换 （即拆除破碎机及其附属管路， 安装皮 带机） 在低水压地层实现高效土压掘进； 同时在 土压模式。

3、的基础上也可一键切换至直排管泥水 模式进行掘进。 权利要求书1页 说明书5页 附图11页 CN 111997631 A 2020.11.27 CN 111997631 A 1.一种隧道施工方法， 包括泥水破碎模式， 其特征在于： 还包括土压模式， 将泥水破碎 模式切换为土压模式时， 将破碎机 （7） 拆除， 安装螺旋输送机 （6） 后端的皮带机 （9） ， 土压模 式下， 渣土依次经过螺旋输送机 （6） 、 皮带机 （9） 进行排渣； 将土压模式切换为泥水破碎模式 时， 将皮带机 （9） 拆除， 安装螺旋输送机 （6） 排渣口处的破碎机 （7） ， 在泥水破碎模式下， 泥浆 经过进浆管 （4）。

4、 进入盾体 （2） 的土仓内， 然后携带渣土依次经过螺旋输送机 （6） 、 破碎机 （7） 、 排浆管 （5） 进行排渣。 2.根据权利要求1所述的隧道施工方法， 其特征在于： 还包括泥水直排模式， 泥水直排 模式切换为泥水破碎模式时， 启动螺旋输送机 （6） 和破碎机 （7） ； 泥水破碎模式切换为泥水 直排模式时， 关闭螺旋输送机 （6） 和破碎机 （7） ， 在泥水直排模式下， 泥浆经过进浆管 （4） 进 入盾体 （2） 的土仓内， 然后携带渣土经过排浆管 （5） 进行排渣。 3.一种盾构机， 包括盾体 （2） ， 盾体 （2） 内设有泥水平衡系统和土压平衡系统， 泥水平衡 系统和土压平。

5、衡系统包括螺旋输送机 （6） ， 其特征在于： 所述的螺旋输送机 （6） 与破碎机 （7） 可拆卸连接， 螺旋输送机 （6） 的后端存储有皮带机 （9） 。 4.根据权利要求3所述的盾构机， 其特征在于： 所述的泥水平衡系统包括进浆管 （4） 和 排浆管 （5） ， 进浆管 （4） 和排浆管 （5） 均伸至土仓内， 破碎机 （7） 与排浆管 （5） 连通。 5.根据权利要求3所述的盾构机， 其特征在于： 所述的螺旋输送机 （6） 的后端设在一号 拖车 （8） 上， 皮带机 （9） 存储在一号拖车 （8） 上。 6.根据权利要求3或5所述的盾构机， 其特征在于： 所述的螺旋输送机 （6） 的前端。

6、通过关 节轴承与盾体 （2） 上的螺旋输送机座连接， 螺旋输送机 （6） 的后端通过支撑座 （601） 连接在 一号拖车 （8） 上。 7.根据权利要求3所述的盾构机， 其特征在于： 所述的螺旋输送机 （6） 与伸缩装置连接。 8.根据权利要求3或5所述的盾构机， 其特征在于： 所述的破碎机 （7） 与一号拖车 （8） 活 动配合。 9.根据权利要求8所述的盾构机， 其特征在于： 所述的破碎机 （7） 上设有行走轮 （701） ， 行走轮 （701） 在平台轨道 （801） 行走， 平台轨道 （801） 设在一号拖车 （8） 上。 10.根据权利要求3或5所述的盾构机， 其特征在于： 所述的皮。

7、带机 （9） 存储在一号拖车 （8） 的上部。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111997631 A 2 一种隧道施工方法及盾构机 技术领域 0001 本发明涉及隧道施工设备， 特别是指一种隧道施工方法及盾构机。 背景技术 0002 随着国内隧道施工越来越多， 单一模式的盾构机已经不能完全满足日益增多的复 杂多变地质施工要求。 泥水盾构机凭借施工安全、 地表沉降控制良好等优点在高水压 （ 3bar） 突泥突水等复杂地层广泛应用， 然而当开挖隧道内存在大量大直径卵石破碎带时， 大 卵石将无法直接从泥水管道中排出， 泥水盾构极有可能出现堵仓滞排等不利现象。 0003 针对此情况， 目前没有很好。

8、的解决方案， 通常施工人员只能进仓处理大卵石， 极大 程度影响施工效率及安全。 同时与泥水盾构机相比， 土压盾构凭借掘进效率高、 施工成本低 等在低压地层 （3bar） 广泛应用。 针对掘进区间水压不定、 存在大量卵石破碎带等复杂多 变地质， 亟需设计一种具有土压功能的泥水双通道盾构机。 0004 如名称为 “双模式掘进机” ， 申请号为2015102617068的发明专利申请， 其公开了一 种泥水双模式盾构机， 不能实现土压模式下的掘进， 局限隧道掘进方式， 影响了隧道施工效 率。 发明内容 0005 本发明提出一种隧道施工方法及盾构机， 具备气垫+直排泥水模式及螺旋机采石+ 破碎机+管路泥。

9、水模式在线并联无缝切换特点， 能够满足高水压地层掘进的需求又能够解 决因破碎地层、 大直径卵石等导致的堵仓滞排问题， 同时可以通过模式切换完成土压模式 的快速掘进要求。 0006 本发明的技术方案是这样实现的： 一种隧道施工方法， 包括泥水破碎模式和土压 模式， 将泥水破碎模式切换为土压模式时， 将破碎机拆除， 安装螺旋输送机后端的皮带机， 土压模式下， 渣土依次经过螺旋输送机、 皮带机进行排渣； 将土压模式切换为泥水破碎模式 时， 将皮带机拆除， 安装螺旋输送机排渣口处的破碎机， 在泥水破碎模式下， 泥浆经过进浆 管进入盾体的土仓内， 然后携带渣土依次经过螺旋输送机、 破碎机、 排浆管进行排。

10、渣。 0007 还包括泥水直排模式， 泥水直排模式切换为泥水破碎模式时， 启动螺旋输送机和 破碎机； 泥水破碎模式切换为泥水直排模式时， 关闭螺旋输送机和破碎机， 在泥水直排模式 下， 泥浆经过进浆管进入盾体的土仓内， 然后携带渣土经过排浆管进行排渣。 0008 一种盾构机， 包括盾体， 盾体内设有泥水平衡系统和土压平衡系统， 土压平衡系统 包括螺旋输送机， 所述的螺旋输送机与破碎机可拆卸连接， 螺旋输送机的后端存储有皮带 机。 0009 所述的盾体的前端设有刀盘， 盾体内设有驱动刀盘的主驱动。 0010 所述的泥水平衡系统包括进浆管和排浆管， 进浆管和排浆管均伸至土仓内， 破碎 机与排浆管连。

11、通。 0011 所述的排浆管位于螺旋输送机的两侧。 说明书 1/5 页 3 CN 111997631 A 3 0012 所述的螺旋输送机的后端设在一号拖车上， 皮带机存储在一号拖车上。 0013 所述的螺旋输送机的前端通过关节轴承与盾体上的螺旋输送机座连接， 螺旋输送 机的后端通过支撑座连接在一号拖车上。 0014 所述的螺旋输送机与伸缩装置连接。 0015 所述的破碎机与一号拖车活动配合。 0016 所述的破碎机为颚式破碎机。 0017 所述的破碎机上设有行走轮， 行走轮在平台轨道行走， 平台轨道设在一号拖车上。 0018 所述的皮带机存储在一号拖车的上部。 0019 所述的盾体的前部设有土。

12、仓， 土仓的底部设有出渣门。 0020 所述的出渣门为蝴蝶出渣门。 0021 本发明实现的功能或目的： 该泥水双通道盾构机在小颗粒均质地层采用直排管路 的泥水模式 （通过开挖仓底部直排管路出渣， 经排浆泵、 排浆管输送至洞外） 进行出渣， 提高 出渣效率， 即泥水通道一； 在大卵石破碎带等复合地层， 采用螺旋输送机采石+破碎机碎石+ 管路的泥水模式进行出渣， 即泥水通道二， 解决堵管滞排问题， 无需拆换任何设备即可实现 两种模式的无缝切换。 0022 本发明的有益效果： 该盾构机可进行模式切换 （即拆除破碎机及其附属管路， 安装皮带机） 在低水压地层实 现高效土压掘进； 同时在土压模式的基础上。

13、也可一键切换至直排管泥水模式进行掘进。 附图说明 0023 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案， 下面将对实施例或现 有技术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。 0024 图1为本发明泥水通道一 （直排管） 掘进模式图。 0025 图2为本发明泥水通道二 （螺旋输送机+破碎机+排浆管） 掘进模式图。 0026 图3为图2的A-A向视图。 0027 图4为图2的B-B向视图。 0028 图5为本发明泥水通道二 （螺旋输送机+。

14、皮带机） 掘进模式图。 0029 图6为本发明泥水破碎模式切换为土压模式图一。 0030 图7为本发明泥水破碎模式切换为土压模式图二。 0031 图8为本发明泥水破碎模式切换为土压模式图三。 0032 图9为本发明泥水破碎模式切换为土压模式图四。 0033 图10为本发明泥水破碎模式切换为土压模式图五。 0034 图11为本发明泥水破碎模式切换为土压模式图六。 0035 图12为本发明泥水破碎模式切换为土压模式图七。 0036 图13为本发明土压模式切换为泥水破碎模式图一。 0037 图14为本发明土压模式切换为泥水破碎模式图二。 0038 图15为本发明土压模式切换为泥水破碎模式图三。 说明。

15、书 2/5 页 4 CN 111997631 A 4 0039 图16为本发明土压模式切换为泥水破碎模式图四。 0040 图17为本发明土压模式切换为泥水破碎模式图五。 0041 图18为本发明土压模式切换为泥水破碎模式图六。 0042 图19为本发明土压模式切换为泥水破碎模式图七。 0043 图20为本发明泥水破碎模式切换为泥水直排模式图一。 0044 图21为本发明泥水破碎模式切换为泥水直排模式图二。 0045 图22为本发明泥水破碎模式切换为泥水直排模式图三。 0046 图23为本发明泥水破碎模式切换为泥水直排模式图四。 0047 图中： 1-刀盘； 2-盾体； 3-主驱动； 4-进浆管。

16、； 5-排浆管； 6-螺旋输送机； 7-破碎机； 8-一号拖车； 9-皮带机； 10-出渣门； 601-支撑座； 701-行走轮； 801-平台轨道。 具体实施方式 0048 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。 0049 一种隧道施工方法， 包括泥水直排模式、 泥水破碎模式和土压模式。 0050 如图1319所示， 将泥水破碎模式切换为土压模式时。 。

17、如图13所示， 监测土仓 （此模 式下等于泥水仓） 和气垫仓压力波动情况。 如图14所示， 进浆管4和排浆管5通过旁通管连 通， 将环流系统切换为旁通模式。 0051 为确保后续土压模式转泥水破碎模式各管路通畅， 气垫仓内渣土不堆积， 需做好 相应防堵措施， 具体步骤如下： 如图15所示， 环流系统由旁通模式切换至气垫仓底部洗仓模 式； 监测土仓和气垫仓压力波动情况。 如图16所示， 关闭联通管路上刀闸， 切断土仓和气垫 仓联通管； 关闭气垫仓保压系统， 气垫仓恢复常压； 监测土仓压力波动情况， 必要时启动维 修保压模式， 对土仓进行适当补充泥浆， 稳定土仓压力； 清理气垫仓渣土， 泥浆管路内。

18、注入 盾尾油脂做好防堵措施等。 0052 然后盾构机开始缓慢掘进， 土仓逐渐进行堆渣， 具体步骤如下： 如图17所示， 环流 系统切换至破碎机进浆螺旋输送机排渣模式， 排浆管进行排渣， 泥浆循环运行； 监测土仓压 力波动情况， 必要时往土仓进浆补充泥浆， 稳定土仓压力。 如图18所示， 盾构机缓慢推进， 土 仓缓慢堆渣； 开启螺旋输送机观察孔球阀， 或打开中盾顶部呼吸管， 观察出浆情况， 确保螺 旋输送机内储满稠渣土， 达到不喷浆的标准， 必要时注入稠泥浆。 如图19所示， 土仓和螺旋 输送机内渣土堆积完成后， 关闭螺旋输送机闸门； 拆卸破碎机7， 安装倾斜段的皮带机9； 开 启出渣门， 查看。

19、螺旋输送机出口喷浆情况， 做好应对措施； 缓慢转动螺旋输送机轴， 进行皮 带机出渣； 完成泥水破碎模式转土压模式， 土压模式下， 渣土依次经过螺旋输送机6、 皮带机 9进行排渣。 0053 如图612所示， 将土压模式切换为泥水破碎模式时， 监控泥水压力波动情况， 趋于 稳定后， 盾构机各个系统停止工作， 螺旋输送机停转， 关闭出渣门。 拆除倾斜段的皮带机9， 安装破碎机7及相关泥浆系统元器件。 0054 确保环流系统管路、 泥浆泵及相关阀工作正常， 环流系统旁通模式正常运行， 具体 说明书 3/5 页 5 CN 111997631 A 5 步骤如下： 运行环流系统旁通模式， 直到环流系统管路。

20、压力、 流量等稳定。 开启破碎机进浆 球阀， 泥浆从破碎机内循环运行， 系统管路压力稳定后， 关闭旁通球阀， 控制泵转速调节流 量、 稳定压力。 刀盘低速转动； 将螺旋输送机轴伸出至土仓底部， 开启出渣门， 缓慢转动螺旋 输送机； 监测土仓压力波动情况， 避免压力波动过大， 控制进浆流量和螺旋输送机出渣量； 螺旋输送机排渣进入破碎机内； 环流系统循环运行， 通过泥浆泵泵送至隧道外。 0055 持续小流量进浆排渣， 稳定置换土仓渣土为稠泥浆， 具体步骤如下： 环流系统持续 小流量进浆， 螺旋输送机、 排浆泵排浆出渣； 直到置换土仓渣土为稠泥浆， 通过螺旋输送机 观察口或中盾顶部的呼吸管路开启球阀。

21、观察出浆， 判断渣土置换情况。 通过保压系统设置 气垫仓压力与土仓压力相平衡的压力值； 环流系统往气垫仓加入适当液位泥浆； 压力稳定 后， 开启联通管路上刀闸， 联通土仓和气垫仓， 直到气垫仓压力稳定土仓压力； 螺旋输送机 转动出渣进破碎机， 稀释后由排浆泵输送泥浆出渣； 完成由土压模式转为泥水模式， 在泥水 破碎模式下， 泥浆经过进浆管4进入盾体2的土仓内， 然后携带渣土依次经过螺旋输送机6、 破碎机7、 排浆管5进行排渣。 0056 泥水模式具备两种排浆通道， 一种是泥水直排模式， 另一种是泥水破碎模式， 无需 拆换任何设备即可进行两种排浆方式的无缝切换。 如图2023所示， 如下是泥水破。

22、碎模式切 换为泥水直排模式时具体步骤： 盾构机在泥水破碎模式下掘进； 排渣方式为螺旋输送机出 渣至破碎机， 破碎机内破碎稀释， 后由排浆泵、 排浆管输送至洞外。 然后停止掘进， 螺旋输送 机停止转动， 关闭出渣门； 进浆管往破碎机进浆循环， 清洗破碎机。 由破碎机洗箱冲刷切换 至旁通模式； 直到环流系统管路压力、 流量等稳定； 检查土仓直排管是否通畅， 监测土仓压 力波动情况， 由旁通模式切换至土仓、 气垫仓进浆的掘进模式； 开启盾体内土仓直排管路上 的球阀， 进行循环排渣。 在泥水直排模式下， 泥浆经过进浆管4进入盾体2的土仓内， 然后携 带渣土经过排浆管5进行排渣。 0057 如图1、 2。

23、和5所示， 一种具有土压功能的泥水双通道盾构机， 包括刀盘1、 盾体2、 主 驱动3、 进浆管4、 排浆管5、 螺旋输送机6、 破碎机7、 一号拖车8、 皮带机9和出渣门10。 0058 盾体2为承载水土压力的壳体。 刀盘1设在盾体2的前端， 用于挖掘土体。 主驱动3设 在盾体2内部， 用于驱动刀盘1旋转。 盾体2的前端设有土仓和气垫仓， 土仓和气垫仓与泥水 平衡系统、 土压平衡系统配合， 实现双模式切换的掘进功能。 0059 泥水平衡系统包括进浆管4、 排浆管5和螺旋输送机6， 进浆管4和排浆管5均伸至土 仓内， 能够实现泥水循环的直排管掘进模式。 排浆管5位于螺旋输送机6的两侧， 以便在底。

24、部 将空间错开。 0060 土压平衡系统包括螺旋输送机6、 破碎机7和皮带机9， 螺旋输送机6通过螺栓与破 碎机7可拆卸连接， 螺旋输送机6的后端设在一号拖车8上， 一号拖车8上存储有皮带机9， 能 够根据地质不同， 选择破碎机或皮带机布置在螺旋输送机的后部。 0061 螺旋输送机6的前端通过关节轴承与盾体2上的螺旋输送机座连接， 螺旋输送机6 的后端通过支撑座601连接在一号拖车8上。 盾构机上下坡及左右转弯时可利用螺旋输送机 前部关节轴承实现随一号拖车整体运动。 0062 如图4所示， 破碎机7为颚式破碎机， 破碎机7与一号拖车8活动配合， 破碎机7上设 有行走轮701， 行走轮701在平。

25、台轨道801行走， 平台轨道801设在一号拖车8上， 方便破碎机 在一号拖车上方行走。 皮带机9存储在一号拖车8的上部， 使得皮带机尾部总成存储在一号 说明书 4/5 页 6 CN 111997631 A 6 拖车上部。 0063 螺旋输送机6与伸缩装置连接， 伸缩装置控制螺旋输送机伸入或者退出土仓。 如图 3所示， 土仓的底部设有出渣门10， 出渣门10为蝴蝶出渣门， 在进行泥水循环的直排管掘进 模式下， 关闭出渣门保证土仓的封闭。 0064 如图1所示， 在泥水双通道模式下， 盾构机掘进至小颗粒高水压地层 （全断面岩层、 圆砾、 软土、 全风化岩层等） 时， 可利用泥水通道一 （直排管） 。

26、进行高效掘进， 即由泥水通道二 转换为泥水通道一的具体操作为： 泥水通道二停止掘进， 螺栓输送机停止转动， 螺栓输送 机6利用伸缩油缸从土仓底部缩回； 关闭螺旋机前部出渣门； 打开排浆管闸阀； 调试 掘进。 0065 如图2所示， 在泥水双通道模式下， 盾构机掘进至大卵石破碎带等复合地层时， 可 利用泥水通道二 （螺旋输送机+破碎机+泥浆管路） 进行排石出渣掘进， 即由泥水通道一转换 为泥水通道二的具体操作为： 泥水通道一停止掘进， 关闭排浆管闸阀； 打开螺栓输送机 前部出渣门； 螺旋输送机6利用伸缩油缸伸进土仓底部， 螺栓输送机转动； 调试掘进。 0066 如图5所示， 当盾构机处于低水压稳。

27、定地层时， 盾构机可进行模式转换实现经济高 效的土压模式掘进， 即由泥水双通道模式转换到土压模式的具体操作为： 螺旋输送机6利 用伸缩油缸伸进土仓底部； 将存储在一号拖车顶部的皮带机进行延伸， 安装在螺旋机出 渣口； 调试掘进。 该土压模式下也可一键切换到直排管泥水模式掘进， 即双通道泥水盾构 机转换为土压/泥水盾构机。 0067 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。 说明书 5/5 页 7 CN 111997631 A 7 图1 图2 图3 说明书附图 1/11 页。

28、 8 CN 111997631 A 8 图4 图5 说明书附图 2/11 页 9 CN 111997631 A 9 图6 图7 说明书附图 3/11 页 10 CN 111997631 A 10 图8 图9 说明书附图 4/11 页 11 CN 111997631 A 11 图10 图11 说明书附图 5/11 页 12 CN 111997631 A 12 图12 图13 说明书附图 6/11 页 13 CN 111997631 A 13 图14 图15 说明书附图 7/11 页 14 CN 111997631 A 14 图16 图17 说明书附图 8/11 页 15 CN 111997631 A 15 图18 图19 说明书附图 9/11 页 16 CN 111997631 A 16 图20 图21 说明书附图 10/11 页 17 CN 111997631 A 17 图22 图23 说明书附图 11/11 页 18 CN 111997631 A 18 。