土压平衡泥水输送式行星单刀盘方形顶管机及其施工方法

技术领域

本发明涉及隧道施工领域，特指一种土压平衡泥水输送式行星单刀盘方形顶管机及其施工方法。

背景技术

管幕工法，也叫排管顶进法，是利用小口径顶管机建造大断面地下空间的施工技术，是一种新型的地下暗挖技术。目前大部分管幕顶管施工工程中，其管幕结构多采用圆形钢管结构，该管幕结构中的圆形钢管之间不能协同工作且仅为单向受力，支护效率较差。现有技术的管幕施工中顶管机的出土形式为螺旋机出土或者泥水输送，螺旋机出土结构复杂，顶管机内部操作空间要求大，小断面管幕施工采用螺旋机出土成本较大、容易出故障且不易维修；泥水输送出土效果明显但对泥水平衡的控制精度要求较高，且开挖处地面容易出现沉降。

发明内容

本发明提供了一种土压平衡泥水输送式行星单刀盘方形顶管机及其施工方法，解决了现有技术中管幕施工过程中泥水输送出土的排浆管路易堵塞的技术问题。

本发明的土压平衡泥水输送式行星单刀盘方形顶管机，包括：

辐条式的单刀盘，设于该顶管机的前端的土仓，该单刀盘的每一个辐条的背面均固定有第一搅拌棒，该第一搅拌棒分别位于偏离该单刀盘的自转中心的位置，该土仓上连接有供水管路，该供水管路设有控制供水的水泵，该土仓远离该单刀盘的一侧的背板设有第一转盘，该第一转盘与该土仓的背板通过密封结构密封，该单刀盘与该第一转盘和行星驱动装置联接，该第一转盘上固定有多个第二搅拌棒；

用于带动该单刀盘公转和自转运动进行全断面行星式切削的行星驱动装置；

泥水仓，设置于该土仓的背面且与该土仓内部连通，该泥水仓上连接有用于将泥浆输送至地面的排浆管路，该排浆管路设有控制排浆的泥浆泵；

用于分别驱动供水和排浆的无极变速电机，该无极变速电机连接于该水泵和该泥浆泵。

本发明土压平衡泥水输送式行星单刀盘方形顶管机进一步改进在于，该第二搅拌棒的数量为多个，多个该第一搅拌棒至所在刀盘的自转中心的距离相等，该第二搅拌棒到该第一转盘的转动中心的距离大于该第一搅拌棒到该刀盘的自转中心的距离。

本发明土压平衡泥水输送式行星单刀盘方形顶管机进一步改进在于，该土仓内的四个角部均至少设置有一个土压传感器。

本发明土压平衡泥水输送式行星单刀盘方形顶管机进一步改进在于，该泥水仓下方开设有排浆口，该排浆管路的入口与该排浆口连通，该排浆口处设有水压传感器。

本发明土压平衡泥水输送式行星单刀盘方形顶管机进一步改进在于，该泥水仓远离该土仓的一侧的背板设有第二转盘，该第二转盘与该泥水仓的背板通过密封结构密封，该转盘的转动中心固定联接于该单刀盘的公转中心，该第二转盘面向该土仓的一侧且靠近边缘位置处固定有多个第三搅拌棒。

本发明还包括一种上述的土压平衡泥水输送式行星单刀盘方形顶管机的施工方法，包括：

该单刀盘在该行星驱动装置的驱使下公转和自转运动，以行星式轨迹进行全断面切削土仓区土体施工；同时，无极变速电机控制水泵，使水泵通过供水管路向该土仓内进行供水，配合固定在该单刀盘背面的第一搅拌棒和固定在该第一转盘上的多个第二搅拌棒将土仓区的土体搅拌稀释呈泥浆；

搅拌稀释后的泥浆流入泥水仓，无极变速电机控制泥浆泵，使泥浆泵通过排浆管路将该泥水仓中的泥浆输送至地面；

其中，该无极变速电机通过控制该水泵和该泥浆泵的进排量控制土仓区的土压平衡。

本发明土压平衡泥水输送式行星单刀盘方形顶管机施工方法进一步改进在于，该土仓内的四个角部均至少设置有一个土压传感器；

该泥水仓下方开设有排浆口，该排浆管路的入口与该排浆口连通，该排浆口处设有水压传感器；

在该无极变速电机通过控制该水泵和该泥浆泵的进排量控制土仓区的土压平衡的过程中，通过该土压传感器测量及反馈土仓内的土压，通过该水压传感器测量及反馈泥水仓内的水压，该无极变速电机根据反馈的土压和水压来控制该水泵和该泥浆泵的进排量。

本发明和已有技术相比较，其效果是积极和明显的。本发明通过无极变速驱动电机控制壳体内的土压平衡，解决了现有技术中管幕施工过程中泥水输送出土的排浆管路易堵塞的技术问题。该顶管机有效将土体转化成泥浆并顺利通过泵送排出，能够保证土压平衡的建立和泥浆的顺利输送，能有效控制掘进过程中地面沉降，将提升施工质量和施工效率。

附图说明

图1为本发明的土压平衡泥水输送式行星单刀盘方形顶管机的整体结构示意图。

图2为本发明的土压平衡泥水输送式行星单刀盘方形顶管机的整体剖面图。

图3为本发明的土压平衡泥水输送式行星单刀盘方形顶管机的整体剖面立体图。

图4为本发明的土压平衡泥水输送式行星单刀盘方形顶管机的侧视图。

图5为本发明的土压平衡泥水输送式行星单刀盘方形顶管机的单刀盘背面图。

图6为本发明的土压平衡泥水输送式行星单刀盘方形顶管机的土仓剖面图。

图7为本发明的土压平衡泥水输送式行星单刀盘方形顶管机的泥水仓剖面立体图。

图8为本发明的土压平衡泥水输送式行星单刀盘方形顶管机的单刀盘削切轨迹图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

如图1、图2、图3和图5所示，本发明的土压平衡泥水输送式行星单刀盘2方形顶管机，包括：

辐条式的单刀盘2，设于该顶管机的前端的土仓3，该单刀盘2的每一个辐条的背面均固定有第一搅拌棒8，该第一搅拌棒8分别位于偏离该单刀盘2的自转中心的位置，该土仓3上连接有供水管路，该供水管路设有控制供水的水泵，该土仓3远离该单刀盘2的一侧的背板设有第一转盘10，该第一转盘10与该土仓3的背板通过密封结构密封，该单刀盘2与该第一转盘10和行星驱动装置联接，该第一转盘10上固定有多个第二搅拌棒11；

用于带动该单刀盘2公转和自转运动进行全断面行星式切削的行星驱动装置；

泥水仓4，设置于该土仓3的背面且与该土仓3内部连通，该泥水仓4上连接有用于将泥浆输送至地面的排浆管路，该排浆管路设有控制排浆的泥浆泵；

用于分别驱动供水和排浆的无极变速电机，该无极变速电机连接于该水泵和该泥浆泵。

如图4和图8所示，该单刀盘2由三个辐条式的刀条组成，该单刀盘2由行星驱动装置驱动做公转和自转的运动，该行星驱动装置为现有技术，详细可参考公开号为CN105422109B的中国专利文件，行星驱动装置通过与大齿轮联接，大齿轮啮合有一个小齿轮，小齿轮上固定有一个轴承，泥水仓远离土仓一侧的背板上的第二转盘与轴承固定，土仓远离刀盘一侧的背板上的第一转盘也与轴承固定，轴承远离小齿轮的一端固定单刀盘，行星驱动装置驱动与大齿轮转动，使小齿轮围绕大齿轮公转并同时进行自转，且轴承带动转盘进行转动的同时带动刀盘进行公转和自转，从而进行全断面的切削工作，使得单刀盘2的移动轨迹布满削切的断面，在均匀削切土地前进的同时，刀盘背面的第一搅拌棒8也随这个轨迹在土仓3的整个断面上进行搅拌，使刀盘削切至土仓3内的土充分的搅散，再由供水管路的水稀释成泥浆流入泥水仓4内，在泥水仓4内进一步混合均匀，再从排浆管路排出。进一步地，可在该顶管机的顶部设置备用供水管路和排浆管路，以提高顶管机在常用供水管路和排浆管路出现故障时进行替换，保证施工的稳定进行。该顶管机通过无极变速电机驱动水泵和泥浆泵进行供水及排出泥浆的工作，以及时的控制土仓区的土压平衡，避免开挖过程破坏了土体原有的土压平衡，导致地面沉降。现有技术中的管幕顶管施工的管幕结构多采用圆形钢管结构，该管幕结构中钢管之间不能协同工作且仅为单向受力，支护效率较差。该顶管机适用于束合管幕的施工，束合管幕工法横向预应力矩形钢管管幕结构，即采用矩形钢管，并通过沿环向施加预应力，使其各个钢管之间协同受力，并双向承载，达到减小构件尺寸、提高管幕结构的整体刚度和承载能力的效果。该顶管机的壳体1为矩形，在采用矩形钢管的管幕顶管施工中更加方便，开挖的断面即为矩形，与矩形钢管高度适配。

优选的，该第二搅拌棒11的数量为多个，多个该第一搅拌棒8至所在刀盘2的自转中心的距离相等，该第二搅拌棒11到该第一转盘10的转动中心的距离大于该第一搅拌棒8到该刀盘2的自转中心的距离。

多个第一搅拌棒8均固定在刀盘背面，在刀盘的运行过程中即可因刀盘轨迹复杂布满削切面的原因，而使土仓3内的土尽可能达到更加均匀的程度。多个第二搅拌棒11设置在第一搅拌棒8的搅拌轨迹涉及不到的位置，以使第一搅拌棒8搅拌不到的位置随着第一转盘10的转动进一步充分搅拌。

优选的，如图6所示，该土仓3内的四个角部均至少设置有一个土压传感器5。

该土压传感器5可实时测量土仓3土压力，并反馈至无极变速电机，从而使无极变速电机及时调节驱动力，以保持土压平衡。

优选的，如图7所示，该泥水仓4下方开设有排浆口，该排浆管路的入口与该排浆口7连通，该排浆口7处设有水压传感器。

本实施例中，该排浆口7的数量为两个，两个该排浆口7处均设有水压传感器。该水压传感器可实时测量泥土仓3泥水压力，并反馈至无极变速电机，从而使无极变速电机及时调节驱动力，以保持开挖内部的土压平衡。

优选的，该泥水仓4远离该土仓3的一侧的背板设有第二转盘9，该第二转盘9与该泥水仓4的背板通过密封结构密封，该转盘的转动中心固定联接于该单刀盘2的公转中心，该第二转盘9面向该土仓3的一侧且靠近边缘位置处固定有多个第三搅拌棒6。

该第二转盘9可转动地固定于泥水仓4的后端面，其绕顶管机的轴线旋转，多个第三搅拌棒6均平行于顶管机设置，在第二转盘9旋转时，带动搅拌棒对泥浆进行搅拌，以防止泥浆固化，保证泥浆顺利排出。

本发明还提供了一种上述的土压平衡泥水输送式行星单刀盘2方形顶管机的施工方法，包括：

该单刀盘2在该行星驱动装置的驱使下公转和自转运动，以行星式轨迹进行全断面切削土仓区土体施工；同时，无极变速电机控制水泵，使水泵通过供水管路向该土仓3内进行供水，配合固定在该单刀盘2背面的第一搅拌棒8和固定在该第一转盘10上的多个第二搅拌棒11将土仓区的土体搅拌稀释呈泥浆；

搅拌稀释后的泥浆流入泥水仓4，无极变速电机控制泥浆泵，使泥浆泵通过排浆管路将该泥水仓4中的泥浆输送至地面；

其中，该无极变速电机通过控制该水泵和该泥浆泵的进排量控制土仓区的土压平衡。

优选的，该土仓3内的四个角部均至少设置有一个土压传感器5；

该泥水仓4下方开设有排浆口，该排浆管路的入口与该排浆口连通，该排浆口处设有水压传感器；

在该无极变速电机通过控制该水泵和该泥浆泵的进排量控制土仓区的土压平衡的过程中，通过该土压传感器5测量及反馈土仓3内的土压，通过该水压传感器测量及反馈泥水仓4内的水压，该无极变速电机根据反馈的土压和水压来控制该水泵和该泥浆泵的进排量。

由无极变速电机通过控制该水泵和该泥浆泵的进排量控制土仓区的土压平衡的方式，尤其适用于在土层效薄的区域进行开挖的情况，精确地控制地面沉降，同时顺利进行土体的排出作业。

本发明通过无极变速驱动电机控制壳体内的土压平衡，解决了现有技术中管幕施工过程中泥水输送出土的泥水平衡不易控制的技术问题。该顶管机有效将土体转化成泥浆并顺利通过泵送排出，能够保证土压平衡的建立和泥浆的顺利输送，能有效控制掘进过程中地面沉降，将提升施工质量和施工效率。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。