(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 CN 110656944 A(43)申请公布日 2020.01.07
(21)申请号 201910958626.6(22)申请日 2019.10.10
(71)申请人 中国铁建重工集团股份有限公司
地址 410100 湖南沙沙经济技术
开发区东七线88号
申请人 中水北方勘测设计研究有限责任公
司(72)发明人 刘飞香 杜雷功 程永亮 洪松
彭正阳 隋世军 唐崇茂 王伟 范文军 任鑫龙 邵质中 (74)专利代理机构 北京集佳知识产权代理有限
公司 11227
代理人 徐丽(51)Int.Cl.
E21D 9/06(2006.01)
权利要求书1页 说明书5页 附图4页
E21D 9/08(2006.01)E21D 9/093(2006.01)E21D 11/08(2006.01)
CN 110656944 A(54)发明名称
一种单护盾TBM(57)摘要
本发明公开了一种单护盾TBM，包括护盾和
中盾和盾尾，前盾和中推进油缸，护盾包括前盾、
盾固定连接，中盾和盾尾固定连接，前盾包括前面板和后面板，推进油缸的缸筒端面与前面板相连，推进油缸的活塞杆用于在推进过程中压紧管片，以提供推进反力。该单护盾TBM的前盾和中盾固定连接，相比于现有技术中前盾与中盾通过铰接油缸连接，减小了护盾的长度。另外，将推进油缸的缸筒端面与前面板相连，相比于现有技术将推进油缸设置在后面板上，进一步减小了单护盾TBM的主机长度。在进行破碎带或软岩大变形等不良地质洞段施工时，该单护盾TBM可快速高效地通过，从而减少了破碎带裸露的时间，并降低了软岩大变形对单护盾TBM造成卡机的风险。
CN 110656944 A
权 利 要 求 书
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1.一种单护盾TBM，其特征在于，包括护盾(1)和推进油缸(2)，所述护盾(1)包括前盾(11)、中盾(12)和盾尾(13)，所述前盾(11)和所述中盾(12)固定连接，所述中盾(12)和所述盾尾(13)固定连接，所述前盾(11)包括前面板(111)和后面板，所述推进油缸(2)的缸筒端面与所述前面板(111)相连，所述推进油缸(2)的活塞杆用于在推进过程中压紧管片(9)，以提供推进反力。
2.根据权利要求1所述的单护盾TBM，其特征在于，所述前盾(11)设有前盾法兰(112)，所述中盾(12)设有中盾法兰，所述前盾法兰(112)和所述中盾法兰之间设有密封圈，且两者通过螺栓固定连接。
3.根据权利要求2所述的单护盾TBM，其特征在于，所述前盾(11)内设有用于加强所述前盾(11)的强度的加强板(113)，所述前面板(111)与所述加强板(113)之间设有第一筋板(114)，所述前盾法兰(112)与所述加强板(113)之间设有第二筋板(115)。
4.根据权利要求1-3任一项所述的单护盾TBM，其特征在于，所述前盾(11)内用于驱动刀盘(3)旋转的主驱动(4)包括一体化电机(41)。
5.根据权利要求4所述的单护盾TBM，其特征在于，所述中盾(12)内用于与管片拼装机(5)的托梁(51)相连的H架(121)预留有用于供所述一体化电机(41)伸入的安装空间。
6.根据权利要求5所述的单护盾TBM，其特征在于，所述H架(121)的横梁为圆弧形横梁，以让位所述一体化电机(41)。
7.根据权利要求4所述的单护盾TBM，其特征在于，所述推进油缸(2)的推进行程为用于在使用六边形管片错边搭接支护时推进半环管片宽度的距离乘以安全系数。
8.根据权利要求4所述的单护盾TBM，其特征在于，所述中盾(12)设有用于与注浆机相连以对超前地层进行加固的超前注浆口(122)。
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说 明 书一种单护盾TBM
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技术领域
[0001]本发明涉及隧道施工设备技术领域，更具体地说，涉及一种单护盾TBM。
背景技术
[0002]深埋长隧洞一般采用TBM施工，但迄今为止，尚无适用于复杂地质条件深埋长隧洞的TBM机型。
[0003]单护盾TBM的掘进速度快、围岩扰动小、结构一次成型且施工安全环保可靠，在铁路、水利、交通、矿山和市政等隧道工程中具有广泛应用。[0004]然而，现有技术中的单护盾TBM主机长度较长，在深埋长隧洞破碎带或软岩大变形等特殊地质洞段，不能快速通过，护盾容易因围岩坍塌或收敛而被抱死，造成卡机。[0005]因此，如何提供一种能够快速通过深埋长隧洞破碎带或软岩大变形等不良地质洞段的单护盾TBM，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。发明内容
[0006]有鉴于此，本发明的目的是提供一种单护盾TBM，该单护盾TBM的主机长度较短，能够快速通过深埋长隧洞的破碎带或软岩大变形等不良地质洞段。[0007]为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：[0008]一种单护盾TBM，包括护盾和推进油缸，所述护盾包括前盾、中盾和盾尾，所述前盾和所述中盾固定连接，所述中盾和所述盾尾固定连接，所述前盾包括前面板和后面板，所述推进油缸的缸筒端面与所述前面板相连，所述推进油缸的活塞杆用于在推进过程中压紧管片，以提供推进反力。[0009]优选地，所述前盾设有前盾法兰，所述中盾设有中盾法兰，所述前盾法兰和所述中盾法兰之间设有密封圈，且两者通过螺栓固定连接。[0010]优选地，所述前盾内设有用于加强所述前盾的强度的加强板，所述前面板与所述加强板之间设有第一筋板，所述前盾法兰与所述加强板之间设有第二筋板。[0011]优选地，所述前盾内用于驱动刀盘旋转的主驱动包括一体化电机。[0012]优选地，所述中盾内用于与管片拼装机的托梁相连的H架预留有用于供所述一体化电机伸入的安装空间。[0013]优选地，所述H架的横梁为圆弧形横梁，以让位所述一体化电机。[0014]优选地，所述推进油缸的推进行程为用于在使用六边形管片错边搭接支护时推进半环管片宽度的距离乘以安全系数。[0015]优选地，所述中盾设有用于与注浆机相连以对超前地层进行加固的超前注浆口。[0016]本发明提供的单护盾TBM，前盾和中盾固定连接，相比于现有技术中前盾与中盾之间通过铰接油缸连接，该单护盾TBM通过改变前盾和中盾的连接方式，减小了护盾的长度。另外，前盾和中盾固定连接，可确保前盾和中盾的相对位置保持不变。在此基础上，将推进油缸的缸筒端面与前盾中的前面板相连，相比于现有技术将推进油缸的缸筒端面设置在前
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说 明 书
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盾中的后面板上，该单护盾TBM通过改变推进油缸的缸筒端面的固定位置，使推进油缸内缩，从而使推进油缸的缸筒部分藏于前盾内，从而可缩小因设置推进油缸而额外增加的护盾长度，进一步减小了单护盾TBM的主机长度。[0017]由此可以看出，本发明提供的单护盾TBM，通过改变前盾与中盾的连接方式，并配合着调整推进油缸的缸筒端面的固定位置，改变了推进油缸相对前盾的位置关系，从而从取消铰接油缸和使推进油缸的固定位置前移两方面减小了单护盾TBM的主机长度。在进行深埋长隧洞破碎带或软岩大变形等不良地质洞段施工时，该单护盾TBM可快速高效地通过，从而减少了破碎带裸露的时间，并降低了软岩大变形对单护盾TBM造成卡机的风险。附图说明
[0018]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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0019]图1为本发明具体实施例所提供的单护盾TBM的内部结构示意图；[0020]图2为图1中护盾的内部结构示意图；[0021]图3为图2中A的局部放大图；[0022]图4为图1中H架的示意图；
[0023]图5为图1中推进油缸与管片的示意图。[0024]图1至图5中的附图标记如下：[0025]1为护盾、11为前盾、111为前面板、112为前盾法兰、113为加强板、114为第一筋板、115为第二筋板、12为中盾、121为H架、122为超前注浆口、13为盾尾、2为推进油缸、3为刀盘、4为主驱动、41为一体化电机、42为花键，43为小齿轮、44为主轴承、45为主驱动法兰、5为管片拼装机、51为托梁、6为主机皮带机、7为后配套皮带机、8为后配套、9为管片。具体实施方式
[0026]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做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。
[0027]本发明的核心是提供一种单护盾TBM，该单护盾TBM的主机长度较短，能够快速通过深埋长隧洞破碎带或软岩大变形等不良地质洞段。[0028]请参考图1-图4，图1为本发明具体实施例所提供的单护盾TBM的内部结构示意图；图2为图1中护盾的内部结构示意图；图3为图2中A的局部放大图；图4为图1中H架的示意图；图5为图1中推进油缸与管片的示意图。[0029]本发明提供一种单护盾TBM，包括护盾1和推进油缸2，护盾1包括前盾11、中盾12和盾尾13，前盾11和中盾12固定连接，中盾12和盾尾13固定连接，前盾11包括前面板111和后面板，推进油缸2的缸筒端面与前面板111相连，推进油缸2的活塞杆用于在推进过程中压紧管片9，以提供推进反力。
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需要说明的是，本发明的重点在于缩短单护盾TBM的主机长度，以减少破碎带裸露
的时间及软岩大变形对卡机的影响等，使单护盾TBM能够安全、高效地通过深埋长隧洞破碎带或软岩大变形等不良地质洞段。[0031]具体地，由于本发明提供的单护盾TBM中，前盾11和中盾12固定连接，中盾12和盾尾13固定连接，因此，相比于现有技术中前盾11与中盾12之间通过铰接油缸连接，该单护盾TBM通过改变前盾11和中盾12的连接方式，减小了护盾1的长度，也就是说，在前盾11和中盾12之间不设置铰接油缸，也即，不考虑单护盾TBM的转弯问题，由于本发明所提供单护盾TBM的特点就在于缩短了主机长度，能够使单护盾TBM整体灵活移动，因此，可不考虑单护盾TBM的转弯问题。
[0032]实际应用表明，取消铰接油缸，使前盾11和中盾12直接固定连接后，可减少护盾1长度约2m。[0033]另外，由于前盾11和中盾12固定连接，因此，可确保前盾11和中盾12的相对位置保持不变。在此基础上，本发明将推进油缸2的缸筒端面与前盾11中的前面板111相连，相比于现有技术将推进油缸2的缸筒端面设置在前盾11中的后面板上，该单护盾TBM通过改变推进油缸2的缸筒端面的固定位置，使推进油缸2内缩，从而使推进油缸2的缸筒部分藏于前盾11内，从而可缩小因设置推进油缸2而额外增加的护盾1长度，进一步减小了单护盾TBM的主机长度。
[0034]由此可以看出，本发明提供的单护盾TBM，通过改变前盾11与中盾12的连接方式，并配合着调整推进油缸2的缸筒端面的固定位置，改变了推进油缸2相对前盾11的位置关系，从而从取消铰接油缸和使推进油缸2的固定位置前移两方面减小了单护盾TBM的主机长度。在进行深埋长隧洞破碎带或软岩大变形等不良地质洞段施工时，该单护盾TBM可快速高效地通过，从而可减少破碎带裸露的时间，并降低软岩大变形对单护盾TBM造成卡机的风险。
[0035]可以理解的是，除了护盾1和推进油缸2，该单护盾TBM还包括刀盘3、主驱动4、主机皮带机6、管片拼装机5、托梁51、后配套皮带机7以及后配套8等。刀盘3用于与岩土直接接触，刀盘3固定在主驱动4的主驱动法兰45上，以通过主驱动4的输出动力驱动刀盘3转动破岩；主驱动4及支撑主驱动4的钢结构件安装在前盾11内。主机皮带机6的一端位于刀盘3后方中心，另一端位于后配套皮带机7上方，刀盘3破碎岩土后，渣土落入主机皮带机6，再经过后配套皮带机7运出隧道外，后配套皮带机7固定在后配套8上。管片拼装机5安装在托梁51上，可在托梁51上做平移运动，托梁51固定在中盾12的H架121上。盾尾13主要预留管片9拼装空间。推进油缸2的缸筒尾段穿过H架121，利用H架121对推进油缸2进行辅助支撑，使推进油缸2的活塞杆在推进过程中压紧管片9，提供推进反力。[0036]需要说明的是，刀盘3、主驱动4、主机皮带机6、管片拼装机5、托梁51、后配套皮带机7以及后配套8等各部分的结构请参考现有技术，本文不再赘述。[0037]进一步地，本发明对前盾11与中盾12固定连接的连接方式以及中盾12和盾尾13固定连接的连接方式不做具体限定，作为一种优选方案，在上述实施例的基础之上，前盾11设有前盾法兰112，中盾12设有中盾法兰，前盾法兰112和中盾法兰之间设有密封圈，且两者通过螺栓固定连接。[0038]也就是说，本实施例中的前盾11与中盾12之间采用密封圈和螺栓进行密封连接。
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优选地，中盾12与盾尾13采用焊接的形式固定连接。
[0040]另外，考虑到推进油缸2固定在前面板111上时，主要由前盾11承受掘进推力，要求前盾11具有足够的强度，因此，在上述实施例的基础之上，前盾11内设有用于加强前盾11的强度的加强板113，前面板111与加强板113之间设有第一筋板114，前盾法兰112与加强板113之间设有第二筋板115。[0041]也就是说，本实施例通过加强板113将前盾11分为两个区域，使加强板113位于前面板111和前盾法兰112之间，然后通过在前面板111与加强板113之间增设第一筋板114，并在前盾法兰112与加强板113之间增设第二筋板115来提高前盾11的整体强度，以使前盾11满足承受掘进推力的需求。[0042]优选地，第一筋板114的两端分别与前面板111和加强板113对应焊接；第二筋板115的两端分别与前盾法兰112和加强板113对应焊接。[0043]为了确保前盾11整体强度的均匀性，优选地，第一筋板114和第二筋板115的数量均为多个，且多个第一筋板114和第二筋板115分别沿前盾11的圆周方向均匀分布。[0044]为了进一步地缩短护盾1的整体长度，在上述任意一个实施例的基础之上，前盾11内用于驱动刀盘3旋转的主驱动4包括一体化电机41。[0045]也就是说，主驱动4在前盾11内，且该实施例中的主驱动4采用一体化电机41，一体化电机41将电机与减速器集成于一体，结构紧凑，相比于现有技术中常规主驱动4采用变频电机加减速机的装配结构，该一体化电机41的整体体积小，占用空间小，因此，可根据一体化电机41所占空间需求来适当减小前盾11的长度，从而可满足小空间下设备性能要求。[0046]考虑到一体化电机41与刀盘3的连接结构，具体地，一体化电机41的输出轴上设有小齿轮43，小齿轮43优选通过花键42与一体化电机41的输出轴相连；刀盘3固定在主驱动4的主驱动法兰45上，主驱动法兰45与主轴承44相连，主轴承44设有用于与小齿轮43啮合传动的内齿圈。也即，一体化电机41驱动小齿轮43转动，通过小齿轮43与内齿圈的啮合传动，使主轴承44带动刀盘3旋转破岩。
[0047]为了进一步减小护盾1的长度，在上述实施例的基础之上，中盾12内用于与管片拼装机5的托梁51相连的H架121预留有用于供一体化电机41伸入的安装空间。[0048]也就是说，H架121固定在中盾12上，H架121与管片拼装机5的托梁51优选通过螺栓连接。同时，在主驱动4采用一体化电机41减小体积的基础上，本实施例在H架121上预留用于容纳一体化电机41的部分结构的安装空间，以使一体化电机41能够伸入至H架121内，从而可最大化利用H架121的可利用空间，相比于现有技术中常规主驱动4的电机不超过H架121的设置方式，在H架121上预留该安装空间，可使主机布局更紧凑，以便进一步减小护盾1长度。
[0049]考虑到该安装空间具体形成的方便性，在上述实施例的基础之上，H架121的横梁为圆弧形横梁，以让位一体化电机41。[0050]也就是说，本实施例通过将H架121的横梁设计成圆弧形，使圆弧形横梁与H架121两侧的立柱共同形成该安装空间，需要说明的是，本领域技术人员可以根据一体化电机41的安装需求来调整两个立柱的距离，例如，优选将两个立柱靠外设置，以增大两侧立柱之间的距离。
[0051]为了在施工过程中尽量的减小单护盾TBM的主机长度，在上述各个实施例的基础
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之上，推进油缸2的推进行程为用于在使用六边形管片错边搭接支护时推进半环管片宽度的距离乘以安全系数。[0052]也就是说，本实施例中的单护盾TBM在施工过程中配套使用六边形管片进行支护，且六边形管片采用错边搭接的拼装方式，如图4所示。[0053]可以理解的是，在拼装下一环管片9时，可以将管片9插空拼装在前一环管片9的半环管片宽度的凹槽内，因此，在单护盾TBM掘进的过程中，推进油缸2仅需要推进半环管片宽度的距离，即可实现对相邻管片9进行拼装作业。相比于现有技术将推进油缸2的推进行程设计为一环管片9宽度的距离，也即，推进油缸2每次推进一个管片9宽度的距离，本实施例缩短了推进油缸2的推进行程，由于管片9拼装过程需要在护盾1下完成，因此，推进油缸2的推进行程缩短后，也可以相应地缩短单护盾TBM的主机长度，从而可减少破碎带裸露的时间以及降低卡机的风险。[0054]可以理解的是，考虑到相邻管片9拼装作业时的施工需求，管片9拼装时，除了留有与管片9宽度相对应的距离，还需要留有一定的施工空间，也即，推进油缸2需要在推进与管片9宽度相对应的距离的基础上，还需多推进一段额外的距离，也即，推进油缸2实际的推进行程需要在管片9宽度相对应的距离的基础上乘以安全系数，该安全系数与现有技术中推进油缸2推进时的常规安全系数相同，本文不再赘述。[0055]针对长距离破损带以及不稳定地层，在上述实施例的基础之上，中盾12设有用于与注浆机相连以对超前地层进行加固的超前注浆口122。[0056]也就是说，本实施例在中盾12上预留了超前注浆口122，该超前注浆口122可连接注浆机，以在对长距离破损带以及不稳定地层进行施工时，对超前地层进行加固。[0057]优选地，超前注浆口122为焊接在中盾12壳体上且与中盾12内部连通的超前注浆管口。
[0058]进一步优选地，超前注浆口122的数量至少为两个，两个以上的超前注浆口122沿中盾12的圆周方向均匀布置。
[0059]本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。[0060]以上对本发明所提供的单护盾TBM进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
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