一种富水软硬不均地层的盾构掘进姿态调控方法与装置与流程

本发明涉及盾构机，更具体地说，本发明涉及一种富水软硬不均地层的盾构掘进姿态调控方法与装置。

背景技术：

1、盾构机是一种利用盾构法进行隧道掘进的机器，通过刀盘系统的旋转运动来挖掘隧道，为了能够对隧道壁面进行支撑，隧道内盾构机前盾部位的壁面会铺设管片形成隧道的衬砌结构，而且管片作为已经安装好的隧道衬砌部分，为刀盘系统提供了一个稳定的掘进工作面，刀盘系统抵着管片掘进，可以确保掘进的方向和轨迹得到有效控制。由地质构造、岩石类型、地质历史、气候条件、地下水循环以及自然灾害等因素的综合影响，使地下岩层中含水量较高、硬度和密度不均匀形成富水软硬不均地层，富水软硬不均地层在隧道工程中是也是一种常见的地质特征。

2、盾构机在掘进过程中，需要满足隧道轴线偏移量不超过设计要求，由于土层软硬不均，盾构机的机头的中轴线经常会偏离隧道轴线，例如当盾构机遇到上硬下软土层时，在盾构机的机头自重的情况下，机头下垂，为了满足隧道轴线偏移量要求，现有技术中，通过油缸控制调整机头的角度呈上仰姿态，对盾构机进行纠偏。

3、但是，在盾构机盾构姿态调整过程中，刀盘系统抵着管片掘进可能给管片带来突然的大载荷，突然的大载荷变化过快，导致管片无法作出相应形变调整，容易集中应力导致管片被损伤，管片损伤可能降低隧道的稳定性和安全性，导致隧道出现渗水、漏浆等问题。

技术实现思路

1、本发明提供的一种富水软硬不均地层的盾构掘进姿态调控方法与装置，所要解决的问题是：现有的盾构机盾构姿态调整过程中，刀盘系统抵着管片掘进可能给管片带来突然的大载荷，突然的大载荷变化过快，导致管片无法作出相应形变调整，容易集中应力导致管片被损伤，管片损伤可能降低隧道的稳定性和安全性，导致隧道出现渗水、漏浆等问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种富水软硬不均地层的盾构掘进装置，包括盾构壳体，盾构壳体上转动设置有刀盘，盾构壳体上设置有支撑壳体，盾构壳体与支撑壳体转动设置，支撑壳体上设置有姿态调控机构，姿态调控机构包括直线驱动器一，直线驱动器一转动设置在支撑壳体上，直线驱动器一的输出轴与盾构壳体转动设置，直线驱动器一输出轴的移动用于调控盾构壳体的姿态；

3、支撑壳体上设置有注浆机构，注浆机构包括直线驱动器三，直线驱动器三的输出轴上固定设置有滑动套管，滑动套管用于将填充材料输送至隧道壁与管片之间；

4、支撑壳体上设置有直线推进器，直线推进器的输出轴抵接管片后移动用于驱动刀盘沿掘进方向移动；

5、直线驱动器三的输出轴上设置有除湿机构，除湿机构用于使隧道壁表面的湿度处于安全区域内，安全区域指位于隧道壁与管片之间的填充材料处于相对干燥的状态。

6、在一个优选的实施方式中，姿态调控机构包括支撑座一，支撑座一固定设置在支撑壳体上，盾构壳体与支撑座一转动设置，直线驱动器一的数量设置为四个，四个直线驱动器一为两两对称设置，支撑壳体上转动设置有转动座，转动座上固定设置有直线驱动器二，直线驱动器二的输出轴上固定设置有支撑座二。

7、在一个优选的实施方式中，注浆机构包括支撑环，支撑环与转动座转动设置，支撑环上滑动设置有调节环，直线驱动器三固定设置在调节环上，调节环上固定设置有输送管，滑动套管滑动设置在输送管内。

8、在一个优选的实施方式中，除湿机构包括风机，直线驱动器三的输出轴上固定设置有直线驱动器五，风机固定设置在直线驱动器五的输出轴上，直线驱动器五的输出轴上固定设置有电加热管，电加热管位于风机排风口的上方。

9、在一个优选的实施方式中，除湿机构包括输送器，输送器固定设置在调节环的输出轴上，输送器的进料端固定连通有连通管，连通管远离输送器的一端与储料箱固定连通，储料箱用于存储阻水材料。

10、在一个优选的实施方式中，调节环上固定设置有抽水器，抽水器的排放端固定连通有离心泥水分离器，离心泥水分离器的排泥端固定连通有离心泵，离心泵的排放端朝向隧道内壁设置。

11、在一个优选的实施方式中，支撑壳体上设置有隔水机构，隔水机构包括隔板一与隔板二，隔板一与隔板二同步扩张形成圆环，圆环用于对盾构壳体方向的隧道区域进行隔挡，隔水机构还包括齿环，齿环转动设置在支撑壳体内，齿环上开设有导向孔，隔板一与隔板二上均固定设置有连接轴，连接轴活动设置在相对应的导向孔内，支撑壳体内转动设置有齿轮，齿轮与齿环相啮合。

12、在一个优选的实施方式中，隔板一的两侧均开设有凹槽，凹槽的内壁上固定设置有防水垫，隔板二滑动设置在凹槽内。

13、在一个优选的实施方式中，隔板一上固定设置有抽水管，抽水管内固定设置有隔网，抽水管上固定连通有水泵，水泵用于通过抽水管进行抽水。

14、一种富水软硬不均地层的盾构掘进装置的姿态调控方法，包括以下步骤：

15、步骤一：驱动刀盘转动，并通过直线推进器驱动盾构壳体移动，进行隧道挖掘；

16、步骤二：当掘进至上硬下软地层时，通过直线驱动器一输出轴的移动调节刀盘上仰，避免刀盘向下沉降偏移；

17、步骤三：通过抽水器抽取隧道壁面的积水，再通过电加热管与风机加快隧道内壁表面水分的蒸发，使隧道壁面处于干燥的状态；

18、步骤四：在隧道壁上铺设管片，并通过滑动套管向隧道壁与管片之间注入填充材料，填充材料干燥后消除隧道壁面与管片之间的间隙，使隧道壁面与管片之间紧密贴合；

19、步骤五：通过直线推进器抵接管片，直线推进器驱动刀盘沿掘进方向继续工作。

20、本发明的有益效果在于：

21、1、本发明通过设置注浆机构，在隧道壁面与管片之间充入填充材料，管片与隧道壁面之间通过填充材料有机结合，通过填充材料形成护壁层，能够发挥约束、支撑、加固等综合效应，从而显著提升管片在动态复杂地质条件下的抗变形和承载能力，能够防止刀盘在姿态调整时对管片造成损坏的情况发生。

22、2、本发明通过设置除湿机构，隧道壁面与管片之间充入填充材料前，去除隧道壁面上的水分，避免因地层土壤含水量多，填充材料与水混合后导致注浆的浓度降低粘附力下降，造成管片无法得到有效支撑。

技术特征：

1.一种富水软硬不均地层的盾构掘进装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种富水软硬不均地层的盾构掘进装置，其特征在于：所述姿态调控机构（3）包括支撑座一（31），所述支撑座一（31）固定设置在支撑壳体（2）上，所述盾构壳体（1）与支撑座一（31）转动设置，所述直线驱动器一（32）的数量设置为四个，四个所述直线驱动器一（32）为两两对称设置，所述支撑壳体（2）上转动设置有转动座（33），所述转动座（33）上固定设置有直线驱动器二（34），所述直线驱动器二（34）的输出轴上固定设置有支撑座二（35）。

3.根据权利要求2所述的一种富水软硬不均地层的盾构掘进装置，其特征在于：所述注浆机构（5）包括支撑环（51），所述支撑环（51）与转动座（33）转动设置，所述支撑环（51）上滑动设置有调节环（53），所述直线驱动器三（52）固定设置在调节环（53）上，所述调节环（53）上固定设置有输送管（54），所述滑动套管（55）滑动设置在输送管（54）内。

4.根据权利要求3所述的一种富水软硬不均地层的盾构掘进装置，其特征在于：所述除湿机构（6）包括风机（62），所述直线驱动器三（52）的输出轴上固定设置有直线驱动器五（65），所述风机（62）固定设置在直线驱动器五（65）的输出轴上，所述直线驱动器五（65）的输出轴上固定设置有电加热管（61），所述电加热管（61）位于风机（62）排风口的上方。

5.根据权利要求3所述的一种富水软硬不均地层的盾构掘进装置，其特征在于：所述除湿机构（6）包括输送器（63），所述输送器（63）固定设置在调节环（53）的输出轴上，所述输送器（63）的进料端固定连通有连通管，连通管远离输送器（63）的一端与储料箱固定连通，所述储料箱用于存储阻水材料。

6.根据权利要求4所述的一种富水软硬不均地层的盾构掘进装置，其特征在于：所述调节环（53）上固定设置有抽水器（64），所述抽水器（64）的排放端固定连通有离心泥水分离器，所述离心泥水分离器的排泥端固定连通有离心泵，所述离心泵的排放端朝向隧道内壁设置。

7.根据权利要求6所述的一种富水软硬不均地层的盾构掘进装置，其特征在于：所述支撑壳体（2）上设置有隔水机构（7），所述隔水机构（7）包括隔板一（72）与隔板二（73），所述隔板一（72）与隔板二（73）同步扩张形成圆环，圆环用于对盾构壳体（1）方向的隧道区域进行隔挡，所述隔水机构（7）还包括齿环（71），所述齿环（71）转动设置在支撑壳体（2）内，所述齿环（71）上开设有导向孔（711），所述隔板一（72）与隔板二（73）上均固定设置有连接轴（74），所述连接轴（74）活动设置在相对应的导向孔（711）内，所述支撑壳体（2）内转动设置有齿轮（75），所述齿轮（75）与齿环（71）相啮合。

8.根据权利要求7所述的一种富水软硬不均地层的盾构掘进装置，其特征在于：所述隔板一（72）的两侧均开设有凹槽，所述凹槽的内壁上固定设置有防水垫，所述隔板二（73）滑动设置在凹槽内。

9.根据权利要求8所述的一种富水软硬不均地层的盾构掘进装置，其特征在于：所述隔板一（72）上固定设置有抽水管（76），所述抽水管（76）内固定设置有隔网（77），所述抽水管（76）上固定连通有水泵，所述水泵用于通过抽水管（76）进行抽水。

10.一种如根据权利要求9所述的富水软硬不均地层的盾构掘进装置的姿态调控方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结本发明公开了一种富水软硬不均地层的盾构掘进姿态调控方法与装置，具体涉及盾构机领域，该盾构掘进装置包括盾构壳体，盾构壳体上转动设置有刀盘，盾构壳体上设置有支撑壳体，盾构壳体与支撑壳体转动设置，支撑壳体上设置有姿态调控机构，姿态调控机构包括直线驱动器一，直线驱动器一转动设置在支撑壳体上。本发明通过设置注浆机构，在隧道壁面与管片之间充入填充材料，管片与隧道壁面之间通过填充材料有机结合，通过填充材料形成护壁层，能够发挥约束、支撑、加固等综合效应，从而显著提升管片在动态复杂地质条件下的抗变形和承载能力，能够防止刀盘在姿态调整时对管片造成损坏的情况发生。技术研发人员：姜涛,周飞,尹水金,肖敏华,何瑜钦,查春华,熊昌根,夏章杰,凌涛,彭学军,鲁新,盘叶城,龙明华,安方信,王海平,黄建秋,王虎志,张升,彭程受保护的技术使用者：中铁五局集团第一工程有限责任公司技术研发日：技术公布日：2024/6/18