CN1016206B - 在地下打洞的方法及装备 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种在地下打洞的新方法和新装备，其挖掘机由如下各部分组成：圆筒体，由该圆筒体支撑并用来挖掘土层的挖掘装置，把挖下的砂土传送到圆筒体周围的送土装置，带动挖掘装置的驱动装置。

Description

本发明涉及使用挖掘机在地下打洞的方法及装备，这种打洞方法和装备特别适用于开隧道、埋设管子、更新管线、开凿竖井和打纵向孔洞等。

作为在地下打洞的一种方法，日本特许公报昭59-192193号提出了一种使用挖掘机的压入法;这种挖掘机有一盾构筒体，在其前方装有一圆锥形转筒，转筒能相对盾构筒体的主轴线作偏心转动。根据这种压入方法，在转筒作偏心转动时，对盾构筒体产生顶推作用，随着盾构筒体前方的泥砂被转筒朝外侧推开，就打出了洞孔。

作为在地下打洞的另一种方法，日本特许公报昭60-242295号和昭61-102999号提出了用挖掘机的挖掘法;在这种挖掘机上有一盾构筒体和装在该筒体前方的、能相对于筒体轴线旋转的挖掘装置，以及把挖掘装置挖出的砂土排放到盾构筒体后方的排放装置。根据这种挖掘方法，随着挖掘装置的旋转，对盾构筒体产生顶推作用，并实施挖掘，在把挖掘出的砂土排放到地面上之后就开出了洞孔。需要对挖掘出的送到地面上的砂土进行预处理，然后送到预定地方倾倒。

但是，前一种压入法存在如下问题：由于在推进盾构筒体过程中作用在转筒上的反作用力很大，因此要对盾构筒体施加很大的推进力。而后一种挖掘法则存在如下问题：挖出的砂土都要排放到地面上，所以成本很高。

本发明的目的是提出一种在地下打洞的方法以及一种相应的装备，这种方法的成本低，不需要对盾构筒体施加很大的推力。

按照本发明提出的方法，使用挖掘装置挖掘地层，同时挖掘机前进（挖掘机由一筒体和支撑在其上的挖掘装置组成），挖出的砂土被传送到筒体的周围。

在采用本发明提出的打洞方法情况下，挖出的砂土是通过筒体内部传送到筒体的周围的。更为理想的是，挖出的砂土通过筒体内加力强行挤压出筒体，用来挤压在筒体周围的砂土的作用力反复地施加在砂土上。此外，如果挖掘机中的砂土中含有卵石之类坚硬疙瘩时，这些坚硬疙瘩就在机器内破碎。

本发明提出的在地下打洞的装备中包括一种挖掘机，该机包括：圆筒体，由圆筒体支撑并用来挖土的挖土装置，把挖土下的砂土传送到筒体周围的传送装置，用来驱动挖土装置的驱动装置。

在本发明的打洞装置中，圆筒体上至少开有一个孔，用来把挖下的砂土从筒体内部传送到筒体周围。其中，挖土装置放置在孔的前方，最好是放在筒体的前部。

砂土传送装置里最好装有一个沿筒体径向布置的推出机构，以便把砂土通过孔强行送到筒体的周围。此外，推出机构里最好还装有一个能相对筒体轴作偏心转动的转筒，以产生一种压力，反复地作用在筒体周围的砂土上。还有，最好使转筒和筒体起破碎装置的作用。

在使用挖土装置挖土过程中，挖掘机向前移动，挖下的砂土排放在筒体的周围。在挖掘机打出洞之后，洞里就可以放置管子、套筒和桩柱等，而且这些构件可以由洞四周的挖下的砂土稳稳地包裹住。

根据本发明，由于在挖土的同时挖掘机向前进，所以使挖掘机前进所需的推力小于原先压入法和压入装备所需的推力。此外，由于挖下的砂土是挤压到筒体的周围，所以不会引起地面下陷。

如果挖下的砂土全部传送到筒体的周围，则使用本方法和装备就可以不需任何装置来排放挖下的砂土，也不需对挖下的砂土作任何处理，所以成本可以降低。如果挖下的砂土部分传送到筒体的周围，而其余排放到地面上，则排放到地面上的砂土的数量就比全部排放到地面上时减少，在地面上进行装载、运输砂土等处理工作量也相互减少，所以成本也可以降低。

本发明有如下五个优点：

1.可以在不影响挖土装置挖土情况下将挖下的砂土传送到筒体的周围;

2.可以十分稳妥地将挖下的砂土传送到筒体的周围。

3.通过反复地施加压力将筒体周围的砂土捣实，从而可降低筒体周围的砂土的扩张力。这样，在大量挖下的砂土被传送到筒体周围的情况下也不会增大筒体与其周围砂土之间的摩擦力。

4.由于挖下的砂土中的坚硬疙瘩均被破碎，就可以更加稳妥地将挖下的砂土排出。

5.其中的转筒同时起如下三种作用：破碎挖下的坚硬疙瘩，强行将挖下的砂土挤出，对在筒体周围的砂土反复地施加压力。

下面结合附图对本发明的各推荐方案进行介绍，由此可对本发明的上述和其它目的和特点更加清楚。

图1是本发明的打洞装备的一种结构方案的纵剖面图。

图2是图1中2-2剖面线的放大剖面图。

图3是图1中的打洞装置的左侧视图。

图4是与图2相似的剖面图，但其中打洞装置的结构有所改变。

图5是本发明的打洞装置的另一种结构方案的纵剖面图。

图6是本发明的打洞装置的第三种结构方案的正视图。

图7是图6中所示的打洞装置的挖土机部分的放大纵剖面图。

现在开始对本发明的若干推荐方案作详细介绍。

打洞装置10（如图1所示）由盾构式隧道掘进机12和基本顶推装置组成，后者（图中未表示出）广为人知，用来顶推盾构式隧道挖进机12以及连在该机后部的管子14。这种打洞装置用来实施管子推顶法。

盾构式隧道挖进机12里有一个盾构圆筒体16，该筒体由两个同心对接的第一筒体16a和第二筒体16b组成。第一筒体16a和第二筒体16b之间由若干个油压千斤顶18连接起来，以作方向修正。

在第一筒体16a之内设有隔墙20，它把第一筒体16a的内部划分为空腔22和空腔24，这两个空腔在盾构筒体16的轴线方向互相隔开一段距离。前方的空腔22成截头圆锥形，所形成的孔壁向后方逐渐倾斜。第一筒体16a上开有若干个开孔26，用来连通空腔22和盾构筒体16的外围部。各开孔26绕盾构筒体16的轴线布置，相互之间的圆心夹角相等。

第二筒体16b连接到第一筒体16a的后部，其形成的空腔28与第一筒体16a内的空腔24连通。第二筒体16b的前端部可滑动地套在第一筒体16a的后端部上。在第一筒体16a的后端部的内表面与第二筒体 16b的前端部的外围表面之间装有密封件。

隔墙20上支承有曲轴30，该曲轴借助于若干个轴承32能绕盾构筒体16的轴线旋转。曲轴30沿盾构筒体16的轴线穿过隔墙20，该曲轴30的偏心部位34处于空腔22一侧。要将曲轴30布置得使其旋转轴线与防护筒体16的中心轴线重合一致。偏心部位34与曲轴30的旋转轴线（亦即盾构筒体16的中轴线）偏离一段距离e。

曲轴30由驱动机构36带动旋转，后者由若干个螺栓固定安装到隔墙20的后部，也就是安装到空腔24一侧。驱动装置36上装有电动机38和减速齿轮40。驱动装置36的输出轴42与曲轴30的后端部相连接，以使它们之间不发生相对转动（参见图1）。

曲轴30的偏心部位34支承有一个转筒44，后者借助于若干个轴承46能绕偏心部位34的中轴线旋转。转筒44的外表面成截头圆锥形，其直径从前端向后端逐渐增大。在转筒44的后端部装有密封材料，用来使转筒44的后端面和隔墙20的前端面之间保持液密性。

在转筒44的前端部固定安装有刀具组48。如图3所示，刀具组48上装有若干根幅条50，从转筒44沿盾构筒体16的径向伸展，刀具组上还装有用来连接各幅条50的顶端部的圆环52;在每根幅条50和圆环52上分别固定安装有刀头54和56;在转筒44的前端面上固定安装有若干个刀头58。

在图示的结构方案中，刀具组48是安装在盾构筒体16的前方。但如果打洞装置是用来在松软的地里打洞，那么刀具组48也可以安装在盾构筒体16的内侧。

在隔墙20的与空腔22相邻的侧面固定安装有外齿轮60，该齿轮的中心就是盾构筒体16的轴心线。与此相对应，在转筒44的后端面上固定安装有内齿轮62，后者与上述的外齿轮60啮合。内齿轮62相对外齿轮60是偏心的，其偏心距离正好等于曲轴30与偏心部位34之间的偏心距离e。如图2所示，齿轮60和62在它们的一个径向部位相互啮合起来。齿轮60和62相互啮合处的位置是随着曲轴30的旋转而绕盾构筒体16的轴线移动。外齿轮60也可以固定安装到转筒44上，而内齿轮62则可以固定安装到隔墙20上。

在曲轴30旋转时，转筒44和刀具组48均绕盾构筒体16的主轴线旋转;同时，一面绕它们自己的轴线即偏心部34的轴线旋转，这是由于内齿轮62和外齿轮60相互啮合的缘故。转筒44与第一筒体16a一起还起破碎机的作用。另外，可以在第一筒体16a的内表面和转筒44的外表面（它们形成空腔22）上分别在它们的圆周方向设置若干个突出部。

在进行挖土打洞时，隧道掘进机12在基本顶推装置产生的推力（通过管子14）作用下与管子14一起前进。在掘进机12前进中，驱动机构36也在工作;从而曲轴30绕盾构筒体16的主轴线旋转，也使转筒44和刀具组48绕盾构筒体16的主轴线和偏心部34的轴线旋转。

结果，土层的挖掘面被刀具组48挖削下砂土，挖下的砂土被收进空腔22中。由于转筒44同时绕盾构筒体的主轴线和它自己的轴线旋转，转筒44与第一筒体16a一起可以把空腔22里砂土中所含有的坚硬大疙瘩破碎。

随着转筒44的旋转，空腔22中的砂土被强行通过各开孔26挤出盾构筒体16。如图1所示，通过压缩原来在防护筒体16周围的砂土66，将从防护筒体16中挤出的砂土64填充在原来的砂土层66和盾构筒体16之间。

随着转筒44旋转，在盾构筒体16周围的新挖的砂土64和原来的砂土层66反复地受到压缩。这样，在盾构筒体16周围的砂土层64和66逐渐捣实，使它们的扩张力逐渐降低。

在盾构筒体16周围的土层反复地承受到由挤出盾构筒体16的砂土64产生的压缩力。这种压缩力起了捣实砂土、降低砂土扩张力的作用。结果，在盾构筒体16的周围就可以填充进大量的砂土。此外，在盾构筒体16和管子14前进时，这还不会增加盾构筒体16和管子14与它们周围的砂土之间的摩擦。

可以使盾构筒体16与地表面之间的距离大于盾构筒体16与压缩力和土层压力平衡处之间的距离，来防止地面隆起。

此外，还可以不用转筒44而用其它方法来将泥土挤出盾构筒体16。如果打洞装置用于软土层，挖下的砂土的流动性很大，就可以不用转筒44，而只需把挖下的砂土引导到各开孔就行了。

在使用盾构式隧道掘进机12的情况下，随着掘进机12前进而作用在土层工作面上的力不会积聚在土层中，因而不大会引起地面隆起。

此外，在使用盾构式隧道掘进机12的情况下，由于挖下的砂土只是挤出盾构筒体16的周围而没有 被移走，所以随着时间推移，铺设在挖出的洞中的管子14周围的砂土会在土层压力作用下逐渐与管子14密切接触，但不会发生土层塌陷现象。从而各根管子14可以稳妥地维持在原位。

还有，在使用盾构式隧道掘进机12的情况下，由于在空腔22中的压力增大到一定程度之后，在空腔22中的砂土才会挤出到盾构筒体16的周围，所以空腔22中的压力就自然而然地保持在某预定值;从而不需精确控制空腔22中的压力就可以防止损坏土层工作面。

此外，由于在空腔22中的砂土是通过各个开孔26挤出的，所以可以通过关闭一个或多个开孔26来限制砂土的排放方向（如图4所示），从而就可以限制由于加力挤出砂土所产生的对盾构筒体16周围的土层的压力方向。

当然，也可以把一部分挖下的砂土排放到地面上。在这种情况下，可以使用送土机构68之类的装置，送土机构上装有筒形罩壳，罩壳内装有螺旋输送器（如图1中双点线所示）;也可以使用送土机构68把空腔22中的砂土转送到空腔24中。

图5所示的打洞装置70有一台自行盾构式隧道掘进机72，可以用来挖掘大口径隧道。图5所示的方案中的隧道掘进机72与图1～图3所示的隧道掘进机12是不同的，其盾构筒体不分成两部分，掘进机72不带有用来作方向修正的油压千斤顶，但带有若干个用来使盾构筒体27前进的推进油压千斤顶78，后者顶在组合环76上而产生反作用力，组合环76是安装在掘进机72打出的洞里。

盾构筒体74里也装有隔墙20，它把盾构筒体74的内部划分为在盾构筒体的轴线方向相互隔开一段距离的空腔80和空腔82;筒体74上还有若干个开孔26，用来把空腔80与筒体74外部连通。空腔80成截头圆锥形，其内径向后逐渐缩小。

隧道掘进机72包括如下部分：（1）由隔墙20支撑的曲轴30（曲轴30可绕盾构筒体74的轴线旋转），（2）用来转动曲轴30的驱动机构36，（3）由偏心部34支撑的转筒44，它可以绕偏心部34的轴线旋转，形状为截头圆锥形，其直径从前到后逐渐增大，（4）固定安装在转筒44的前端部的刀具组48，（5）固定安装在隔墙20上的外齿轮60，（6）固定安装在转筒44上的内齿轮62，内齿轮62相对外齿轮60偏心一个距离e，并局部与外齿轮60相啮合。

此外，正如图5中双点线所示，隧道掘进机72上也可以装一台送土机构68。

当要进行挖掘时，驱动机构36和油压千斤顶78均开始工作，从而推动隧道掘进机72前进。此外，在曲轴30绕盾构筒体74的轴线旋转之后，转筒44和刀具组48一面绕盾构筒体的轴线旋转，一面绕偏心部34的轴线旋转。

结果，刀具组48就挖削土层挖掘面，而挖下的砂土则收入空腔80中。当转筒44旋转时，在空腔80中的砂土中含有的坚硬大疙瘩可由转筒44和盾构筒体74一起来破碎。随着转筒44和旋转，空腔80中的砂土通过各开孔26强行挤到盾构筒体74的外围。如图5所示，在把原来就在盾构筒体74周围的砂土66挤压之后，从盾构筒体16内挤出的新的砂土64就送到原先的砂土66和盾构筒体16之间。

随着转筒44的旋转，在盾构筒体74周围的新挖的砂土64和原先的砂土66就反复受到压缩。从而在盾构筒体74周围的新挖的砂土64和原先的砂土逐渐捣实，而砂土64和66的扩张力逐渐减小。结果，大量的砂土就可以送到盾构筒体74的周围;同时当隧道掘进机72前进时，不会增大盾构筒体74与其周围的砂土之间的摩擦。

由隧道掘进机72挖掘出的洞孔，可在其中加装新的组合环来保持不损坏。

图6所示的打洞装置90是用来打垂直孔洞的，它类似一台土层钻洞机。打洞装置90包括有一台拖拉机92;这是一台普通的拖拉机，它由下部结构94和上部结构96构成，下部采用履带结构，上部结构支承在下部结构上，并可旋转。在上部结构上设有操纵室。

上部结构96的前端部，通过从上部结构96伸出的斜臂，支承了一根垂直的支杆98。在支杆98上加装了另一根直立的杆102;在杆102上装有若干个环形导向件104。导向件104在垂直方向相互之间隔开一定距离。

支杆98的顶端部上装有滑轮机构106，滑轮机构106能绕水平方向的轴按一定角度旋转。滑轮机构106上装有跷跷板108，后者用枢轴与支杆98的顶部连接;而滑轮110是安装在跷跷板108的另一端，可以自由地转动。

每个滑轮110上绕有钢丝索114，该钢丝索从装在拖拉机上部结构96上的绞车（图中未画出）出来后， 经过装在支杆98中部的滚轮112，再绕到滑轮110上。掘进机116由钢丝索114悬吊起来。

掘进机116上装有一个由钢丝索114悬吊的滑轮118。滑轮118上装有一台配有电动机和减速齿轮的驱动机构120。驱动机构120由杆102导向，以使驱动机构能作垂直方向移线。在驱动机构120上连接有管子组122，管子组由若干根依次相互连接起来的管子组成，是从驱动机构上伸下来，管子组可以与驱动机构120一起在垂直方向移动。管子组122穿过各导向件104，并可在其中滑动。

在驱动机构120的输出轴上连接有旋转轴124，后者穿进管子组，并可旋转。掘进机构126是连接在管子组122的下端部。

如图7所示，掘进机构126上装有沿垂直方向伸展的圆筒体128。该圆筒体128的上端部连接到管子组122的下端部。圆筒体128内装有隔墙20，把圆筒体128的内部划分为两个在圆筒体的轴向相隔一定距离的空腔130和空腔132;圆筒体128上还有若干个开孔26，把空腔130和圆筒体128的外部连通起来。空腔130成截头圆锥形，其内径向后逐渐减小。

掘进机构126包括如下部分：（1）借助若干轴承32由隔墙20支撑的曲轴30，它可以绕圆筒体128的轴线旋转，（2）由曲轴30的偏心部34支撑的转筒44，它可以绕偏心部34的轴线旋转，形状为截头圆锥形，其直径从前到后逐渐增大，（3）固定安装在转筒44的前端部的刀具组48，（4）固定安装在隔墙20上的外齿轮60，（5）固定安装在转筒44上的内齿轮62，内齿轮62与外齿轮60偏心一个距离e，并与外齿轮相啮合。如图1中双点线所示，掘进机116上也可以装一台送土机构68。

上述各部件在结构和布置上与图1～图5中相应的部件相似。其中，曲轴30布置得使其偏心部34处在空腔130内;但是在本方案中曲轴30是连接到旋转轴124上的。

当打洞时，掘进机逐步放出一定量的钢丝索114，从而使掘进机116靠自重下降。当掘进机116下降时，驱动机构120工作。与此同时，曲轴30绕圆筒体128的轴线旋转，而转筒44和刀具组48则一方面绕圆筒体128的轴线转动，一方面绕偏心部34的轴线旋转。

结果，刀具组48挖削洞底，而挖下来的砂土就进入空腔130。当转筒44绕圆筒体128的轴线和自身的轴线旋转时，在空腔130中的泥土中的坚硬大疙瘩就被转筒44和圆筒体128破碎。随着转筒44的自转，在空腔130中的砂土被强行从各开孔26中挤出圆筒体128的周围。在对原先就在圆筒体128周围的砂土136压缩之后，从圆筒体128挤出的砂土134就填充到圆筒体128和原先的砂土136之间（如图7所示）。

在转筒44旋转过程中，在圆筒体128周围的砂土134和136反复受到压缩;从而它们逐渐被捣实，扩张力也逐渐减小。结果，大量的砂土就可以填充到圆筒体128的周围;而且，在掘进机构126前进的过程中，不会增大圆筒体128与其周围砂土之间的摩擦。

在洞挖掘到预定深度之后，绞车回收钢丝索114，把掘进机116吊起，然后把桩柱放进挖好的洞中。随着时间的推移，桩柱就被其周围的砂土稳妥地埋住。

Claims (7)

1、一种在地下打洞的方法包括下列步骤：

使带有一圆筒体和挖掘装置的挖掘机前进，同时用挖掘装置挖掘土层，挖掘装置设置在圆筒体的前部；

用设在所述挖掘装置后方并在所述圆筒体内形成的一空腔接纳挖下的砂土；

使设在空腔内的一转筒作偏心运动；

其特征在于该方法还包括下列步骤；

通过所述转筒的偏心运动沿径向将挖下的砂土推送到所述空腔的外部；以及

利用所述转筒的偏心运动通过在所述圆筒体上形成的且连通所述空腔与圆筒体外周的孔口将至少一部分挖下的砂土挤压到所述圆筒体的外周。

2、如权利要求所述的方法，其特征是所述的转筒绕所述圆筒体的轴线转动同时围绕一平行所述圆筒体轴线的轴线旋转;在所述空腔内的挖下的砂土中的固体大疙瘩被转筒压挤到圆筒体的内表面而被破碎。

3、一种在地下打洞的设备包括：

一圆筒体

设置在所述圆筒体前部的挖掘装置用于挖掘土层;

设置在圆筒体内部并与圆筒体一起界定出用于接纳由挖掘装置挖掘下的砂土的隔墙。

将空腔内的砂土挤压出去的挤压装置;以及

与所述的挖掘装置和挤压装置相连的驱动装置以便驱动挖掘装置和挤压装置;

其特征在于所述的挤压装置包括一设在所述空腔内的转筒，转筒由驱动装置驱动相对所述的圆筒体作偏心运动，从而将空腔内的砂土沿径向推挤出空腔;

所述的圆筒体至少有一个连通所述空腔与圆筒外周的孔口，从而可使空腔内的砂土在转筒的偏心运动作用下穿过该孔口被挤压到圆筒体的外周。

4、如权利要求3所述的设备，其特征是所述的转筒有一截头圆锥形的外廓，其直径从前向后逐渐增大。

5、如权利要求4所述的设备，其特征是在所述圆筒体内形成的空腔的形状是其内径从前向后逐渐缩小。

6、如权利要求3所述的设备，其特征是所述的驱动装置包括一由所述隔墙旋转支承且带有一偏心部分的曲轴，该偏心部分位于所述空腔内，以及一动力源，所述的转筒由该偏心部分支承。

7、如权利要求6所述的设备，其特征是所述的驱动装置还包括一与所述转筒和隔墙之一相连的外齿轮，以及一与所述转筒和隔墙中的另一个相连的内齿轮，该内齿轮与外齿轮啮合，所述的转筒由偏心部分可旋转地支承。

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