CN102704945A - 一种长距离大坡度斜井全断面岩石掘进机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长距离大坡度斜井全断面岩石掘进机，包括盾体、设在盾体前端的由刀盘和主驱动系统构成的机头、可双向旋转出碴的刀盘、位于刀盘后的开挖舱、设在开挖舱的可密闭的接碴斗和防涌门、安装在盾体内顶部的稳定器、设在盾体内的与机头铰接的推进油缸、防爆型排水系统、防爆型通风除尘系统、主机皮带机，还包括设在盾体后端的管片拼装机、与主机皮带机衔接的后配套皮带机以及物料快速倒运系统。本发明可以有效解决长距离大坡度斜井中突发性大量涌水、大量有害气体，掘进速度和效率，辅助物料运输，主机栽头及主机侧向滚动等问题。

Description

一种长距离大坡度斜井全断面岩石掘进机

技术领域

本发明属于全断面岩石掘进机（TBM），具体涉及一种长距离大坡度斜井全断面岩石掘进机。

背景技术

目前，国外采用掘进机法施工的隧道最大坡度为向上84%、向下58%，采用全断面岩石掘进机（TBM）施工的大坡度隧道绝大部分为上坡，因为上坡掘进有利于处理大量涌水等不良地质问题。而向下掘进的大坡度隧道（坡度超过-10%）主要采用压力平衡式盾构，这样容易解决大量涌水、大量有害气体等不良地质问题，但掘进速度慢效率低，地质适应范围窄。

国内掘进机法施工的隧道最大坡度只有±5.5%，且均采用压力平衡式盾构，掘进速度慢效率低，地质适应范围窄。而专门针对长距离大坡度斜井的TBM（坡度超过-10%）的研发和使用，在国内未有先例。

特别是煤矿中用于运输的长距离大坡度斜井，往往伴有大量涌水、大量有害气体等风险。且在长距离大坡度斜井隧道（坡度超过-10%）内运输施工用辅助物料（如管片、豆砾石、混凝土砂浆、水泥浆等）存在安全和效率问题。专门针对此类长距离大坡度斜井工程的TBM研发和使用在世界范围内也未有先例。

在我国，煤矿中使用的运输巷道绝大部分为长距离大坡度斜井，数量庞大，且对施工工期以及安全要求苛刻。而目前此类斜井均采用钻爆法等施工，或者改为竖井施工，施工速度和效率低，安全性和文明施工程度低。设计专门针对此类长距离大坡度斜井的TBM前景广阔。

发明内容

本发明的目的是提供一种长距离大坡度斜井全断面岩石掘进机（TBM），以解决长距离大坡度斜井中突发性大量涌水、大量有害气体，掘进速度和效率，辅助物料运输，主机栽头及主机侧向滚动等问题。

本发明的目的由以下技术方案实现：

长距离大坡度斜井全断面岩石掘进机，包括盾体、设在盾体前端的由刀盘和主驱动系统构成的机头、可双向旋转出碴的刀盘、位于刀盘后的开挖舱、设在开挖舱的可密闭的接碴斗和防涌门、安装在盾体内顶部的稳定器、设在盾体内的与机头铰接的推进油缸、防爆型排水系统、防爆型通风除尘系统、主机皮带机，还包括设在盾体后端的管片拼装机、与主机皮带机衔接的后配套皮带机以及物料快速倒运系统。

所述刀盘的旋转中心线向上偏离盾体中心线一定距离。

所述刀盘上设有刮碴板。

所述接碴斗进料口上设有与油缸连接的密封门。

所述推进油缸的侧向设有偏转油缸。

所述盾体外的底部焊接有防滚条。

所述主机皮带机设置有除尘风管。

物料快速倒运系统包括后配套尾部卸载拖车及物料运输车和罐。

本发明的有益效果：

1、采用具有密闭功能的盾体、可密闭的接碴斗、防爆型排水系统以及防爆型通风除尘系统，可解决长距离大坡度斜井工程中大量涌水、大量有害气体等突发问题，保证设备和施工人员安全。

2、采用可双向旋转出碴的刀盘1配合主机皮带机以及后配套皮带机8出碴，可提高掘进速度和出碴效率；采用预制混凝土管片衬砌支护，利用豆砾石和稀水泥浆填充管片与隧道之间的间隙，并在仰拱底部注入速凝混凝土防止管片沉降，可保证快速、有效、安全地衬砌支护隧道。

3、采用适应大坡度长距离斜井的物料快速倒运系统，可提高长距离大坡度斜井施工用辅助物料（如管片、豆砾石、混凝土砂浆、水泥浆等）的供给速度。

4、为解决在长距离大坡度斜井隧道掘进过程中TBM主机容易栽头的问题，将刀盘的旋转中心线向上偏离盾体中心线一定距离，此时隧道底部开挖量减少顶部开挖量增加，随着刀盘边滚刀磨损量增加，隧道底部逐渐形成一条向上的曲线，迫使整个主机向上抬头。

5、为解决开挖后隧道壁对盾体包裹能力小、摩擦力不够导致TBM主机与隧道发生相对侧向滚动的问题，采用可双向旋转出碴的刀盘来抵消部分侧向滚动扭矩，利用底部焊接有防滚条的盾体和安装在盾体上部的稳定器增加隧道与盾体间摩擦力，并配合可调整角度的推进油缸提供与滚动方向相反的扭矩，共同防止TBM主机侧向滚动。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

附图说明

图1是本发明正常掘进时的结构示意图。

图2是本发明遭遇大量涌水时剖视图。

图3是本发明中接碴斗的示意图。

图4是本发明中推进油缸的主视图。

图5是图4中推进油缸的A向视图。

图6是图4的俯视图。

图7是推进油缸偏转状态示意图。

图8是本发明中的主机皮带机示意图。

图9是本发明中刀盘旋转中心与盾体中心的示意图。

图10是本发明中的刀盘示意图。

图11是本发明施工时管片在卸载拖车区域卸载示意图。

图12是本发明施工时管片在后配套前部卸载和吊装示意图。

图13是本发明施工时豆砾石罐卸载示意图。

具体实施方式

见图1、图2，长距离大坡度斜井全断面岩石掘进机，包括具有密闭功能和防滚动的盾体2、设在盾体2前端的由刀盘1和主驱动系统5构成的机头、可双向旋转出碴的刀盘1、位于刀盘1后的开挖舱a、设在开挖舱a的可密闭的接碴斗4和防涌门12、安装在盾体内顶部的稳定器3、设在盾体2内的与机头铰接的推进油缸10、防爆型排水系统11、防爆型通风除尘系统15、主机皮带机6，还包括设在盾体2后端的管片拼装机7、与主机皮带机6衔接的后配套皮带机8以及物料快速倒运系统；接碴斗4进料口401上设有与油缸连接的密封门14，如图3所示；推进油缸10如图4—6所示，在其底部侧向设有偏转油缸16与支架101连接，当偏转油缸16工作时带动推进油缸10发生偏转（参见图7）；主机皮带机6上设置有除尘风管15，如图8所示；刀盘1的旋转中心线b向上偏离盾体2的中心线c一定距离，如图9所示；刀盘1上设有刮渣板101，如图10所示；盾体2外的底部焊接有防滚条（未示出）；见图11—13，物料快速倒运系统包括后配套尾部卸载拖车18及物料运输车和罐，如隧道内胶轮车20运输编组、后配套物料卸载吊机17、后配套内部的物料倒运卷扬小车22、管片卸载器21、管片吊机24以及豆砾石吊机25、砂浆罐吊机以及砂浆泵送系统。

工作原理：

图1中为本发明正常掘进模式，此时通过主机皮带机6和后配套皮带机8出碴，通过管片拼装机7拼装预制的混凝土管片9来衬砌支护开挖成型的隧道。刀盘1设置为正向旋转和反向旋转交叉的旋转出碴模式，从而起到防止主机侧向滚动的作用。盾体顶部的稳定器3向外伸出撑靴头作用在洞壁上产生的反力，增加了盾体底部与隧道壁之间的摩擦力，而盾体外底部焊接有防滚条也可增加与隧道壁间的摩擦力，从而起到防止主机滚动的作用。推进油缸10亦可通过自身的偏转油缸16调整偏转角度，提供与主机滚动扭矩方向相反的扭矩，阻止主机滚动。

图2中为斜井开挖面遭遇大量涌水或者大量有害气体13时的处理示意图。当掌支面突然出现大量涌水13时停止掘进，关闭接碴斗4的密封门14和防涌门12，将涌水暂时密封在开挖舱a内。然后调节防涌门12开口大小，限制性地让部分涌水流进盾体2内，再通过盾体2内的防爆型排水系统11将涌水抽排到后配套污水箱内。污水箱内污水通过简单的分离处理后，通过后配套内排污泵以及隧道内排污泵分级抽排至洞外。

当斜井开挖面出现大量有害气体13时停止掘进，立即关闭接碴斗4的密封门14和防涌门12，暂时将大量有害气体密闭在开挖舱a内。在保证主机内通风除尘系统工作良好的情况下再打开接碴斗4的密封门14，此时具有防爆功能的除尘系统通过主机皮带机6内部的除尘风管15迅速将有害气体抽排至后配套区域以外，再依靠隧道内回风作用将有害气体携带至洞外。

可密闭的接碴斗4在紧急情况下，密封门14可通过油缸实现自动开闭。

推进油缸10，通过偏转油缸16可实现推进油缸10整体偏转一定角度，在推进过程中提供一定防主机侧滚的扭矩。

可双向旋转出碴的刀盘1由于有刮渣板，刀盘正转和反转均可实现掘进出碴，并可防止和纠正主机的侧向滚动。

物料快速倒运系统可快速运输施工所需的管片、豆砾石及混凝土砂浆、水泥浆等辅助物料。

管片运输方案如图11和图12所示。首先，洞外的管片23通过胶轮车20编组整环运送至TBM后配套尾部卸载拖车18区域；其次，在卸载拖车18区域通过物料卸载吊机17将管片23卸载到物料倒运卷扬小车22上；然后，通过卷扬小车22将管片23运送至后配套前部；再通过管片卸载器21将管片23卸载后堆放在拖车内，并通过管片吊机24将管片23分块吊至管片存储小车19上，最后管片拼装机7抓取由管片存储小车19运送来的管片23并依次拼装。

豆砾石运输方案如图11—图13所示。首先，洞外豆砾石装载至豆砾石罐26中，通过胶轮车20将豆砾石罐26运送至TBM后配套尾部卸载拖车18区域；其次，在卸载拖车18区域通过物料卸载吊机17将砾石罐26卸载到物料倒运卷扬小车22上；然后，通过卷扬小车22将砾石罐26运送至后配套豆砾石罐指定存放拖车区域；再通过豆砾石罐吊机25将豆砾石罐26卸载后放置于指定位置。

混凝土砂浆、水泥浆等辅助物料运输方案。此类非固态辅助物料罐装后用胶轮车20运输至TBM后配套尾部卸载拖车18区域，并通过吊机卸载到后配套尾部拖车内，再泵送至拖车前部指定的存储罐内。

Claims (8)

1.一种长距离大坡度斜井全断面岩石掘进机，其特征在于包括盾体、设在盾体前端的由刀盘和主驱动系统构成的机头、可双向旋转出碴的刀盘、位于刀盘后的开挖舱、设在开挖舱的可密闭的接碴斗和防涌门、安装在盾体内顶部的稳定器、设在盾体内的与机头铰接的推进油缸、防爆型排水系统、防爆型通风除尘系统、主机皮带机，还包括设在盾体后端的管片拼装机、与主机皮带机衔接的后配套皮带机以及物料快速倒运系统。

2.根据权利要求1所述的长距离大坡度斜井全断面岩石掘进机，其特征在于所述刀盘的旋转中心线向上偏离盾体中心线一定距离。

3.根据权利要求1或2所述的长距离大坡度斜井全断面岩石掘进机，其特征在于所述刀盘上设有刮碴板。

4.根据权利要求3所述的长距离大坡度斜井全断面岩石掘进机，其特征在于所述接碴斗进料口上设有与油缸连接的密封门。

5.根据权利要求4所述的长距离大坡度斜井全断面岩石掘进机，其特征在于所述推进油缸的侧向设有偏转油缸。

6.根据权利要求5所述的长距离大坡度斜井全断面岩石掘进机，其特征在于所述盾体外的底部焊接有防滚条。

7.根据权利要求6所述的长距离大坡度斜井全断面岩石掘进机，其特征在于所述主机皮带机设置有除尘风管。

8.根据权利要求7所述的长距离大坡度斜井全断面岩石掘进机，其特征在于物料快速倒运系统包括后配套尾部卸载拖车及物料运输车和罐。

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