CN103541737B - 掘进机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种隧道掘进方法及掘进机，掘进时，在岩壁圆周内同时钻多孔，在已钻好的孔旁沿其分布圆周继续同时钻与上一孔相切或相交的多个孔，重复如上步骤，直至将圆周打通形成岩土芯，将岩土芯碎裂，继续上述步骤，直至达到设定的掘进深度，相比现有方法，本发明的方法掘进速度快，工程造价低；掘进机包括机架，位于机架前端的钻孔装置和钻孔推进装置，钻孔装置包括圆盘、位于圆盘上且沿圆盘圆周均匀分布的多个钻杆和钻杆末端的液压马达，各钻杆同时沿掘进方向进行钻孔，圆盘可绕其轴线旋转调节，该掘进机适用于本发明的隧道掘进方法，相比现有掘进机，设备重量轻、结构简单。

Description

掘进机
技术领域
本发明涉及工程机械领域，特别涉及一种隧道掘进机。
背景技术
21世纪是地下空间的世纪，随着国民经济的快速发展，我国城市化进程不断加快，今后相当长的时期内，国内的城市地铁隧道、水工隧道、越江隧道、铁路隧道、公路隧道、市政管道等工程将需要大量的隧道施工及施工用的掘进机。
隧道掘进机是用机械破碎岩石、出碴和支护实行连续作业的一种综合设备。按掘进机在工作面上的切削过程，分为全断面掘进机和部分断面掘进机。按破碎岩石原理不同，又可分滚压式(盘形滚刀)掘进机和铣切式掘进机。中国产品多为滚压式全断面掘进机，适于中硬岩至硬岩。掘进时，在推进油缸的轴向压力作用下，电动机驱动滚刀盘旋转，将岩石切压破碎，其周围有勺斗，随转动而卸到运输带上。这种隧道掘进方法费时、工程造价大，隧道掘进机的设备结构复杂、成本高，同时由于制造工艺复杂，因此设备主要依赖进口。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种隧道掘进方法和适用于该方法进行作业的掘进机，其方法掘进效率高，设备结构、制造工艺简单。
本发明的隧道掘进方法，包括如下步骤
a)在需进行隧道掘进的开挖面上同时钻多个孔，各孔均匀分布在同一圆周内；
b)在已钻好的孔旁沿其分布圆周继续同时钻与上一孔相切或相交的多个孔；
c)重复如上步骤，直至上述孔覆盖整个孔的分布圆周，并在孔分布圆周中部形成岩土芯；
d)碎裂岩土芯，取出碎石，完成一次掘进；
e)在已挖掘出的隧道最里端的开挖面上，沿掘进方向重复上述a)至d)，直至达到预定的掘进深度。
进一步，所述步骤a)和b)中，所述多个孔的钻进方向与隧道轴向的夹角为3-6度，多个孔形成的圆锥沿掘进方向截面逐渐增大。
一种用于实施上述隧道掘进方法的掘进机，包括机架、位于机架前端的钻孔装置和钻孔推进装置，所述钻孔装置包括可绕其自身轴线转动的圆盘、绕周向均布于圆盘上的多根钻杆和设置于钻杆末端用于驱动钻杆旋转的液压马达，所述圆盘可绕其自身轴线旋转调节，所述钻孔推进装置驱动钻杆沿钻杆轴向往复移动。
进一步，所述圆盘由铰接于机架和圆盘之间的液压缸A驱动旋转，所述液压缸A伸长时，各钻杆的旋转轨迹构成一个完整的圆周。
进一步，所述钻杆固定于滑座上，所述圆盘设有摆臂A，所述摆臂A顶部设有固定滑轨，所述滑座在滑轨上沿钻杆轴线方向滑动。
进一步，所述各钻杆与圆盘中心线呈3-6度夹角，各钻杆形成的圆锥沿掘进方向截面逐渐增大，
进一步，所述钻孔推进装置包括位于摆臂A上的滑轮A、位于滑座底部沿掘进方向前后布置的前滑轮B与后滑轮C、位于圆盘上且与圆盘同心的电动绞盘和钢丝绳，所述钢丝绳依次绕过滑轮A、前滑轮B、后滑轮C和滑轮A后，钢丝绳两端交叉分别与电动绞盘连接。
进一步，所述摆臂A与圆盘在滑轮A的中心处铰接，所述摆臂A由位于圆盘上的液压缸B驱动，绕滑轮A的中心在圆盘平面内摆动。
进一步，还包括安装在机架上的行走机构，所述行走机构包括与机架连接的机架提升装置和安装于机架提升装置上的行走轮，所述机架提升装置包括平行四连杆机构和用于驱动四连杆机构动作的液压缸C所述行走轮安装于四连杆机构的底部水平机架杆上。
进一步，所述行走机构为两个，并沿机架左右两侧对称布置。
进一步，所述机架上沿左右两侧对称固定有套杆，所述平行四连杆机构的顶部连杆以可绕其自身轴线自由旋转的方式套于套杆外。
进一步，所述机架两侧对称设有支撑装置，所述支撑装置包括一端与机架铰接的摆臂B和位于摆臂B另一端的支撑盘，所述摆臂B由液压缸D驱动摆动。
进一步，还包括位于机架上的液压劈裂机。
进一步，所述机架为油缸式，所述圆盘设置在机架活塞杆上。
进一步，所述机架活塞杆、绞盘和圆盘为中空，中空空间内设有中心孔钻。
进一步，所述机架后端设有供给液压元件的液压站，所述掘进机的重心位于前后行走轮之间。
本发明的有益效果：本发明的一种隧道掘进方法及掘进机，掘进时，在岩壁上同时打孔多个，各孔均匀分布在同一圆周内，在已打好的孔旁沿其分布圆周继续同时打孔；重复如上步骤，直至将圆周打通，用劈裂机将圆周方向已钻通的岩石进行劈裂，重复上述步骤，直至达到设定的掘进深度，相比现有隧道掘进方法，本发明的隧道掘进方法，掘进速度快；本发明的掘进机包括装有行走机构的机架，位于机架前端的钻孔装置和钻孔推进装置，钻孔装置包括圆盘、位于圆盘上且沿圆盘圆周均匀分布的多个钻杆和钻杆末端的液压马达，圆盘由驱动装置驱动绕其轴线旋转，各钻杆同时沿掘进方向进行钻孔，钻杆在圆盘驱动下旋转一角度，在已完成的孔旁继续钻孔，该掘进机适用于本发明的隧道掘进方法，相比现有掘进机，设备重量轻、结构简单，制造工艺简单、成本低。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
图1为本发明隧道掘进方法步骤a)的操作示意图；
图2为本发明隧道掘进方法步骤b)的操作示意图；
图3为本发明隧道掘进方法步骤c)完成后的操作示意图；
图4为本发明掘进机的立体结构示意图；
图5为本发明掘进机的主视图；
图6为本发明掘进机的俯视图；
图7为本发明掘进机的右视图；
图8为图5中A部分的放大视图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明进行详细说明。
1.隧道掘进方法的实施例：
包括如下步骤：
a)如图1所示，在需进行隧道掘进的开挖面上同时钻多个孔，各孔均匀分布在同一圆周内；
b)在已钻好的孔旁沿其分布圆周继续同时钻与上一孔相切或相交的多个孔，如图2所示；
c)重复如上步骤，直至上述孔覆盖整个孔的分布圆周，并在孔分布圆周中部形成岩土芯，如图3所示。
d)碎裂岩土芯，取出碎石，完成一次掘进；
e)在已挖掘出的隧道最里端的开挖面上，沿掘进方向重复上述a)至d)，直至达到预定的掘进深度。
采用上述步骤掘进时，步骤完成后的隧道内壁上会残留有部分凸起，造成继续掘进时的掘进直径会逐渐减小，为此在步骤a)和b)中，所述多个孔的钻进方向与隧道轴向的夹角为3-6度，多个孔形成的圆锥沿掘进方向截面逐渐增大。
2.掘进机的实施例：
如图4-8所示，本发明的掘进机，包括机架1、位于机架前端的钻孔装置2和钻孔推进装置3，钻孔装置2包括可绕其自身轴线转动的圆盘21、绕周向均布于圆盘21上的多根钻杆22和设置于钻杆末端用于驱动钻杆旋转的液压马达23，圆盘21可绕其自身轴线旋转调节，钻孔推进装置驱动钻杆沿钻杆轴向往复移动，如图1所示，由钻孔推进装置驱动钻杆在开挖面上钻孔，然后钻杆在圆盘驱动下旋转一角度，沿其分布圆周继续同时钻与上一孔相切或相交的多个孔，如图2所示，如此往复，直至在圆周方向钻通，如图3所示。圆盘21可以由电机、液压马达等驱动，优选的，圆盘21由位于机架1上的液压缸A24驱动旋转，液压缸A24缸体部分固定在机架上，活塞杆输出端与圆盘边部连接，活塞杆运动可驱动圆盘绕自身轴线在某一角度范围内旋转，当液压缸A24活塞杆输出满行程时，位于圆盘上的各钻杆的旋转轨迹构成一个完整的圆周，即可以将钻杆分布的整个圆周钻通，相比电机、液压马达等，采用液压缸A驱动圆盘21结构简单，同时圆盘21不必整圈旋转，节约能量。
为使各钻杆可单独沿掘进方向钻孔，所述钻杆22固定于滑座27上，所述圆盘外圆上设有摆臂A25，摆臂A25顶部设有固定滑轨28，所述滑座27与滑轨25之间沿钻杆22轴线方向滑动配合，钻进过程中不同钻杆遇到的岩土硬度存在差异，钻杆单独沿掘进方向移动，各钻杆钻进深度可以适应遇不同的岩土硬度。
为避免掘进断面直径越来越小，所述各钻杆22与圆盘21中心线呈3-6度夹角，各钻杆形成的圆锥沿掘进方向截面逐渐增大。
圆盘21上设有且与其同心的电动绞盘32，每个钻杆22对应一套钻孔推进装置3，包括位于摆臂A25上的滑轮A31、位于滑座27底部沿掘进方向前后布置的前滑轮B34与后滑轮C35和钢丝绳33，所述钢丝绳33依次绕过滑轮A31、前滑轮B34、后滑轮C35和滑轮A后，钢丝绳33两端交叉分别与电动绞盘32连接，绞盘不同方向旋转，由钢丝绳33带动滑座27及钻杆22前进或后退。
为了调整掘进断面直径的大小，摆臂A25与圆盘21铰接，所述滑轮A31中心位于铰接点处，摆臂A25由位于圆盘上的液压缸B26驱动绕铰点在圆盘平面内摆动，可以调整钻杆与圆盘中心的距离，即掘进断面直径大小可调；而将滑轮A31设置在摆臂A25与圆盘21的铰接点处，摆臂A绕其铰点在摆动过程中，滑轮A与滑座27间的距离始终不变，即滑轮A与滑座间钢丝绳的长度不会随摆臂的摆动而变化，钻杆不会沿掘进方向移动。
还包括安装在机架上的行走机构4，所述行走机构4包括与机架1连接的机架提升装置5和安装于机架提升装置上的行走轮41，所述机架提升装置5包括平行四连杆机构51和用于驱动四连杆机构动作的液压缸C52，如图8所示，平行四连杆机构由底部水平机架杆511、顶部连杆512和机架杆511与顶部连杆512之间的连架杆513、514组成，行走轮安装于四连杆机构的底部水平机架杆511上，顶部连杆512与机架1连接，液压缸C用于驱动连架杆513转动，从而实现机架1与顶部连杆512一同升降，因此可实现钻杆掘进高度的调整。
作为上述技术方案的进一步改进，行走机构4为两个，沿机架1左右两侧对称布置，行走和机架升降更平稳。
作为上述技术方案的进一步改进，所述机架上沿左右两侧对称固定有连接套杆12，所述平行四连杆机构的顶部连杆512同轴套于套杆12外，套杆12与顶部连杆512间设有滚动轴承，在套杆12及滚动轴承的支撑下，顶部连杆512以可绕其自身轴线自由旋转，进而实现机架杆511上的行走轮41绕顶部连杆512自由摆动，以适应不同路面情况。
作为上述技术方案的进一步改进，机架1两侧对称设有支撑装置6，支撑装置包括与一端机架铰接的摆臂B61和位于摆臂B另一端的支撑盘62，摆臂B61由液压缸D63驱动摆动，在液压缸D63作用下支撑盘62支撑在隧道侧壁上，使掘进操作更加稳定，设备整体刚度更好。
作为上述技术方案的进一步改进，机架1上设有液压劈裂机7，将钻好的岩土芯劈裂。
作为上述技术方案的进一步改进，所述机架为油缸式的，所述圆盘设置在机架活塞杆11上，隧道掘进一段距离后，靠近隧道底部开挖面的地面会残留岩土等，导致车子不能靠近开挖面，此时活塞杆11伸出，钻杆前伸将残留岩土去除，以便于继续掘进。
作为上述技术方案的进一步改进，所述机架活塞杆11、绞盘32和圆盘21为中空，中空空间内设有中心孔钻8，用于在岩土芯中部打孔，打孔之后由劈裂机伸出去撑碎岩土芯，同时，也可以在隧道掘进时轴线定位的作用，让机器始终不偏移。
作为上述技术方案的进一步改进，机架后端设有液压站9，供给整个设备的液压元件，并使本掘进机的重心位于前后行走轮之间，操作平稳。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (12)

1.一种掘进机，包括机架(1)、位于机架前端的钻孔装置(2)和钻孔推进装置(3)，其特征在于：所述钻孔装置(2)包括可绕其自身轴线转动的圆盘(21)、绕周向均布于圆盘(21)上的多根钻杆(22)和设置于钻杆末端用于驱动钻杆旋转的液压马达(23)，所述圆盘(21)可绕其自身轴线旋转调节，所述钻孔推进装置驱动钻杆沿钻杆轴向往复移动，所述钻杆(22)固定于滑座(27)上，所述圆盘(21)设有滑轨(28)，所述滑座(27)在滑轨(28)上沿钻杆(22)轴线方向滑动，其特征在于：所述圆盘上设有与其同心的电动绞盘(32)，所述钻孔推进装置(3)包括位于圆盘(21)上的滑轮A(31)、位于滑座底部沿掘进方向前后布置的前滑轮B(34)与后滑轮C(35)和钢丝绳(33)，所述钢丝绳(33)依次绕过滑轮A(31)、前滑轮B(34)、后滑轮C(35)和滑轮A(31)后，钢丝绳(33)两端交叉分别与电动绞盘(32)连接。
2.根据权利要求1所述的掘进机，其特征在于：所述圆盘(21)由铰接于机架(1)和圆盘(21)之间的液压缸A(24)驱动旋转，所述液压缸A(24)伸长时，各钻杆的旋转轨迹构成一个完整的圆周。
3.根据权利要求1所述的掘进机，其特征在于：所述圆盘设有摆臂A(25)，所述滑轨(28)设置在摆臂A(25)顶部，所述摆臂A(25)与圆盘(21)在滑轮A(31)的中心处铰接，所述摆臂A(25)由位于圆盘上的液压缸B(26)驱动绕滑轮A(31)的中心在圆盘平面内摆动。
4.根据权利要求3所述的掘进机，其特征在于：所述各钻杆(22)与圆盘(21)中心线呈3-6度夹角，各钻杆形成的圆锥沿掘进方向截面逐渐增大。
5.根据权利要求1所述的掘进机，其特征在于：还包括安装在机架上的行走机构(4)，所述行走机构(4)包括与机架(1)连接的机架提升装置(5)和安装于机架提升装置上的行走轮(41)，所述机架提升装置包括平行四连杆机构(51)和用于驱动四连杆机构动作的液压缸C(52)，平行四连杆机构(51)包括底部水平机架杆(511)和与机架(1)连接的顶部连杆(512)，所述行走轮(41)安装于四连杆机构的底部水平机架杆(511)上。
6.根据权利要求5所述的掘进机，其特征在于：所述行走机构(4)为两个，并沿机架(1)左右两侧对称布置。
7.根据权利要求6所述的掘进机，其特征在于：所述机架(1)上沿左右两侧对称固定有套杆(12)，所述平行四连杆机构的顶部连杆(512)以可绕其自身轴线自由旋转的方式套于套杆(12)外。
8.根据权利要求1所述的掘进机，其特征在于：所述机架(1)两侧对称设有支撑装置(6)，所述支撑装置(6)包括一端与机架铰接的摆臂B(61)和位于摆臂B另一端的支撑盘(62)，所述摆臂B(61)由液压缸D(63)驱动摆动。
9.根据权利要求1所述的掘进机，其特征在于：还包括位于机架上的液压劈裂机(7)。
10.根据权利要求1所述的掘进机，其特征在于：所述机架为油缸式，所述圆盘设置在机架活塞杆(11)上。
11.根据权利要求10所述的掘进机，其特征在于：所述机架活塞杆(11)、绞盘(32)和圆盘(21)为中空，在中空空间内设有中心孔钻(8)。
12.根据权利要求1-11任一项所述的掘进机，其特征在于：所述机架(1)后端设有供给液压元件的液压站(9)，所述掘进机的重心位于前后行走轮之间。
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