CN109441472B - 渣土前排式水平扩挖隧道装置及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于隧道工程开挖施工领域，提供一种渣土前排式水平扩孔装置及其施工方法。本发明通过千斤顶推动牵引电机沿着轴向运动，同时驱动牵引齿轮管件转动，并带动刀盘转动，从而使刀盘上的扩径刀旋转破碎切割岩土体，破碎岩土体形成的渣土进入渣土舱；进一步渣土从渣土舱中掉落进入出渣盘后，在推铲推动下，通过高压空气从出渣孔套管中被向前吹出。与现有技术相比，本发明的有益效果在于：效率高，克服了浅埋开挖施工和深埋人员无法直立施工的缺点；施工安全性高，人员不用直接进入隧道内施工；经济性好，用工量少，节约人工成本，而且能适应多种地层。

Description

渣土前排式水平扩挖隧道装置及其施工方法

技术领域

本发明属于隧道工程开挖施工领域，涉及渣土前排式水平扩孔装置及其施工方法。

背景技术

实际工程中常需开挖直径约1米到2米左右的小型隧道，如电力工程和市政工程中的管线隧道，这种隧道开挖非常困难。直径超过2米的隧道，施工人员可以直立进入隧道内施工，直径小于1米的隧道，可以采用专业的小型水平定向钻机施工，但是直径超过1米的水平钻机非常少见，价格也极其昂贵，经济性很差。由于缺乏专用的施工机械，埋深较浅的小型隧道采用明挖法施工，开挖工程量很大，外界气象条件对施工影响较大，而且施工对周边环境、城市地面交通和居民造成严重的影响；埋深较大的小型隧道只能采用人工开挖，由于施工人员在隧道内无法直立，人员效率低下，材料运输不便，安全保护装置安装空间狭小，施工进度和安全无法保证，有时迫于无奈只能加大至常规直径开挖。

因此，目前亟需寻求一种技术难度低、施工简单、经济性高的水平扩挖隧道装置及其施工方法。

发明内容

本发明的目的就是，为了克服现有技术存在的缺陷，提供一种渣土前排式水平扩挖隧道装置及其施工方法，克服浅埋开挖施工和深埋人员无法直立施工的缺陷。

为了实现上述目标，本发明提供了如下技术方案：

一种渣土前排式水平扩挖隧道装置，包括牵引系统、扩孔系统和排渣系统；牵引系统包括牵引器固定架、牵引器固定锚杆、牵引电机、导轨、电机推进千斤顶、牵引齿轮管件、牵引轴、牵引轴外套管、轴承、密封润滑油、轴向限位阀，牵引器固定架进一步包括牵引器固定架支架、牵引器固定架顶板、牵引器固定架底板；扩孔系统包括刀盘、扩径刀、搅拌棒、渣土舱；排渣系统包括高压气管、高压气泵、推铲、推铲支座、推铲千斤顶、出渣孔套管、出渣盘、高压气管保护网罩。

其中，牵引器固定架顶板与牵引器固定架底板上下平行设置，牵引器固定架支架纵向设置在牵引器固定架顶板、牵引器固定架底板之间，并与牵引器固定架顶板、牵引器固定架底板共同构成牵引器固定架；牵引器固定架通过牵引器固定锚杆固定在稳定岩层上，具体的，在牵引器固定架底板下端设置若干牵引器固定锚杆，若干牵引器固定锚杆通过钻孔固定的方式安装在稳定岩层中。

进一步，牵引电机安设在牵引器固定架中，牵引电机的输出端设置有牵引齿轮管件，牵引轴的前段穿设于牵引齿轮管件中，并与牵引齿轮管件咬合连接。具体的，牵引齿轮管件内设置有主动齿轮，牵引轴上设置有从动齿轮，所述从动齿轮与主动齿轮咬合传动连接。

沿拟建隧道的中心轴线处开设有水平的牵引孔，在拟建隧道距下部边缘一定距离开设有水平的出渣孔。

进一步，牵引孔中安装牵引轴外套管，牵引轴的后段穿设在牵引轴外套管中，牵引轴外套管中每隔一段距离安装一个轴承，使牵引轴能够保持在拟建隧道的中心轴线上；轴承之间还装有密封润滑油，以减少转动摩擦。

进一步，刀盘为辐条式结构，扩径刀安装在刀盘前端的主梁上，刀盘的后方设置有渣土舱，渣土舱中设置有搅拌棒，搅拌棒的转动中心与刀盘转动中心同轴设置，牵引轴后端依次与刀盘转动中心、搅拌棒转动中心固定连接。

进一步，在牵引电机的后方设置有电机推进千斤顶，电机推进千斤顶安装在牵引器固定架支架上，同时在牵引器固定架顶板的下方及牵引器固定架底板的上方分别安装有导轨，牵引轴上设置有轴向限位阀；牵引电机在电机推进千斤顶的推动下，沿着导轨轴向运动，同时驱动牵引齿轮管件转动，牵引齿轮管件带动牵引轴、刀盘和搅拌棒转动，且牵引轴在轴向限位阀的作用下水平运动并前移；同时刀盘上的扩径刀旋转破碎切割岩土体，破碎岩土体形成的渣土进入渣土舱并随搅拌棒转动，以防止渣土粘结。

进一步，出渣孔中安装出渣孔套管，出渣孔套管的入口位于渣土舱中；对应于出渣孔套管的入口位置，在渣土舱中安装有推铲支座，推铲支座上安装有推铲千斤顶，推铲千斤顶的活动端安装有推铲，推铲在推铲千斤顶的驱动下前后移动；进一步，推铲为半圆弧形结构，推铲与垂向成一定夹角安装在推铲千斤顶上，推铲的内弧面朝向出渣孔套管的入口。

进一步，牵引轴内部设置有沿其轴线设置的、贯穿的中心通道，高压气管穿过牵引轴的中心通道，高压气管的入口端连接高压气泵，高压气泵安设在稳定岩层上，高压气管的出口端依次经过牵引轴后端、渣土舱、推铲支座、推铲千斤顶后穿过推铲并延伸至推铲内弧面处，为避免高压气管出口端被渣土堵塞，在高压气管出口端处设有高压气管保护网罩。

进一步，在刀盘下方安装有出渣盘，出渣盘为半圆薄壁体，其与刀盘同心设置，用以收集渣土，并使渣土流动到出渣孔处。

进一步，对应于出渣盘所在位置，在刀盘上开设有环形的孔洞作为推铲活动环，推铲活动环的设置是为了预留出推铲的活动空间，并作为刀盘前方渣土的排出通道。

渣土从渣土舱中掉落进入出渣盘，推铲千斤顶前伸将推铲向前移动，推铲前移至推铲活动环时，通过高压气泵将高压空气通过高压气管喷出，从而将渣土从出渣孔套管吹出；由于在与出渣盘对应的位置设有推铲活动环，可以方便推铲前伸，当推铲向前移动接近主梁时，推铲千斤顶回缩，高压气泵关闭；当推铲通过主梁后，推铲前伸，高压空气继续将将渣土经过出渣孔套管吹出，如此反复。推铲是往复运动，其与刀盘转动相互配合，刀盘转动过程中，主梁靠近出渣孔时，推铲收回，高压气泵关闭；待主梁通过并远离出渣孔时，打开高压气泵，推铲向前推，实现渣土向前排出；同样地，刀盘继续转动，下一主梁靠近出渣孔时，推铲再次收回，如此往复。

本发明还提供一种渣土前排式水平扩挖隧道的施工方法，包括如下步骤：

(1)引孔施工：

在拟建隧道的中心用普通水平定向钻钻一个牵引孔，在拟建隧道距下部边缘一定距离用普通水平定向钻钻一个出渣孔；

(2)套管施工：

在牵引孔中装牵引轴外套管，在出渣孔中装出渣孔套管；

(3)安装渣土前排式水平扩挖隧道装置：

(4)启动牵引、扩挖系统：

启动电机推进千斤顶，推动牵引电机沿着导轨轴向运动，同时驱动牵引齿轮管件转动，牵引齿轮管件带动牵引轴、刀盘和搅拌棒转动，且牵引轴在轴向限位阀的作用下水平运动并前移；

(5)渣土切削及排出：

(5.1)在牵引轴的带动下，刀盘上的扩径刀旋转破碎切割岩土体，破碎岩土体形成的渣土进入渣土舱并随搅拌棒转动，以防止渣土粘结；

(5.2)渣土从渣土舱中掉落进入出渣盘，推铲千斤顶前伸将推铲向前移动，推铲前移至推铲活动环时，通过高压气泵将高压空气通过高压气管喷出，从而将渣土从出渣孔套管吹出；

(6)推进行程往复：

(6.1)电机推进千斤顶推进至其行程最大值后，取下牵引电机与牵引轴之间的轴向限位阀，牵引轴位置保持不动，收回牵引电机至起始位置；

(6.2)再次安装牵引电机与牵引轴之间的轴向限位阀，启动电机推进千斤顶，开始新一轮牵引前进，如此往复。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.效率高，克服了浅埋开挖施工和深埋人员无法直立施工的缺点。

2.施工安全性高，人员不用直接进入隧道内施工；

3.经济性好，用工量少，节约人工成本，而且能适应多种地层。

附图说明

图1为本发明实施例提供的渣土前排式水平扩挖隧道装置示意图；

图2为本发明实施例提供的传动界面示意图；

图3为本发明实施例提供的牵引孔和排渣孔位置示意图；

图4为本发明实施例提供的刀盘结构示意图；

图5为本发明实施例提供的推铲回缩时的示意图；

图6为本发明实施例提供的推铲前伸高压空气吹渣示意图；

图7为图6的A-A剖面示意图。

图中标记说明：

100—扩挖隧道轮廓线、110—牵引孔、120—出渣孔、200—渣土，

11—牵引器固定架、111—牵引器固定架支架、112—牵引器固定架顶板、113—牵引器固定架底板、12—牵引器固定锚杆、13—牵引电机、131-导轨、132-电机推进千斤顶、14—牵引齿轮管件、141-主动齿轮、15—牵引轴、151—牵引轴后端、152-从动齿轮、16—牵引轴外套管、17—轴承、18—密封润滑油、19-轴向限位阀，

21—刀盘、22—扩径刀、23—搅拌棒、24—渣土舱，

31—高压气管、32—高压气泵、33—推铲、34—推铲支座、35—推铲千斤顶、36—出渣孔套管、37—出渣盘、38—推铲活动环、39—高压气管保护网罩。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1至图7所示，一种渣土前排式水平扩挖隧道装置，包括牵引系统、扩孔系统和排渣系统；牵引系统包括牵引器固定架11、牵引器固定锚杆12、牵引电机13、导轨131、电机推进千斤顶132、牵引齿轮管件14、牵引轴15、牵引轴外套管16、轴承17、密封润滑油18、轴向限位阀19，牵引器固定架进一步包括牵引器固定架支架111、牵引器固定架顶板112、牵引器固定架底板113；扩孔系统包括刀盘21、扩径刀22、搅拌棒23、渣土舱24；排渣系统包括高压气管31、高压气泵32、推铲33、推铲支座34、推铲千斤顶35、出渣孔套管36、出渣盘37、推铲活动环38、高压气管保护网罩39。

其中，牵引器固定架顶板112与牵引器固定架底板113上下平行设置，牵引器固定架支架111纵向设置在牵引器固定架顶板112、牵引器固定架底板113之间，并与牵引器固定架顶板112、牵引器固定架底板113共同构成牵引器固定架11；牵引器固定架11通过牵引器固定锚杆12固定在稳定岩层上，具体的，在牵引器固定架底板113下端设置若干牵引器固定锚杆12，若干牵引器固定锚杆12通过钻孔固定的方式安装在稳定岩层中。

进一步，牵引电机13安设在牵引器固定架11中，牵引电机13的输出端设置有牵引齿轮管件14，牵引轴15的前段穿设于牵引齿轮管件14中，并与牵引齿轮管件14咬合连接。具体的，如图2所示，牵引齿轮管件14内设置有主动齿轮141，牵引轴15上设置有从动齿轮152，所述从动齿轮152与主动齿轮141咬合传动连接。

如图3所示，沿拟建隧道的中心轴线处开设有水平的牵引孔110，在拟建隧道距下部边缘一定距离开设有水平的出渣孔120。

进一步，牵引孔110中安装牵引轴外套管16，牵引轴15的后段穿设在牵引轴外套管16中，牵引轴外套管16中每隔一段距离安装一个轴承17，使牵引轴15能够保持在拟建隧道的中心轴线上；轴承17之间还装有密封润滑油10，以减少转动摩擦。

进一步，刀盘21为辐条式结构，扩径刀22安装在刀盘21前端的主梁上，刀盘21的后方设置有渣土舱24，渣土舱24中设置有搅拌棒23，搅拌棒23的转动中心与刀盘21转动中心同轴设置，牵引轴后端151依次与刀盘21转动中心、搅拌棒23转动中心固定连接。

进一步，在牵引电机13的后方设置有电机推进千斤顶132，电机推进千斤顶132安装在牵引器固定架支架111上，同时在牵引器固定架顶板112的下方及牵引器固定架底板113的上方分别安装有导轨131，在牵引电机13与牵引轴15之间设置有轴向限位阀19；牵引电机13在电机推进千斤顶132的推动下，沿着导轨131轴向运动，同时驱动牵引齿轮管件14转动，牵引齿轮管件14带动牵引轴15、刀盘21和搅拌棒23转动，且牵引轴15在轴向限位阀19的作用下水平运动并前移；同时刀盘21上的扩径刀22旋转破碎切割岩土体，破碎岩土体形成的渣土200进入渣土舱24并随搅拌棒23转动，以防止渣土200粘结。

进一步，出渣孔120中安装出渣孔套管36，出渣孔套管36的入口位于渣土舱24中；对应于出渣孔套管36的入口位置，在渣土舱24中安装有推铲支座34，推铲支座34上安装有推铲千斤顶35，推铲千斤顶35的活动端安装有推铲33，推铲33在推铲千斤顶35的驱动下前后移动；进一步，推铲33为半圆弧形结构，推铲33与垂向成一定夹角安装在推铲千斤顶35上，推铲33的内弧面朝向出渣孔套管36的入口。

进一步，牵引轴15内部设置有沿其轴线设置的、贯穿的中心通道，高压气管31穿过牵引轴15的中心通道，高压气管31的入口端连接高压气泵32，高压气泵32安设在稳定岩层上，高压气管31的出口端依次经过牵引轴后端151、渣土舱24、推铲支座34、推铲千斤顶35后穿过推铲33并延伸至推铲33内弧面处，为避免高压气管31出口端被渣土200堵塞，在高压气管31出口端处设有高压气管保护网罩39。

进一步，在刀盘21下方安装有出渣盘37，出渣盘37为半圆薄壁体，其与刀盘同心设置，用以收集渣土200，并使渣土200流动到出渣孔处。

进一步，对应于出渣盘37所在位置，在刀盘21上开设有环形的孔洞作为推铲活动环38，推铲活动环38的设置是为了预留出推铲33的活动空间，并作为刀盘21前方渣土的排出通道。

渣土200从渣土舱24中掉落进入出渣盘37，推铲千斤顶35前伸将推铲33向前移动，推铲33前移至推铲活动环38时，通过高压气泵32将高压空气通过高压气管31喷出，从而将渣土200从出渣孔套管36吹出；由于在与出渣盘37对应的位置设有推铲活动环38，可以方便推铲33前伸，当推铲33向前移动接近主梁时，推铲千斤顶35回缩，高压气泵32关闭；当推铲33通过主梁后，推铲33前伸，高压空气继续将将渣土200经过出渣孔套管36吹出，如此反复。推铲33是往复运动，其与刀盘21转动相互配合，刀盘21转动过程中，主梁靠近出渣孔时，推铲33收回，高压气泵32关闭；待主梁通过并远离出渣孔时，打开高压气泵32，推铲33向前推，实现渣土200向前排出；同样地，刀盘21继续转动，下一主梁靠近出渣孔时，推铲33再次收回，如此往复。

本发明还提供一种渣土前排式水平扩挖隧道的施工方法，包括如下步骤：

(1)引孔施工：

在拟建隧道的中心用普通水平定向钻钻一个牵引孔110，在拟建隧道距下部边缘一定距离用普通水平定向钻钻一个出渣孔120；

(2)套管施工：

在牵引孔110中装牵引轴外套管16，在出渣孔120中装出渣孔套管36；

(3)安装渣土前排式水平扩挖隧道装置：

(3.1)在稳定岩层中钻孔安装牵引器固定锚杆12，接下来安装牵引器固定架底板113、牵引器固定架支架111、牵引电机13、牵引齿轮管件14、电机推进千斤顶132、轴向限位阀19、牵引器固定架顶板112、导轨131；

(3.2)将牵引轴15深入牵引轴外套管16中，在牵引轴外套管16中每隔一段距离安装一个轴承17，使得牵引轴15保持在隧道中心轴线上，在轴承17之间填充密封润滑油18，以减少转动摩擦；

(3.3)将扩径刀22安装在刀盘21前端的主梁上，在刀盘21的后方设置渣土舱24，在渣土舱24中设置有搅拌棒23，并使搅拌棒23的转动中心与刀盘21转动中心同轴，将牵引轴后端151依次与刀盘21转动中心、搅拌棒23转动中心固定连接；

(4)启动牵引、扩挖系统：

启动电机推进千斤顶132，推动牵引电机13沿着导轨131轴向运动，同时驱动牵引齿轮管件14转动，牵引齿轮管件14带动牵引轴15、刀盘21和搅拌棒23转动，且牵引轴15在轴向限位阀19的作用下水平运动并前移；

(5)渣土切削及排出：

(5.1)在牵引轴15的带动下，刀盘21上的扩径刀22旋转破碎切割岩土体，破碎岩土体形成的渣土200进入渣土舱24并随搅拌棒23转动，以防止渣土200粘结；

(5.2)渣土200从渣土舱24中掉落进入出渣盘37，推铲千斤顶35前伸将推铲33向前移动，推铲33前移至推铲活动环38时，通过高压气泵32将高压空气通过高压气管31喷出，从而将渣土200从出渣孔套管36吹出；当推铲33向前移动接近主梁时，推铲千斤顶35回缩，高压气泵32关闭；当推铲33通过主梁后，推铲33前伸，高压空气继续将将渣土200经过出渣孔套管36吹出，如此反复。

(6)推进行程往复：

(6.1)电机推进千斤顶132推进至其行程最大值后，取下牵引电机13与牵引轴15之间的轴向限位阀19，牵引轴15位置保持不动，收回牵引电机13至起始位置；

(6.2)再次安装牵引电机13与牵引轴15之间的轴向限位阀19，启动电机推进千斤顶132，开始新一轮牵引前进，如此往复。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非是对本发明范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (3)

1.一种渣土前排式水平扩挖隧道装置，其特征在于：包括牵引系统、扩孔系统和排渣系统；

牵引系统包括牵引器固定架(11)、牵引器固定锚杆(12)、牵引电机(13)、导轨(131)、电机推进千斤顶(132)、牵引齿轮管件(14)、牵引轴(15)、牵引轴外套管(16)、轴承(17)、密封润滑油(18)，扩孔系统包括刀盘(21)、扩径刀(22)、搅拌棒(23)、渣土舱(24)；排渣系统包括高压气管(31)、高压气泵(32)、推铲(33)、推铲支座(34)、推铲千斤顶(35)、出渣孔套管(36)、出渣盘(37)、高压气管保护网罩(39)；

牵引器固定架(11)通过牵引器固定锚杆(12)固定在稳定岩层上，牵引器固定架(11)上安装有水平设置的导轨(131)，牵引电机(13)可移动地安装在导轨(131)上，牵引电机(13)的后方安装有电机推进千斤顶(132)，电机推进千斤顶(132)用以推动牵引电机(13)沿导轨(131)水平移动；

牵引电机(13)的输出端安装有牵引齿轮管件(14)，牵引轴(15)的前段固定穿设于牵引齿轮管件(14)中，并与牵引齿轮管件(14)传动咬合，牵引轴(15)上设置轴向限位阀(19)；

牵引轴外套管(16)穿设在沿拟建隧道的中心轴线处开设的水平的牵引孔(110)中，牵引轴(15)的后段穿设在牵引轴外套管(16)中，牵引轴外套管(16)中每隔一段距离安装一个轴承(17)，使牵引轴(15)能够保持在拟建隧道的中心轴线上，轴承(17)之间填充有密封润滑油(10)；

刀盘(21)采用辐条式结构，扩径刀(22)安装在刀盘(21)前端的主梁上，刀盘(21)的后方设置渣土舱(24)，渣土舱(24)中设置搅拌棒(23)，搅拌棒(23)的转动中心与刀盘(21)转动中心同轴，牵引轴后端(151)依次与刀盘(21)转动中心、搅拌棒(23)转动中心固定连接；

出渣孔套管(36)固定穿设在拟建隧道距下部边缘一定距离处开设的水平的出渣孔(120)中，且出渣孔套管(36)的入口位于渣土舱(24)中；对应于出渣孔套管(36)的入口位置，在渣土舱(24)中安装有推铲支座(34)，推铲支座(34)上安装有推铲千斤顶(35)，推铲千斤顶(35)的活动端安装有推铲(33)，推铲(33)在推铲千斤顶(35)的驱动下前后移动；

牵引轴(15)内部设置有沿其轴线设置的、贯穿的中心通道，高压气管(31)穿过牵引轴(15)的中心通道，高压气管(31)的入口端连接高压气泵(32)，高压气泵(32)安设在稳定岩层上，高压气管(31)的出口端依次经过牵引轴后端(151)、渣土舱(24)、推铲支座(34)、推铲千斤顶(35)后穿过推铲(33)并延伸至推铲(33)处，且高压气管(31)出口端处设有高压气管保护网罩(39)；

刀盘(21)下方安装有出渣盘(37)，出渣盘(37)为半圆薄壁体，其与刀盘同心设置，用以收集渣土(200)，并使渣土(200)流动到出渣孔处；

对应于出渣盘(37)所在位置，在刀盘(21)上开设有环形的孔洞作为推铲活动环(38)，以预留出推铲(33)的活动空间，并作为刀盘(21)前方渣土的排出通道。

2.根据权利要求1所述的渣土前排式水平扩挖隧道装置，其特征在于：推铲(33)为半圆弧形结构，推铲(33)与垂向成一定夹角安装在推铲千斤顶(35)上，推铲(33)的内弧面朝向出渣孔套管(36)的入口。

3.根据权利要求1所述的渣土前排式水平扩挖隧道装置，其特征在于：牵引齿轮管件(14)内设置有主动齿轮(141)，牵引轴(15)上设置有从动齿轮(152)，牵引齿轮管件(14)与牵引轴(15)通过从动齿轮(152)与主动齿轮(141)咬合实现传动连接。

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