CN109458183A - 扩大原隧道直径并完成隧道衬砌的掘进机及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扩大原隧道直径并完成隧道衬砌的掘进机及其施工方法，解决了现有技术中对原有隧道扩挖施工困难、安全系数低、工期长的问题。本发明包括盾体和后配套台车，盾体内设有掘进系统、出渣系统和拼装系统，盾体包括依次连接的前盾、中盾和尾盾，所述拼装系统包括内环拼装机和外环拼装机，内环拼装机设置在前盾内，外环拼装机设置在尾盾内；所述前盾包括外侧环板和内侧环板，外侧环板和内侧环板之间设有开挖机构，开挖机构与出渣系统连接。本发明可对原隧道进行扩挖，在扩挖的过程中可实现对原隧道衬砌的拆除和对新隧道衬砌的拼接，整个过程一次完成，大大提高了工作效率，提高施工安全。

Description

扩大原隧道直径并完成隧道衬砌的掘进机及其施工方法

技术领域

本发明涉及隧道开挖技术领域，特别是指一种扩大原隧道直径并完成隧道衬砌的掘进机及其施工方法。

背景技术

在当今社会中，随着社会的发展以及城市化水平的提高，地上空间的开发及利用越来越难以满足人们的需求，因此，地下空间的开发和利用成为当今社会的发展趋势。然而随着地下空间的开发，地下隧道犬牙交错，原有的地下隧道无法满足当今的需求，人们需要对原有的地下隧道进行翻新改造，例如原有隧道直径仅满足于当时社会的需求，现在需要建设大于原来隧道直径的隧道。目前有两种做法：1）避开现有隧道，在其它位置建设较大直径的隧道，然该种方案无形中减小了地下空间利用率；2）如若因为该区域的地质结构的特殊性，不得不在原有隧道线路上进行大直径隧道的建设，施工人员只能采用的施工工序分为两步，第一个工序为在原始隧道中采用隧道支护配合衬砌拆除，第二个工序为利用地下施工方法完成隧道开挖及衬砌铺设，采用隧道支护配合衬砌拆除的施工功法较为老旧，危险系数高、施工效率慢，不符合现在的安全化、人性化的施工需求。此外，施工时，必须将隧道支护配合衬砌拆除工序结束后才能进行隧道的再次开挖及衬砌铺设，施工周期长，施工成本高。

在现在的地下隧道建设施工功法中，掘进机隧道开挖施工方法以其安全性高、施工效率高、造价低的特点受到广泛的认可，因此，隧道掘进机开挖及衬砌铺设工法成为现在隧道建设的主流工法。然则，针对扩大原有直径隧道施工中，掘进机开挖及衬砌铺设只能运用到第二个施工工序中。因此，急需要一种施工设备及施工方法，满足扩大原有直径隧道施工过程中的两个工序均可以采用掘进机开挖及衬砌铺设工法完成，以此提高施工效率、降低施工成本、提高施工安全性。

发明内容

针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种扩大原隧道直径并完成隧道衬砌的掘进机及其施工方法，解决了现有技术中对原有隧道扩挖施工困难、安全系数低、工期长的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种扩大原隧道直径并完成隧道衬砌的掘进机，包括盾体和后配套台车，盾体内设有掘进系统、出渣系统和拼装系统，盾体包括依次连接的前盾、中盾和尾盾，所述拼装系统包括内环拼装机和外环拼装机，内环拼装机设置在前盾内，外环拼装机设置在尾盾内；所述前盾包括外侧环板和内侧环板，外侧环板和内侧环板之间设有开挖机构，开挖机构与出渣系统连接。

所述外侧环板内依次设有第一固定隔板、第二固定隔板和第三固定隔板，内侧环板的前端通过第一固定隔板与外侧环板相连接，内侧环板的尾端通过第二固定隔板与外侧环板相连接，开挖机构前端穿过第一固定隔板，开挖机构的尾盾穿过第二固定隔板，开挖机构与第三固定隔板相连接。

所述内侧环板的内部设有油脂通道，内侧环板上部的内壁上设有固定环，内侧环板下部的内壁上设有内管拼接支座，内管拼接支座与内环拼装机相连接，内侧环板的前端设有环槽，环槽内设有内铣刀，外侧环板的前端设有外铣刀，内铣刀和外铣刀分别与开挖机构相对应。

所述内侧环板前端的内壁上设有前盾密封刷，前盾密封刷位于第一固定隔板的后方。

所述开挖机构包括刀盘、开挖壳体和驱动装置，开挖壳体内设有驱动轴，驱动轴伸出开挖壳体，驱动轴的前端连接有刀盘，驱动轴的尾端与驱动装置相连接，驱动轴通过第七连接法兰与开挖壳体相连接，驱动轴上设有螺旋叶片，开挖壳体上设有出渣口，出渣口与出渣系统相连接。

所述出渣口上设有出渣闸门，所述刀盘包括环形刀座，环形刀座内设有径向梁，环形刀座和径向梁上均设有面板刀具，环形刀座的中心设有中心刀具，环形刀座和径向梁之间形成面板开口，面板开口与开挖壳体相对应。

所述内环拼装机包括支撑立柱，支撑立柱上设有拼装驱动机构，拼装驱动机构上连接有第二摆杆，第二摆杆上铰接有第一摆杆，第一摆杆的下部铰接有抓取装置，抓取装置的一侧通过第二摆动油缸与第一摆杆相连接，第一摆杆的上部通过第一摆动油缸与第二摆杆相连接，第二摆杆上部铰接有伸缩油缸，伸缩油缸的套筒端与支撑立柱相连接。

所述出渣系统包括集渣箱和螺旋输送机，集渣箱的出渣口与螺旋输送机的进料口套筒相连接。

所述集渣箱包括齿轮型外壳和弧形内壳，弧形内壳与齿轮型外壳固定连接，且将齿轮型外壳分为上弧形腔和下集渣腔，上弧形腔和下集渣腔相连通，下集渣腔与螺旋输送机的进料口套筒相连通；所述齿轮型外壳上设有进渣口，进渣口与开挖机构的开挖壳体相连接。

所述中盾内设有米字梁，米字梁上沿周向设有推进油缸，推进油缸的筒体端与中盾固定连接，中盾的盾壁上设有超前注浆管，中盾通过铰接油缸与尾盾相连接，中盾与尾盾之间设有铰接密封和防扭块。

一种扩大原隧道直径并完成隧道衬砌的掘进机的施工方法，步骤如下：S1：经始发井将该掘进机吊运至原隧道内，安装并调试各系统；

S2：原隧道的衬砌位于前盾的内侧环板内，启动该掘进机，掘进机的开挖机构对原隧道外圆周上的岩土进行开挖，开挖出直径比原隧道衬砌直径要大的洞体；

S3：步骤S2中开挖机构开挖下的渣土经开挖壳体进入集渣箱中，集渣箱中的渣土经螺旋输送机输送至隧道外部；

S4：步骤S2中开挖机构开挖过程中，内环拼装机对原隧道衬砌进行拆除，并经拆下的原隧道衬砌管片经管片运输车沿原隧道运输至隧道外；

S5：开挖机构开挖一定行程后，外环拼装机对步骤S2开挖出的洞体进行管片拼装，完成一环新隧道衬砌；

S6：推进油缸伸出，顶至步骤S5完成的衬砌管片上，推动盾体和开挖机构向前步进，开始下一环隧道开挖；

S7：重复步骤S2~S6，直至完成整个隧道的开挖。

本发明可对原隧道进行扩挖，在扩挖的过程中可实现对原隧道衬砌的拆除和对新隧道衬砌的拼接，整个过程一次完成，大大提高了工作效率，提高施工安全。本发明是对旧隧道改进的一大创新，减少地下空间的浪费，降低施工成本，提供施工安全系数，具有较高的推广价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明整体主结构主视示意图。

图2为图1中A向示意图。

图3为图1中B向示意图。

图4为图1中Ⅰ处局部放大示意图。

图5为本发明前盾主结构示意图。

图6为图5中C-C剖视示意图。

图7为图5中Ⅱ处局部放大示意图。

图8为本发明集渣箱体主结构示意图。

图9为图8中D-D剖视示意图。

图10为内环拼装机主结构示意图。

图11为内环拼装机左视示意图。

图12为开挖机构主结构主视示意图。

图13为图12中C向示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1，如图1-4所示，一种扩大原隧道直径并完成隧道衬砌的掘进机，包括盾体和后配套台车，盾体内设有掘进系统、出渣系统和拼装系统，掘进系统与出渣系统相连接，拼装系统用于对原隧道衬砌的拆除和新隧道衬砌的拼装。盾体包括依次连接的前盾5、中盾8和尾盾13，所述拼装系统包括内环拼装机6和外环拼装机14，内环拼装机6设置在前盾5内，用于对原隧道衬砌的拆除，外环拼装机14设置在尾盾13内，用于对新隧道衬砌的拼接。所述前盾5包括外侧环板501和内侧环板502，外侧环板501和内侧环板502之间设有开挖机构1外侧环板501和内侧环板502之间形成环形腔体，开挖机构1安装在环形腔体中，开挖机构1与出渣系统连接，开挖机构开挖下的渣土经出渣系统运至隧道外部。

进一步，所述中盾8内设有米字梁18，米字梁与中盾固定连接，用于支撑盾体内元器件，出渣系统和拼装系统的外环拼装机与米字梁相连接。米字梁18上沿周向设有若干个推进油缸9，推进油缸9的筒体端与中盾8固定连接，通过推进油缸的活塞端顶住新隧道的管片，推动前盾、中盾和开挖机构的前进。中盾8的盾壁上设有超前注浆管10，超前注浆管与浆源通过管道连接，用于对超前隧道进行加固。中盾8通过铰接油缸11与尾盾13相连接，中盾8与尾盾可发生小角度相对转动。中盾8与尾盾13之间设有铰接密封12和防扭块16，铰接密封防止泥浆或渣土进入盾体内，防扭块16包括前扭块和后扭块，前扭块和后扭块转动连接，前扭块与中盾相连接，后扭块与尾盾相连接，防扭块16可防止中盾与尾盾过度扭转。

实施例2，如图5-7所示，一种扩大原隧道直径并完成隧道衬砌的掘进机，所述外侧环板501内依次设有第一固定隔板503、第二固定隔板504和第三固定隔板505，第一固定隔板503、第二固定隔板504和第三固定隔板505上均设有若干个圆形通孔，用于开挖机构的安装。内侧环板502的前端通过第一固定隔板503与外侧环板501相连接，内侧环板502的尾端通过第二固定隔板504与外侧环板501相连接。第一固定隔板503、第二固定隔板504起到支撑开挖机构的作用。开挖机构1前端穿过第一固定隔板503，开挖机构1的尾盾穿过第二固定隔板504，开挖机构1通过螺栓与第三固定隔板505相连接。第三固定隔板505的尾端设有第一连接法兰507，第一连接法兰通过螺栓与中盾前端的法兰相连接，起到固定前盾和中盾的作用。

进一步，所述内侧环板502的内部设有油脂通道509，油脂通道509通过管道与油脂源相连接，用于向内侧环板和原隧道衬砌之间注入油脂，减小摩擦和加强密封性。内侧环板502上部的内壁上设有固定环508，用于固定第一固定隔板、内侧环板上的密封刷。内侧环板502下部的内壁上设有内管拼接支座511，内管拼接支座511与内环拼装机6相连接，起到支撑内环拼装机的作用；内侧环板502的前端设有环槽510，环槽510内固定设有内铣刀3，内铣刀用于开挖内环即原隧道衬砌上部的剩余土体，外侧环板501的前端设有外铣刀4，外铣刀用于开挖外环即开挖机构上部的剩余土体。内铣刀3和外铣刀4分别与开挖机构1相对应，共同完成原隧道的扩挖。所述内侧环板502前端的内壁上设有前盾密封刷2，前盾密封刷2位于第一固定隔板503的后方，以形成密封外部渣土，防止渣土进入前盾内部。

其他结构与实施例1相同。

实施例3，如图12-13所示，一种扩大原隧道直径并完成隧道衬砌的掘进机，所述开挖机构1包括刀盘101、开挖壳体102和驱动装置106，驱动装置106可采用液压马达或电机。开挖壳体102内设有驱动轴103，驱动轴103伸出开挖壳体102，驱动轴103的前端通过第五连接法兰105连接有刀盘101，刀盘101与驱动轴固定连接，随驱动轴进行同步运动。驱动轴103的尾端与驱动装置106相连接，驱动装置106通过驱动轴带动刀盘转动，实现对隧道的开挖。驱动轴103通过第七连接法兰110与开挖壳体102相连接，驱动轴103上设有螺旋叶片104，在驱动装置的作用下驱动轴转动，在螺旋叶片的作用下，将开挖壳体中的渣土向出渣系统推进。开挖壳体102上设有出渣口109，出渣口109与出渣系统相连接，刀盘开挖下的渣土进入开挖壳体，在螺旋叶片的作用下被推挤至出渣口，并进入出渣系统。

进一步，所述出渣口109上设有通过第六连接法兰107连接有出渣闸门108，实现对出渣口的开闭的调节。所述刀盘101包括环形刀座1014，环形刀座1014内设有径向梁1015，环形刀座1014和径向梁1015上均设有面板刀具1012，环形刀座1014的中心设有中心刀具1011，环形刀座1014和径向梁1015之间形成面板开口1013，面板开口1013与开挖壳体102相对应。面板刀具1012和中心刀具1011开挖下的渣土经面板开口1013进入开挖壳体102内部，并进一步进入出渣系统。

其他结构与实施例2相同。

实施例4，如图8-11所示，一种扩大原隧道直径并完成隧道衬砌的掘进机所述内环拼装机6包括支撑立柱607，支撑立柱607通过第四连接法兰606与内管拼接支座511相连接。支撑立柱607上设有拼装驱动机构608，拼装驱动机构608可采用液压马达组件。拼装驱动机构608上连接有第二摆杆605，第二摆杆605通过旋转件滑动件与拼装驱动机构的输出端相连接，拼装驱动机构608通过旋转件滑动件带动第二摆杆旋转，第二摆杆与旋转件滑动件能发生相对移动，第二摆杆605上部铰接有伸缩油缸609，伸缩油缸609的套筒端与支撑立柱607相连接，通过伸缩油缸的伸缩可实现第二摆件的前后移动。第二摆杆605上铰接有第一摆杆604，第一摆杆604的下部铰接有抓取装置601，抓取装置601为常用的管片抓取装置，用于对管片的抓取。抓取装置601的一侧通过第二摆动油缸603与第一摆杆604相连接，第一摆杆604的上部通过第一摆动油缸602与第二摆杆605相连接。第一摆动油缸602和第二摆动油缸603相配合实现抓取装置的摆动；通过驱动机构、伸缩油缸、第一摆动油缸、第二摆动油缸连锁驱动抓取机构实现旋转、摆动以及伸缩。

进一步，所述出渣系统包括集渣箱7和螺旋输送机15，集渣箱7的出渣口704与螺旋输送机15的进料口套筒702相连接。集渣箱中的渣土经螺旋输送机送至外部。所述集渣箱7包括齿轮型外壳705和弧形内壳706，弧形内壳706与齿轮型外壳705固定连接，且弧形内壳706将齿轮型外壳705分为上弧形腔和下集渣腔，上弧形腔和下集渣腔相连通，上弧形腔用于接收位于掘进机上部的开挖壳体内的渣土，上弧形腔中的渣土最后均汇集到下集渣腔中，位于掘进机下部的开挖壳体内的渣土直接被推挤到下集渣腔中，下集渣腔与螺旋输送机15的进料口套筒702相连通；便于渣土的外排。所述齿轮型外壳705的齿部上设有进渣口707，进渣口707与开挖机构1的开挖壳体102一一对应，用于接收开挖壳体内的渣土。

其他结构与实施例3相同。

实施例5，一种所述的扩大原隧道直径并完成隧道衬砌的掘进机的施工方法，步骤如下：S1：经始发井将该掘进机吊运至原隧道内，安装并调试各系统；确保各系统处于正常状态。

S2：原隧道的衬砌位于前盾的内侧环板内，即原隧道的衬砌直径略小于前盾的内侧环板的直径，便于全面扩挖，然后，启动该掘进机，掘进机的开挖机构对原隧道外圆周上的岩土进行开挖，开挖出直径比原隧道衬砌直径要大的洞体；新开挖的洞体的直径约等于原隧道的衬砌外壁直径与两个刀盘直径之和。

S3：步骤S2中开挖机构开挖下的渣土经开挖壳体进入集渣箱中，集渣箱中的渣土经螺旋输送机输送至隧道外部。

S4：步骤S2中开挖机构开挖过程中，内环拼装机对原隧道衬砌进行拆除，并经拆下的原隧道衬砌管片经管片运输车沿原隧道运输至隧道外；完成一环原隧道衬砌管片的拆卸。

S5：开挖机构开挖一定行程后，外环拼装机对步骤S2开挖出的洞体进行管片拼装，完成一环新隧道衬砌；

S6：推进油缸伸出，顶至步骤S5完成的衬砌管片上，推动盾体和开挖机构向前步进，开始下一环隧道开挖；

S7：重复步骤S2~S6，直至完成整个隧道的开挖。

其他结构与实施例4相同。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种扩大原隧道直径并完成隧道衬砌的掘进机，包括盾体和后配套台车，盾体内设有掘进系统、出渣系统和拼装系统，盾体包括依次连接的前盾（5）、中盾（8）和尾盾（13），其特征在于：所述拼装系统包括内环拼装机（6）和外环拼装机（14），内环拼装机（6）设置在前盾（5）内，外环拼装机（14）设置在尾盾（13）内；所述前盾（5）包括外侧环板（501）和内侧环板（502），外侧环板（501）和内侧环板（502）之间设有开挖机构（1），开挖机构（1）与出渣系统连接。

2.根据权利要求1所述的扩大原隧道直径并完成隧道衬砌的掘进机，其特征在于：所述外侧环板（501）内依次设有第一固定隔板（503）、第二固定隔板（504）和第三固定隔板（505），内侧环板（502）的前端通过第一固定隔板（503）与外侧环板（501）相连接，内侧环板（502）的尾端通过第二固定隔板（504）与外侧环板（501）相连接，开挖机构（1）前端穿过第一固定隔板（503），开挖机构（1）的尾盾穿过第二固定隔板（504），开挖机构（1）与第三固定隔板（505）相连接。

3.根据权利要求2所述的扩大原隧道直径并完成隧道衬砌的掘进机，其特征在于：所述内侧环板（502）的内部设有油脂通道（509），内侧环板（502）上部的内壁上设有固定环（508），内侧环板（502）下部的内壁上设有内管拼接支座（511），内管拼接支座（511）与内环拼装机（6）相连接，内侧环板（502）的前端设有环槽（510），环槽（510）内设有内铣刀（3），外侧环板（501）的前端设有外铣刀（4），内铣刀（3）和外铣刀（4）分别与开挖机构（1）相对应。

4.根据权利要求2或3所述的扩大原隧道直径并完成隧道衬砌的掘进机，其特征在于：所述内侧环板（502）前端的内壁上设有前盾密封刷（2），前盾密封刷（2）位于第一固定隔板（503）的后方。

5.根据权利要求1~4任一项所述的扩大原隧道直径并完成隧道衬砌的掘进机，其特征在于：所述开挖机构（1）包括刀盘（101）、开挖壳体（102）和驱动装置（106），开挖壳体（102）内设有驱动轴（103），驱动轴（103）伸出开挖壳体（102），驱动轴（103）的前端连接有刀盘（101），驱动轴（103）的尾端与驱动装置（106）相连接，驱动轴（103）通过第七连接法兰（110）与开挖壳体（102）相连接，驱动轴（103）上设有螺旋叶片（104），开挖壳体（102）上设有出渣口（109），出渣口（109）与出渣系统相连接。

6.根据权利要求5所述的扩大原隧道直径并完成隧道衬砌的掘进机，其特征在于：所述出渣口（109）上设有出渣闸门（108），所述刀盘（101）包括环形刀座（1014），环形刀座（1014）内设有径向梁（1015），环形刀座（1014）和径向梁（1015）上均设有面板刀具（1012），环形刀座（1014）的中心设有中心刀具（1011），环形刀座（1014）和径向梁（1015）之间形成面板开口（1013），面板开口（1013）与开挖壳体（102）相对应。

7.根据权利要求1或6所述的扩大原隧道直径并完成隧道衬砌的掘进机，其特征在于：所述内环拼装机（6）包括支撑立柱（607），支撑立柱（607）上设有拼装驱动机构（608），拼装驱动机构（608）上连接有第二摆杆（605），第二摆杆（605）上铰接有第一摆杆（604），第一摆杆（604）的下部铰接有抓取装置（601），抓取装置（601）的一侧通过第二摆动油缸（603）与第一摆杆（604）相连接，第一摆杆（604）的上部通过第一摆动油缸（602）与第二摆杆（605）相连接，第二摆杆（605）上部铰接有伸缩油缸（609），伸缩油缸（609）的套筒端与支撑立柱（607）相连接。

8.根据权利要求7所述的扩大原隧道直径并完成隧道衬砌的掘进机，其特征在于：所述出渣系统包括集渣箱（7）和螺旋输送机（15），集渣箱（7）的出渣口（704）与螺旋输送机（15）的进料口套筒（702）相连接。

9.根据权利要求8所述的扩大原隧道直径并完成隧道衬砌的掘进机，其特征在于：所述集渣箱（7）包括齿轮型外壳（705）和弧形内壳（706），弧形内壳（706）与齿轮型外壳（705）固定连接，且将齿轮型外壳（705）分为上弧形腔和下集渣腔，上弧形腔和下集渣腔相连通，下集渣腔与螺旋输送机（15）的进料口套筒（702）相连通；所述齿轮型外壳（705）上设有进渣口（707），进渣口（707）与开挖机构（1）的开挖壳体（102）相连接。

10.根据权利要求1或8或9所述的扩大原隧道直径并完成隧道衬砌的掘进机，其特征在于：所述中盾（8）内设有米字梁（18），米字梁（18）上沿周向设有推进油缸（9），推进油缸（9）的筒体端与中盾（8）固定连接，中盾（8）的盾壁上设有超前注浆管（10），中盾（8）通过铰接油缸（11）与尾盾（13）相连接，中盾（8）与尾盾（13）之间设有铰接密封（12）和防扭块（16）。

11.一种如权利要求1所述的扩大原隧道直径并完成隧道衬砌的掘进机的施工方法，其特征在于：步骤如下：S1：经始发井将该掘进机吊运至原隧道内，安装并调试各系统；

S2：原隧道的衬砌位于前盾的内侧环板内，启动该掘进机，掘进机的开挖机构对原隧道外圆周上的岩土进行开挖，开挖出直径比原隧道衬砌直径要大的洞体；

S3：步骤S2中开挖机构开挖下的渣土经开挖壳体进入集渣箱中，集渣箱中的渣土经螺旋输送机输送至隧道外部；

S4：步骤S2中开挖机构开挖过程中，内环拼装机对原隧道衬砌进行拆除，并经拆下的原隧道衬砌管片经管片运输车沿原隧道运输至隧道外；

S5：开挖机构开挖一定行程后，外环拼装机对步骤S2开挖出的洞体进行管片拼装，完成一环新隧道衬砌；

S6：推进油缸伸出，顶至步骤S5完成的衬砌管片上，推动盾体和开挖机构向前步进，开始下一环隧道开挖；

S7：重复步骤S2~S6，直至完成整个隧道的开挖。