CN111963192B - 一种新型tbm及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型TBM及其施工方法，解决了现有技术中TBM对硬岩开挖时掘进效率低、刀盘磨损严重的问题。本发明包括掘进主机和后配套系统，所述掘进主机包括刀盘，刀盘与设置在掘进主机内的主驱动相连接，所述刀盘上设有开挖刀具和用于锚钻、劈裂辅助破岩的锚钻劈裂装置。本发明融合锚杆钻机和液压劈裂棒的功能，通过锚钻装置在掌子面上打孔，劈裂装置对钻孔胀裂，先于刀盘对掌子面进行锚钻和劈裂，进行硬岩钻破，然后刀盘对钻破后的掌子面进行开挖，降低开挖刀具的磨损，提高开挖效率。

Description

一种新型TBM及其施工方法

技术领域

本发明涉及隧道施工技术领域，特别是指一种新型TBM及其施工方法。

背景技术

岩石隧道掘进机（TBM）是一种集机械、电子、液压、激光等技术于一体的大型隧道开挖装备，在山岭隧道及城市地铁工程建设中发挥着重要作用。但是，当遇到高强度岩石，如花岗岩、大理石等，TBM掘进效率明显下降，而且刀具损耗巨大，施工成本增加。而现有的挖掘设备如申请号为CN201410760991.3的一种掘锚钻一体式硬岩掘进机及申请号为CN201711130728.6的一种复合劈进机可用于硬岩的挖掘，但是与现有TBM融合性差，如何利用锚钻和劈裂设备来有效提高TBM破岩效率，是TBM研究的关键技术之一。

发明内容

针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种新型TBM及其施工方法，解决了现有技术中TBM对硬岩开挖时掘进效率低、刀盘磨损严重的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种新型TBM，包括掘进主机，所述掘进主机包括刀盘，刀盘与设置在掘进主机内的主驱动相连接，所述刀盘上设有开挖刀具和用于锚钻、劈裂辅助破岩的锚钻劈裂装置。

所述刀盘上设有轴向安装孔，锚钻劈裂装置设置在轴向安装孔内且能沿轴向安装孔前后运动。所述轴向安装孔位于不同直径的同心圆环上。

所述轴向安装孔内还设有开合密封装置，锚钻劈裂装置能伸出开合密封装置且能沿轴向安装孔前后运动。

所述开合密封装置包括挡板和盖板，所述挡板固定在刀盘上，挡板上设有通孔，通孔与轴向安装孔相对应；所述盖板通过滑动机构与挡板相连接且盖板与通孔相配合。

所述滑动机构包括固定在挡板上的直线电机，直线电机的滑块Ⅰ上设有连接杆，连接杆与盖板相连接，盖板与挡板滑动连接；所述挡板的背部设有滑动凹槽，通孔位于滑动凹槽内部，盖板位于滑动凹槽内且与滑动凹槽滑动配合，所述盖板与滑动凹槽之间设有密封条。

所述锚钻劈裂装置包括锚钻装置和劈裂装置，所述刀盘内设有轴向轨道和滑移驱动装置，锚钻装置和劈裂装置通过滑移驱动装置与轴向轨道相配合。

所述锚钻装置包括钻机，钻机通过固定座设置在轴向轨道上，钻机的输出端设有钻杆，钻杆上设有劈裂装置，且钻杆的外端部设有钻头。

所述劈裂装置包括油缸筒，油缸筒固定密封设置在钻杆上，油缸筒上沿油缸筒径向设置有伸缩油缸，伸缩油缸的端部设有顶块，钻杆上设有回转接头，回转接头与油缸筒相连接。

所述油缸筒与钻杆同轴线设置，钻头的外径大于油缸筒的外径。

所述滑移驱动装置包括驱动机构和滑移机构，驱动机构设置在刀盘内，锚钻装置和劈裂装置设置在滑移机构上且滑移机构与驱动机构相连接。

所述滑移机构包括固定在轴向轨道上的滑轨，滑轨上设有安装板，安装板的底部设有与滑轨相配合的滑块Ⅱ；所述驱动机构包括驱动电机，驱动电机设置在刀盘内，驱动电机的输出端设有用于卷绕钢丝绳的缠绕轮，钢丝绳的自由端绕过设置在驱动电机一侧的张紧轮且与安装板相连接。

一种新型TBM的施工方法，步骤如下：

S1：在刀盘掘进过程中，开合密封装置关闭，锚钻劈裂装置收回至刀盘内；

S2：TBM进行停机支护和管片拼装时，开合密封装置打开，锚钻劈裂装置在滑移驱动装置的驱动下，从刀盘的轴向安装孔向前伸出；

S3：锚钻劈裂装置的锚钻装置在掌子面上钻孔，钻孔完成后，锚钻劈裂装置的劈裂装置开始工作，对完成钻孔的孔道进行顶紧劈裂；

S4：劈裂装置对岩石进行劈裂以后，滑移驱动装置将锚钻劈裂装置拉回刀盘的轴向安装孔内；

S5：完成步骤S4的掌子面上的岩石存在裂缝，刀盘再次开挖时，对存在裂缝的掌子面进行开挖，提高掘进效率。

本发明融合锚杆钻机和液压劈裂棒的功能，通过锚钻装置在掌子面上钻孔，劈裂装置对钻孔胀裂，先于刀盘对掌子面进行锚钻和劈裂，进行硬岩钻破，然后刀盘对钻破后的掌子面进行开挖，降低开挖刀具的磨损，提高开挖效率。本发明有效将锚钻、劈裂与刀盘完美融合，保证打孔和劈裂能够高效进行，提高辅助破岩效率，且不影响刀盘本来的掘进功能，降低TBM滚刀磨损，实现高效隧道或煤矿的开挖，是隧道/煤矿开挖施工的一大创新。

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为本发明整体结构示意图。

图2为本发明锚钻劈裂装置在刀盘位置关系示意图。

图3为本发明锚钻劈裂装置结构示意图。

图4为本发明锚钻装置结构示意图。

图5为本发明劈裂装置结构示意图。

图6为实施例3中滑移驱动装置结构示意图。

图7为锚钻劈裂装置收回至刀盘内状态示意图。

图8为锚钻劈裂装置伸出刀盘外状态示意图。

图9为锚钻装置在掌子面上的钻孔示意图。

图10为劈裂装置工作状态示意图。

图11为本发明刀盘主视示意图。

图12为本发明开合密封装置与刀盘安装状态示意图。

图13为本发明开合密封装置第一三维结构示意图。

图14为本发明开合密封装置第二三维结构示意图。

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。

如图1所示，实施例1，一种新型TBM，包括掘进主机4和后配套系统3，掘进主机4与后配套系统3的连接及布置与现有TBM相同或类似。所述掘进主机4包括刀盘2，刀盘2与设置在掘进主机4内的主驱动相连接，主驱动为刀盘的转动提供动力，所述刀盘2上设有开挖刀具201和用于锚钻、劈裂辅助破岩的锚钻劈裂装置1。开挖刀具201可采用现有技术中的滚刀，为本TBM的主要开挖刀具，锚钻劈裂装置先于刀盘对掌子面进行锚钻和劈裂，进行硬岩钻破，然后刀盘对钻破后的掌子面进行开挖，降低开挖刀具的磨损，提高开挖效率。

进一步，如图2、11所示，所述刀盘2上设有轴向安装孔202，锚钻劈裂装置1设置在轴向安装孔202内且能沿轴向安装孔202前后运动，便于锚钻劈裂装置的伸出与收回，收回状态不影响刀盘整体的开挖工作。优选地，所述轴向安装孔202位于不同直径的同心圆环上，便于锚钻劈裂装置能全面与掌子面接触，对掌子面进行较大范围的钻破。

进一步，轴向安装孔202内设有用于锚钻、劈裂辅助破岩的锚钻劈裂装置1和用于封挡轴向安装孔202的开合密封装置3，开合密封装置3防止碴石进入安装孔内，对锚钻劈裂装置进行防护，进一步提高施工安全性，锚钻劈裂装置1能伸出开合密封装置3且能沿轴向安装孔202前后运动，便于锚钻劈裂装置的伸出与收回，收回状态不影响刀盘整体的开挖工作。

进一步，如图12所示，所述开合密封装置3包括挡板301和盖板302，所述挡板301的外沿均布有螺栓孔，挡板301通过穿过螺栓孔的螺栓固定在刀盘2上。挡板301上设有通孔304，通孔304与轴向安装孔202相对应，即通孔的中心轴线与轴向安装孔的中心轴线重合，工作状态下，锚钻劈裂装置1经通孔伸出刀盘。所述盖板302通过滑动机构与挡板301相连接且盖板302与通孔304相配合。在滑动机构的作用下盖板相对挡板滑动，用于对通孔的密封遮挡与否。

进一步，如图13、14所示，所述滑动机构包括固定在挡板301上的直线电机303，直线电机固定在挡板的背部。直线电机303的滑块Ⅰ3031上设有连接杆305，连接杆固定在滑块Ⅰ上，连接杆305与盖板302相连接，工作时，滑块Ⅰ通过连接杆带动盖板沿挡板运动，盖板从通孔位置移开，打开通孔，便于锚钻劈裂装置1从通孔处伸出轴向安装孔202。盖板302与挡板301滑动连接。优选地，所述挡板301的背部设有滑动凹槽306，通孔304位于滑动凹槽306内部，盖板302位于滑动凹槽306内且与滑动凹槽306滑动配合，在滑块的作用下，盖板在滑动凹槽内滑动，实现对通孔的开合。为保证盖板与挡板的密封性，所述盖板302与滑动凹槽306之间设有密封条307。

如图3所示，实施例2，一种新型TBM，所述锚钻劈裂装置1包括锚钻装置101和劈裂装置102，所述刀盘2的轴向安装孔202内设有轴向轨道104和滑移驱动装置103，锚钻装置101和劈裂装置102通过滑移驱动装置103与轴向轨道104相配合。即在滑移驱动装置103的作用下，锚钻装置101和劈裂装置102沿轴向轨道104运动，实现锚钻装置101和劈裂装置102的伸出与收回，锚钻装置101和劈裂装置102工作时伸出刀盘，不工作时收回至刀盘内。锚钻装置对掌子面上岩石打孔，劈裂装置对岩石进行涨裂，实现对开挖面岩石的钻孔以及对岩石的劈裂，然后由刀盘进行开挖。能够大大减少滚刀的磨损，提高开挖效率，减少施工成本。

进一步，所述锚钻装置101包括钻机1011，钻机1011通过固定座1015设置在轴向轨道104上，固定座1015为锚钻装置的连接支撑机构，在滑移驱动装置的作用下，固定座带动锚钻装置沿轴向轨道运动。钻机1011的输出端设有钻杆1013，钻机带动钻杆转动，钻杆1013上设有劈裂装置102，劈裂装置随转杆进行同步转动，且钻杆1013的外端部设有钻头1014，钻头用于对掌子面进行钻孔。

进一步，如图4、5所示，所述劈裂装置102包括油缸筒1021，油缸筒1021固定密封设置在钻杆1013上，随钻杆进行同步转动，油缸筒1021上沿油缸筒1021径向设置有伸缩油缸1023，伸缩油缸1023均布在油缸筒上，伸缩油缸1023的端部设有顶块1022，钻杆1013上设有回转接头1012，回转接头1012与油缸筒1021相连接，用于液压管路的连通。所述油缸筒1021与钻杆1013同轴线设置，钻头1014的外径大于油缸筒1021的外径，保证伸缩油缸收回至油缸筒后，顶块所在的圆环外经不大于钻头的外径，保证劈裂装置能在钻头钻的钻孔中随钻杆同步前钻进。

优选地，所述滑移驱动装置103包括驱动机构和滑移机构，驱动机构设置在刀盘2内的轴向安装孔内，锚钻装置101和劈裂装置102设置在滑移机构上且滑移机构与驱动机构相连接。滑移机构可采用滑块滑轨机构，驱动机构可采用伸缩油缸；滑移机构也可采用齿轮齿条机构，驱动机构可采用驱动马达或吊机。其他结构与实施例1相同。

如图6所示，实施例3，一种新型TBM，所述滑移机构包括固定在轴向轨道104上的滑轨1042，滑轨1042上设有安装板1041，锚钻装置101的固定座1015固定在安装板1041上，安装板1041的底部设有与滑轨1042相配合的滑块Ⅱ1043，滑块Ⅱ带动安装板沿滑轨滑动。所述驱动机构包括两个驱动电机1031，驱动电机1031设置在刀盘2内，一个驱动电机设置在滑轨的前端，另一个设置在滑轨的后端且两个驱动电机位于滑轨之间。驱动电机1031的输出端设有用于卷绕钢丝绳1032的缠绕轮1034，钢丝绳1032的自由端绕过设置在驱动电机1031一侧的张紧轮1033，且与安装板1041相连接。在两个驱动电机的作用下，安装板带动锚钻劈裂装置在滑轨上往复运动，实现其伸出与收回。其他结构与实施例2相同。

实施例4：一种如实施例3所述的新型TBM的施工方法，步骤如下：

S1：在刀盘2掘进过程中，锚钻劈裂装置1收回至刀盘2内，开合密封装置3闭合；即钻机在初始位置时，锚钻劈裂装置整体在刀盘的轴向安装孔内部，如图7所示；

S2：TBM进行停机支护和管片拼装时，开合密封装置3打开，锚钻劈裂装置1在滑移驱动装置103的驱动下，从刀盘2的轴向安装孔202向前伸出；如图8所示；

S3：锚钻劈裂装置1的锚钻装置101在掌子面上钻孔，钻孔完成后，锚钻劈裂装置1的劈裂装置102开始工作，对完成钻孔的孔道进行顶紧劈裂如图10所示。由于刀盘上均匀分布若干轴向安装孔，每个轴向安装孔内都有一台锚钻劈裂装置，因此掌子面上的钻孔可以分为：辅助孔、劈裂孔和周边孔，劈裂孔用于劈裂装置对岩石进行劈裂，辅助孔和周边孔为普通孔。其分布方式如图9所示；

S4：劈裂装置102对岩石进行劈裂以后，滑移驱动装置103将锚钻劈裂装置1拉回刀盘2的轴向安装孔202内，以保证下一步刀盘的开挖工作；

S5：完成步骤S4的掌子面上的岩石存在裂缝，刀盘2再次开挖时，对存在裂缝的掌子面进行开挖，提高掘进效率。

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 (10)

1.一种TBM，包括掘进主机（4），其特征在于：所述掘进主机（4）包括刀盘（2），刀盘（2）与设置在掘进主机（4）内的主驱动相连接，所述刀盘（2）上设有开挖刀具（201）和用于锚钻、劈裂辅助破岩的锚钻劈裂装置（1）；

所述锚钻劈裂装置（1）包括锚钻装置（101）和劈裂装置（102），所述刀盘（2）内设有轴向轨道（104）和滑移驱动装置（103），锚钻装置（101）和劈裂装置（102）通过滑移驱动装置与轴向轨道（104）相配合；

所述锚钻装置（101）包括钻机（1011），钻机（1011）通过固定座（1015）设置在轴向轨道（104）上，钻机（1011）的输出端设有钻杆（1013），钻杆（1013）上设有劈裂装置（102），且钻杆（1013）的外端部设有钻头（1014）。

2.根据权利要求1所述的TBM，其特征在于：所述刀盘（2）上设有轴向安装孔（202），锚钻劈裂装置（1）设置在轴向安装孔（202）内且能沿轴向安装孔（202）前后运动；所述轴向安装孔（202）位于不同直径的同心圆环上。

3.根据权利要求2所述的TBM，其特征在于：所述轴向安装孔（202）内还设有开合密封装置（3），锚钻劈裂装置（1）能伸出开合密封装置（3）且能沿轴向安装孔（202）前后运动。

4.根据权利要求3所述的TBM，其特征在于：所述开合密封装置（3）包括挡板（301）和盖板（302），所述挡板（301）固定在刀盘（2）上，挡板（301）上设有通孔（304），通孔（304）与轴向安装孔（202）相对应；所述盖板（302）通过滑动机构与挡板（301）相连接且盖板（302）与通孔（304）相配合。

5.根据权利要求4所述的TBM，其特征在于：所述滑动机构包括固定在挡板（301）上的直线电机（303），直线电机（303）的滑块Ⅰ（3031）上设有连接杆（305），连接杆（305）与盖板（302）相连接，盖板（302）与挡板（301）滑动连接；所述挡板（301）的背部设有滑动凹槽（306），通孔（304）位于滑动凹槽（306）内部，盖板（302）位于滑动凹槽（306）内且与滑动凹槽（306）滑动配合，所述盖板（302）与滑动凹槽（306）之间设有密封条（307）。

6.根据权利要求1、2、4、5任一项所述的TBM，其特征在于：所述劈裂装置（102）包括油缸筒（1021），油缸筒（1021）固定密封设置在钻杆（1013）上，油缸筒（1021）上沿油缸筒（1021）径向设置有伸缩油缸（1023），伸缩油缸（1023）的端部设有顶块（1022），钻杆（1013）上设有回转接头（1012），回转接头（1012）与油缸筒（1021）相连接。

7.根据权利要求6所述的TBM，其特征在于：所述油缸筒（1021）与钻杆（1013）同轴线设置，钻头（1014）的外径大于油缸筒（1021）的外径。

8.根据权利要求7所述的TBM，其特征在于：所述滑移驱动装置（103）包括驱动机构和滑移机构，驱动机构设置在刀盘（2）内，锚钻装置（101）和劈裂装置（102）设置在滑移机构上且滑移机构与驱动机构相连接。

9.根据权利要求8所述的TBM，其特征在于：所述滑移机构包括固定在轴向轨道（104）上的滑轨（1042），滑轨（1042）上设有安装板（1041），安装板（1041）的底部设有与滑轨（1042）相配合的滑块Ⅱ（1043）；所述驱动机构包括驱动电机（1031），驱动电机（1031）设置在刀盘（2）内，驱动电机（1031）的输出端设有用于卷绕钢丝绳（1032）的缠绕轮（1034），钢丝绳（1032）的自由端绕过设置在驱动电机（1031）一侧的张紧轮（1033）且与安装板（1041）相连接。

10.一种如权利要求1~9任一项所述TBM的施工方法，其特征在于：步骤如下：

S1：在刀盘（2）掘进过程中，开合密封装置（3）关闭，锚钻劈裂装置（1）收回至刀盘（2）内；

S2：TBM进行停机支护和管片拼装时，开合密封装置（3）打开，锚钻劈裂装置（1）在滑移驱动装置（103）的驱动下，从刀盘（2）的轴向安装孔（202）向前伸出；

S3：锚钻劈裂装置（1）的锚钻装置（101）在掌子面上钻孔，钻孔完成后，锚钻劈裂装置（1）的劈裂装置（102）开始工作，对完成钻孔的孔道进行顶紧劈裂；

S4：劈裂装置（102）对岩石进行劈裂以后，滑移驱动装置（103）将锚钻劈裂装置（1）拉回刀盘（2）的轴向安装孔（202）内；

S5：完成步骤S4的掌子面上的岩石存在裂缝，刀盘（2）再次开挖时，对存在裂缝的掌子面进行开挖，提高掘进效率。

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