CN112554899B - 一种硬岩隧道掘进机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种硬岩隧道掘进机。包括刀盘、前盾、主驱动、连接桥、多功能拼装机、主推进系统和撑紧盾；所述刀盘和前盾均与主驱动连接，用以驱动刀盘工作并对主驱动进行保护；所述连接桥的一端与前盾连接，所述连接桥的另一端与撑紧盾连接；所述主推进系统的一端与连接桥连接，所述主推进系统的另一端与撑紧盾连接，用以在掘进过程中提供推力；所述连接桥与多功能拼装机滑动连接；所述多功能拼装机包括管片拼装机和钢拱架拼装机，用以实现管片、钢瓦片和钢拱架的拼装。本发明通过在连接桥上安装多功能拼装机，多功能拼装机包括管片拼装机和钢拱架拼装机，能实现在复杂地质条件下进行隧道掘进时，根据不同地质选取不同的支护方式。
Description
技术领域
本发明涉及隧道施工技术领域，具体涉及一种硬岩隧道掘进机。
背景技术
在TBM(Tunnel Boring Machine，全断面硬岩隧道掘进机)施工过程中，会经常遇到隧道扩挖和支护问题，在以往设计中，TBM扩挖常采用超挖刀或者刀盘扩径来解决，超挖刀扩挖范围小，作用比较局限，采用刀盘扩径实现隧道扩挖，刀盘要在洞内实现变径，成本较高，且对施工周期影响较大；TBM的支护方式与隧道地质条件有关，主要有管片支护、钢拱架支护和钢瓦片支护等，在地质条件复杂的隧道，则需要多种支护方式混合使用。现有TBM常采用管片拼装机或者钢拱架拼装机的设计方案，在施工过程中，只能拼装管片或者钢拱架、钢瓦片中的一种，应对复杂地层时支护能力有明显的不足。
综上所述，急需一种硬岩隧道掘进机以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种硬岩隧道掘进机，以解决隧道快速扩挖和复杂地层的支护问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种硬岩隧道掘进机，包括刀盘、前盾、主驱动、连接桥、多功能拼装机、主推进系统和撑紧盾；所述刀盘和前盾均与主驱动连接，用以驱动刀盘工作并对主驱动进行保护；所述连接桥的一端与前盾连接，所述连接桥的另一端与撑紧盾连接；所述主推进系统的一端与连接桥连接，所述主推进系统的另一端与撑紧盾连接，用以在掘进过程中提供推力；所述连接桥与多功能拼装机滑动连接；所述多功能拼装机包括管片拼装机和钢拱架拼装机，用以实现管片、钢瓦片和钢拱架的拼装。
优选的，沿竖直方向所述前盾上设有用于连接主驱动的升降机构，能抬升主驱动实现刀盘的扩挖。
优选的，沿水平方向所述前盾的两侧设有与主驱动连接的顶紧机构；所述顶紧机构包括沿竖直方向设置的举升机构和楔形滑块，还包括设置在主驱动上用于与楔形滑块的斜面配合的主驱动滑块，用于实现主驱动的稳定抬升。
优选的，所述前盾包括多个盾块，多个盾块合围成主驱动的保护空间，且相邻盾块沿前盾的周向铰接，用以实现前盾随主驱动的抬升而变形。
优选的，所述前盾与主驱动之间通过多个传力组件连接；所述传力组件的轴线沿前盾的径向设置，且多个传力组件沿竖直方向对称设置，用以实现前盾对主驱动的均匀传力作用。
优选的，所述传力组件包括嵌套设置的第一筒体和第二筒体；所述第一筒体与第二筒体之间存在0～2mm的间距，使前盾与主驱动之间存在运动间隙；所述第一筒体与前盾连接且所述第二筒体与主驱动连接；或者是，所述第一筒体与主驱动连接且所述第二筒体与前盾连接。
优选的，所述撑紧盾包括两个支腿和与支腿连接的下撑靴，还包括用于连接支腿与支撑架的伸缩件，用以实现撑紧盾的防扭、调向和纠滚功能。
优选的，一种硬岩隧道掘进机还包括辅助推进系统，所述辅助推进系统包括多组沿前盾周向分布的推进油缸，用于为刀盘提供推力。
优选的，一种硬岩隧道掘进机还包括超前钻注系统，所述超前钻注系统与连接桥滑动连接，用以调节钻探和注浆范围。
优选的，一种硬岩隧道掘进机还包括配套系统，所述配套系统包括与刀盘连接的出渣系统。
应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
(1)本发明中，通过在连接桥上安装多功能拼装机，多功能拼装机包括管片拼装机和钢拱架拼装机，能实现在复杂地质条件下进行隧道掘进时，根据不同地质选取不同的支护方式。
(2)本发明中，通过沿竖直方向在前盾上设置与主驱动连接的升降机构，能缓慢抬升主驱动和刀盘，从而实现刀盘的快速扩挖。
(3)本发明中，通过在前盾的两侧设置与主驱动连接的顶紧机构，使得主驱动实现稳定抬升，减少主驱动抬升过程中的振动，从而减少刀盘的振动，降低对掘进施工的影响。
(4)本发明中，通过将前盾划分为多个铰接的盾块，能使前盾随主驱动的抬升而发生变形，有利于对主驱动进行保护。
(5)本发明中，通过在前盾和主驱动之间设置传力组件，能实现前盾对主驱动的均匀传力作用，保证了整体结构强度。
(6)本发明中，通过在传力组件的第一筒体和第二筒体之间设置0～2mm的间隙，可根据传力组件在前盾上的布置位置选取合理的间隙，使主驱动沿抬升方向移动，不发生左右偏移。
(7)本发明中，通过撑紧盾的支腿和伸缩件，可根据撑紧盾受到的载荷与扭矩调节伸缩件的伸缩量，能实现撑紧盾的防扭、调向和纠滚功能。
(8)本发明中，通过设置主推进系统和辅助推进系统，能实现单护盾和敞开式TBM两种工作模式的切换，满足不同的工况要求。
(9)本发明中，通过设置超前钻注系统，能在掘进前对围岩进行钻探和注浆，有利于提升围岩稳定性，保障施工安全。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本申请实施例的一种硬岩隧道掘进机的剖视图；
图2是图1中前盾与主驱动的连接示意图；
图3是图1中前盾的结构示意图；
图4是图1中管片拼装机的结构示意图；
图5是图1中钢拱架拼装机的结构示意图；
图6是图1中撑紧盾的结构示意图；
图7是图1中辅助推进系统与前盾的连接示意图；
图8是图1中超前钻注系统与连接桥的连接示意图；
其中，1、刀盘，1.1、滚刀，1.2、边缘刮刀，1.3、接渣斗，2、前盾，2.1、升降机构，2.1a、升降机构一，2.1b、升降机构二，2.2、顶紧机构，2.2.1、举升机构，2.2.2、楔形滑块，2.2.3、主驱动滑块，2.2.4、调节油缸，2.3、盾块，2.3a、盾块一，2.3b、盾块二，2.3c、盾块三，2.3d、盾块四，2.3e、盾块五，2.3f、盾块六，2.4、钻杆导向孔，3、主驱动，3.1、驱动马达，4、连接桥，4.1、桥架，4.2、连接桥导轨，5、多功能拼装机，5.1、管片拼装机，5.1.1、回转机构一，5.1.2、横移机架一，5.1.3、滑块一，5.1.4、抬升油缸，5.1.5、管片拼装臂，5.1.6、管片抓取头，5.2、钢拱架拼装机，5.2.1、回转机构二，5.2.2、横移机架二，5.2.3、滑块二，5.2.4、钢拱架拼装臂，5.3、滑移油缸，6、主推进系统，7、撑紧盾，7.1、支腿，7.2、下撑靴，7.3、支撑架，7.4、伸缩件，7.5、鞍架，7.6、撑紧盾导轨，7.7、滑块三，7.8、侧撑靴油缸，7.9、侧撑靴，8、传力组件，8a、传力组件一，8b、传力组件二，8c、传力组件三，8d、传力组件四，8.1、第一筒体，8.2、第二筒体，9、辅助推进系统，10、超前钻注系统，10.1、超前钻注机，10.2、回转机构三，10.3、横移油缸，10.4、横移机架三，11、配套系统。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例：
参见图1至图8，一种硬岩隧道掘进机，本实施例应用于隧道的快速扩挖和支护。
一种硬岩隧道掘进机，包括刀盘1、前盾2、主驱动3、连接桥4、多功能拼装机5、主推进系统6和撑紧盾7；所述刀盘1的主轴承与主驱动3连接，通过主驱动3的驱动马达3.1提供动力，用以驱动刀盘1对隧道工作面进行掘进，前盾2与主驱动3连接，用以实现在掘进过程中对主驱动3进行保护；所述连接桥4的一端与前盾2连接，所述连接桥4的另一端与撑紧盾7的鞍架7.5连接；所述主推进系统6的一端与连接桥4连接，所述主推进系统6的另一端与撑紧盾7连接，用以在敞开式TBM掘进模式下提供推力；所述连接桥4与多功能拼装机5滑动连接；所述多功能拼装机5包括管片拼装机5.1和钢拱架拼装机5.2，用以实现管片、钢瓦片和钢拱架的拼装。
刀盘1包括滚刀1.1、边缘刮刀1.2和接渣斗1.3，如图1所示，滚刀1.1布置在刀盘1的正面(即与隧道掌子面接触的一面)，边缘刮刀1.2布置在刀盘1的四周，通过滚刀1.1和边缘刮刀1.2对隧道进行掘进，接渣斗1.3位于刀盘1的内部，其作用是收集渣土，并通过出渣系统将渣土运出。
沿竖直方向所述前盾2上设有用于连接主驱动3的升降机构2.1，能抬升主驱动3实现刀盘1的扩挖，如图2所示，本实施例中，分别在前盾2的底部设有两个升降机构一2.1a，在前盾2的顶部设有两个升降机构二2.1b，用以实现对主驱动3的均匀、缓慢抬升，从而带动刀盘1运动，使刀盘1在纵向产生位移，刀盘1在掘进过程中就可以达到扩挖的效果，具体扩挖尺寸与刀盘1和主驱动3抬升的距离相匹配。
沿水平方向所述前盾2的两侧设有与主驱动3连接的顶紧机构2.2；所述顶紧机构2.2包括沿竖直方向设置的举升机构2.2.1和楔形滑块2.2.2，还包括设置在主驱动3上用于与楔形滑块2.2.2的斜面配合的主驱动滑块2.2.3，用于实现主驱动3的稳定抬升，减少主驱动3抬升过程中的振动，从而减少刀盘1的振动，本实施例中，在前盾2和主驱动3之间还设有调节油缸2.2.4，调节油缸2.2.4分别与前盾2和主驱动3铰接，用以辅助调节主驱动3的抬升稳定性。
本实施例中，升降机构2.1和举升机构2.2.1均选用液压油缸。
所述前盾2包括多个盾块2.3，多个盾块2.3合围成主驱动3的保护空间，且相邻盾块2.3沿前盾2的周向铰接，用以实现前盾2随主驱动3的抬升而变形，本实施例中，前盾2包含六个盾块2.3，分别为盾块一2.3a、盾块二2.3b、盾块三2.3c、盾块四2.3d、盾块五2.3e和盾块六2.3f，如图3所示，为保证前盾2的结构受力均匀，盾块2.3的设置沿竖直方向对称，即盾块一2.3a与盾块三2.3c结构相同且位置对称、即盾块四2.3d与盾块六2.3f结构相同且位置对称。本实施例中，升降机构一2.1a设于盾块二2.3b上，升降机构二2.1b设于盾块五2.3e上；两个顶紧机构2.2对称设置在盾块一2.3a和盾块三2.3c上，以图2中左侧的顶紧机构2.2为例，举升机构2.2.1的一端连接盾块一2.3a的底部，另一端连接楔形滑块2.2.2的底部，楔形滑块2.2.2的竖直面与盾块一2.3a配合，楔形滑块2.2.2可以在举升机构2.2.1的作用下进行上下移动，楔形滑块2.2.2的斜面与主驱动滑块2.2.3的斜面配合，使得主驱动3可以向上做微调，调节油缸2.2.4的一端连接主驱动3，另一端连接盾块一2.3a的上部，当主驱动3向上抬升的时候，调节油缸2.2.4向内收缩，使主驱动滑块2.2.3一直沿着楔形滑块2.2.2的斜面缓慢上升。
所述前盾2与主驱动3之间通过多个传力组件8连接；所述传力组件8的轴线沿前盾2的径向设置，且多个传力组件8沿竖直方向对称设置，用以实现前盾2对主驱动3的均匀传力作用。
所述传力组件8包括嵌套设置的第一筒体8.1和第二筒体8.2；所述第一筒体8.1与第二筒体8.2之间存在0～2mm的间距，使前盾2与主驱动3之间存在运动间隙；所述第一筒体8.1与前盾2连接且所述第二筒体8.2与主驱动3连接；或者是，所述第一筒体8.1与主驱动3连接且所述第二筒体8.2与前盾2连接。
本实施例中，沿前盾2的周向共设有八个传力组件8，八个传力组件8沿竖直方向对称设置，其中四个传力组件一8a均布在前盾2的两侧，且传力组件一8a的第一筒体8.1与第二筒体8.2的嵌套面之间存在1～2mm的间隙，使前盾2与主驱动3之间存在运动间隙，使得设置于主驱动3上的第一筒体8.1可以随主驱动3一起抬升；前盾2的两侧对称设有两个传力组件四8d，且传力组件四8d的第一筒体8.1与第二筒体8.2的嵌套面之间也存在1～2mm的间隙；沿竖直方向设置的传力组件二8b和传力组件三8c的第一筒体8.1与第二筒体8.2的嵌套面之间没有间隙(即间隙为0mm)，使主驱动3在抬升方向上不会左右偏移，传力组件8的规格根据其布置区域的受力情况确定。
连接桥4包括沿硬岩隧道掘进机长度方向上设置的桥架4.1以及设置在桥架4.1上的连接桥导轨4.2，多功能拼装机5通过连接桥导轨4.2与连接桥4滑动连接，多功能拼装机5包括管片拼装机5.1和钢拱架拼装机5.2，还包括用于推动管片拼装机5.1和钢拱架拼装机5.2在连接桥导轨4.2上滑动的滑移油缸5.3，使多功能拼装机5同时具备管片、钢瓦片和钢拱架拼装功能，满足了不同地质条件隧道的多种支护需求。
参见图4，管片拼装机5.1包括回转机构一5.1.1、横移机架一5.1.2、滑块一5.1.3、抬升油缸5.1.4、管片拼装臂5.1.5和管片抓取头5.1.6等；四个滑块一5.1.3固定在横移机架一5.1.2上，滑块一5.1.3与连接桥导轨4.2配合，使得管片拼装机5.1可以在连接桥4上横向移动；回转机构一5.1.1与横移机架一5.1.2连接，其作用是驱动管片拼装机5.1回转运动，使管片拼装机5.1能够完成隧道周向管片拼装；抬升油缸5.1.4设有两个，分别位于回转机构一5.1.1的两侧，其作用是提升管片；管片拼装臂5.1.5的两端分别与提升油缸5.1.4的伸出端连接；管片抓取头5.1.6位于管片拼装臂5.1.5的底部，其作用是抓取管片，管片抓取头5.1.6可以是机械式的，也可以是真空吸盘式的。
参见图5，钢拱架拼装机包括回转机构二5.2.1、横移机架二5.2.2、滑块二5.2.3和钢拱架拼装臂5.2.4；四个滑块二5.2.3固定在横移机架二5.2.2上，滑块二5.2.3与连接桥导轨4.2配合，使得钢拱架拼装机5.2可以在连接桥4上横向移动；回转机构二5.2.1与横移机架二5.2.2连接，其作用是驱动钢拱架拼装机5.2回转运动，使钢拱架拼装机5.2能够完成隧道周向钢拱架拼装；钢拱架拼装臂5.2.4有六个，位于回转机构二5.2.1外周，钢拱架拼装臂5.2.4具有抓取和拼装钢拱架和钢瓦片的功能。
参见图6，撑紧盾7主要包括侧撑靴7.9、侧撑靴油缸7.8、支撑架7.3、滑块三7.7、鞍架7.5、撑紧盾导轨7.6、支腿7.1、伸缩件7.4和下撑靴7.2等；侧撑靴7.9位于撑紧盾7的两侧，通过两个侧撑靴油缸7.8分别连接在支撑架7.3的两侧，支撑架7.3位于撑紧盾7中部，滑块三7.7位于支撑架7.3靠中部的两侧，撑紧盾导轨7.6位于鞍架7.5两侧，支撑架7.3通过滑块三7.7与鞍架7.5的撑紧盾导轨7.6配合，使得侧撑靴7.9可以横向移动；支撑架7.3底部设有两个支腿7.1，伸缩件7.4一端连接支腿7.1，另一端连接下撑靴7.2，支腿7.1和伸缩件7.4连接的主要作用是承受连接桥4和鞍架7.5的载荷，同时可根据鞍架7.5承受的扭矩，调整两个支腿7.1的不同伸缩量，能实现防扭、调向和纠滚功能，本实施例中，伸缩件7.4选用液压油缸。
一种硬岩隧道掘进机还包括辅助推进系统9，如图7所示，所述辅助推进系统9包括多组沿前盾2周向分布的推进油缸，用于在单护盾工作模式下为刀盘1提供推力。本申请通过将主推进系统6和辅助推进系统9结合，将辅助推进系统9设置在前盾2内，既不影响敞开式TBM的功能使用，又可通过辅助推进系统9实现单护盾和敞开式TBM两种工作模式的切换，满足不同的工况要求。
一种硬岩隧道掘进机还包括超前钻注系统10，所述超前钻注系统10与连接桥4滑动连接，用以调节钻探和注浆范围；超前钻注系统10位于连接桥4上，在多功能拼装机5的后方，超前钻注系统10包括具备钻探和注浆功能的超前钻注机10.1、回转机构三10.2、横移油缸10.3和横移机架三10.4；横移机架三10.4滑动连接与连接桥4的桥架4.1上；回转机构三10.2位于横移机架三10.4上，超前钻注机10.1安装在回转机构三10.2上，回转机构三10.2可以驱动超前钻注机10.1在周向上旋转运动；横移油缸10.3的一端连接横移机架三10.4，另一端连接在连接桥4后部，横移油缸10.3可以驱动超前钻注机10.1横向移动，增加钻注范围；本实施例中，前盾2上设有钻杆导向孔2.4，多个钻杆导向孔2.4沿前盾2的周向布置，钻杆导向孔2.4与TBM(即硬岩隧道掘进机)轴线有一定外张角度，具体角度根据超前钻注机10.1的打孔角度确定。
一种硬岩隧道掘进机还包括保障TBM功能的相关配套系统11，所述配套系统11包括与刀盘1的接渣斗连接的出渣系统，用于输送渣土；还包括用于给掘进机进行冷却的水冷系统，用于给掘进机供应电能和风能的供电系统、供风系统，用于对硬岩隧道掘进机各部件的运动进行控制的主控制系统和其他辅助系统，配套系统11的各部分系统参照现有技术进行设置。
上述的一种硬岩隧道掘进机的工作流程如下：在掘进前通过超前钻注系统10对围岩进行超前支护，然后根据施工工况选择对应的掘进模式，通过主驱动3驱动刀盘1工作，同时通过前盾2上设置的升降机构2.1缓慢抬升主驱动3对隧道进行扩挖，完成掘进后，多功能拼装机5根据隧道情况选取相应的支护方式，开启管片拼装机5.1或钢拱架拼装机5.2对隧道进行支护；刀盘1在主推进系统6或辅助推进系统9的作用下向前推进，继续下一工段的掘进，期间撑紧盾7根据受力情况调整伸缩件7.4的伸缩量，配套系统11输送渣土并提供硬岩隧道掘进机行进所需的能源。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (8)
1.一种硬岩隧道掘进机，其特征在于，包括刀盘（1）、前盾（2）、主驱动（3）、连接桥（4）、多功能拼装机（5）、主推进系统（6）和撑紧盾（7）；所述刀盘（1）和前盾（2）均与主驱动（3）连接，用以驱动刀盘（1）工作并对主驱动（3）进行保护；所述连接桥（4）的一端与前盾（2）连接，所述连接桥（4）的另一端与撑紧盾（7）连接；所述主推进系统（6）的一端与连接桥（4）连接，所述主推进系统（6）的另一端与撑紧盾（7）连接，用以在掘进过程中提供推力；所述连接桥（4）与多功能拼装机（5）滑动连接；所述多功能拼装机（5）包括管片拼装机（5.1）和钢拱架拼装机（5.2），用以实现管片、钢瓦片和钢拱架的拼装；
所述前盾（2）与主驱动（3）之间通过多个传力组件（8）连接，所述传力组件（8）包括嵌套设置的第一筒体（8.1）和第二筒体（8.2），所述第一筒体（8.1）与前盾（2）连接且所述第二筒体（8.2）与主驱动（3）连接，或者是所述第一筒体（8.1）与主驱动（3）连接且所述第二筒体（8.2）与前盾（2）连接；所述传力组件（8）的轴线沿前盾（2）的径向设置，具体是：沿前盾（2）的周向共设有包含传力组件一（8a）、传力组件二（8b）、传力组件三（8c）以及传力组件四（8d）的八个传力组件（8），八个传力组件（8）沿竖直方向对称设置，其中四个传力组件一（8a）均布在前盾（2）的两侧，且传力组件一（8a）的第一筒体（8.1）与第二筒体（8.2）的嵌套面之间存在1~2mm的间隙；前盾（2）的两侧对称设有两个传力组件四（8d），且传力组件四（8d）的第一筒体（8.1）与第二筒体（8.2）的嵌套面之间存在1~2mm的间隙；沿竖直方向设置的传力组件二（8b）和传力组件三（8c）的第一筒体（8.1）与第二筒体（8.2）的嵌套面之间的间隙为0mm。
2.根据权利要求1所述的一种硬岩隧道掘进机，其特征在于，沿竖直方向所述前盾（2）上设有用于连接主驱动（3）的升降机构（2.1），能抬升主驱动（3）实现刀盘（1）的扩挖。
3.根据权利要求1所述的一种硬岩隧道掘进机，其特征在于，沿水平方向所述前盾（2）的两侧设有与主驱动（3）连接的顶紧机构（2.2）；所述顶紧机构（2.2）包括沿竖直方向设置的举升机构（2.2.1）和楔形滑块（2.2.2），还包括设置在主驱动（3）上用于与楔形滑块（2.2.2）的斜面配合的主驱动滑块（2.2.3），用于实现主驱动（3）的稳定抬升。
4.根据权利要求2或3所述的一种硬岩隧道掘进机，其特征在于，所述前盾（2）包括多个盾块（2.3），多个盾块（2.3）合围成主驱动（3）的保护空间，且相邻盾块（2.3）沿前盾（2）的周向铰接，用以实现前盾（2）随主驱动（3）的抬升而变形。
5.根据权利要求1所述的一种硬岩隧道掘进机，其特征在于，所述撑紧盾（7）包括两个支腿（7.1）和与支腿（7.1）连接的下撑靴（7.2），还包括用于连接支腿（7.1）与支撑架（7.3）的伸缩件（7.4），用以实现撑紧盾（7）的防扭、调向和纠滚功能。
6.根据权利要求1所述的一种硬岩隧道掘进机，其特征在于，还包括辅助推进系统（9），所述辅助推进系统（9）包括多组沿前盾（2）周向分布的推进油缸，用于为刀盘（1）提供推力。
7.根据权利要求1所述的一种硬岩隧道掘进机，其特征在于，还包括超前钻注系统（10），所述超前钻注系统（10）与连接桥（4）滑动连接，用以调节钻探和注浆范围。
8.根据权利要求1所述的一种硬岩隧道掘进机，其特征在于，还包括配套系统（11），所述配套系统（11）包括与刀盘（1）连接的出渣系统。
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