CN113107515A - 自由断面隧道掘进机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种自由断面隧道掘进机，包括：刀盘组件，端面设置有多条滑动槽和至少一个冲击器安装孔；水喷头总成，能滑动地设置在滑动槽中，水喷头总成能够朝向岩面喷射用于破岩的水射流；震动冲击组件，设置在冲击器安装孔内并能够相对于刀盘组件往复运动，且震动冲击组件能够与岩面抵接。本发明的有益效果是，利用水喷头总成喷射高压水射流以在岩石的掌子面上产生与水喷头总成运动轨迹相同的切槽，使掌子面的完整性及连接强度大幅度降低，最后通过震动冲击组件作用于已有切槽的掌子面，可以使岩石直接从掌子面上剥落，从而达到提高破岩效率的目的。

Description

自由断面隧道掘进机
技术领域
本发明涉及隧道掘进机械领域，具体涉及一种自由断面隧道掘进机。
背景技术
传统盾构装备适应的断面较为单一且设备成本较高，且传统盾构装备一般采用金属刀具(滚刀、刮刀)进行破岩工作，针对一般强度的岩层(100MPA以内)其破岩效率尚可，但掘进过程中碰到孤石和较硬的岩石时，破岩的效率会下降，刀具异常磨损和更换频率的增加，随之带来盾构掘进效率的降低，掘进成本增加。同时在掘进上软下硬、软硬不均等严重不均匀地质时，传统的金属刀具极易发生异常损坏。
传统盾构采用主驱动带动刀盘进行旋转，通过滚刀或刮刀挤压掌子面岩石达到破岩效果，中心主驱动需要在刀盘背后布置多组电机或液压马达，占用了大量的空间位置，进行刀具更换时，留给施工人员的空间较小，不方便操作。
传统盾构机整机推动油缸不仅要为盾构机提供整机前进的动力，还需要提供滚刀挤压破岩的推动力，所需的油缸个数或整体推力较大，造成掘进机整机的制造成本很高。
发明内容
本发明提供了一种自由断面隧道掘进机，以达到提高破岩效率的目的。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种自由断面隧道掘进机，包括：刀盘组件，端面设置有多条滑动槽和至少一个冲击器安装孔；水喷头总成，能滑动地设置在滑动槽中，水喷头总成能够朝向岩面喷射用于破岩的水射流；震动冲击组件，设置在冲击器安装孔内并能够相对于刀盘组件往复运动，且震动冲击组件能够与岩面抵接。
进一步地，水喷头总成包括：增压泵站，设置在刀盘组件的后侧；水管，一端与增压泵站的出口连接；多个射流组件，能滑动地设置在滑动槽中，且多个射流组件与水管的另一端均连通。
进一步地，射流组件包括：保护罩，呈两端开口的筒状结构；喷嘴，穿设在保护罩内，且喷嘴的一端与水管的另一端均连接，喷嘴的另一端置于保护罩外侧。
进一步地，喷嘴的一端外壁设置有用于检测喷嘴喷射角度的角度检测装置和用于微调喷嘴喷射角度的角度微调装置。
进一步地，每条滑动槽中均安装有一个滑块，每个滑块上对应安装有一个射流组件。
进一步地，每个滑块上均设置有驱动组件，驱动组件能够驱动滑块带动射流组件沿对应的滑动槽滑动。
进一步地，震动冲击组件包括：活塞缸，设置在冲击器安装孔中并具有内腔；冲击杆，一端置于内腔中，冲击杆的另一端置于活塞缸的外侧并能够与岩面抵接，且冲击杆一端固定设置有活塞；电磁激振器，设置在活塞缸远离冲击杆的一侧，电磁激振器能够驱动冲击杆相对于活塞缸往复运动。
进一步地，震动冲击组件还包括减震块，固定在冲击杆的外周并能够与活塞缸的一侧端壁抵接。
进一步地，自由断面隧道掘进机还包括：铲渣板，设置在刀盘组件的下侧；两个行星铲板，对称设置在铲渣板上，两个行星铲板均能够相对铲渣板转动，且两个行星铲板的转动方向相反；溜渣槽，设置在铲渣板上并位于两个行星铲板之间；出渣皮带机，一端与铲渣板连接，出渣皮带机的另一端置于刀盘组件的后侧。
进一步地，自由断面隧道掘进机还包括推进油缸，设置在刀盘组件的后侧并与刀盘组件驱动连接。
本发明的有益效果是，利用水喷头总成喷射高压水射流以在岩石的掌子面上产生与水喷头总成运动轨迹相同的切槽，使掌子面的完整性及连接强度大幅度降低，最后通过震动冲击组件作用于已有切槽的掌子面，可以使岩石直接从掌子面上剥落，从而达到提高破岩效率的目的。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书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为本发明实施例的结构示意图；
图2为图1的侧视图；
图3为射流组件与滑块的装配图；
图4为射流组件的结构示意图；
图5为震动冲击组件的结构示意图；
图6为铲渣板、行星铲板和溜渣槽的装配图；
图7为矩形断面刀盘的结构示意图；
图8为拱形断面刀盘的结构示意图。
图中附图标记：1、刀盘组件；2、掘进机护板；3、射流组件；4、震动冲击组件；5、铲渣板；6、溜渣槽；7、主控柜；8、增压泵站；9、推进油缸；10、隧道管片；11、出渣皮带机；12、行星铲板；13、冲击杆；14、减震块；15、活塞缸；16、电磁激振器；17、圆形断面刀盘；18、滑动槽；19、矩形断面刀盘；20、拱形断面刀盘；21、喷嘴；22、保护罩；23、角度检测装置；24、角度微调装置；25、滑块；26、水管；27、冲击器安装孔。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1至图8所示，本发明实施例提供了一种自由断面隧道掘进机，包括刀盘组件1、水喷头总成和震动冲击组件4。刀盘组件1的端面设置有多条滑动槽18和至少一个冲击器安装孔27。水喷头总成能滑动地设置在滑动槽18中，水喷头总成能够朝向岩面喷射用于破岩的水射流。震动冲击组件4设置在冲击器安装孔27内并能够相对于刀盘组件1往复运动，且震动冲击组件4能够与岩面抵接。
利用水喷头总成喷射高压水射流以在岩石的掌子面上产生与水喷头总成运动轨迹相同的切槽，使掌子面的完整性及连接强度大幅度降低，最后通过震动冲击组件4作用于已有切槽的掌子面，可以使岩石直接从掌子面上剥落，从而达到提高破岩效率的目的。
其中，高压水射流是指将水加压至数百个大气压以上，再通过具有细小孔径的高压水喷嘴转换为高速的微细“水射流”。利用高压水射流破岩，具有破岩能力强、能量损耗小、破岩效率高等特点；且水能源获得途径广泛，成本低廉，且过滤后可以重复利用，属于绿色能源；高压水破岩过程中会产生大量的水雾，可以起到降低扬尘的作用，为施工人员提供良好的作业环境。
需要说明的是，本发明实施例中高压水射流的速度一般都在一倍马赫数以上，具有巨大的打击能量，因为高压水射流冲击材料时会有附加应力，摩擦和空穴效应造成了较高的剪应力破坏，这种高度聚能的水射流冲击岩石可以致裂或直接破碎岩石。
本发明实施例中的水喷头总成包括增压泵站8、水管26、多个射流组件3和主控柜7。增压泵站8设置在刀盘组件1的后侧；水管26的一端与增压泵站8的出口连接；多个射流组件3能滑动地设置在滑动槽18中，且多个射流组件3与水管26的另一端均连通。主控柜7设置在增压泵站8一侧以控制整个水喷头总成。
常压水通过增压泵站8转换为高压水并由多个射流组件3输出，由主控柜7进行控制，增压泵站8产生高压水流入水管26中，并通过转换接头转送至多个射流组件3。
具体地，射流组件3包括保护罩22和喷嘴21。保护罩22呈两端开口的筒状结构；喷嘴21穿设在保护罩22内，且喷嘴21的一端与水管26的另一端均连接，喷嘴21的另一端置于保护罩22外侧。设置保护罩22可以防止喷嘴21在施工过程中发生异常损坏。
优选地，喷嘴21的一端外壁设置有用于检测喷嘴21喷射角度的角度检测装置23和用于微调喷嘴21喷射角度的角度微调装置24。在喷嘴21的一端外设置角度检测装置23和角度微调装置24，可以通过上述组件对喷嘴21进行角度微调，以实现与掌子面达到最优喷射角度的目的。
如图1和图2所示，每条滑动槽18中均安装有一个滑块25，每个滑块25上对应安装有一个射流组件3。每个滑块25上均设置有驱动组件，驱动组件能够驱动滑块25带动射流组件3沿对应的滑动槽18滑动。
滑块25安装于滑动槽18上，通过滑块25带动射流组件3运动，从而使射流组件3运动轨迹呈网格状，实现整个掌子面的网格状覆盖。
需要说明的是，本实施例中滑动槽18采用网格状分布形式，参照图2、图7和图8所示，其中当隧道形式为圆形时，采用图2所示的圆形断面刀盘17；当隧道形式为矩形时，采用图7所示矩形断面刀盘19；当隧道形式为拱形时，采用图8所示拱形断面刀盘20。
当然上述滑动槽18的分布形式也不应仅限于网格状分布形式，可以采用螺旋状或者不规则分布形式，凡是能够对掌子面进行切割以降低掌子面完整性及连接强度的分布形式均应该在本申请的保护范围内。
进一步地，冲击器安装孔27间隔均布在刀盘组件的端面处且与滑动槽18不发生干涉。
本发明实施例中，震动冲击组件4包括活塞缸15、冲击杆13、电磁激振器16和减震块14。活塞缸15设置在冲击器安装孔27中并具有内腔；冲击杆13的一端置于内腔中，冲击杆13的另一端置于活塞缸15的外侧并能够与岩面抵接，且冲击杆13一端固定设置有活塞；电磁激振器16设置在活塞缸15远离冲击杆13的一侧，电磁激振器16能够驱动冲击杆13相对于活塞缸15往复运动。减震块14固定在冲击杆13的外周并能够与活塞缸15的一侧端壁抵接。
电磁激振器16产生高频振动从而带动活塞缸15内的活塞产生往复运动，最后带动冲击杆13作用于掌子面，对岩石产生击碎作用，减震块14安装于冲击杆13的背部，在冲击杆13由掌子面返回时减少对活塞缸15的冲击。
如图1和图6所示，本发明实施例中的自由断面隧道掘进机还包括铲渣板5、两个行星铲板12、溜渣槽6和出渣皮带机11。铲渣板5设置在刀盘组件1的下侧；两个行星铲板12对称设置在铲渣板5上，两个行星铲板12均能够相对铲渣板5转动，且两个行星铲板12的转动方向相反；溜渣槽6设置在铲渣板5上并位于两个行星铲板12之间；出渣皮带机11的一端与铲渣板5连接，出渣皮带机11的另一端置于刀盘组件1的后侧。
铲渣板5把产生的岩渣运送至两个行星铲板12中，由于高压水和冲击器产生的岩渣较为完整，需要两个行星铲板12进行相对转动实现二次破碎，而破碎后的岩渣由溜渣槽6进入出渣皮带机11(或者螺旋输送机)输出至洞外。本实施例中行星铲板12放置于铲渣板5上，与地面呈30°左右夹角，溜渣槽6在铲渣板5后侧，链接皮带机(或螺旋输送机)，行星铲板12不会与溜渣槽6发生干涉。
本发明实施例刀盘组件1采用无滚刀盘，整机推动系统由推进油缸9完成，与传统盾构相比，推进油缸9只需要推动整机前进即可，无需像传统掘进机那样还需要提供滚刀挤压破岩所需要的推动力，可以减少布置油缸的个数或推力，大大降低了整机的制造成本。在推进油缸9后方的隧道内侧设置有隧道管片10，用于支撑已掘的隧道。
进一步地，刀盘组件1的上侧设置有掘进机护板2，该掘进机护板2一端与刀盘组件1上侧连接，另一端伸出至刀盘组件1外侧以保护刀盘组件1。其中，掘进机护板2的形状与刀盘组件1上侧的外周形状适配。
本发明实施例可以彻底规避金属刀具异常磨损的效果，很大程度上降低隧道开挖的成本；无需中心主驱动带动刀盘转动可以节省大量的制造成本，也可以节省刀盘后的布置空间；高压水运动轨道的灵活布置可以适应于所有的隧道断面形状；推进油缸9无需提供滚刀破岩的挤压力，可以减少布置油缸的个数或推力，降低掘进机的制造成本。从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
本实施例摒弃了传统掘进机的金属刀具破岩方式，采用高压水冲击配合高频振动冲击器破岩，不仅解决了掘进机金属刀具切岩时极易发生异常损坏的难题，而且节省了高达几百万的刀具成本。
本实施例无需中心主驱动带动刀盘旋转完成破岩动作，因此可以摒弃周边多组电机或液压马达减速机的传统驱动方式，只需配备小功率的导轨驱动电机带动高压水喷头滑动及冲击器的驱动电机即可完成隧道掘进，很大程度节省了掘进机的制造成本，且在刀盘后部余出更多的空间布置；
本实施例可根据隧道的断面形状自由布置高压水导轨和冲击器位置，由于不需要中心主驱动带动刀盘进行圆周运动，因此本发明的掘进机无需局限于传统的圆形断面隧道开挖，可进行圆形、椭圆形、矩形、马蹄形、拱形等全部隧道断面形状的开挖，适应性更加广泛，可使隧道的利用率更高，大大降低隧道建设成本。
本实施例的推动油缸只需要推动整机前进即可，无需像传统掘进机那样还需要提供滚刀挤压破岩所需要的推动力，可以减少布置油缸的个数或推力，大大降低了整机的制造成本。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。

Claims (10)

1.一种自由断面隧道掘进机，其特征在于，包括：
刀盘组件(1)，端面设置有多条滑动槽(18)和至少一个冲击器安装孔(27)；
水喷头总成，能滑动地设置在滑动槽(18)中，所述水喷头总成能够朝向岩面喷射用于破岩的水射流；
震动冲击组件(4)，设置在冲击器安装孔(27)内并能够相对于刀盘组件(1)往复运动，且震动冲击组件(4)能够与所述岩面抵接。
2.根据权利要求1所述的自由断面隧道掘进机，其特征在于，所述水喷头总成包括：
增压泵站(8)，设置在刀盘组件(1)的后侧；
水管(26)，一端与增压泵站(8)的出口连接；
多个射流组件(3)，能滑动地设置在滑动槽(18)中，且多个射流组件(3)与水管(26)的另一端均连通。
3.根据权利要求2所述的自由断面隧道掘进机，其特征在于，射流组件(3)包括：
保护罩(22)，呈两端开口的筒状结构；
喷嘴(21)，穿设在保护罩(22)内，且喷嘴(21)的一端与水管(26)的另一端均连接，喷嘴(21)的另一端置于保护罩(22)外侧。
4.根据权利要求3所述的自由断面隧道掘进机，其特征在于，喷嘴(21)的一端外壁设置有用于检测喷嘴(21)喷射角度的角度检测装置(23)和用于微调喷嘴(21)喷射角度的角度微调装置(24)。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的自由断面隧道掘进机，其特征在于，每条滑动槽(18)中均安装有一个滑块(25)，每个滑块(25)上对应安装有一个射流组件(3)。
6.根据权利要求5所述的自由断面隧道掘进机，其特征在于，每个滑块(25)上均设置有驱动组件，所述驱动组件能够驱动滑块(25)带动射流组件(3)沿对应的滑动槽(18)滑动。
7.根据权利要求1所述的自由断面隧道掘进机，其特征在于，震动冲击组件(4)包括：
活塞缸(15)，设置在冲击器安装孔(27)中并具有内腔；
冲击杆(13)，一端置于所述内腔中，冲击杆(13)的另一端置于活塞缸(15)的外侧并能够与所述岩面抵接，且冲击杆(13)一端固定设置有活塞；
电磁激振器(16)，设置在活塞缸(15)远离冲击杆(13)的一侧，电磁激振器(16)能够驱动冲击杆(13)相对于活塞缸(15)往复运动。
8.根据权利要求7所述的自由断面隧道掘进机，其特征在于，震动冲击组件(4)还包括减震块(14)，固定在冲击杆(13)的外周并能够与活塞缸(15)的一侧端壁抵接。
9.根据权利要求1所述的自由断面隧道掘进机，其特征在于，所述自由断面隧道掘进机还包括：
铲渣板(5)，设置在刀盘组件(1)的下侧；
两个行星铲板(12)，对称设置在铲渣板(5)上，两个行星铲板(12)均能够相对铲渣板(5)转动，且两个行星铲板(12)的转动方向相反；
溜渣槽(6)，设置在铲渣板(5)上并位于两个行星铲板(12)之间；
出渣皮带机(11)，一端与铲渣板(5)连接，出渣皮带机(11)的另一端置于刀盘组件(1)的后侧。
10.根据权利要求1所述的自由断面隧道掘进机，其特征在于，所述自由断面隧道掘进机还包括推进油缸(9)，设置在刀盘组件(1)的后侧并与刀盘组件(1)驱动连接。
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