CN113153320A - 一种软弱地层盾构用一体化预支护掘进装置及其掘进方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种软弱地层盾构用一体化预支护掘进装置及其掘进方法，包括盾体，所述盾体内设有挖掘机构和出土机构；盾体连接有连接梁；连接梁之间设有导向支撑组件和顶压组件，导向支撑组件上设置有注浆锚杆；顶压组件分别将若干所述注浆锚杆倾斜的顶入所述盾体外周范围内的软弱地层中，在顶入的所述注浆锚杆内浇筑砂浆形成超前支护和/或预支护；本掘进装置在开挖和挖掘的过程中就能够进行预支护工作，在挖开盾体所在范围的空间后，注浆锚杆也打入了顶层和四周的软弱地层中并完成灌浆工作，加固了盾体外周范围内的土壤，使得挖出的空间具备良好的支撑能力和安全性，形成了开挖、出土和预支护同时开展的一体化掘进方式，并具备跟进支护功能。

Description

一种软弱地层盾构用一体化预支护掘进装置及其掘进方法

技术领域

本发明涉及到软弱地层掘进施工技术领域，具体涉及到一种软弱地层盾构用一体化预支护掘进装置及其掘进方法。

背景技术

随着隧道与地下工程学科的发展，我国的地下结构日益呈现多样化、复杂化。其中，解决软弱地层隧道安全、快速施工的问题，是发展隧道与地下工程的一个关键。通常的施工方法为：以超前预支护、预加固等措施预先处理软弱地层，并采用足够刚度、强度的复合衬砌为基本支护结构的用于软土地层近地表隧道的施工方法。

中国发明专利(公告号：CN103016027B)在2015年公开了一种软弱、破碎复杂地质条件下隧道或巷道掘进方法，包括如下施工步骤：前期准备工作、自钻钢钎、钢管或钎杆作业、钢拱架安装、隧道或巷道掘进施工、二次支护。该发明虽然能够用于隧道挖掘施工，但是需要在开挖前进行支护施工操作，而且在后期的掘进过程中很难再进行预支护，还需要进行二次支护。

另外，在西北部地区黄土地层隧道施工中，隧道的自稳性受到多种因素的影响，如黄土的自身工程特性、不同饱和度下黄土地层的结构特性、与含水量变化有关的水敏性等。因此，V类软岩黄土隧道开挖仍以分部开挖法为主。分部开挖法因其工序繁杂、施工空间小，使得隧道施工开挖、初支、出碴等关键工序机械化程度较低，施工进度慢，工程成本高，而黄土公路隧道往往是整个项目或全线的控制性工程，要求确保较快的施工速度。研发黄土隧道关键工序一体化机械设备，实现快速施工成为当前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种软弱地层盾构用一体化预支护掘进装置及其掘进方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种软弱地层盾构用一体化预支护掘进装置，包括盾体，所述盾体的前端设有插入部，所述盾体的内周设有第一支架组件，所述第一支架组件上设有若干组沿掘进方向布置的可活动的挖掘机构，每个所述挖掘机构的下方均设置有出土机构，所述出土机构与所述第一支架组件连接并倾斜的沿掘进反方向向外延伸；所述盾体的后端连接有第二支架组件，所述第二支架组件为框架结构并在外圆周设有轴向的连接梁；所述第二支架组件周向的间隔设置有若干导向支撑组件，所述导向支撑组件分别安装在所述连接梁之间，所述导向支撑组件上设置有注浆锚杆；所述导向支撑组件后方的所述连接梁上还设有顶压组件，所述顶压组件分别将若干所述注浆锚杆倾斜的顶入所述盾体外周范围内的软弱地层中，在顶入的所述注浆锚杆内浇筑砂浆形成超前支护和/或预支护。

本掘进装置通过在所述盾体后方连接所述第二支架组件，并在所述第二支架组件上设置能够将所述注浆锚杆打入软弱地层中的导向支撑组件和顶压组件，使得本掘进装置在开挖和挖掘的过程中就能够进行预支护工作，既能够合理利用挖土时间，也能够提升挖掘的安全性，在挖开盾体所在范围的空间后，注浆锚杆也打入了顶层和四周的软弱地层中并完成灌浆工作，加固了盾体外周范围内的土壤，使得挖出的空间具备良好的支撑能力和安全性，使得开挖、出土和预支护同时开展，形成了一体化的掘进方式；降低了分步开挖，分布支护、二次支护等繁杂的施工步骤，在确保安全的前提下还能够加快施工进度，降低施工成本，同时所述第二支架组件由于能够跟随所述盾体一同前进，也能够形成跟进支护操作；本掘进装置非常适合软弱地层的掘进，如黄土公路隧道的施工。

所述第二支架组件与所述盾体连接使其能够跟随所述盾体向前移动，移动的路径在所述盾体挖开的范围内；所述导向支撑组件上能够卡合注浆锚杆并确保注浆锚杆的方向性，所述注浆锚杆会倾斜的打入所述盾体外周的软弱地层中，避免戳到盾体，倾斜的角度在2°左右，也可以根据盾体的轴向长度、注浆锚杆的长度以及支护的位置适当调整倾斜打入的角度，以确保打入软弱地层中的注浆锚杆在注浆后能够形成较稳固的预支护结构；若所述注浆锚杆的长度大于所述盾体的轴向长度，打入的所述注浆锚杆的端部还会超出开挖的轴向空间，注浆后将会形成超前支护的结构。

所述盾体的前端插入软弱地层中，所述挖掘机构开挖并将挖出的泥土落在所述出土机构上，所述出土机构将泥土运出盾体及隧道。

另外，在完成预支护、超前支护或者跟进支护的同时，在所述注浆锚杆插入的软弱地层中进行超前地质预报的操作，超前地质预报可以采用地震波法，其原理是建立在弹性波理论的基础上，传播过程遵循惠更斯-菲涅尔原理和费马原理，利用了软弱地层中地质体间明显的声学特性差异实现的；测试时，在支护形成的支护面上或边墙一点发射低频声波信号，在另一点接收反射波信号。采用时域、频域分析探测反射波信号，进一步根据隧道支护面的地质调查、地面地质调查及利用一隧道超前施工段地质情况推测另一平行隧道施工支护面前方地质条件的预报方法，便可了解前方岩体的变化情况，探测支护面前方可能存在的岩性分界、断层、岩体破碎带、软弱夹层、以及岩溶等不良地质体的规模、性质及延伸情况等。

进一步的，所述导向支撑组件包括设置在所述连接梁之间的若干个支撑板，所述支撑板的两端分别铰接有伸缩连接杆，所述伸缩连接杆分别与相邻的所述连接梁连接；所述支撑板上设有支撑座，所述支撑座上设有圆弧形的卡合槽，所述卡合槽内设置所述注浆锚杆；设置在靠近所述盾体一端设置的所述伸缩连接杆的伸出长度小于远离所述盾体一端设置的所述伸缩连接杆的伸出长度。

采用本结构的所述导向支撑组件通过所述卡合槽能够较好的支撑和固定住所述注浆锚杆，同时所述注浆锚杆在外力的作用下也能够沿所述导向支撑组件移动和滑动，将所述导向支撑组件设置为多个，便于支撑较长的注浆锚杆，每个所述伸缩连接杆均能够独立调节伸长量，从而能够合理的调整每个所述导向支撑组件的高低位置，从靠近盾体到远离盾体的方向上，形成有层次的支撑，这样所述注浆锚杆在被支撑的同时也能够调整和保持倾斜角度。

进一步的，所述支撑座设置在所述支撑板的上方或者下方；所述支撑座包括刚性主体，所述刚性主体的中部设有半圆形凹槽，所述刚性主体上方设有弹性卡合件，所述弹性卡合件设置在所述半圆形凹槽的两侧并包裹所述注浆锚杆的外壁；所述半圆形凹槽内还嵌设有若干滚珠，所述滚珠抵接所述注浆锚杆的外壁。

所述半圆形凹槽及其两侧的所述弹性卡合件形成的空间即为所述卡合槽，刚性主体能够保证连接强度和稳定性，弹性卡合件能够夹住所述注浆锚杆，避免其掉落；所述滚珠的设置便于所述注浆锚杆的移动，起到导向和减少摩擦阻力的作用，有利于所述顶压组件将所述注浆锚杆打入地层中。

进一步的，所述顶压组件包括设置在相邻所述连接梁之间的旋转轴，所述旋转轴的中部设有安装座，所述安装座内设有液压缸体，所述液压缸体的端部通过法兰盘与所述安装座连接，所述液压缸体的输出端连接有顶杆，所述顶杆朝向所述导向支撑组件设置；所述液压缸体的另一端通过连接件与所述第二支架组件连接。

所述液压缸体和所述顶杆的设置，便于控制所述顶杆顶压所述注浆锚杆；将所述液压缸体固定在所述安装座上，所述安装座在所述旋转轴的连接下能够进行适当角度的转动，以适配所述注浆锚杆倾斜的角度；所述液压缸体的另一端通过铰接座或者伸缩吊杆支撑固定即可。

进一步的，所述旋转轴的两端分别套设在所述连接梁内并与所述连接梁之间设有轴承，至少一侧的所述连接梁上安装有驱动电机，所述驱动电机的输出端伸入所述连接梁内并通过相互配合的伞齿轮组件与所述旋转轴的端部连接。

所述驱动电机旋转带动所述伞齿轮组件旋转，从而能够带动所述旋转轴的转动，以调节所述安装座的倾斜角度和朝向。

进一步的，所述注浆锚杆为中空结构的钢结构件，所述注浆锚杆的前端部为尖锥封闭结构，所述注浆锚杆的杆体外周上设有若干通孔；所述注浆锚杆的外周上还螺旋的设有若干排渣槽，所述排渣槽错开所述通孔设置。

采用这种结构的注浆锚杆便于插入软弱地层中，所述通孔在灌浆时起到出浆孔的作用，能够将灌入的浆料分散到注浆锚杆四周的地层中，形成加固结构，同时所述通孔也能够减轻注浆锚杆的重量，也就有排气功能；螺旋设置的排渣槽能够排出一部分泥土，便于组件锚杆的打入；软弱地层的土质较松软，通常在不打孔的情况下是能够直接打入注浆锚杆的，注浆锚杆会挤压四周的泥土，但是也会存在阻力不变打入的情况，此时所述排渣槽的设置就能够排渣便于打入。浇筑的砂浆可以为快干型砂浆、混凝土砂浆或者其它注浆料。

进一步的，所述第一支架组件包括固设在所述盾体内周面上的多组平行的第一框架，所述第一框架的中部截面连接有中部支撑板，所述中部支撑板的前端设有可拆卸的耐磨板，所述耐磨板具有楔状的端部；所述中部支撑板的上方和下方分别设置有所述挖掘机构，所述出土机构也分别设置在所述中部支撑板的上方和下方；所述第二支架组件的前端固定连接在所述盾体的后端面上，所述第二支架组件上等间距的设置有所述连接梁。

将所述第一支架组件分成上下两个空间便于多个所述挖掘机构的安装，以及方便分别出土，从而提高整体的挖掘和出土效率；所述中部支撑板的前端设置成楔状的耐磨板，使其能够跟随所述盾体一起插入地层中，同时提高耐磨性以应对挖掘和出土的频繁摩擦和碰撞，可拆卸的连接，使其能够单独更换，便于维护。

进一步的，所述插入部为截面为三角形的楔状结构，所述盾体的结构为圆筒形或者马蹄形；所述盾体通过液压推进或者履带式推进，由新能源电池为装置提供动力(类似于新能源重卡等工程机械上的动力系统)，所述盾体及所述第二支架组件后方的空间内还设有输送带和注浆管路，所述输送带与所述出土机构衔接，所述注浆管路沿所述第二支架组件延伸至每个所述注浆锚杆处。

进一步的，所述挖掘机构包括挖掘主臂，所述挖掘主臂的一端铰接有挖斗、另一端通过第一调节组件连接在所述盾体或者所述第一支架组件上，所述第一调节组件包括与所述挖掘主臂铰接的第一连接座，所述第一连接座与所述挖掘主臂还铰接连接有倾斜的第一液压杆；所述挖掘主臂靠近所述挖斗处还通过铰接架连接有第二液压杆，所述第二液压杆的另一端安装在所述盾体或者所述第一支架组件上；所述出土机构为履带式输送机和/或螺旋出料机，所述出土机构的前端部靠近所述挖斗设置。采用该种结构的挖掘机构，灵活性较好，开挖范围大、挖掘效率高，能够将盾体截面范围内的泥土逐一的挖掘出来，并分别通过出土机构运出。

进一步的，一种软弱地层盾构用一体化预支护掘进装置的掘进方法，所述掘进方法包括如下步骤：所述盾体靠近并插入软弱地层的断面，所述挖掘机构开始挖掘，挖掘的泥土随所述出土机构运出；在挖掘的过程中，所述顶压组件将所述注浆锚杆分别或者同时打入所述盾体外周的软弱地层中，所述顶压组件缩回，通过注浆管路向所述注浆锚杆中灌注砂浆，砂浆填充所述注浆锚杆并沿所述注浆锚杆向四周扩散，砂浆凝固成型后连同所述注浆锚杆在软弱地层中形成整体支护结构；完成浇筑时补充下一组注浆锚杆，所述盾体向前移动至下一位置，重复上述过程继续打入下一组所述注浆锚杆，在开挖的过程中完成预支护操作；随着挖掘的展开和所述盾体的行进，所述第二支架组件和新补充的注浆锚杆也跟随所述盾体行进，以完成跟进支护操作。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本掘进装置在开挖和挖掘的过程中就能够进行预支护工作，在挖开盾体所在范围的空间后，注浆锚杆也打入了顶层和四周的软弱地层中并完成灌浆工作，加固了盾体外周范围内的土壤，使得挖出的空间具备良好的支撑能力和安全性，使得开挖、出土和预支护同时开展，形成了一体化的掘进方式；2、本挖掘装置和挖掘方法降低了分步开挖，分布支护、二次支护等繁杂的施工步骤，在确保安全的前提下还能够加快施工进度，降低施工成本；本掘进装置非常适合软弱地层的掘进，如黄土公路隧道的施工；3、所述导向支撑组件上能够卡合注浆锚杆并确保注浆锚杆的方向性，所述注浆锚杆会倾斜的打入所述盾体外周的软弱地层中，以确保打入软弱地层中的注浆锚杆在注浆后能够形成较稳固的预支护结构；4、采用本结构的注浆锚杆便于插入软弱地层中，杆体上的通孔在灌浆时起到出浆孔的作用，便于浆料分散到注浆锚杆四周的地层中，形成加固结构；螺旋设置的排渣槽能够排出一部分泥土，降低打入难度；5、所述盾体的前端便于插入软弱地层中，所述挖掘机构灵活性较好，开挖范围大、挖掘效率高，并将挖出的泥土落在所述出土机构上运出盾体及隧道。

附图说明

图1为本发明一种软弱地层盾构用一体化预支护掘进装置的整体示意图；

图2为图1中A处俯视示意图；

图3为图2中B-B截面示意图；

图4为图1中C-C截面局部剖视示意图；

图5为本发明一种软弱地层盾构用一体化预支护掘进装置的注浆锚杆的结构示意图；

图6为本发明一种软弱地层盾构用一体化预支护掘进装置的第二支架组件的框架示意图；

图7为本发明一种软弱地层盾构用一体化预支护掘进装置的第一支架组件的截面结构示意图；

图8为图7中D-D截面示意图；

图9为本发明一种软弱地层盾构用一体化预支护掘进装置的挖掘机构的示意图；

图10为本发明注浆锚杆打入软弱地层形成支护结构的示意图；

图11为图10中的E-E截面示意图；

图12为本发明顶压组件与连接梁的另一种连接结构示意图；

图中：1、盾体；101、插入部；2、第一支架组件；201、第一框架；202、中部支撑板；203、耐磨板；3、挖掘机构；301、挖掘主臂；302、挖斗；303、第一连接座；304、第一液压杆；305、铰接架；306、第二液压杆；307、第二连接座；4、出土机构；5、第二支架组件；501、连接梁；6、导向支撑组件；601、支撑板；602、支撑座；603、伸缩连接杆；604、弹性卡合件；605、半圆形凹槽；606、滚珠；7、注浆锚杆；701、尖锥封闭结构；702、通孔；703、排渣槽；8、顶压组件；801、液压缸体；802、顶杆；803、法兰盘；804、安装座；805、旋转轴；806、轴承；9、驱动电机；10、伞齿轮组件；11、软弱地层。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明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做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中间”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例一：

如图1所示，一种软弱地层盾构用一体化预支护掘进装置，包括盾体1，所述盾体1的前端设有插入部101，所述盾体1的内周设有第一支架组件2，所述第一支架组件2上设有若干组沿掘进方向布置的可活动的挖掘机构3，每个所述挖掘机构3的下方均设置有出土机构4，所述出土机构4与所述第一支架组件2连接并倾斜的沿掘进反方向向外延伸；所述盾体1的后端连接有第二支架组件5，所述第二支架组件5为框架结构并在外圆周设有轴向的连接梁501；所述第二支架组件5周向的间隔设置有若干导向支撑组件6，所述导向支撑组件6分别安装在所述连接梁501之间，所述导向支撑组件6上设置有注浆锚杆7；所述导向支撑组件6后方的所述连接梁501上还设有顶压组件8，所述顶压组件8分别将若干所述注浆锚杆7倾斜的顶入所述盾体1外周范围内的软弱地层11中，在顶入的所述注浆锚杆7内浇筑砂浆形成超前支护和预支护。

本掘进装置通过在所述盾体1后方连接所述第二支架组件5，并在所述第二支架组件5上设置能够将所述注浆锚杆7打入软弱地层中的导向支撑组件6和顶压组件8，使得本掘进装置在开挖和挖掘的过程中就能够进行预支护工作，既能够合理利用挖土时间，也能够提升挖掘的安全性，在挖开盾体所在范围的空间后，注浆锚杆7也打入了顶层和四周的软弱地层中并完成灌浆工作，加固了盾体外周范围内的土壤，使得挖出的空间具备良好的支撑能力和安全性，使得开挖、出土和预支护同时开展，形成了一体化的掘进方式；降低了分步开挖，分布支护、二次支护等繁杂的施工步骤，在确保安全的前提下还能够加快施工进度，降低施工成本；本掘进装置非常适合软弱地层的掘进，如黄土公路隧道的施工。

所述第二支架组件5与所述盾体1连接使其能够跟随所述盾体1向前移动，移动的路径在所述盾体1挖开的范围内；所述导向支撑组件6上能够卡合注浆锚杆7并确保注浆锚杆7的方向性，所述注浆锚杆7会倾斜的打入所述盾体1外周的软弱地层中，避免戳到盾体1，倾斜的角度在2°左右，也可以根据盾体的轴向长度、注浆锚杆的长度以及支护的位置适当调整倾斜打入的角度，以确保打入软弱地层中的注浆锚杆在注浆后能够形成较稳固的预支护结构；若所述注浆锚杆7的长度大于所述盾体1的轴向长度，打入的所述注浆锚杆7的端部还会超出开挖的轴向空间，注浆后将会形成超前支护的结构。

所述盾体1的前端插入软弱地层中，所述挖掘机构3开挖并将挖出的泥土落在所述出土机构4上，所述出土机构4将泥土运出盾体及隧道。

进一步的，结合图2和图3所示，所述导向支撑组件6包括设置在所述连接梁501之间的若干个支撑板601，所述支撑板601的两端分别铰接有伸缩连接杆603，所述伸缩连接杆603分别与相邻的所述连接梁501连接；所述支撑板601上设有支撑座602，所述支撑座602上设有圆弧形的卡合槽，所述卡合槽内设置所述注浆锚杆7；设置在靠近所述盾体1一端设置的所述伸缩连接杆603的伸出长度小于远离所述盾体1一端设置的所述伸缩连接杆603的伸出长度。

采用本结构的所述导向支撑组件6通过所述卡合槽能够较好的支撑和固定住所述注浆锚杆7，同时所述注浆锚杆7在外力的作用下也能够沿所述导向支撑组件6移动和滑动，将所述导向支撑组件6设置为多个，便于支撑较长的注浆锚杆7，每个所述伸缩连接杆603均能够独立调节伸长量，从而能够合理的调整每个所述导向支撑组件6的高低位置，从靠近盾体到远离盾体的方向上，形成有层次的支撑，这样所述注浆锚杆7在被支撑的同时也能够调整和保持倾斜角度。

进一步的，所述支撑座602设置在所述支撑板601的上方或者下方；所述支撑座602包括刚性主体，所述刚性主体的中部设有半圆形凹槽605，所述刚性主体上方设有弹性卡合件604，所述弹性卡合件604设置在所述半圆形凹槽605的两侧并包裹所述注浆锚杆7的外壁；所述半圆形凹槽605内还嵌设有若干滚珠606，所述滚珠606抵接所述注浆锚杆7的外壁。

所述半圆形凹槽605及其两侧的所述弹性卡合件604形成的空间即为所述卡合槽，刚性主体能够保证连接强度和稳定性，弹性卡合件604能够夹住所述注浆锚杆7，避免其掉落；所述滚珠606的设置便于所述注浆锚杆7的移动，起到导向和减少摩擦阻力的作用，有利于所述顶压组件8将所述注浆锚杆7打入地层中。

进一步的，结合图4所示，所述顶压组件8包括设置在相邻所述连接梁501之间的旋转轴805，所述旋转轴805的中部设有安装座804，所述安装座804内安装连接有液压缸体801，所述液压缸体801的端部通过法兰盘803与所述安装座804连接，所述液压缸体801的输出端连接有顶杆802，所述顶杆802朝向所述导向支撑组件6设置；所述液压缸体801的另一端通过连接件与所述第二支架组件连接。

所述液压缸体801和所述顶杆802的设置，便于控制所述顶杆802顶压所述注浆锚杆7；将所述液压缸体801固定在所述安装座804上，所述安装座804在所述旋转轴805的连接下能够进行适当角度的转动，以适配所述注浆锚杆7倾斜的角度。

进一步的，所述旋转轴805的两端分别套设在所述连接梁501内并与所述连接梁501之间设有轴承806，其中一侧的所述连接梁501上安装有驱动电机9，所述驱动电机9的输出端伸入所述连接梁501内并通过相互配合的伞齿轮组件10与所述旋转轴805的端部连接。

所述驱动电机9旋转带动所述伞齿轮组件10旋转，从而能够带动所述旋转轴805的转动，以调节所述安装座804的倾斜角度和朝向。

进一步的，如图5所示，所述注浆锚杆7为中空结构的钢结构件，所述注浆锚杆7的前端部为尖锥封闭结构701，所述注浆锚杆7的杆体外周上等间距平行的设有若干通孔702；所述注浆锚杆7的外周上还螺旋的设有若干排渣槽703，所述排渣槽703错开所述通孔702设置。

采用这种结构的注浆锚杆7便于插入软弱地层中，所述通孔702在灌浆时起到出浆孔的作用，能够将灌入的浆料分散到注浆锚杆7四周的地层中，形成加固结构，同时所述通孔702也能够减轻注浆锚杆的重量，也就有排气功能；螺旋设置的排渣槽703能够排出一部分泥土，便于组件锚杆的打入；软弱地层的土质较松软，通常在不打孔的情况下是能够直接打入注浆锚杆的，注浆锚杆7会挤压四周的泥土，但是也会存在阻力不变打入的情况，此时所述排渣槽703的设置就能够排渣便于打入。浇筑的砂浆为快干型砂浆。

进一步的，结合图7和图8所示，所述第一支架组件2包括固设在所述盾体1内周面上的多组平行的第一框架201，所述第一框架201的中部截面连接有中部支撑板202，所述中部支撑板202的前端设有可拆卸的耐磨板203，所述耐磨板203具有楔状的端部；所述中部支撑板202的上方和下方分别设置有所述挖掘机构3，所述出土机构4也分别设置在所述中部支撑板202的上方和下方；在所述第一框架201内可以设有多根斜肋板或者斜支撑结构，以保证整体的强度。

将所述第一支架组件2分成上下两个空间便于多个所述挖掘机构3的安装，以及方便分别出土，从而提高整体的挖掘和出土效率；所述中部支撑板202的前端设置成楔状的耐磨板203，使其能够跟随所述盾体1一起插入地层中，同时提高耐磨性以应对挖掘和出土的频繁摩擦和碰撞，可拆卸的连接，使其能够单独更换，便于维护。

进一步的，所述插入部101为截面为三角形的楔状结构，所述盾体1的结构为圆筒形；所述盾体1通过液压推进或者履带式推进，所述盾体1及所述第二支架组件5后方的空间内还设有输送带和注浆管路，所述输送带与所述出土机构4衔接，所述注浆管路沿所述第二支架组件5延伸至每个所述注浆锚杆7处。

进一步的，如图9所示，所述挖掘机构3包括挖掘主臂301，所述挖掘主臂301的一端铰接有挖斗302、另一端通过第一调节组件连接在所述盾体1或者所述第一支架组件2上，所述第一调节组件包括与所述挖掘主臂301铰接的第一连接座303，所述第一连接座303与所述挖掘主臂301还铰接连接有多根倾斜的第一液压杆304；所述挖掘主臂301靠近所述挖斗302处还通过铰接架305连接有第二连接座307，所述第二连接座307内设有第二液压杆306，所述第二连接座307的另一端安装在所述盾体1或者所述第一支架组件2上；所述出土机构4为履带式输送机和螺旋出料机，所述出土机构4的前端部靠近所述挖斗302设置。采用该种结构的挖掘机构3，灵活性较好，开挖范围大、挖掘效率高，能够将盾体截面范围内的泥土逐一的挖掘出来，并分别通过出土机构4运出。

实施例二：

本实施例提供了实施例一中掘进装置的一种掘进方法。

一种软弱地层盾构用一体化预支护掘进装置的掘进方法，包括如下步骤：所述盾体1靠近并插入软弱地层11的断面，所述挖掘机构3开始挖掘，挖掘的泥土随所述出土机构4运出；在挖掘的过程中，所述顶压组件8将所述注浆锚杆7分别或者同时打入所述盾体1外周的软弱地层11中，所述顶压组件8缩回，通过注浆管路向所述注浆锚杆7中灌注砂浆，砂浆填充所述注浆锚杆7并沿所述注浆锚杆7向四周扩散，砂浆凝固成型后连同所述注浆锚杆7在软弱地层中形成整体支护结构(如图10和11所示)；完成浇筑时补充下一组注浆锚杆7，所述盾体1向前移动至下一位置，重复上述过程继续打入下一组所述注浆锚杆7，在开挖的过程中完成预支护操作；随着挖掘的展开和所述盾体的行进，所述第二支架组件和新补充的注浆锚杆也跟随所述盾体行进，以完成跟进支护操作。

通过上述掘进方法，利用了挖掘机构3挖掘地层和出土机构4出土的时间，进行注浆锚杆7的打入和注浆的工作，在合理利用施工时间的同时，完成软弱地层的预支护，甚至超前支护结构，保证了掘进的安全性。

实施例三：

本实施例提供了实施例一中相邻的旋转轴与连接梁连接的一种方式。

如图12所示，在同一个连接梁501两侧分别连接的所述旋转轴805能够共用同一个驱动电机9，所述驱动电机9的输出端通过至少三个伞齿轮与两个所述旋转轴的端部连接，形成一个驱动电机9带动两个旋转轴805转动的目的。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种软弱地层盾构用一体化预支护掘进装置，包括盾体，其特征在于，所述盾体的前端设有插入部，所述盾体的内周设有第一支架组件，所述第一支架组件上设有若干组沿掘进方向布置的可活动的挖掘机构，每个所述挖掘机构的下方均设置有出土机构，所述出土机构与所述第一支架组件连接并倾斜的沿掘进反方向向外延伸；所述盾体的后端连接有第二支架组件，所述第二支架组件为框架结构并在外圆周设有轴向的连接梁；所述第二支架组件周向的间隔设置有若干导向支撑组件，所述导向支撑组件分别安装在所述连接梁之间，所述导向支撑组件上设置有注浆锚杆；所述导向支撑组件后方的所述连接梁上还设有顶压组件，所述顶压组件分别将若干所述注浆锚杆倾斜的顶入所述盾体外周范围内的软弱地层中，在顶入的所述注浆锚杆内浇筑砂浆形成超前支护和/或预支护。

2.根据权利要求1所述的软弱地层盾构用一体化预支护掘进装置，其特征在于，所述导向支撑组件包括设置在所述连接梁之间的若干个支撑板，所述支撑板的两端分别铰接有伸缩连接杆，所述伸缩连接杆分别与相邻的所述连接梁连接；所述支撑板上设有支撑座，所述支撑座上设有圆弧形的卡合槽，所述卡合槽内设置所述注浆锚杆；设置在靠近所述盾体一端设置的所述伸缩连接杆的伸出长度小于远离所述盾体一端设置的所述伸缩连接杆的伸出长度。

3.根据权利要求2所述的软弱地层盾构用一体化预支护掘进装置，其特征在于，所述支撑座设置在所述支撑板的上方或者下方；所述支撑座包括刚性主体，所述刚性主体的中部设有半圆形凹槽，所述刚性主体上方设有弹性卡合件，所述弹性卡合件设置在所述半圆形凹槽的两侧并包裹所述注浆锚杆的外壁；所述半圆形凹槽内还嵌设有若干滚珠，所述滚珠抵接所述注浆锚杆的外壁。

4.根据权利要求1所述的软弱地层盾构用一体化预支护掘进装置，其特征在于，所述顶压组件包括设置在相邻所述连接梁之间的旋转轴，所述旋转轴的中部设有安装座，所述安装座内设有液压缸体，所述液压缸体的端部通过法兰盘与所述安装座连接，所述液压缸体的输出端连接有顶杆，所述顶杆朝向所述导向支撑组件设置；所述液压缸体的另一端通过连接件与所述第二支架组件连接。

5.根据权利要求4所述的软弱地层盾构用一体化预支护掘进装置，其特征在于，所述旋转轴的两端分别套设在所述连接梁内并与所述连接梁之间设有轴承，至少一侧的所述连接梁上安装有驱动电机，所述驱动电机的输出端伸入所述连接梁内并通过相互配合的伞齿轮组件与所述旋转轴的端部连接。

6.根据权利要求1所述的软弱地层盾构用一体化预支护掘进装置，其特征在于，所述注浆锚杆为中空结构的钢结构件，所述注浆锚杆的前端部为尖锥封闭结构，所述注浆锚杆的杆体外周上设有若干通孔；所述注浆锚杆的外周上还螺旋的设有若干排渣槽，所述排渣槽错开所述通孔设置。

7.根据权利要求1所述的软弱地层盾构用一体化预支护掘进装置，其特征在于，所述第一支架组件包括固设在所述盾体内周面上的多组平行的第一框架，所述第一框架的中部截面连接有中部支撑板，所述中部支撑板的前端设有可拆卸的耐磨板，所述耐磨板具有楔形的端部；所述中部支撑板的上方和下方分别设置有所述挖掘机构，所述出土机构也分别设置在所述中部支撑板的上方和下方；所述第二支架组件的前端固定连接在所述盾体的后端面上，所述第二支架组件上等间距的设置有所述连接梁。

8.根据权利要求1所述的软弱地层盾构用一体化预支护掘进装置，其特征在于，所述插入部为截面为三角形的楔状结构，所述盾体的结构为圆筒形或者马蹄形；所述盾体通过液压推进或者履带式推进，由新能源电池为装置提供动力，所述盾体及所述第二支架组件后方的空间内还设有输送带和注浆管路，所述输送带与所述出土机构衔接，所述注浆管路沿所述第二支架组件延伸至每个所述注浆锚杆处。

9.根据权利要求1所述的软弱地层盾构用一体化预支护掘进装置，其特征在于，所述挖掘机构包括挖掘主臂，所述挖掘主臂的一端铰接有挖斗、另一端通过第一调节组件连接在所述盾体或者所述第一支架组件上，所述第一调节组件包括与所述挖掘主臂铰接的第一连接座，所述第一连接座与所述挖掘主臂还铰接连接有倾斜的第一液压杆；所述挖掘主臂靠近所述挖斗处还通过铰接架连接有第二液压杆，所述第二液压杆的另一端安装在所述盾体或者所述第一支架组件上；所述出土机构为履带式输送机和/或螺旋出料机，所述出土机构的前端部靠近所述挖斗设置。

10.一种具有权利要求1～9任一所述的软弱地层盾构用一体化预支护掘进装置的掘进方法，其特征在于，所述掘进方法包括如下步骤：所述盾体靠近并插入软弱地层的断面，所述挖掘机构开始挖掘，挖掘的泥土随所述出土机构运出；在挖掘的过程中，所述顶压组件将所述注浆锚杆分别或者同时打入所述盾体外周的软弱地层中，所述顶压组件缩回，通过注浆管路向所述注浆锚杆中灌注砂浆，砂浆填充所述注浆锚杆并沿所述注浆锚杆向四周扩散，砂浆凝固成型后连同所述注浆锚杆在软弱地层中形成整体支护结构；完成浇筑时补充下一组注浆锚杆，所述盾体向前移动至下一位置，重复上述过程继续打入下一组所述注浆锚杆，在开挖的过程中完成预支护操作；随着挖掘的展开和所述盾体的行进，所述第二支架组件和新补充的注浆锚杆也跟随所述盾体行进，以完成跟进支护操作。

Images