CN113153329B - 高放废物处置坑掘进系统的主作业单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及隧道中坑体施工设备技术领域，提供一种目前没有的高放废物处置坑掘进系统的主作业单元，具带行走轮的移动式底座，底座上设定位装置，下压油缸活动端、掘进头和管节三者之间以及管节与管节之间具可拆式连接结构；掘进头和管节内部具有排渣管、两者的排渣管之间密闭可分离连接，管节与管节的排渣管密闭可分离连接；管线由掘进头的斜向通道向外引至第一走线槽并引至管节第二走线槽，掘进头和管节设止落槽和止转槽；掘进孔处设止落圈，止落圈具插入止落槽的止落锲块和与止转槽相配的卸力凸起，管节送收装置将管节在管节中转台和掘进孔上方转移，排渣通道的吸渣口位于伸缩管的下端并随下压油缸升降。

Description

高放废物处置坑掘进系统的主作业单元

技术领域

本发明涉及隧道中坑体施工设备技术领域，特别是涉及一种高放废物处置坑掘进系统的主作业单元。

背景技术

高水平放射性废物(简称高放废物)具有放射性强、毒性大、半衰期长的特点，对其进行最终安全处置难度极大，面临一系列的科学、技术和工程挑战。能否最终安全处置高放废物是关系到核工业可持续发展和环境保护的战略性课题；目前，国际上普遍认为技术可行的最终处置高放废物的方式为深地质处置，即将高放废物埋置在500m～1000m深度范围内稳定的地质体中；这类需要进行深地质处置的对象包括：高放玻璃固化体、其他类型高放固体废物、α固体废物、重水堆乏燃料、高温气冷堆乏燃料和其他乏燃料；在无人区设置专门的处置库是较好的方案，并且将处置对象竖向处置优于水平处置。

处置库包括水平的通道和通道上竖直向下的处置坑，一种可能的处置坑尺寸为直径1.4m和深度10m，从处置库长期安全性和稳定性角度出发，处置坑要求成洞尺寸精度高、围岩开挖损伤小，而钻爆法由于成洞精度难于控制且对围岩损伤过大，难以满足处置坑开挖要求，因此，国际一般采用机械开挖法进行处置坑施工，目前，芬兰和瑞典开发了花岗岩处置坑开挖设备，但设备存在开挖效率低、出渣效果差等问题，总体上设备设计及应用不成熟，处置坑施工空间有限且围岩强度高，所以对设备的紧凑型设计、高效破岩、高效出渣、快速组装及移动等性能均提出了较高要求，目前还没有成型的破岩机械可以满足处置坑的开挖要求。

处置坑的开挖设备可借用隧道盾构机的开挖原理，但由于由水平开挖转为垂直开挖，除刀盘处有与普通隧道盾构机刀盘局部相似的方面，开挖设备的其余部分构造需求完全不同。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种对高放废物处置坑垂直向下掘进的主作业单元。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高放废物处置坑掘进系统的主作业单元，所述主作业单元具有带行走轮的移动式底座，其特征是：所述底座上设有将主作业单元定位固定在隧道内的定位装置，所述主作业单元还包括向下掘进的垂直掘进装置、管节中转台、管节送收装置、管线导向装置和排渣通道；

所述定位装置包括底座上的位于底座的掘进孔外圈且环形排列的至少两个立柱，每个主柱的顶端设活动端伸向隧道顶壁的顶撑油缸，所述定位装置还包括底座每侧分别设置的至少一个活动端伸向隧道侧壁的侧撑油缸以及底座上的活动端伸向隧道地面的地撑油缸；

所述垂直掘进装置包括掘进头、若干个管节和先压动掘进头再压动同轴叠加在掘进头上方管节向下运动的下压油缸，掘进初始时所述掘进头位于掘进孔中，所述下压油缸活动端、掘进头和管节三者之间以及管节与管节之间具可拆式连接结构；

所述掘进头和管节内部具有排渣管、两者的排渣管之间具有密闭式可分离连接的结构，管节与管节之间的排渣管之间具有密闭式可分离连接结构；

所述掘进头的动力和控制的管线由掘进头的斜向通道向外引至掘进头的外壁的第一走线槽，所述管节外壁具有第二走线槽，所述第二走线槽与第一走线槽在管节叠加后相对应，所述掘进头和管节的壳体外壁上设有止落槽和轴向的止转槽；

所述底座的掘进孔上口处固定有止落圈，所述止落圈上端面上设上下摆动的并延伸至掘进孔内的可插入掘进头和管节所述止落槽的止落锲块，所述止落圈的内壁上设有与掘进头和管节上所述止转槽相配的卸力凸起，由止落圈将掘进头掘进时的反作用力传递到底座上；

所述管节送收装置为在管节中转台和掘进孔上方之间对管节抓放和转移的装置；

所述排渣通道具有与掘进头排渣管或管节排渣管密闭式可分离连接的吸渣口和与外部吸渣装置相连的出渣口，所述吸渣口位于一伸缩管的下端并随下压油缸升降。

具体的，所述的立柱为四个，所述的底座每侧设置的侧撑油缸各为两个，所述底座上的地撑油缸为两个。

为了使行走轮不影响主作业装置在隧道内的定位，所述的行走轮为万向行走轮。

具体的，所述下压油缸为直立的圆周排列在掘进孔外的底座上的两只油缸，两只油缸的活动端由下压板相连，所述下压油缸的活动端、掘进头和管节三者之间以及管节与管节之间可拆式连接结构是，掘进头和管节的上端面上设有槽口，所述槽口处设有第一柱销孔，所述下压板和管节的下端面上设有可插入所述槽口的吊耳，所述吊耳处设有第二柱销孔，由柱销的插拔实现下压板、掘进头和管节三者之间以及管节与管节之间的连接和拆分。

具体的，所述管节送收装置的结构是，具有在掘进孔与管节中转台之间移动的滑动座，所述滑动座上设有可升降的升降座，所述升降座上设有可水平摆动的夹臂，所述夹臂具有左夹臂和右夹臂，一夹持油缸的固定端和活动端分别铰接在左夹臂和右夹臂上。

具体的，所述管线导向装置为一弯管，所述弯管的朝下的口对应于掘进头的第一走线槽，弯管朝向侧边的口对应于外部的管线收放装置。

本发明的有益效果是：

一、掘进推进方式的设计、掘进头和管节的结构设计满足了狭小空间内掘进、排渣和管线收放的要求；

二、、掘进中推压管节的送收装置可使管节平移和摆动同时进行，减少了该装置在主作业单元上占用的空间和提高了工效；

三、主作业装置的可靠定位保证了处置坑的开挖精度；

四、各处排渣管的密闭连接，保证了作业环境没有污染；

五、吊耳的结构使管节连接方便，而且能可靠的传递掘进头的反作用力。

附图说明

图1是本发明的剖视图；

图2是图1的A处放大图；

图3是本发明的立体图；

图4是图3的B处放大图；

图5是本发明的俯视图；

图6是图5的C处放大图；

图7是本发明中掘进头的立体图；

图8是本发明中掘进头的剖视图；

图9是图8的D处放大图；

图10是图8的E处放大图；

图11是本发明中管节的立体图；

图12是本发明中管节的剖视图；

图13是本发明中止落圈的立体图。

图中，1、底座，2、管节中转台，3、管线导向装置，4、排渣通道，5、立柱，6、顶撑油缸，7、侧撑油缸，8、地撑油缸，9、掘进头，10、管节，11、下压油缸，12、排渣管，13、止落槽，14、止转槽，15、止落圈，16、下压板，17、槽口，18、第一柱销孔，19、吊耳，20、第二柱销孔，21、滑动座，22、升降座，23、左夹臂，24、右夹臂，25、夹持油缸，1-1、掘进孔，4-1、吸渣口，4-2、出渣口，4-3、伸缩管，9-1、斜向通道，9-2、第一走线槽，10-1、第二走线槽，15-1、止落锲块，15-2、卸力凸起。

具体实施方式

下面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做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。

如附图1，主作业单元具有带行走轮的移动式底座1，底座1上设有将主作业单元定位固定在隧道内的定位装置，主作业单元还包括向下掘进的垂直掘进装置、管节中转台2、管节送收装置、管线导向装置3和排渣通道4；

如附图3，定位装置包括底座1上的位于底座1的掘进孔1-1外圈且环形排列的四个立柱5，每个主柱5的顶端设活动端伸向隧道顶壁的顶撑油缸6，定位装置还包括底座1每侧分别设置的各两个活动端伸向隧道侧壁的侧撑油缸7以及底座1上的活动端伸向隧道地面的四个地撑油缸8；

如附图1和3，垂直掘进装置包括掘进头9、若干个管节10和先压动掘进头9再压动同轴叠加在掘进头9上方管节10向下运动的下压油缸11，附图1是掘进初始时掘进头9位于掘进孔1-1中还没有叠加管节10的状态，下压油缸11活动端、掘进头9和管节10三者之间以及管节10与管节10之间具可拆式连接结构，下压油缸11为直立的圆周排列在掘进孔1-1外的底座1上的两只油缸，两只油缸的活动端由下压板16相连，下压油缸11的活动端、掘进头9和管节10三者之间以及管节10与管节10之间可拆式连接结构是，结合附图7至12，掘进头9和管节10的上端面上设有槽口17，槽口17处设有第一柱销孔18，下压板16和管节10的下端面上设有可插入所述槽口17的吊耳19，吊耳19处设有第二柱销孔20，由柱销的插拔实现下压板16、掘进头9和管节10三者之间以及管节10与管节10之间的连接和拆分。；

如附图7至12，掘进头9和管节10内部具有排渣管12、两者的排渣管12之间具有密闭式可分离连接的结构，管节10与管节10的排渣管12之间具有密闭式可分离连接结构；掘进头9的动力和控制的管线由掘进头9的斜向通道9-1向外引至掘进头9的外壁的第一走线槽9-2，管节10外壁具有第二走线槽10-1，第二走线槽10-1与第一走线槽9-2在管节10叠加后相对应，掘进头9和管节10的壳体外壁上设有止落槽13和轴向的止转槽14；

结合附图4和13，底座1的掘进孔1-1上口处固定有止落圈15，止落圈15上端面上设上下摆动的并延伸至掘进孔1-1内的可插入掘进头9和管节10止落槽13的止落锲块15-1，止落圈15的内壁上设有与掘进头9和管节10上止转槽14相配的卸力凸起15-2，由止落圈15将掘进头9掘进时的反作用力传递到底座1上；

管节送收装置为在管节中转台2和掘进孔1-1上方之间对管节10抓放和转移的装置，如附图3至6，管节送收装置的结构是，具有在掘进孔1-1与管节中转台2之间移动的滑动座21，滑动座21上设有可升降的升降座22，升降座22上设有可水平摆动的夹臂，夹臂具有左夹臂23和右夹臂24，一夹持油缸25的固定端和活动端分别铰接在左夹臂23和右夹臂24上。

如附图1和2，排渣通道4具有与掘进头的排渣管12或管节的排渣管12密闭式可分离连接的吸渣口4-1和与外部吸渣装置相连的出渣口4-2，吸渣口4-1位于一伸缩管4-3的下端并随下压油缸11升降，伸缩管4-3包括内管和密闭套设在内管外的外管，内外管之间还具有一中管，外管上端与排渣通道4的固定部密闭连接，内管与下压板16固定联接。

如附图1，主作业单元的行走轮为万向行走轮。

再如附图1，管线导向装置3为一弯管，弯管的朝下的口对应于掘进头9的第一走线槽9-2，弯管朝向侧边的口对应于外部的管线收放装置。

下面对附图中涉及的一些具体的结构进行进一步的说明，

如附图7和8的掘进头，掘进头9的结构是，掘进头9具有前盾和后盾，前盾上具有刀盘和驱动刀盘旋转的液压马达，液压马达的小齿轮和与刀盘固定连接的大齿轮啮合，圆周排列的三只调整油缸的固定端和伸出端分别铰接在前盾与后盾上，前盾与后盾的外圈结合部球面副密闭联接，在调整油缸驱动和球面副的作用下前盾可作任意方向的摆动以调节掘进方向，掘进头9的排渣管12包括前排渣管和后排渣管，后排渣管设置在后盾上并与后盾同轴，前排渣管设置在刀盘上并与刀盘同轴，后排渣管与前排渣管之间由球面副密闭联接；刀盘具有刀壳和安装滚刀的盘面，刀壳和盘面之间为容渣腔，前排渣管的前口部固定在刀壳上，盘面上设有入渣孔，入渣孔经容渣腔与前排渣管相通，后盾的上端面上设有与管节10吊耳19联接的槽口17，掘进头9的止转槽14位于前盾和后盾的壳体上，止转槽14为圆周分布的4个。前盾与后盾的外圈结合部球面副密闭联接，突起的球面设置在后盾上，内凹的球面设置在前盾上，为实现密封，在球面副的结合处还设置密封圈，如附图9，前排渣管与后排渣管之间由球面副密闭联接，前排渣管的后口部外圈为球面形，与后排渣管固定的连接件上具有内凹球面，同样，球面接触处设置密封圈；前排渣管下口部固定在刀壳上，刀壳上设有开孔，前排渣管的下口部周圈密闭式焊接在刀壳上的开孔处；盘面上设有与入渣孔相通的引渣槽，引渣槽可减小吸入面从而增加渣石的流速，相当于是在掘进端面上的对局部区域依次的吸渣，可以减少真空吸渣设备的功耗；前盾外壁上圆周等分设置有4个下稳定器，后盾外壁上圆周等分设置有4个上稳定器，两处的稳定器结构上可选外表面设置高硬度耐磨转动钢球，所分布稳定器的轮廓外径与刀盘的掘进内径一致；需要说明的是，后盾在结构上除需要与前盾相连、还要具有可与管节相连的结构，本实施例的后盾又分为前部和后部，前部是为了与前盾相连，后部是为了与管节10相连，而且前部和后部被制成了分体式，相应的后排渣管也被制成了分体式，分体的后排渣管在相连处采用如附图10的锥面连接结构，相连处的端面上设置密封圈，附图10的排渣管12连接结构即为一种排渣管12之间具有密闭式可分离连接的结构，前文各处所述的排渣管12之间密闭式可分离连接的结构都可以运用该结构。

如附图11和12的管节10，管节10的吊耳19在管节10转移时可兼作导向块使用，结合导向槽可使管节10在转移时状态不变；槽口17处的第一柱销孔18和吊耳19处的第二柱销孔20的轴线都与管节10壳体圆周直径线垂直，圆周直径线是壳体10直径线中的一根能与柱销孔轴线垂直相交的直径线；壳体外壁上设有平底槽，该平底槽兼作了止落槽13，第一柱销孔18外部的孔口位于平底槽的槽底上，槽底与第一柱销孔18轴线垂直，管节10的转移方式可能存在多种，比如在滑轨上移动或使用机械手抓取移动，平底槽可兼作抓取时夹持部，机械手可伸入平底槽抓取管节10；管节10上排渣管12两端呈在两个管节10上下相连时排渣管12保持密闭连接的可相互密封的结构，再借用附图10的示意，两端可以设置一种可更换的彼此圆锥面啮合的弹性密封圈，一件弹性圈具有凸起的锥台面，另一件弹性圈具有内凹的锥台面；管节10的排渣管12的外壁与管节10壳体的内壁之间设有连接筋，管节10壳体外壁上第二走线槽10-1的口部设有可拆式防护盖。

如附图3至6的管节送收装置，底座1上设有滑轨和齿条，滑动座21底部的滑槽啮合在滑轨上，滑动座21上的电机的输出齿轮啮合在齿条上，升降座22设置在滑动座21上的结构是，滑动座21上设直立的升降油缸和直立的导向柱，升降油缸活动端固定在升降座22上，导向柱伸入升降座22的导向孔，夹臂水平摆动设置在升降座22上的结构是，升降座22上固定有齿圈和立轴，夹臂回转设置在立轴上，夹臂上的电机的输出齿轮啮合在齿圈上。

本发明的主要工作过程是这样的：

牵引车将主作业单元牵引至作业场地，同时被牵引的还包括其它的附属装置，如管节存放装置、电源、液压站、管线收放装置、吸渣装置和控制装置等，主作业单元在工作位置处伸出各定位用的油缸进行定位，可一边进行下压掘进头9的掘进工作，一边由附属装置将管节10转移到管节中转台2，由管节10送收装置将管节10抓取升起摆动并移送到掘进头9的上方，其时，下压油缸11和下压板16已推压掘进头9掘进一定深度后升起，利用夹臂下降将管节10放到掘进头上，将第一个管节10通过柱销连接到掘进头9上，整个掘进过程中依次向掘进头上方叠加第二、第三、等管节10，掘进完成后，下压油缸11转换成起吊装置，起吊时利用管节10连接用的槽口17，需要移走最上方管节10时，管节10升起时推动止落锲块15-1上摆后，再由止落锲块15-1的重力作用使其摆动插入止落槽14，从而防止第二个管节10和其下方的管节10、掘进头9下落，在取下柱销移走最上方管节10后，再由下压油缸11下降连接第二个管节10进行起吊，依次进行管节10的取出作业，管节10的取出作业为管节10送进时的反向作业，同时，止落圈15由于是固定在掘进孔1-1的孔口，止落圈15的内壁上与管节10、掘进头9上止转槽相配的卸力凸起15-2将掘进时的反作用力传递到底座1上。

涉及到掘进头9的管线收放的过程是，开始掘进时，下压油缸11仅下压掘进头9，随着掘进头9的下移后，叠加每个管节10时将管线埋进第二走线槽10-1并盖好保护盖，在掘进头9完成掘进需要退出时，拆下最上方管节10和该管节10第二走线槽10-1的保护盖使管线脱离该管节10，当然，下压板16上设置有管线通孔，该通孔朝向上方的管线导向装置3。

涉及的排渣过程是，在外部的真空吸力的作用下，掘进形成的渣石经引渣槽、入渣孔后再依次经容渣腔、排渣管12、排渣通道和4外部的送渣管进入外部的吸渣装置；在掘进头9上叠加第一个管节10时，可先停止外部吸渣装置工作，下压油缸11升起，带动伸缩管4-3内管与掘进头9的排渣管12分离，叠加的管节10至掘进头9上方后下降使两者排渣管12密闭接触，下压油缸11下压继续掘进，下压前启动外部吸渣装置工作；重复第一个管节10叠加的工作进行第二、第三、等管节10的叠加和排渣，进行掘进。

一个坑体完成作业后，主作业单元进行转移，进行下一个坑体的挖掘。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种高放废物处置坑掘进系统的主作业单元，所述主作业单元具有带行走轮的移动式底座（1），其特征是：所述底座（1）上设有将主作业单元定位固定在隧道内的定位装置，所述主作业单元还包括向下掘进的垂直掘进装置、管节中转台（2）、管节送收装置、管线导向装置（3）和排渣通道（4）；

所述定位装置包括底座（1）上的位于底座（1）的掘进孔（1-1）外圈且环形排列的至少两个立柱（5），每个主柱（5）的顶端设活动端伸向隧道顶壁的顶撑油缸（6），所述定位装置还包括底座（1）每侧分别设置的至少一个活动端伸向隧道侧壁的侧撑油缸（7）以及底座（1）上的活动端伸向隧道地面的地撑油缸（8）；

所述垂直掘进装置包括掘进头（9）、若干个管节（10）和先压动掘进头（9）再压动同轴叠加在掘进头（9）上方管节（10）向下运动的下压油缸（11），掘进初始时所述掘进头（9）位于掘进孔（1-1）中，所述下压油缸（11）活动端、掘进头（9）和管节（10）三者之间以及管节（10）与管节（10）之间具可拆式连接结构；

所述掘进头（9）和管节（10）内部具有排渣管（12）、两者的排渣管（12）之间具有密闭式可分离连接的结构，管节（10）与管节（10）的排渣管（12）之间具有密闭式可分离连接结构；

所述掘进头（9）的动力和控制的管线由掘进头（9）的斜向通道（9-1）向外引至掘进头（9）的外壁的第一走线槽（9-2），所述管节（10）外壁具有第二走线槽（10-1），所述第二走线槽（10-1）与第一走线槽（9-2）在管节（10）叠加后相对应，所述掘进头（9）和管节（10）的壳体外壁上设有止落槽（13）和轴向的止转槽（14）；

所述掘进孔（1-1）上口处固定有止落圈（15），所述止落圈（15）上端面上设上下摆动的并延伸至掘进孔（1-1）内的可插入掘进头（9）和管节（10）所述止落槽（13）的止落锲块（15-1），所述止落圈（15）的内壁上设有与掘进头（9）和管节（10）上所述止转槽（14）相配的卸力凸起（15-2），由止落圈（15）将掘进头（9）掘进时的反作用力传递到底座（1）上；

所述管节送收装置为在管节中转台（2）和掘进孔（1-1）上方之间对管节（10）抓放和转移的装置；

所述排渣通道（4）具有与掘进头的排渣管（12）或管节的排渣管（12）密闭式可分离连接的吸渣口（4-1）和与外部吸渣装置相连的出渣口（4-2），所述吸渣口（4-1）位于一伸缩管（4-3）的下端并随下压油缸（11）升降；

所述下压油缸（11）为直立的圆周排列在掘进孔（1-1）外的底座（1）上的两只油缸，两只油缸的活动端由下压板（16）相连，所述下压油缸（11）的活动端、掘进头（9）和管节（10）三者之间以及管节（10）与管节（10）之间可拆式连接结构是，掘进头（9）和管节（10）的上端面上设有槽口（17），所述槽口（17）处设有第一柱销孔（18），所述下压板（16）和管节（10）的下端面上设有可插入所述槽口（17）的吊耳（19），所述吊耳（19）处设有第二柱销孔（20），由柱销的插拔实现下压板（16）、掘进头（9）和管节（10）三者之间以及管节（10）与管节（10）之间的连接和拆分；

所述管节送收装置的结构是，具有在掘进孔（1-1）与管节中转台（2）之间移动的滑动座（21），所述滑动座（21）上设有可升降的升降座（22），所述升降座（22）上设有可水平摆动的夹臂，所述夹臂具有左夹臂（23）和右夹臂（24），一夹持油缸（25）的固定端和活动端分别铰接在左夹臂（23）和右夹臂（24）上。

2.根据权利要求1所述的高放废物处置坑掘进系统的主作业单元，其特征是：所述的立柱（5）为四个，所述的底座（1）每侧设置的侧撑油缸（7）各为两个，所述底座（1）上的地撑油缸（8）为两个。

3.根据权利要求1所述的高放废物处置坑掘进系统的主作业单元，其特征是：所述的行走轮为万向行走轮。

4.根据权利要求1所述的高放废物处置坑掘进系统的主作业单元，其特征是：所述管线导向装置（3）为一弯管，所述弯管的朝下的口对应于掘进头（9）的第一走线槽（9-2），弯管朝向侧边的口对应于外部的管线收放装置。