CN114183156B - 一种全断面隧道掘进机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全断面隧道掘进机，包括：刀盘；多个激光发生装置，包括相连的激光发生器和用于向隧道的掌子面发射激光的激光发射头，激光发射头设于刀盘上，多个激光发生装置的激光发射头被配置为发射沿预设轨迹对所述掌子面进行切割的激光，使掌子面形成具有待挤压切口的凹凸状岩体；多个挤压装置，设于刀盘上，多个挤压装置被配置为从所述待挤压切口处挤压凹凸状岩体，以使凹凸状岩体破碎脱落。本发明采用激光替代刀具，破坏掌子面的完整性及连接强度，并采用挤压装置挤压凹凸状的岩体使其脱落，达到隧道开挖的效果，本发明摒弃了传统的金属刀具破岩方式，从根本上解决了掘进机金属刀具切岩时极易发生异常损坏的难题，提高施工效率。

Description

一种全断面隧道掘进机

技术领域

本发明涉及隧道掘进技术领域，尤其是一种全断面隧道掘进机。

背景技术

传统盾构机采用金属刀具开挖掌子面，岩石强度较低时，施工效率尚可，当岩石强度较高时，金属刀具的磨损概率和程度也会相应增加，导致换刀频率增加，破岩效率降低，增加了隧道开挖成本。为了解决这些问题，本发明提出一种利用激光网格法破岩的自由断面隧道掘进机。

发明内容

本发明的目的是提供一种全断面隧道掘进机，以解决现有盾构机存在的刀具磨损问题严重，换刀频率增加，破岩效率低的问题。

为达到上述目的，本发明提出一种全断面隧道掘进机，包括：刀盘；多个激光发生装置，包括相连的激光发生器和用于向隧道的掌子面发射激光的激光发射头，所述激光发射头设于所述刀盘上，多个激光发生装置的激光发射头被配置为发射沿预设轨迹对所述掌子面进行切割的激光，使所述掌子面形成具有待挤压切口的凹凸状岩体；多个挤压装置，设于所述刀盘上，多个所述挤压装置被配置为从所述待挤压切口处挤压所述凹凸状岩体，以使所述凹凸状岩体破碎脱落。

如上所述的全断面隧道掘进机，其中，所述激光发生装置还包括与所述激光发射头相连的第一直线驱动装置，所述第一直线驱动装置能驱动所述激光发射头伸出所述刀盘外或收回所述刀盘内。

如上所述的全断面隧道掘进机，其中，每个所述激光发生器包括多个并联的激光发生单元。

如上所述的全断面隧道掘进机，其中，所述全断面隧道掘进机还包括水冷装置，所述激光发生器上设有进水口和出水口，所述进水口与所述水冷装置通过进水管连接，所述出水口与所述水冷装置通过出水管连接，所述水冷装置、所述进水管、所述进水口、所述激光发生器、所述出水口、所述出水管和所述水冷装置依次连通形成循环冷却水路。

如上所述的全断面隧道掘进机，其中，所述全断面隧道掘进机还包括用于驱动所述激光发射头旋转和摆动的驱动机构，所述驱动机构包括电机、与所述电机的输出轴连接的旋转平台、以及与所述旋转平台连接的回转平台，所述回转平台具有连接轴，所述连接轴垂直于所述电机的输出轴，所述激光发射头能摆动地与所述连接轴连接。

如上所述的全断面隧道掘进机，其中，所述挤压装置包括挤压头和第二直线驱动装置，所述第二直线驱动装置与所述挤压头连接，以驱动所述挤压装置挤压所述凹凸状岩体。

如上所述的全断面隧道掘进机，其中，所述挤压头为楔形块，所述楔形块的厚度由后端至前端逐渐减小。

如上所述的全断面隧道掘进机，其中，所述全断面隧道掘进机还包括主控柜；所述主控柜与各所述激光发生装置连接，所述主控柜控制所述激光发生装置发射激光；所述主控柜与所述挤压装置连接，所述主控柜控制所述挤压装置挤压所述凹凸状岩体。

如上所述的全断面隧道掘进机，其中，多个所述激光发生装置被配置为以并联的方式向所述掌子面协同发射激光，以对所述掌子面沿交叉轨迹或平行轨迹进行并联协同切割。

如上所述的全断面隧道掘进机，其中，所述激光发射头能转动地设于所述刀盘上。

本发明的全断面隧道掘进机的特点和优点是：

1.本发明采用激光替代刀具，激光以热碎裂、熔化和气化的方式将岩石破坏，使掌子面上形成具有待挤压切口的凹凸状岩体，使掌子面的完整性及连接强度大幅度降低，并采用挤压装置从待挤压切口处挤压凹凸状岩体，使凹凸状岩体破碎脱落，达到隧道开挖的效果，本发明摒弃了传统的金属刀具破岩方式，从根本上解决了掘进机金属刀具切岩时极易发生异常损坏的难题，提高施工效率，节省了高昂的刀具成本；

2.本发明通过将激光发射头设置为能转动，使激光沿平行或交叉轨迹对掌子面进行切槽，以在掌子面上形成平行或交叉贯通的待挤压切口，便于挤压装置进行挤压破岩，提高施工效率；

3.本发明通过将挤压装置的挤压头设置为楔形块，将楔形块插入待挤压切口内即可将岩体挤断裂，施工简单方便；

4.本发明通过将挤压装置的排列形状设置为与激光在掌子面上切割的切口形状一致，提高挤压效率，从而进一步提高施工效率。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1是本发明一实施例的全断面隧道掘进机的结构示意图；

图2是本发明第一实施例的刀盘的示意图；

图3是本发明第二实施例的刀盘的示意图；

图4是本发明第三实施例的刀盘的示意图；

图5是本发明中挤压装置挤压掌子面的工作状态示意图；

图6是本发明中激光发射头与驱动机构连接的示意图；

图7是本发明中挤压装置的示意图；

图8是本发明中激光发生器的示意图；

图9是本发明中铲渣板的示意图。

主要元件标号说明：

1、刀盘；11、第一安装槽；12、第二安装槽；

2、激光发生装置；21、激光发生器；211、激光发生单元；

212、进水口；213、出水口；22、激光发射头；23、第一直线驱动装置；

3、挤压装置；31、挤压头；32、第二直线驱动装置；4、支撑板；

5、水冷装置；51、进水管；52、出水管；6、驱动机构；61、电机；

62、旋转平台；63、回转平台；7、主控柜；

8、铲渣板；81、行星铲板；82、溜渣槽；9、皮带输送机；

100、掌子面；200、凹凸状岩体；300、裂纹。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。其中，形容词性或副词性修饰语“上”和“下”、“顶”和“底”、“内”和“外”的使用仅是为了便于多组术语之间的相对参考，且并非描述对经修饰术语的任何特定的方向限制。另外，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或者隐含指明所指示的技术特征的数量，由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，除非另有说明，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，可以是可拆卸连接，可以是直接连接，可以是通过中间媒介间接连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。

如图1、图5所示，本发明提供一种全断面隧道掘进机，包括刀盘1、多个激光发生装置2和多个挤压装置3，本发明的刀盘1为无滚刀刀盘，与现有盾构机的刀盘作用不同，本发明的刀盘1并非用于安装滚刀等刀具，而是用于安装激光发生装置2和挤压装置3，具体是，激光发生装置2包括相连的激光发生器21和激光发射头22，各所述激光发射头22设于刀盘1上，激光发生器21用于产生激光，激光发射头22用于向隧道的掌子面100发射激光，多个激光发生装置2的激光发射头22被配置为发射沿预设轨迹对掌子面100进行切割的激光，以使掌子面100形成具有待挤压切口的凹凸状岩体200，挤压装置3设于刀盘1上，挤压装置3被配置为从待挤压切口处挤压凹凸状岩体200，以使凹凸状岩体200的根部产生裂纹300(如图5所示)，直至凹凸状岩体200断裂脱落，从而达到隧道开挖的效果。

本发明采用激光替代刀具，激光以热碎裂、熔化和气化的方式将岩石破坏，使掌子面100形成凹凸状岩体200，即掌子面100成为不完整的临空面，掌子面100的完整性及连接强度大幅度降低，采用挤压装置3挤压凹凸状的岩体使其脱落，达到隧道开挖的效果，本发明摒弃了传统的金属刀具破岩方式，从根本上解决了掘进机金属刀具切岩时极易发生异常损坏的难题，提高施工效率，节省了高昂的刀具成本。

本发明采用的激光破岩，原理如下：

激光与普通光源相比，具有亮度高、定向性高、单色性高等特点。岩石是由多种矿物颗粒组成的，激光照射在岩石表面，由于各相变界区的导热系数不同，这些矿物颗粒在热膨胀各向异性、热膨胀不均匀性等表现出差异。激光照射时间和激光功率是决定激光破岩能否成功的主要因素，激光功率越大激光破岩的速度越快，而且在岩石上的切口越深。

激光破岩基本上是以热碎裂、熔化和气化的方式将岩石进行破坏，激光作用于岩石表面时，当产生的热量接近但未达到岩石的液化潜热时，会出现热碎裂，产生大量裂纹或成为松散岩片；当产生的热量达到或超过岩石的液化潜热时，岩石直接熔化为液态；当热量达到或超过岩石的汽化潜热时，岩石由固态直接气化。在激光破岩过程中，激光光斑区的岩石及周边的岩体基质要经历固、液、气三相的骤变，其间存在着非常复杂的三维非稳定的热能传递与交换。

在一实施例中，多个激光发生装置2被配置为以并联的方式向掌子面100协同发射激光，以对掌子面100沿交叉轨迹或平行轨迹进行并联协同切割。其中“并联”指多个激光发射装置可以彼此独立地工作，“协同”指多个激光发射装置配合工作，以发射沿交叉轨迹或平行轨迹对掌子面进行切割的激光。

当多个激光发射装置2发射沿交叉轨迹对掌子面切割的激光时，形成的待挤压切口的形状为交叉贯通状，比如网格状，交叉贯通状的切口将掌子面分为多个独立的岩块，很容易被挤压装置挤碎脱落。

当多个激光发射装置2发射沿平行轨迹对掌子面切割的激光时，形成的待挤压切口的形状可以是多个平行的长条形切口，多个长条形的切口将掌子面分为多条彼此独立的凸棱状的岩条，每条切口的形状可以是直线形或曲线形，也可以是圆环形，每个岩条的形状可以是直线形或曲线形，也可以是圆环形，岩条也比较容易被挤压装置挤碎脱落。

在一实施例中，激光发射头22能转动地设于刀盘1上，比如激光发射头22可平面旋转360°和左右旋转180°，目的在于实现单一激光发射头22发射的激光可在掌子面100产生平行或交叉状切口，比如十字切口，减少整机激光器布置的数量，控制程序简便，亦降低装备制造成本。

在图2的示例中，刀盘1呈圆形，适于开挖隧道断面轮廓呈圆形的隧道，多个挤压装置3沿刀盘1的圆形轮廓呈网格状排列，多个激光发生装的激光发射头22沿刀盘1的径向呈十字形排列。

在图3的示例中，刀盘1呈半圆形，适于开挖隧道断面轮廓呈半圆形的隧道，多个挤压装置3沿刀盘1的半圆形轮廓呈网格状排列，多个激光发生装的激光发射头22沿刀盘1的轮廓外周缘排列。

在图4的示例中，刀盘1呈方形，适于开挖隧道断面轮廓呈方形的隧道，多个挤压装置3沿刀盘1的方形轮廓呈网格状排列，多个激光发生装的激光发射头22沿刀盘1的对角线排列。

如图5所示，在多个挤压装置3挤压破岩时，最好位于同一待挤断岩体的相对两侧的挤压装置3不同时运动，以为挤压岩石预留变形断裂空间。在图5的示例中，左侧的挤压装置3不插入待挤压切口内，右侧的挤压装置3插入待挤压切口内并对岩体进行挤压，使岩体从根部断裂。

在一实施例中，如图1、图6所示，激光发生装置2还包括与激光发射头22相连的第一直线驱动装置23，第一直线驱动装置23能驱动激光发射头22伸出刀盘1外或收回刀盘1内，当需要发射激光时，第一直线驱动装置23驱动激光发射头22伸出刀盘1外，需要发射激光时，第一直线驱动装置23驱动激光发射头22收回刀盘1内，以防止激光发射头22被落石破坏。例如第一直线驱动装置23为伸缩油缸，但本发明并不以此为限，还可以是气缸或其它现有的直线驱动装置。

在一实施例中，如图8所示，每个激光发生器21包括多个并联的激光发生单元211，因此各激光发生单元211相互独立，可分别开启或关闭，激光发生单元211能产生设定功率的激光，施工时，针对不同地层情况，开启或关闭不同数量的激光发生单元211，以产生不同功率的激光，避免能源的浪费，若某个激光发生单元211损坏，可单独更换，降低了设备的维修和保养费用。

在一实施例中，如图1、图7所示，挤压装置3包括挤压头31和第二直线驱动装置32，第二直线驱动装置32与挤压头31连接，以驱动挤压装置3插入待挤压切口并挤压凹凸状岩体200，完成破岩动作。例如第二直线驱动装置32为伸缩油缸，但本发明并不以此为限，第二直线驱动装置32还可以是气缸或其它现有的直线驱动装置，以驱动挤压头31线性运动，本实施例中挤压头31的动作简单，挤压效果好。

其中，挤压头31具有大于待挤压切口宽度的挤压厚度，以达到挤压目的。

例如，挤压头31为楔形块，楔形块的厚度由后端至前端(靠近待挤压切口的一端)逐渐减小，楔形块的前端先插入待挤压切口内，随着楔形块插入深度的增加，楔形块的较厚部位对岩体的挤压力越来越大，从而将岩体挤断裂。

在一实施例中，如图1所示，刀盘1上设有多个第一安装槽11和多个第二安装槽12，各激光发射头22分别设于各第一安装槽11内，各挤压装置3分别设于各第二安装槽12内，刀盘1后方设有支撑板4，支撑板4与刀盘1相对且间隔设置，第一直线驱动装置23和第二直线驱动装置32设于刀盘1与支撑板4之间的空间内且固定在支撑板4上，各第一直线驱动装置23与各激光发射头22对应，各第二直线驱动装置32与各挤压头31对应。

在一实施例中，如图1、图8所示，全断面隧道掘进机还包括水冷装置5，激光发生器21上设有进水口212和出水口213，进水口212与水冷装置5通过进水管51连接，出水口213与水冷装置5通过出水管52连接，水冷装置5、进水管51、进水口212、激光发生器21、出水口213、出水管52和水冷装置5依次连通形成循环冷却水路，以对激光发生器21进行冷却降温，避免激光发生器21因温度过高而发生故障或损坏，提高掘进机的安全可靠性。例如水冷装置5设于护盾尾部。

在一实施例中，如图1、图6所示，全断面隧道掘进机还包括用于驱动激光发射头22旋转和摆动的驱动机构6，驱动机构6包括电机61、与电机61的输出轴连接的旋转平台62、以及与旋转平台62连接的回转平台63，激光发射头22设于回转平台63上，电机61驱动旋转平台62、回转平台63和激光发射头22旋转，从而实现激光发射头22沿平面360°旋转，回转平台63具有连接轴，连接轴垂直于电机61的输出轴，激光发射头22能摆动地与连接轴连接，从而实现激光发射头22的180°旋转。

本实施例中激光发射头22在驱动机构6的驱动下旋转和摆动预设角度，使激光发射头22产生的激光在掌子面上沿预设轨迹移动，从而形成预设形状的切口和凹凸状岩体200。

在一实施例中，如图1所示，全断面隧道掘进机还包括主控柜7，主控柜7与各激光发生装置2连接，主控柜7控制激光发生装置2发射激光，主控柜7与挤压装置3连接，主控柜7控制挤压装置3挤压凹凸状岩体200。

具体是，例如，主控柜7与激光发生器21、第一直线驱动装置23和驱动机构6电连接，以控制激光发射头22的伸缩、控制激光的参数和激光的移动轨迹；主控柜7与挤压装置3的第二直线驱动装置32电连接，以控制挤压头31的移动。

在一实施例中，如图1所示，全断面隧道掘进机还包括出渣系统，出渣系统包括依次连接的铲渣板8、破碎装置和皮带输送机9，铲渣板8将凹凸状岩体200脱落形成的岩渣输送至破碎装置中，破碎装置的作用在于，由于激光和挤压装置3破岩产生的岩渣较为完整，需要破碎装置进行二次破碎，方便后续皮带输送机9或螺旋输送机将二次破碎后的岩渣输送至隧道外部。

其中，如图9所示，铲渣板8包括相对设置两行星铲板81，两行星铲板81之间形成溜渣槽82，两行星铲板81将岩渣拨入溜渣槽82内，再经由溜渣槽82输送至破碎装置中。

在一实施例中，全断面隧道掘进机还包括整机推动系统，整机推动系统包括推动油缸，推动油缸只需要推动整机前进，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，因此可以减少布置推动油缸的个数或推力，大大降低了整机的制造成本。而传统全断面隧道掘进机的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。

除以上介绍的技术方案外，本发明的掘进机的其它结构与现有掘进机相同，故不赘述。

与现有技术相比，本发明的掘进机至少具有以下优点：

1.本发明利用利用激光及挤压装置配合破岩，达到隧道开挖的效果，可以彻底解决金属刀具异常磨损的问题，大幅降低隧道开挖的成本；

2.本发明的掘进机可以根据隧道形状自由控制激光作用行程，激光发射头运动轨迹和挤压块的大小可以灵活设计，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、半圆形、椭圆形、矩形、马蹄形、拱形等多种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。而传统全断面掘进机由于采用中心主驱动转动带动金属刀具破岩，因此其开挖断面一般为圆形，其利用率较低，后期还需要进行回填作业，浪费大量的人力物力；

3.本发明的掘进机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，大幅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；

4.本发明的掘进机所需的整机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，因此可以减少整机推动油缸的布置个数和推力，大大降低了整机的制造成本。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。而且需要说明的是，本发明的各组成部分并不仅限于上述整体应用，本发明的说明书中描述的各技术特征可以根据实际需要选择一项单独采用或选择多项组合起来使用，因此，本发明理所当然地涵盖了与本案发明点有关的其它组合及具体应用。

Claims (8)

1.一种全断面隧道掘进机，其特征在于，所述全断面隧道掘进机包括：

刀盘；

多个激光发生装置，包括相连的激光发生器和用于向隧道的掌子面发射激光的激光发射头，所述激光发射头设于所述刀盘上，多个激光发生装置的激光发射头被配置为发射沿预设轨迹对所述掌子面进行切割的激光，使所述掌子面形成具有待挤压切口的凹凸状岩体；

多个挤压装置，设于所述刀盘上，多个所述挤压装置被配置为从所述待挤压切口处挤压所述凹凸状岩体，以使所述凹凸状岩体破碎脱落；

所述挤压装置包括挤压头和第二直线驱动装置，所述第二直线驱动装置与所述挤压头连接，以驱动所述挤压装置挤压所述凹凸状岩体；

所述挤压头为楔形块，所述楔形块的厚度由后端至前端逐渐减小。

2.如权利要求1所述的全断面隧道掘进机，其特征在于，所述激光发生装置还包括与所述激光发射头相连的第一直线驱动装置，所述第一直线驱动装置能驱动所述激光发射头伸出所述刀盘外或收回所述刀盘内。

3.如权利要求1所述的全断面隧道掘进机，其特征在于，每个所述激光发生器包括多个并联的激光发生单元。

4.如权利要求1所述的全断面隧道掘进机，其特征在于，所述全断面隧道掘进机还包括水冷装置，所述激光发生器上设有进水口和出水口，所述进水口与所述水冷装置通过进水管连接，所述出水口与所述水冷装置通过出水管连接，所述水冷装置、所述进水管、所述进水口、所述激光发生器、所述出水口、所述出水管和所述水冷装置依次连通形成循环冷却水路。

5.如权利要求1所述的全断面隧道掘进机，其特征在于，所述全断面隧道掘进机还包括用于驱动所述激光发射头旋转和摆动的驱动机构，所述驱动机构包括电机、与所述电机的输出轴连接的旋转平台、以及与所述旋转平台连接的回转平台，所述回转平台具有连接轴，所述连接轴垂直于所述电机的输出轴，所述激光发射头能摆动地与所述连接轴连接。

6.如权利要求1至5任一项所述的全断面隧道掘进机，其特征在于，所述全断面隧道掘进机还包括主控柜；

所述主控柜与各所述激光发生装置连接，所述主控柜控制所述激光发生装置发射激光；

所述主控柜与所述挤压装置连接，所述主控柜控制所述挤压装置挤压所述凹凸状岩体。

7.如权利要求1至5任一项所述的全断面隧道掘进机，其特征在于，

多个所述激光发生装置被配置为以并联的方式向所述掌子面协同发射激光，以对所述掌子面沿交叉轨迹或平行轨迹进行并联协同切割。

8.如权利要求1至5任一项所述的全断面隧道掘进机，其特征在于，所述激光发射头能转动地设于所述刀盘上。