CN114233316A - 五位一体式隧道掘进设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种五位一体式隧道掘进设备及方法，通过多个钻机模块组成的钻机集群，可以快速进行批量钻孔作业，在隧道轮廓线周围迅速的制造大量的临空面，同时钻机模块采用水循环进行排渣，施工环境友好无灰尘。钻机模块具有可更换的钻头，能够适应各种地质条件。导轨可以根据隧道断面形状设计，以适应不同断面的隧道类型。机械手通过抓取不同的作业属具，进行快速的裂岩、破岩和扒料等施工作业，效率极高。五位一体式隧道掘进设备包含有行走装置和输送装置，机动性强，出料效率高。因此，五位一体式隧道掘进设备具备施工环境友好，施工效率高，施工安全性强，隧道适应性强的特点，从钻孔，裂岩，破挖，运输一体化，掘进效率大幅度提高。

Description

五位一体式隧道掘进设备及方法

技术领域

本发明涉及隧道施工技术领域，具体涉及一种五位一体式隧道掘进设备及方法。

背景技术

现有的隧道开挖，主要有钻爆法、盾构法、铣挖法、水磨钻机钻孔法等手段。由于社会的高速发展，导致大量的隧道掘进不能使用爆破，因此钻爆法无法在很多隧道掘进中使用。

现有的隧道非爆破隧道掘进施工方法，主要有盾构法、铣挖法及水磨钻机钻孔法。盾构法主要用于长距离干线隧道的掘进，一般用于掘进大于3公里的隧道，对于掘进3公里以内的隧道，经济性很差，对于硬岩隧道，刀具成本会剧增，效率也会大幅度下降。对于铣挖法隧道掘进，主要问题在于无法掘进硬岩，且施工环境恶劣，粉尘非常大。

对于水磨钻机钻孔法隧道掘进，由于技术限制的原因，常规只能布置1到2个钻机，施工效率极低，且施工人员在工作面操作设备，安全性极差，时常发生伤人死人事故。并且，钻机通过机构调整，成孔位置高高低低，隧道超欠挖难以控制，为后续的支护带来大量问题，比如浪费时间处理欠挖问题，浪费支护材料填补超挖隧道表面。

发明内容

基于此，有必要针对隧道非爆破掘进施工环境恶劣，施工效率低下，施工安全性差，围岩适用性差的问题，提供一种五位一体式隧道掘进设备及方法。

一种五位一体式隧道掘进设备，包括：

设备本体；

行走装置，安装于所述设备本体上；

工作装置，包括钻机集群，所述钻机集群包括多个钻机模块，多个所述钻机模块能够沿着隧道轮廓线移动，且多个所述钻机模块沿着隧道轮廓线等间距分布；

机械手，安装于所述设备本体上；及

输送装置，安装于所述设备本体上，所述输送装置用于输送所述机械手的扒料。

在其中一个实施例中，所述工作装置还包括导轨，所述导轨安装于所述设备本体上，所述导轨的形状与隧道断面形状相匹配，所述钻机模块可滑动安装于所述导轨上。

在其中一个实施例中，所述钻机模块包括钻机本体及钻头，所述钻机本体滑动安装于所述导轨上，所述钻头和所述钻机本体可拆卸连接。

在其中一个实施例中，所述机械手包括机械手本体及作业属具，所述机械手本体安装于所述设备本体上，所述作业属具与所述机械手本体可拆卸连接。

在其中一个实施例中，所述作业属具包括钻孔装置、破碎装置、劈裂装置或挖斗。

在其中一个实施例中，所述输送装置为带式输送机。

一种五位一体式隧道掘进方法，利用上述任意一项所述的五位一体式隧道掘进设备，该掘进方法包括以下步骤：

多个钻机模块进行批量引孔作业，所述钻机模块沿着隧道轮廓线移动钻取临空面；

机械手钻取分裂孔并分裂岩石，然后扒料至输送装置上；

所述输送装置将物料输送至运输车上。

在其中一个实施例中，多个钻机模块进行批量引孔作业，所述钻机模块沿着隧道轮廓线移动钻取临空面的步骤之前还包括：

五位一体式隧道掘进设备通过行走装置行走就位后，将所述五位一体式隧道掘进设备锚固。

在其中一个实施例中，所述机械手钻取分裂孔并分裂岩石，然后扒料至输送装置上的步骤具体为：

机械手更换不同的作业属具，安装钻孔装置钻取分裂孔，安装劈裂装置分裂岩石，安装破碎装置二次分裂岩石，安装挖斗扒料至输送装置上。

在其中一个实施例中，钻机集群工作时，机械手回转到设备本体的尾部避免与钻机集群干涉，机械手工作时，钻机集群停止工作，机械手回转到设备本体的前部并穿过钻机集群，对所述临空面进行施工作业。

上述五位一体式隧道掘进设备及方法，通过多个钻机模块组成的钻机集群，可以快速进行批量钻孔作业，在隧道轮廓线周围迅速的制造大量的临空面，为后续作业制造基础条件，同时钻机模块采用水循环进行排渣，杜绝灰尘的产生，施工环境友好。钻机模块具有可更换的钻头，通过匹配岩石和钻头，能够适应各种地质条件，即使及其坚硬的花岗岩也可以高效钻进。导轨可以根据隧道断面形状设计，以适应不同断面的隧道类型，兼顾断面适应性和高效率。机械手通过抓取不同的作业属具，充分发挥各个属具的优点，进行快速的裂岩、破岩和扒料等施工作业，效率极高。五位一体式隧道掘进设备包含有行走装置，机动性强，装备包含的输送装置，连通设备前端和运输车，一体化作业，出料效率高。因此，五位一体式隧道掘进设备及方法具备施工环境友好，施工效率高，施工安全性强，隧道适应性强的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为一实施方式中五位一体式隧道掘进设备的结构示意图；

图2为图1中工作装置的结构示意图；

图3为图1中机械手的结构示意图；

图4为一实施方式中五位一体式隧道掘进方法的流程图。

附图标记：

10-设备本体，20-行走装置，30-工作装置，32-导轨，34-钻机集群，342-钻机模块，3421-钻机本体，3422-钻头，40-机械手，41-作业属具，42-底座，422-底板，424-支撑板，43-回转机构，432-回转架，434-回转驱动件，436-转轴，44-伸缩机构，442-伸缩臂，4422-固定端，4424-活动端，444-伸缩驱动件，45-俯仰驱动件，46-作业驱动件，462-安装板，4622-倾斜部，50-输送装置，60-运输车。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此发明不受下面公开的具体实施的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

请参阅图1，一实施方式中的五位一体式隧道掘进设备，包括设备本体10、行走装置20、工作装置30、机械手40及输送装置50。

设备本体10内可以安装控制装备运转的控制结构和液压系统等。行走装置20安装于设备本体10上，行走装置20的行走可以带动整个掘进设备行走，实现调整掘进设备的位置，掘进设备具有较高的机动性。在一实施方式中，行走装置20为行走履带。可以理解的是，在其他实施方式中，行走装置20也可以为其他能够带动设备本体10行走的机构，如车轮等。

请一并参阅图2，工作装置30安装于设备本体10的前部，工作装置30用于沿隧道轮廓线钻取临空面，为后续作业制作基础条件。具体地，工作装置30包括钻机集群34，钻机集群34包括多个钻机模块342，多个钻机模块342能够沿着隧道轮廓线移动，多个钻机模块342沿着隧道轮廓线等间距分布。

多个钻机模块342可以进行批量引孔作业，引孔作业完成后，钻机模块342沿着隧道轮廓线移动进行下一位置的批量引孔作业，相邻两个引孔之间相互重叠咬合。每个钻机模块242负责钻取两个钻机模块242之间的孔，例如每个钻机模块242负责钻取10个孔，由于钻机模块242能够沿着隧道轮廓线移动，因此钻机模块242钻设的孔覆盖隧道轮廓线形成缝隙，从而形成临空面。同时钻机模块342采用水循环进行排渣，杜绝灰尘的产生，施工环境友好。

在一实施方式中，工作装置30还包括导轨32，导轨32安装于设备本体10上，导轨32的形状与隧道断面的形状相匹配，导轨32沿着隧道轮廓线延伸，钻机模块342可滑动地安装于导轨32上，钻机模块342在导轨32上等间距分布。在一实施方式中，导轨32可以为圆形、矩形、拱门型和马蹄形等，导轨32与设备本体10可拆卸连接，以便于根据不同的隧道端面选择安装不同形状的导轨32，兼顾断面适应性和高效率。

在一实施方式中，钻机模块342通过拖链连接，并通过液压缸等驱动部件拖动拖链移动，可以实现钻机模块342在导轨32上的滑动。拖链上可安装传感器以识别钻机模块342的位置。钻机模块342包括钻机本体3421及钻头3422，钻机本体3421滑动安装于导轨32上，钻头3422和钻机本体3421可拆卸连接。钻机模块342具有可更换的钻头3422，通过匹配岩石和钻头3422，能够适应各种地质条件，即使及其坚硬的花岗岩也可以高效钻进。

可以理解的是，在其他实施方式中，钻机模块342也可以通过其他结构实现沿着隧道轮廓线移动，例如钻机模块242也可以安装于二维运动平台上，二维运动平台两个相互垂直的方向移动匹配隧道轮廓线，钻机模块242也可以安装于机械臂上。

本发明的五位一体化隧道掘进装备，在设备本体10的工作装置30上，集成了多达数十台钻机模块342，各个模块独立作业，互不干扰，互为补充，可以同时联动作业，也可以根据实际情况，部分模块作业，灵活机动。数十台钻机模块242，通过带有传感器的驱动装置驱动，可以精确的知道每个钻机模块242的具体位置，为联动，单动，互为补充打下基础。每个钻机模块242通过集成化设计，体积小巧，可以在有限的空间里，布置尽可能多的钻机模块242；数十台钻机模块242批量钻孔，钻孔效率是单台钻机的数十倍；数十台钻机模块242在导轨32上滑动，钻机模块242的成孔轨迹和导轨32一致，可以带来成孔轨迹非常规则，这种规则的轨迹可以严格按照隧道设计轮廓线来施工，几乎没有隧道超挖和欠挖问题。而其他常规手段，钻机通过机构调整，成孔位置高高低低，隧道超欠挖难以控制，为后续的支护带来大量问题，比如浪费时间处理欠挖问题，浪费支护材料填补超挖隧道表面，本发明可以实现超欠挖的精确控制，带来的好处是巨大的。

请一并参阅图3，机械手40安装于设备本体10上，机械手40用于进行快速的钻孔、裂岩、破岩和扒料等施工作业，效率极高。在一实施方式中，机械手40包括机械手本体及作业属具41，机械手本体安装于设备本体上，作业属具41与机械手本体可拆卸连接。机械手40通过抓取不同的作业属具41，充分发挥各个属具的优点。具体地，作业属具41包括钻孔装置、破碎装置、劈裂装置或挖斗等。

在上述实施例的基础上，进一步地，机械手本体包括底座42、回转机构43、伸缩机构44及俯仰驱动件45。底座42安装于设备本体10上，设备本体10上设有用于驱动底座42水平回转的转盘，实现机械手40可以在水平面360°转动。具体地，转盘可以通过电机、液压马达或其它可以实现转动的机构驱动。

回转机构43包括回转架432及回转驱动件434，回转架432与底座42转动连接，回转架432的回转轴436线与隧道的掘进方向相同。回转驱动件434设于底座42上，且回转驱动件434驱动回转架432转动。

在一实施方式中，底座42包括底板422及支撑板424，两组支撑板424间隔设置于底板422上，回转架432上设有转轴436，转轴436的两端分别可转动地安装于两组支撑板424上，实现回转架432与底座42可转动连接，回转驱动件434与转轴436连接。一实施方式中，转轴436的端部通过轴承可转动地安装于支撑板424上，回转驱动件434可以为电机或者液压马达等，回转驱动件434安装于底板422上。

伸缩机构44包括伸缩臂442及伸缩驱动件444，伸缩臂442与回转架432转动连接，伸缩驱动件444用于驱动伸缩臂442伸缩，作业属具41可拆卸地安装于伸缩臂442上。其中，机械手40作业时，可以通过伸缩臂442调整作业属具41在隧道断面内作业点的远近。

在一实施方式中，伸缩臂442包括固定端4422和活动端4424，固定端4422与回转架432铰接，活动端4424活动插接于固定端4422内，伸缩驱动件444的两端分别连接固定端4422和活动端4424，伸缩驱动件444用于驱动活动端4424相对固定端4422滑动，实现驱动伸缩臂442伸缩。在一具体实施方式中，伸缩驱动件444的两端分别与固定端4422和活动端4424铰接，避免活动端4424与固定端4422的轴向偏差，影响伸缩驱动件444的伸缩工作。

在一实施方式中，伸缩驱动件444可以采用气缸或者液压缸。本实施方式中，伸缩驱动件444采用液压缸。可以理解的是，在其他实施方式中，伸缩驱动件444也可以采用其他能够驱动伸缩臂442伸缩的结构，如电动伸缩杆等。伸缩驱动件444设于伸缩臂442内，伸缩驱动件444位于伸缩臂442内，既能节省安装空间，同时伸缩臂442能够对伸缩驱动件444形成保护，延长伸缩驱动件444的使用寿命。

俯仰驱动件45的一端与回转架432铰接，俯仰驱动件45的另一端与伸缩臂442铰接，俯仰驱动件45用于驱动伸缩臂442相对回转架432摆动，因此可以通过俯仰驱动件45调整机械手40在隧道断面内的作业点的高低。具体地，俯仰驱动件45的另一端与伸缩臂442的固定端4422铰接。

在一实施方式中，俯仰驱动件45为气缸或者液压缸。本实施方式中，俯仰驱动件45为液压缸。可以理解的是，在其他实施方式中，俯仰驱动件45也可以采用其他能够驱动伸缩臂442摆动的结构，如电动伸缩杆等。

在一实施方式中，机械手本体还包括作业驱动件46，作业属具41与伸缩臂442铰接，作业驱动件46的一端与伸缩臂442铰接，作业驱动件46的另一端与作业属具41铰接，作业驱动件46用于驱动作业属具41转动，以调整作业属具41作业时的姿态，使得作业更方便，提高了作业效率。具体地，作业属具41及作业驱动件46与伸缩臂442的活动端4424铰接。

在上述实施例的基础上，进一步地，作业驱动件46的一端铰接有安装板462，安装板462安装于伸缩臂442的活动端4424，作业驱动件46通过安装板462与伸缩臂442连接，可以方便作业驱动件46的安装。进一步地，安装板462具有朝向作业属具41倾斜的倾斜部4622，作业驱动件46的铰接于倾斜部4622上，作业驱动件46的姿态倾斜向下，可以降低作业驱动件46驱动作业属具41转动的作用力，便于作业驱动件46驱动作业属具41转动。

在一实施方式中，作业驱动件46为气缸或者液压缸。本实施方式中，作业驱动件46为液压缸。可以理解的是，在其他实施方式中，作业驱动件46也可以采用其他能够驱动作业头转动的结构，如电动伸缩杆等。

因此，本实施方式中的机械手40，可以以竖直轴线为中心，进行360°回转作业，一是可以扩大机械手40在水平面上的作业范围，二是可以避免和钻机集群34工作时候的干涉。可以通过伸缩臂442调整在隧道断面内的作业点远近，通过俯仰驱动件45调整在隧道端面内作业点的高低，通过回转架432与俯仰驱动件45共同调整作业点在隧道断面内宽度方向上的位置，且回转架432能够改变作业方向为侧向作业，从而达到对隧道的断面全覆盖。

请再次参阅图1，输送装置50安装于设备本体10上，输送装置50用于输送机械手40扒料的物料。输送装置50位于设备本体10的中部，输送装置50连通设备本体10的前端和后端运输车60，机械手40的扒料可以通过输送装置50运送到运输车60上，运输车60运料至渣场，一体化作业，出料效率高。在一实施方式中，输送装置50为带式输送机，例如为皮带机。

请参阅图4，本发明还提供了一种五位一体式隧道掘进方法，为实现该掘进方法，其采用上述五位一体式隧道掘进设备。具体地，该掘进方法包括以下步骤：

步骤S110：多个钻机模块342进行批量引孔作业，钻机模块342沿着隧道轮廓线钻取临空面。

具体地，多个钻机模块342可以同时钻孔实现批量引孔作业，该处位置引孔作业完成后，多组钻机模块342通过拖链连接，可以通过液压缸等驱动部件拖动拖链移动，可以实现钻机模块342在导轨32上的滑动。钻机模块342沿着导轨32滑动到下一位置进行批量引孔作业，相邻两个孔之间相互重叠咬合。每个钻机模块242负责钻取两个钻机模块242之间的孔，例如每个钻机模块242只负责钻取10个孔。由于钻机模块242能够沿着隧道轮廓线移动，因此钻机模块242钻设的孔覆盖隧道轮廓线形成缝隙，从而形成临空面。

在引孔开始前，可以根据隧道的岩石情况，选择更换对应的钻头3422，能够适应各种地质条件，即使及其坚硬的花岗岩也可以高效钻进。在引孔过程中，钻机模块342采用水循环进行排渣，杜绝灰尘的产生，施工环境友好。

一实施方式中，在上述步骤S110之前，还包括：五位一体式隧道掘进设备通过行走装置20行走就位，然后将五位一体式隧道掘进设备锚固。具体地，隧道掘进施工开始之前，行走装置20行走将掘进设备行走到预定的位置，掘进设备就位后，将五位一体式隧道掘进设备锚固，避免掘进设备开挖隧道过程中掘进设备移动。

步骤S120：机械手40钻取分裂孔并分裂岩石，然后扒料至输送装置50上。

具体地，机械手40通过更换不同的作业属具41，实现不同的作业施工，通过安装钻孔装置钻取分裂孔，安装劈裂装置分裂岩石，安装破碎装置进行二次分裂岩石，通过安装挖斗扒料至输送装置50上。

其中，钻机集群34工作时，机械手40回转到设备本体10的尾部，避免机械手40与钻机集群34干涉。机械手40工作时，钻机集群34停止工作，机械手40回转到设备本体10的前部，然后穿过钻机集群34对临空面进行施工作业。

步骤S130：输送装置50将物料输送至运输车60上。

具体地，机械手40将破碎的岩石扒料到输送装置50上后，输送装置50承接岩石，并将岩石输送到运输车60上。运输车60最后将岩石运料至渣场集中处理。

上述五位一体式隧道掘进设备及方法，通过多个钻机模块342组成的钻机集群34，可以快速进行批量钻孔作业，在隧道轮廓线周围迅速的制造大量的临空面，为后续作业制造基础条件，同时钻机模块342采用水循环进行排渣，杜绝灰尘的产生，施工环境友好。钻机模块342具有可更换的钻头3422，通过匹配岩石和钻头3422，能够适应各种地质条件，即使及其坚硬的花岗岩也可以高效钻进。导轨32可以根据隧道断面形状设计，以适应不同断面的隧道类型，兼顾断面适应性和高效率。机械手40通过抓取不同的作业属具41，充分发挥各个属具的优点，进行快速的裂岩、破岩和扒料等施工作业，效率极高。五位一体式隧道掘进设备包含有行走装置20，机动性强。装备包含的输送装置50，连通设备前端和运输车60，一体化作业，出料效率高。

因此，本发明的五位一体式隧道掘进设备及方法，具备施工环境友好，施工效率高，施工安全性强，隧道适应性强的特点，能够一体化作业，从钻孔，裂岩，破挖，运输一体化，设备不断的向前掘进，而无需其他设备交叉辅助，掘进效率大幅度提高。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种五位一体式隧道掘进设备，其特征在于，包括：

设备本体；

行走装置，安装于所述设备本体上；

工作装置，包括钻机集群，所述钻机集群包括多个钻机模块，多个所述钻机模块能够沿着隧道轮廓线移动，且多个所述钻机模块沿着隧道轮廓线等间距分布；

机械手，安装于所述设备本体上；及

输送装置，安装于所述设备本体上，所述输送装置用于输送所述机械手的扒料。

2.根据权利要求1所述的五位一体式隧道掘进设备，其特征在于，所述工作装置还包括导轨，所述导轨安装于所述设备本体上，所述导轨的形状与隧道断面形状相匹配，所述钻机模块可滑动安装于所述导轨上。

3.根据权利要求2所述的五位一体式隧道掘进设备，其特征在于，所述钻机模块包括钻机本体及钻头，所述钻机本体滑动安装于所述导轨上，所述钻头和所述钻机本体可拆卸连接。

4.根据权利要求1所述的五位一体式隧道掘进设备，其特征在于，所述机械手包括机械手本体及作业属具，所述机械手本体安装于所述设备本体上，所述作业属具与所述机械手本体可拆卸连接。

5.根据权利要求4所述的五位一体式隧道掘进设备，其特征在于，所述作业属具包括钻孔装置、破碎装置、劈裂装置或挖斗。

6.根据权利要求5所述的五位一体式隧道掘进设备，其特征在于，所述输送装置为带式输送机。

7.一种五位一体式隧道掘进方法，其特征在于，利用如权利要求1-6任意一项所述的五位一体式隧道掘进设备，该掘进方法包括以下步骤：

多个钻机模块进行批量引孔作业，所述钻机模块沿着隧道轮廓线移动钻取临空面；

机械手钻取分裂孔并分裂岩石，然后扒料至输送装置上；

所述输送装置将物料输送至运输车上。

8.根据权利要求7所述的五位一体式隧道掘进方法，其特征在于，多个钻机模块进行批量引孔作业，所述钻机模块沿着隧道轮廓线移动钻取临空面的步骤之前还包括：

五位一体式隧道掘进设备通过行走装置行走就位后，将所述五位一体式隧道掘进设备锚固。

9.根据权利要求7所述的五位一体式隧道掘进方法，其特征在于，所述机械手钻取分裂孔并分裂岩石，然后扒料至输送装置上的步骤具体为：

机械手更换不同的作业属具，安装钻孔装置钻取分裂孔，安装劈裂装置分裂岩石，安装破碎装置二次分裂岩石，安装挖斗扒料至输送装置上。

10.根据权利要求7所述的五位一体式隧道掘进方法，其特征在于，钻机集群工作时，机械手回转到设备本体的尾部避免与钻机集群干涉，机械手工作时，钻机集群停止工作，机械手回转到设备本体的前部并穿过钻机集群，对所述临空面进行施工作业。

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