CN114382500A - 一种维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工设备，维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工设备包括自进式螺旋锚杆和旋挖刀盘，自进式螺旋锚杆的外周壁设有第一螺旋叶片，旋挖刀盘与自进式螺旋锚杆连接，旋挖刀盘与自进式螺旋锚杆在自进式螺旋锚杆的周向上相对固定；自进式螺旋锚杆用于旋入掌子面并能与旋挖刀盘在掘进方向上一起前进。掘进与支护一体化，作业安全性高，效率高，适用范围广，成本低。

Description

一种维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工设备

技术领域

本发明涉及掘进设备领域，具体而言，涉及一种维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工设备。

背景技术

软弱围岩隧道常用的开挖方法有新奥法分部开挖施工、掘进机法施工、新意法施工。采用新意法施工可以实现隧道全断面开挖，施工速度快，安全性有保证，但是需要在掌子面前方打设长锚杆等超前支护，然后在开挖的过程中挖除，造成不必要的浪费，施工造价比较高。盾构法施工速度快，用工少，施工安全，开挖面平整，但也存在一些缺点：(1)其机体庞大，运输不便，较适用于长洞的开挖，对于短隧道来说，造价较高；(2)盾构本机直径不能随着隧道开挖适时调整；(3)难以实现小半径曲线施工；(4)施工中需要进行渣土改良；(5)支护方式不灵活，只能采用管片拼装的形式；(6)对地质条件及岩性变化的适应性差，使用有局限性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工设备，其能够改善现有技术的掘进设备存在的技术问题。

本发明的实施例是这样实现的：

本发明提供一种维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工设备，适用于开挖软弱围岩隧道，包括：

自进式螺旋锚杆和旋挖刀盘，所述自进式螺旋锚杆的外周壁设有第一螺旋叶片，所述旋挖刀盘与所述自进式螺旋锚杆连接，所述旋挖刀盘与所述自进式螺旋锚杆在所述自进式螺旋锚杆的周向上相对固定；所述自进式螺旋锚杆用于旋入掌子面并能与所述旋挖刀盘在掘进方向上一起前进。

在可选的实施方式中，所述旋挖刀盘上设置有第一出渣口。

在可选的实施方式中，所述自进式螺旋锚杆设有相连的第一杆段和第二杆段，所述第一杆段上的第一螺旋叶片的螺距与所述第二杆段上的第一螺旋叶片的螺距相等；且所述第二杆段上的第一螺旋叶片的外径在从所述第一杆段向第二杆段的方向上逐渐减小。

在可选的实施方式中，所述维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工设备还包括锚固套筒，所述锚固套筒的外筒壁上设置有第二螺旋叶片，所述锚固套筒套设于所述自进式螺旋锚杆外且与所述自进式螺旋锚杆固定连接；所述自进式螺旋锚杆位于掘进方向上的前端伸出所述锚固套筒。

在可选的实施方式中，所述锚固套筒具有相对的第一端和第二端，所述第二螺旋叶片的外径在从所述第一端向所述第二端的方向上逐渐减小；所述自进式螺旋锚杆的前端伸出所述第二端。

在可选的实施方式中，所述第二螺旋叶片上设置有多个缺口，所述多个缺口将所述第二螺旋叶片分割形成多个均在螺旋线上排布的弧形板。

在可选的实施方式中，所述锚固套筒上设置有第二出渣口。

在可选的实施方式中，所述第一螺旋叶片的外周面上设置有多个固定板，所述固定板远离所述第一螺旋叶片的侧面与所述锚固套筒的内筒壁固定连接。

在可选的实施方式中，所述旋挖刀盘套设于所述锚固套筒外，且二者在所述锚固套筒的周向上相对固定；所述自进式螺旋锚杆与所述旋挖刀盘通过传力件连接。

在可选的实施方式中，所述维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工设备还包括动力机构，所述动力机构与所述自进式螺旋锚杆连接，用于驱动所述自进式螺旋锚杆转动，以带动所述旋挖刀盘转动。

本发明实施例的有益效果是：

综上所述，本实施例提供的维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工设备，使用时，可以利用多根自进式螺旋锚杆和多个旋挖刀盘配合使用，组合结构按需设置，灵活多变，从而能对不同横断面形状的隧道进行开挖；并且通过调整自进式螺旋锚杆插入的角度，能满足小曲率半径施工。同时，隧道开挖过程中，随着自进式螺旋锚杆及旋挖刀盘的钻进，带自进式螺旋锚杆实现了掌子面的超前支护，旋挖刀盘实现了掌子面开挖，从而实现了隧道掌子面开挖支护一体化，保证了施工安全，加快施工进度；并且，自进式螺旋锚杆随着隧道的开挖而向前钻进，可以重复利用，降低工程造价。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例的维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工设备的结构示意图；

图2为本发明实施例的维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工设备的一视角的应用结构示意图；

图3为本发明实施例的维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工设备的另一视角的应用结构示意图；

图4为本发明实施例的维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工设备的一变形例的结构示意图；

图5为本发明实施例的维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工设备的剖视结构示意图；

图6为本发明实施例的自进式螺旋锚杆的变形结构示意图。

图标:

001-隧道；100-自进式螺旋锚杆；110-杆体；111-第一端；112-第二端；113-第一杆段；114-第二杆段；120-第一螺旋叶片；130-第一防旋连接件；140-固定板；200-旋挖刀盘；210-盘体；211-第一出渣口；220-掘进齿；300-锚固套筒；310-筒体；311-第三端；312-第四端；313-第二出渣口；314-排渣通道；320-第二防旋连接件；330-第二螺旋叶片；331-缺口；400-防退紧固件。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

第一实施例

请参阅图1，本实施例中，维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工设备包括自进式螺旋锚杆100和旋挖刀盘200，自进式螺旋锚杆100的外周壁设有第一螺旋叶片120，旋挖刀盘200与自进式螺旋锚杆100连接，旋挖刀盘200与自进式螺旋锚杆100在自进式螺旋锚杆100的周向上相对固定；自进式螺旋锚杆100用于旋入掌子面并能与旋挖刀盘200在掘进方向上一起前进。

本实施例提供的维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工设备，使用时，可以将多根自进式螺旋锚杆100和多个旋挖刀盘200配合使用，组合结构按需设置，灵活多变，从而能对不同横断面形状的隧道001进行开挖；并且通过调整自进式螺旋锚杆100钻进的角度，能满足小曲率半径施工。同时，隧道001开挖过程中，随着自进式螺旋锚杆100及旋挖刀盘200的钻进，带自进式螺旋锚杆100实现了掌子面的超前支护，旋挖刀盘200实现了掌子面开挖，从而实现了隧道001掌子面开挖支护一体化，保证了施工安全，加快施工进度；并且，自进式螺旋锚杆100随着隧道001的开挖而向前钻进，可以重复利用，降低工程造价。

本实施例中，可选的，自进式螺旋锚杆100还包括杆体110和第一防旋连接件130，第一防旋连接件130和杆体110连接，第一防旋连接件130用于与旋挖刀盘200连接，第一螺旋叶片120与杆体110连接。

可选的，杆体110为圆柱形杆，杆体110在其长度方向上具有第一端111和第二端112，第一端111为后端，第二端112为前端，且第二端112设置为尖端，钻进时利用第二端112插入掌子面，插入便捷，便于施工。第一防旋连接件130设有中心孔，第一防旋连接件130利用其中心孔套设在杆体110外，第一防旋连接件130与第二端112之间具有间距，杆体110在第一防旋连接件130和第二端112之间的部分用于连接第一螺旋叶片120。第一防旋连接件130的横截面外轮廓为非圆形，其中，横截面为垂直于杆体110的轴线的平面。例如，第一防旋连接件130的横截面外轮廓形状为正六边形，显然，第一防旋连接件130还可以是其他结构，例如，第一防旋连接件130的横截面外轮廓为椭圆形、五边形等，或者为弧线与线段的组合形式，能满足第一防旋连接件130的横截面外轮廓为非圆形即可。

应当理解，第一防旋连接件130与杆体110可以为焊接固定，第一防旋连接件130与杆体110不仅在杆体110的周向上相对固定，第一防旋连接件130与杆体110在杆体110的轴向上同样保持相对固定，第一防旋连接件130与杆体110为一体式结构。

可选的，第一螺旋叶片120固定在杆体110的外周壁上，且位于第一防旋连接件130和第二端112之间。第一螺旋叶片120与杆体110可以为一体成型，结构牢固，强度高，使用寿命长，成本低。

在其他实施例中，自进式螺旋锚杆设有相连的第一杆段113和第二杆段114，第一杆段113上的第一螺旋叶片的螺距与第二杆段114上的第一螺旋叶片的螺距相等；且第二杆段114上的第一螺旋叶片的外径在从第一杆段113向第二杆段114的方向上逐渐减小。

本实施例中，可选的，旋挖刀盘200包括盘体210和掘进齿220，盘体210可以为圆盘，盘体210的中部设置有套接孔，套接孔的形状与第一防旋连接件130的形状匹配，换句话说，套接孔的横截面轮廓为非圆形，例如，套接孔的横截面轮廓为正六边形、椭圆形等。盘体210上设置有围绕套接孔均匀布设的多个第一出渣口211，每个第一出渣口211沿盘体210的轴线方向贯穿盘体210，用于排出掘进过程中产生的渣土等。

掘进齿220与盘体210的一个盘面连接，掘进齿220的数量以及形状均按需设置即可。例如，掘进齿220可以设置多组，每一组掘进齿220具有在盘体210的径向上排布的齿头；多组掘进齿220在盘体210的周向上均匀间隔排布。且多组掘进齿220与多个第一出渣口211在盘体210的周向上交替排布。

需要说明的是，第一出渣口211的开口面积可调，从而满足多种情况的排渣需求。

本实施例中，自进式螺旋锚杆100与旋挖刀盘200装配时，旋挖刀盘200利用其套接孔套接在第一防旋连接件130外，旋挖刀盘200与自进式螺旋锚杆100在自进式螺旋锚杆100的周向上相对固定，如此，利用动力机构带动自进式螺旋锚杆100旋转时，旋挖刀盘200能与自进式螺旋锚杆100一起转动。

请参阅图2和图3，应当理解，自进式螺旋锚杆100与旋挖刀盘200配合为一个掘进单元，在进行隧道001掘进时，利用多个掘进单元配合，从而实现隧道001全断面的开挖。也即，多个掘进单元的多根自进式螺旋锚杆100分别从掌子面上设定位置钻入掌子面中，然后，在每根自进式螺旋锚杆100的第一防旋连接件130外套设一个旋挖刀盘200，每根自进式螺旋锚杆100上的旋挖刀盘200的结构形状可以设置为不同。本实施例中，在掘进方向上，多个旋挖刀盘200分层布设，每一层的多个旋挖刀盘200的形状结构按需设置，且同一层的多个旋挖刀盘200位于同一横截面上，例如，在掘进方向上，从后端向前端分别具有后端刀盘、中间刀盘和前端刀盘，掘进时，前端刀盘的多个旋挖刀盘200先与掌子面的部分区域接触进行开挖，随着开挖掘进的深度增加，中间刀盘接触到掌子面上未被前端刀盘开挖的区域，中间刀盘能够进行开挖；然后，随着掘进深度的继续增加，后端刀盘接触到掌子面未被前端刀盘和中间刀盘开挖的区域，后端刀盘能够进行开挖，如此，通过多层刀盘的配合，实现隧道001全断面的开挖作业。

显然，依据隧道001形式的不同，自进式螺旋锚杆100的数量和位置按需设置，旋挖刀盘200的形状结构和组合形式按需设置，灵活多变，适应范围广。

此外，旋挖刀盘可以为规则刀盘，也可以为异形刀盘，旋挖刀盘200进行掘进施工时，旋挖刀盘200的旋转角度均按需设置，多个旋挖刀盘200中的部分旋挖刀盘200可以持续呈圆周旋转，部分旋挖刀盘200可以呈锐角或钝角做往复摆动动作，本实施例中不进行一一列举。

本实施例提供的维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工设备，掘进与支护一体化，作业安全性高，效率高，适用范围广，成本低。

第二实施例

请参阅图4-图6，本实施例也提供了一种维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工设备，本实施例是在上述第一实施例的基础上的进一步改进，从而使掘进过程中能够有效地排出渣土，施工更加顺利。为避免重复累赘，第一实施例中已经公开的技术方案本实施例中不再进行说明，本实施例中仅针对改进的方案进行补充说明。

请参阅图4-图6，本实施例中，维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工设备还包括锚固套筒300，锚固套筒300包括筒体310、第二防旋连接件320和第二螺旋叶片330。筒体310为两端均为敞口的圆筒结构，为便于描述，筒体310的两端分别为第三端311和第四端312，筒体310用于套接在自进式螺旋锚杆100外且与自进式螺旋锚杆100固定连接，第三端311与第一端111对应，第四端312与第二端112对应。第二防旋连接件320设置有中心孔，第二防旋连接件320的横截面外轮廓为非圆形，横截面为垂直于中心孔的轴线的平面。例如，第二防旋连接件320的横截面外轮廓为正六边形、椭圆形等。第二防旋连接件320利用其中心孔套接在筒体310外且与筒体310固定连接，第二防旋连接件320与第四端312具有间距。第二防旋连接件320用于与旋挖刀盘200连接。第二螺旋叶片330固定在筒体310外且位于第二防旋连接件320和第四端312之间。

施工时，锚固套筒300和自进式螺旋锚杆100均钻入掌子面，锚固套筒300起到锚固的作用，自进式螺旋锚杆100与锚固套筒300形成排渣通道314，自进式螺旋锚杆100转动时能够将渣土从排渣通道314排出，从而避免渣土影响钻进作业。

应当理解，可以将筒体310的第三端311设置为第二出渣口313，自进式螺旋锚杆100的第一螺旋叶片120伸出第二出渣口313，在自进式螺旋锚杆100旋转过程中，渣土从第二出渣口313排出。

可选的，第一螺旋叶片120的外周面上设置有多个固定板140，固定板140远离第一螺旋叶片120的侧面与锚固套筒300的内筒壁固定连接，输入自进式螺旋锚杆100的扭矩通过筒体310传递至第二防旋连接件320，再传递至旋挖刀盘200。筒体310套接在自进式螺旋锚杆100外，或者，筒体310的内筒壁与多个固定板140的外侧面接触且焊接固定，利用多个固定板140和筒体310配合，实现多点连接，能够保证自进式螺旋锚杆100和筒体310的连接结构强度，从自进式螺旋锚杆100传递扭矩至筒体310时，二者不易分离，传力安全可靠。同时，相比第一螺旋叶片120的整个外周面均与筒体310的内筒壁连接，采用多个固定板140与筒体310的内筒壁实现多点连接的方案，能够增大筒体310的内筒壁与第一螺旋叶片120之间的空间，也即增加排渣通道314的空间，利于渣土的排出。

本实施例中，可选的，第二螺旋叶片330上设置有多个缺口331，多个缺口331将第二螺旋叶片330分割形成多个均在螺旋线上排布的弧形板，第二螺旋叶片330既能够起到锚固的作用，且由于第二螺旋叶片330并不是连续的螺旋叶片结构，能够减少渣土从锚固套筒300的外周面排出，从而使锚固套筒300与隧道001的结合更加紧密，锚固效果好。

此外，第二螺旋叶片330的螺距处处相等，也即第二螺旋叶片330为等螺距结构，第二螺旋叶片330的外径在从第三端311向第四端312的方向上逐渐减小，能够增加锚固套筒300与岩层的结合紧密度，提高锚固效果。

在其他实施例中，为了使从自进式螺旋锚杆100输入的扭矩直接传递至旋挖刀盘200，可以在杆体110和旋挖刀盘200之间设置传力杆，传力杆的一端固定在杆体110上，另一端固定在旋挖刀盘200上，构成三角结构，结构稳定，扭矩可以直接通过传力杆传输至旋挖刀盘200。应当理解，传力杆的数量可以为多根，多根传力杆在杆体110的周向上均匀间隔排布。

在其他实施例中，筒体310的外筒壁上还螺接有防退紧固件400，旋挖刀盘200位于防退紧固件400靠近第四端312的一侧，如此，旋挖刀盘200在从第四端312向第三端311退出锚固套筒300时，旋挖刀盘200能被防退紧固件400阻挡，从而避免旋挖刀盘200滑落，增加安全性。

在其他实施例中，维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工设备还包括动力机构，动力机构与自进式螺旋锚杆100连接，用于驱动自进式螺旋锚杆100转动，以带动旋挖刀盘200转动，且还能推动旋挖刀盘200在掘进方向上前进，从而实现旋挖刀盘200、自进式螺旋锚杆100和锚固套筒300均沿掘进方向前进。同时，在掘进过程中，通过监测开挖速率，调整动力机构的扭矩和推力，控制锚固套筒300的钻速(钻进速度)，确保旋挖刀盘200的开挖速度不小于锚固套筒300的钻进速度，以改善锚固套筒300空转，破坏孔壁围岩，降低锚固套筒300的锚固力的问题。

应当理解，维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工设备还可以包括初期支护装置、排渣装置等，本实施例中不进行一一列举以及详细说明。

本实施例提供的维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工设备，掘进与支护一体化，作业安全性高，效率高，适用范围广，成本低。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工设备，适用于开挖软弱围岩隧道，其特征在于，包括：

自进式螺旋锚杆和旋挖刀盘，所述自进式螺旋锚杆的外周壁设有第一螺旋叶片，所述旋挖刀盘与所述自进式螺旋锚杆连接，所述旋挖刀盘与所述自进式螺旋锚杆在所述自进式螺旋锚杆的周向上相对固定；所述自进式螺旋锚杆用于旋入掌子面并能与所述旋挖刀盘在掘进方向上一起前进。

2.根据权利要求1所述的维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工设备，其特征在于：

所述旋挖刀盘上设置有第一出渣口。

3.根据权利要求1所述的维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工设备，其特征在于：

所述自进式螺旋锚杆设有相连的第一杆段和第二杆段，所述第一杆段上的第一螺旋叶片的螺距与所述第二杆段上的第一螺旋叶片的螺距相等；且所述第二杆段上的第一螺旋叶片的外径在从所述第一杆段向第二杆段的方向上逐渐减小。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工设备，其特征在于：

所述维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工设备还包括锚固套筒，所述锚固套筒的外筒壁上设置有第二螺旋叶片，所述锚固套筒套设于所述自进式螺旋锚杆外且与所述自进式螺旋锚杆固定连接；所述自进式螺旋锚杆位于掘进方向上的前端伸出所述锚固套筒。

5.根据权利要求4所述的维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工设备，其特征在于：

所述锚固套筒具有相对的第一端和第二端，所述第二螺旋叶片的外径在从所述第一端向所述第二端的方向上逐渐减小；所述自进式螺旋锚杆的前端伸出所述第二端。

6.根据权利要求4所述的维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工设备，其特征在于：

所述第二螺旋叶片上设置有多个缺口，所述多个缺口将所述第二螺旋叶片分割形成多个均在螺旋线上排布的弧形板。

7.根据权利要求4所述的维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工设备，其特征在于：

所述锚固套筒上设置有第二出渣口。

8.根据权利要求4所述的维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工设备，其特征在于：

所述第一螺旋叶片的外周面上设置有多个固定板，所述固定板远离所述第一螺旋叶片的侧面与所述锚固套筒的内筒壁固定连接。

9.根据权利要求4所述的维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工设备，其特征在于：

所述旋挖刀盘套设于所述锚固套筒外，且二者在所述锚固套筒的周向上相对固定；所述自进式螺旋锚杆与所述旋挖刀盘通过传力件连接。

10.根据权利要求1所述的维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工设备，其特征在于：

所述维持隧道掌子面稳定的开挖支护一体化施工设备还包括动力机构，所述动力机构与所述自进式螺旋锚杆连接，用于驱动所述自进式螺旋锚杆转动，以带动所述旋挖刀盘转动。

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