CN114718590A - 一种旋挖钻头及其应用的水陆两用隧道建造机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋挖钻头及其应用的水陆两用隧道建造机器人，所述旋挖钻头包括直径由小到大依次排布、内部具有空腔的三组圆盘钻头，所述圆盘钻头包括两组并排设置的圆环座、设置于这两组圆环座外周的多个带齿挖斗以及分别设置于这两组圆环座内侧的环形齿条；相邻的圆盘钻头上具有的带齿挖斗朝向相反，且圆盘钻头均朝向大开口方向旋转，使得这三组圆盘钻头两两互相反向转动；还包括与这三组圆盘钻头数量相适配的、并用于支撑和驱动这三组圆盘钻头的三个圆盘钻头支架。利用旋挖钻头掘进隧道，抵消土体受到的局部力矩，减少隧道内壁土体破碎。机器人既能运输、安装隧道支护板，又能运输隧道内部的土方、土体，提高隧道建造效率。

Description

一种旋挖钻头及其应用的水陆两用隧道建造机器人

技术领域

本发明属于隧道建造领域，具体地说，涉及一种旋挖钻头，同时还涉及一种应用该旋挖钻头的水陆两用隧道建造机器人，主要应用在工程建设的隧道建造。

背景技术

随着我国基建能力的快速发展，有大量的隧道建设工程。穿越湖底、河底、水底的隧道等水下工程通常处于复杂的工况条件，施工难度相对较大，水下隧道常在海峡、海湾、河口等处，在水底之下建造连通陆地间交通运输的交通管道。水底隧道根据水域深度和地层条件不同，其施工难度和建造方法也不相同。其中，盾构法是水底隧道较为常见的建造方法，盾构法是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法，它是将盾构机械在地中推进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构的一种机械化施工方法。其中深水底隧道受水下水压环境、恶劣环境因素影响，导致其建造成本高、周期长，耗费人力大，存在许多不利因素的影响。相交于水底隧道，路上条件较好，但自然界地质条件多变，例如有些山体碎岩、土砾夹杂。还有一些特殊土地质条件，例如在我国沿岸的岛屿国家、我国南海海域中的珊瑚岛礁，其地质条件是珊瑚礁、岛体是脆性的珊瑚礁，它是一种特殊的岩土介质，在常规应力作用下，即可发生破裂，对珊瑚岛礁整体稳定性不利，使用常规盾构方法进行此类隧道建造时，施工建造活动对基体的扰动和破坏需要进行充分考虑，原有盾构法在此类特殊工程中的适用性有待于进一步优化。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供了一种旋挖钻头，由三组圆盘钻头和导向钻头组成，其中三组圆盘钻头两两互相反向转动，用于抵消圆盘钻头对土体产生的转矩力，解决脆性土体中(如珊瑚岛礁)隧道内壁土体受单方向力造成垮塌的问题。

本发明的另一个目的在于提供了一种高效率、低成本的水陆两用隧道建造机器人，同时克服上述脆性土体中(如珊瑚岛礁)易破裂的难题，代替人工完成水底陆地隧道的建造工作。通过远程遥控的方式，利用特制的旋挖钻头掘进隧道，抵消土体受到的局部力矩，减少隧道内壁土体破碎。掘进机底盘可支护车底盘对接联合开展隧道挖掘、土体运输、以及隧道支护等工作，多个支护车主体部分联合工作，既能运输、安装隧道支护板，同时能运输隧道内部的土方、土体，提高隧道建造效率，减少人力投入，克服水底恶劣环境的等难题。

为进一步实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种旋挖钻头，包括：

直径由小到大依次排布、内部具有空腔的三组圆盘钻头，

所述圆盘钻头包括两组并排设置的圆环座、设置于这两组圆环座外周的多个带齿挖斗以及分别设置于这两组圆环座内侧的环形齿条，所述带齿挖斗外周设置有钢齿，其两端具有的开口大小不同；

相邻的圆盘钻头上具有的带齿挖斗朝向相反，且圆盘钻头均朝向大开口方向旋转，使得这三组圆盘钻头两两互相反向转动；还包括与这三组圆盘钻头数量相适配的、并用于支撑和驱动这三组圆盘钻头的三个圆盘钻头支架，这三个圆盘钻头支架两两之间连接；以及头端布设于最小直径圆盘钻头的前端、尾端贯穿这三组圆盘钻头的导向钻头。

可选的，所述圆盘钻头支架包括作为承载圆盘钻头的焊接支架、设置于所述焊接支架上的多个轴承座以及与多个所述轴承座过盈配合的多个齿轮轴，所述环形齿条与齿轮轴上具有的齿轮啮合，其中的一个齿轮轴通过联轴器与液压减速马达的输出轴同轴心连接，所述液压减速马达将动力通过联轴器传递给齿轮轴，进而带动圆盘钻头圆周转动。

可选的，所述导向钻头包括依次设置的滚齿钻头、导向钻头传动箱以及导向钻头固定方钢，所述导向钻头传动箱内设置有导向钻头动力传递机构；所述导向钻头包括滚齿钻头基座、均布在所述滚齿钻头基座头部的三个锥形滚齿轴承轴以及与这三个锥形滚齿轴承轴内圈分别连接的三个锥形滚齿，所述滚齿钻头基座尾部同轴心连接有滚齿钻头传动轴，用于带动滚齿钻头基座同步转动。

采用上述的结构，三个圆盘钻头以及导向钻头旋转方向两两相反，在竖直平面上，其各自对土体作用的切向力方向两两相反，对于旋挖钻头接触的土体整体，在竖直面上收到的切向外力为四个力的矢量和，因力的方向相反会导致力的大小部分抵消，减少脆性土体中单方向受力大而造成破裂的问题，解决脆性土体中内壁土体受单方向力造成垮塌的问题。另外，旋挖钻头旋转过程中，导向钻头的三个锥形滚齿和小直径圆盘钻头先在山体挖出并进给出较小直径的洞，用于稳定旋挖钻头的掘进方向，随着圆盘钻头的直径扩大至圆盘钻头完全进给隧道内部，洞的直径被逐渐扩大至施工需求，该种进给方式使隧道挖掘过程中岩层土体逐层刮落，既保护了洞臂结构，又有利于稳定旋挖钻头的掘进方向和机身稳定，同时也一定程度上减少了掘进阻力，加快掘进效率。

相应的，本发明还要求保护一种水陆两用隧道建造机器人，包括权前述的旋挖钻头，还包括掘进机底盘部分、与所述掘进机底盘部分通过对接机构连接的支护车底盘部分以及设置于所述支护车底盘部分上的支护车主体部分；

所述掘进机底盘部分包括用于固定和承载所述旋挖钻头的掘进机底盘机构，所述掘进机底盘机构包括掘进机底盘支架以及设置于所述掘进机底盘支架两侧的两组朝向不同的推进器，所述掘进机底盘支架上方一侧设置有土方输送带；

所述掘进机底盘机构设置有土方输送带的这一端延伸至这三组圆盘钻头内部具有的空腔中，所述土方输送带通过液压马达提供动力，将所述旋挖钻头挖掘的土体运输到后方。

可选的，所述支护车底盘部分包括支护车底盘机构，所述支护车底盘机构包括支护车底盘支架、设置于所述支护车底盘支架下方的多个凹形横梁、设置于所述支护车底盘支架端部的支护车对接机构安装座，所述支护车对接机构安装座上安装有支护车对接机构。

进一步的，所述支护车对接机构包括磁吸对接板、与磁吸对接板连接的对接缓冲装置以及设置于所述磁吸对接板对接端的突起块和凹槽，所述支护车对接机构与掘进机底盘部分具有的掘进机对接机构结构相同；所述支护车对接机构具有的对接缓冲装置与掘进机对接机构具有的对接缓冲装置对接；同时突起块具有磁性，两磁吸对接板通过突起块和凹槽相配合相吸，对接锁止，实现掘进机底盘部分和支护车底盘部分连接。

可选的，所述掘进机底盘机构和支护车底盘机构下方均设置有升降浮箱和支撑臂，所述升降浮箱内部通过高压水管与高压排水泵连接，所述高压排水泵用于对升降浮箱内抽水和排水；所述支撑臂包括主臂、以及通过液压油缸在所述主臂两端伸缩的副臂，在副臂端头均设置有液压AGV万向轮。

进一步的，所述升降浮箱包括高压密闭水水箱以及设置于所述高压密闭水水箱相对两侧的朝向不同的两组推进器；所述推进器包括推进器安装座以及设置于所述推进器安装座内的第一液压马达，所述第一液压马达的输出轴与第一旋转轴相连，可带动第一旋转轴同步转动；第二液压马达设置于所述第一旋转轴的侧壁，其输出轴与第三液压马达连接，所述第三液压马达同时通过销轴与第一旋转轴的端部铰接，第二液压马达可带动第三液压马达整体绕着第二液压马达的轴线移动，推进涡轮设置于第三液压马达的输出轴端部，由第三液压马达驱动转动，利用三个液压马达协同配合完成涡轮推进方向换向工作，实现多角度推进。

可选的，所述支护车主体部分包括由工字钢轨道、工字钢滚轮组成的轨道车，所述工字钢轨道倾斜设置于凹形横梁的两端斜面上，所述工字钢滚轮与工字钢轨道配合并沿着工字钢轨道的轴线方向移动；在所述工字钢滚轮上端设置有支护车车架，所述支护车车架包括用于支撑和承载隧道支护板的焊接钢架，支护板支撑油缸设置于所述支护车车架的四周，其伸缩端的端部设置有Y型铰接座，通过活动销轴与隧道支护板铰接座铰接，电磁控制器设置于Y型铰接座的侧壁，其活动销轴与 Y型铰接座的销孔同轴心配合，在三个支护车车架的上方和两个侧面分别通过支护板支撑油缸支撑三块隧道支护板，三块隧道支护板之间通过铰接座连接，三块隧道支护板之间的角度可通过支护板支撑油缸调节。

进一步的，所述支护车车架内设置有载货箱，所述载货箱包括开口货箱以及设置于所述开口货箱内的货箱输送带，所述货箱输送带由液压马达驱动，可传送开口货箱内的土体到装置尾部；所述隧道支护板包括弧形的支护板钢架、设置于所述支护板钢架上的支护板弧顶以及设置于所述支护板钢架上的支护板铰接座，所述支护板铰接座作为支护板之间的铰接节点，将三块支护板拼接成为隧道的半圆形结构。

与现有技术相比，本发明至少具有以下效益：

1.可利用推进器在水底水下工作或更换履带底盘在陆地工作，本装置的底盘下方有浮箱和履带底盘的对接安装圆盘，通过螺栓固定连接。水下工作时，起吊机投放装置到水下前，利用吊机辅助将装置底盘与水箱对接，工人连接螺栓，组装完成即可投入水下使用；陆地工作时，在装置运输之前，利用吊机辅助将装置底盘与履带底盘对接，工人连接螺栓，组装完成即可投入陆地使用。利用遥控的方式在水底或陆地开展隧道掘进工作，实现水底、陆地多场景隧道挖掘工作，采用机器人遥控的方式，提高了工作效率，减少人力投入，同时避免复杂恶劣环境造成的人员伤亡等损失。

2.模块化设计，将隧道掘进与隧道支护板安装分开，提高装置的机动灵活性；利用对接机构将掘进机底盘部分与支护车底盘部分对接联合开展隧道挖掘、土体运输、以及隧道支护等工作，多个支护车主体部分联合工作，既能运输、安装隧道支护板，同时能运输隧道内部的土方、土体，提高隧道建造效率。与盾构机相比，本装置有以下区别：①使用环境上，本装置同时适应水下和陆地多应用场景，体积和结构上相比于盾构机更灵巧，在复杂、狭隘、海沟等水下环境可开展深入挖掘；②结构上，本装置将掘进模块与运输模块独立设计，运输模块可直接运输隧道内发掘的土体，省去工程车辆的使用；运输模块在水下或陆地可独立对接和控制，可从水上运输船或陆地支护板存放位置运输隧道支护板，多个运输模块协同配合，灵活调用完成土体运输、支护板运输安装等不同工作，机动性强、使用灵活、工作效率更高。③本装置的钻头，工作方式与盾构机不同，盾构机为一个刀盘转动，破碎土体，实现挖掘，本装置由三组圆盘钻头和导向钻头组成，其中三组圆盘钻头两两互相反向转动，用于抵消圆盘钻头对土体产生的转矩力，应对了岛礁土体较脆易破裂的特性，解决脆性土体中隧道建造时内壁土体受单方向力造成垮塌的问题，适用于陆地脆性土体、一带一路岛礁隧道掘进场景。

3.旋挖钻头由三组圆盘钻头和导向钻头组成，其中三组圆盘钻头两两互相反向转动，用于抵消圆盘钻头对土体产生的转矩力，解决脆性土体中隧道内壁土体受单方向力造成垮塌的问题。同时，水底电缆、管道铺设时遇到水下山体、海沟阻挡时，本装置的设计尺寸可按照需求比例设计，更改组合钻头的规格和装置主体尺寸，适应粗管道、电缆等的尺寸规格，灵活掘进出供电缆、管道穿过的通道，满足电缆、管道铺设需求。可通过往往需要以及水底电缆、管道铺设等工程领域，适用范围更广。

4.装置底盘部分由钢架、推进器、高压水泵等组成，利用推进器在水底水下工作，利用遥控的方式在水底或陆地开展隧道支护板的运输和搭建安装工作，解决了水底铺设电缆、管道环境恶劣、超高水压等难题，减少人力投入和危险的发生。整个装置为钢架结构，结构稳定，同时也减少了自重和成本投入。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为内部整体结构图；

图2为带单环支护板整体结构图；

图3为带多环支护板整体结构图；

图4为装置轴视结构图；

图5为旋挖钻头总体图；

图6为圆盘钻头a结构图；

图7为圆盘钻头内部支架结构图；

图8为圆盘钻头b结构图；

图9为圆盘钻头c结构图；

图10为导向钻头总体结构图；

图11为滚齿钻头结构图；

图12为导向钻头动力部分结构图；

图13为掘进机底盘部分结构图；

图14为掘进机底盘支架结构图；

图15为掘进机支撑臂结构图；

图16为液压动力部分结构图；

图17为掘进机对接部分结构图；

图18为支护车底盘部分结构图；

图19为支护车底盘支架结构图；

图20为支护车对接部分结构图；

图21为支护车浮箱部分结构图；

图22为涡轮推进器结构图；

图23为支护车总体轴视图；

图24为支护车车架部分结构图；

图25为电磁锁销结构图；

图26为土方载货箱结构图；

图27为隧道支护板结构图；

图28为行走履带结构图；

图29为钻头受力图；

图30为支撑臂结构图；

图31为液压AGV万向轮结构图；

图32对接缓冲器连接图；

图33为运输时环形支护板放置图。

图中：

1000-旋挖钻头：

1100-圆盘钻头a；

1101-圆环座a，1102-圆环座b，1103-带齿挖斗a，1104-环形齿条a，1105-环形齿条b，1106-液压减速马达a；

1120-圆盘钻头a支架，1121-焊接支架，1122-齿轮轴a，1123-轴承座，1124-齿轮轴安装座，1125- 齿轮轴b，1126-齿轮轴c，1127-齿轮轴d；

1200-圆盘钻头b；

1201-圆环座c，1202-圆环座d，1203-带齿挖斗b，1204-环形齿条c，1205-环形齿条d，1206- 液压减速马达b；

1220-圆盘钻头b支架；

1300-圆盘钻头c；

1301-带齿挖斗c，1302-圆环座e，1303-圆环座f，1304-环形齿条e，1305-液压减速马达c，1306- 钻头固定支座；1307-环形齿条f；

1320-圆盘钻头c支架；

1400-导向钻头；

1410-滚齿钻头；

1401-滚齿钻头传动轴，1402-滚齿钻头基座，1403-锥形滚齿a，1404-锥形滚齿b，1405-锥形滚齿c，1406-锥形滚齿轴承轴；

1421-导向钻头传动箱，1422-导向钻头固定方钢；

1430-导向钻头动力传递机构；

1431-液压减速马达d，1432-蜗杆减速机，1433-滚齿钻头动力传动轴，1434-传动轴支撑轴承， 1435-小齿轮，1436-大齿轮；

2000-掘进机底盘部分：

2100-掘进机底盘机构；

2101-掘进机底盘支架，2102-推进器a，2103-推进器b；2104-土方输送带；

2200-升降浮箱a；

2300-升降浮箱b；

2400-支撑臂a；

2401-主臂，2402-副臂a，2403-副臂b，2404-液压AGV万向轮a，2405-液压AGV万向轮b；

2500-液压动力部分a；

2501-液压马达，2502-液压泵，2503-控制阀，2504-液压油储存箱；

2600-液压动力部分b；

2700-高压排水泵；

2800-掘进机对接机构

2810-对接缓冲装置a；

2820-对接缓冲装置b；

2831-磁吸对接板a，2832-突起块；

3000-支护车底盘部分：

3100-支护车底盘机构

3101-支护车底盘支架，3102-凹形横梁，3103-支护车对接机构安装座；3104加固梁；3105-支撑臂b主臂，3106-支撑臂b副臂；

3200-支护车对接机构；

3210-对接缓冲装置c；

3220-对接缓冲装置d；

3231-磁吸对接板b，3232-锥形突起块；

3300-升降浮箱c；

3301-推进器c，3302-高压密闭水水箱，3303-推进器d，3304-电磁水阀；

3301a-推进器安装座，3301b-第一液压马达，3301c-第一旋转轴，3301d-第二液压马达，3301e- 推进涡轮，3301f-第三液压马达；

3400-升降浮箱d；

3500-液压动力部分c；

3600-高压排水泵b；

4000-支护车主体部分：

4100-轨道车；

4101-工字钢轨道，4102-工字钢滚轮；

4200-支护车车架a；

4201-焊接钢架，4202-支护板支撑油缸，4203-轨道车横梁，4204-支护板支撑臂；4205-电磁控制器，4206-活动销轴；

4300-支护车车架b；

4400-支护车车架c；

4500-载货箱；

4510-开口货箱，4520-货箱输送带；

4600-隧道支护板；

4601-隧道支护板弧顶，4602-支护板工字钢，4603-支护板钢架；4604-支护板铰接座；

5000-履带底盘。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施示例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

一种水陆两用隧道建造机器人，由图14所示，包括旋挖钻头1000，掘进机底盘部分2000，支护车底盘部分3000，支护车主体部分4000四部分，其中，旋挖钻头1000和掘进机底盘部分2000 组成隧道掘进机器人，掘进机底盘部分2000由钢架、推进器、输送带等组成，用于固定和承载旋挖钻头1000，可利用推进器在水底水下工作或更换履带底盘5000在陆地工作，利用遥控的方式在水底或陆地开展隧道掘进工作，同时可通过对接机构与支护车底盘部分3000对接联合开展隧道挖掘、支护工作。旋挖钻头1000由三组圆盘钻头和导向钻头组成，三组圆盘钻头两两互相反向转动，用于抵消圆盘钻头对土体产生的转矩力。支护车底盘部分3000由钢架、推进器、高压水泵等组成，用于固定和承载支护车主体部分4000，利用推进器在水底水下工作或更换履带底盘5000在陆地工作，利用遥控的方式在水底或陆地开展隧道支护板的运输和搭建安装工作，同时可通过对接机构与掘进机底盘部分2000的尾部对接固定，联合开展隧道挖掘、土方运输、隧道支护板安装工作。下面对上述各个部分的结构和位置连接关系进行详细描述：

如图5所示，旋挖钻头1000由圆盘钻头a1100，圆盘钻头b1200，圆盘钻头c1300、导向钻头 1400四部分组成，圆盘钻头a1100，圆盘钻头b1200，圆盘钻头c1300由小到大排列，三个圆盘钻头和三个锥形滚齿组成的旋挖钻头1000形成流线形，旋挖钻头在掘进过程中，直径由小到大的钻头依次先后接触土体，旋挖钻头1000旋转过程中，导向钻头1400的三个锥形滚齿和小直径圆盘钻头先在山体挖出并进给出较小直径的洞，用于稳定旋挖钻头1000的掘进方向，随着圆盘钻头的直径扩大至圆盘钻头完全进给隧道内部，洞的直径被逐渐扩大至施工需求，该种进给方式使隧道挖掘过程中岩层土体逐层刮落，既保护了洞臂结构，又有利于稳定旋挖钻头1000的掘进方向和机身稳定，同时也一定程度上减少了掘进阻力，加快掘进效率。上述三个圆盘钻头均安装有带齿挖斗，其形状一端开口大一端开口小，带齿挖斗大开口均朝向圆盘钻头的旋转方向安装，即圆盘钻头向带齿挖斗开口大的方向旋转，相邻圆盘钻头的带齿挖斗朝向相反，所以相邻圆盘钻头的旋转方向相反，朝着导向钻头掘进方向，圆盘钻头a1100旋转方向为顺时针，圆盘钻头b1200旋转方向为逆时针，圆盘钻头c1300旋转方向为顺时针，导向钻头1400旋转方向为逆时针。三组圆盘钻头两两互相反向转动，用于抵消圆盘钻头对土体产生的转矩力，具体受力示意图参看图29，圆盘钻头a1100，圆盘钻头b1200，圆盘钻头c1300，导向钻头1400相邻钻头的旋转方向两两相反，在竖直平面上，其各自对土体作用的切向力如图F1、F2、F3、F4，相邻力的方向两两相反，对于旋挖钻头1000接触的土体整体，在竖直面上收到的切向外力为F1、F2、F3、F4四个力的矢量和，因力的方向相反会导致力的大小部分抵消，减少脆性珊瑚岛礁土体单方向受力大而造成破裂的问题，解决珊瑚岛礁隧道内壁土体受单方向力造成垮塌的问题。其中，圆盘钻头a支架1120支撑和驱动圆盘钻头a1100，圆盘钻头b支架 1220支撑和驱动圆盘钻头b1200，圆盘钻头c支架1320支撑和驱动圆盘钻头c1300，三个圆盘钻头支架两两通过方钢固定连接，并与掘进机底盘支架2101焊接固定，导向钻头1400通过导向钻头固定方钢1422固定于掘进机底盘支架2101上，通过导向钻头动力传递机构1430驱动导向钻头1400 转动，对土体岩壁碾压破碎，实现小孔挖掘导向的功能。下面对上述各个部分的结构和位置连接关系进行详细描述：

圆盘钻头a1100由圆环座a1101，圆环座b1102，带齿挖斗a1103，环形齿条a1104，环形齿条 b1105，液压减速马达a1106，圆盘钻头a支架1120，焊接支架1121，齿轮轴a1122，轴承座1123，齿轮轴安装座1124，齿轮轴b1125，齿轮轴c1126，齿轮轴d1127组成；环形齿条a1104和环形齿条 b1105分别与圆盘钻头a支架1120的齿轮轴a1122、齿轮轴b1125、齿轮轴c1126、齿轮轴d1127上具有的两个齿轮实现啮合，当各齿轮轴转动时可带动环形齿条a1104和环形齿条b1105同步转动；带齿挖斗a1103结构如图6所示，为三面开口的不规则钢板焊接而成，钢板外围表面焊接有钢齿，用于刮碎山体的土体，其结构两端开口，一端开口较大，另一端开口相对较小，圆盘钻头a1100向带齿挖斗a1103的大开口方向旋转。多个带齿挖斗a1103通过螺栓均布固定安装在圆环座a1101，圆环座b1102上，环形齿条a1104和环形齿条b1105焊接固定于圆环座a1101，圆环座b1102的内圈；液压减速马达a1106为液压马达和减速机的组合体，通过高压液压油驱动转动，其输出轴通过联轴器与齿轮轴a1122连接，带动齿轮轴a1122同步转动，齿轮轴带动环形齿条a1104和环形齿条b1105 同步转动，进而驱动圆环座a1101，圆环座b1102和带齿挖斗a1103转动，用于挖掘起刮碎的土体，带齿挖斗a1103旋转到土方输送带2104上方时，內部的土体下落到土方输送带2104上并传送到载货箱4500内部，通过支护车主体部分4000将土方运输带隧道外。若出现稀泥状况，传动带截面设计为V形凹陷形式，其表面横向安装一定高度的橡胶条，用于阻挡稀泥的流动，防止滑落。在水中作业时，在水下沙石和泥土下落轨迹和速度与陆地不同，但是本发明的挖掘方式，带齿挖斗圆周循环从下向上挖掘起沙石、泥土，即使沙石、泥土未掉落至输送带，也会被再次挖掘起。另外，本传送带速度与钻头掘进速度相匹配，水下作业时在满足运输条件下尽可能降低传送速度，沙石掉落到输送带上方后，在自重作用下移动的可能性较小，被传送到载货箱4500内部，通过支护车主体部分 4000将土方运输带隧道外。

圆盘钻头a支架1120的结构如图7所示，其焊接支架1121为高强度方钢焊接而成的钢架，作为圆盘钻头的承载支撑主体，固定于掘进机底盘部分2000的钢架上。轴承座1123固定安装在焊接支架1121的上方，齿轮轴安装座1124通过销轴与焊接支架1121铰接固定；齿轮轴a1122，齿轮轴 b1125，齿轮轴c1126，齿轮轴d1127由传动轴和与其同轴心固定的齿轮组成，齿轮轴的传动轴与轴承座1123的轴承内孔过盈配合，用于支撑和稳定齿轮轴转动。齿轮轴a1122通过联轴器与液压减速马达a1106的输出轴同轴心连接，液压减速马达a1106将动力通过联轴器传递给齿轮轴a1122，进而带动圆盘钻头a1100圆周转动。

圆盘钻头b1200由圆环座c1201，圆环座d1202，带齿挖斗b1203，环形齿条c1204，环形齿条 d1205，液压减速马达b1206，圆盘钻头b支架1220组成；环形齿条c1204和环形齿条d1205分别与圆盘钻头b支架1220的齿轮轴上具有的两个齿轮实现啮合，当各齿轮轴转动时可带动环形齿条c1204 和环形齿条d1205同步转动；带齿挖斗b1203结构如图8所示，为三面开口的不规则钢板焊接而成，钢板外围表面焊接有钢齿，用于刮碎山体的土体，其结构两端开口，一端开口较大，另一端开口相对较小，圆盘钻头b1200向带齿挖斗b1203的大开口方向旋转，与圆盘钻头a1100旋转方向相反。多个带齿挖斗b1203通过螺栓均布固定安装在圆环座c1201，圆环座d1202上，环形齿条c1204和环形齿条d1205焊接固定于圆环座c1201，圆环座d1202的内圈；圆盘钻头b支架1220的结构与圆盘钻头a支架1120的结构相同；液压减速马达b1206为液压马达和减速机的组合体，通过高压液压油驱动转动，其输出轴通过联轴器与齿轮轴连接，带动齿轮轴同步转动，齿轮轴带动环形齿条c1204 和环形齿条d1205同步转动，进而驱动圆环座c1201，圆环座d1202和带齿挖斗b1203转动，用于挖掘起刮碎的土体，带齿挖斗b1203旋转到土方输送带2104上方时，內部的土体下落到土方输送带 2104上并传送到载货箱4500内部，通过支护车主体部分4000将土方运输带隧道外。

圆盘钻头c1300由带齿挖斗c1301，圆环座e1302，圆环座f1303，环形齿条e1304，液压减速马达c1305，钻头固定支座1306，环形齿条f1307，圆盘钻头c支架1320组成；钻头固定支座1306焊接固定于掘进机底盘支架2101的上方，将旋挖钻头1000所受到的力传递给掘进机底盘支架2101。环形齿条e1304和环形齿条f1307分别与圆盘钻头c支架1320的齿轮轴上具有的两个齿轮实现啮合，当各齿轮轴转动时可带动环形齿条e1304和环形齿条f1307同步转动；带齿挖斗c1301结构如图9 所示，为三面开口的不规则钢板焊接而成，钢板外围表面焊接有钢齿，用于刮碎山体的土体，其结构两端开口，一端开口较大，另一端开口相对较小，圆盘钻头c1300向带齿挖斗c1301的大开口方向旋转，与圆盘钻头b1200旋转方向相反。多个带齿挖斗c1301通过螺栓均布固定安装在圆环座 e1302，圆环座f1303上，环形齿条e1304和环形齿条f1307焊接固定于圆环座e1302，圆环座f1303 的内圈；圆盘钻头c支架1320的结构与圆盘钻头a支架1120的结构相同；液压减速马达c1305为液压马达和减速机的组合体，通过高压液压油驱动转动，其输出轴通过联轴器与齿轮轴连接，带动齿轮轴同步转动，齿轮轴带动环形齿条e1304和环形齿条f1307同步转动，进而驱动圆环座e1302，圆环座f1303和带齿挖斗c1301转动，用于挖掘起刮碎的土体，带齿挖斗c1301旋转到土方输送带 2104上方时，內部的土体下落到土方输送带2104上并传送到载货箱4500内部，通过支护车主体部分4000将土方运输带隧道外。

由图10所示，导向钻头1400由滚齿钻头1410，导向钻头传动箱1421，导向钻头固定方钢1422，导向钻头动力传递机构1430组成。导向钻头固定方钢1422由方钢焊接而成，固定于掘进机底盘部分2000的钢架上，用于支撑和稳定导向钻头1400。导向钻头传动箱1421为导向钻头1400的传动箱，用于保护内部的导向钻头动力传递机构1430，并通过轴承固定安装滚齿钻头1410。由图11所示，滚齿钻头1410由滚齿钻头传动轴1401，滚齿钻头基座1402，锥形滚齿a1403，锥形滚齿b1404，锥形滚齿c1405，锥形滚齿轴承轴1406组成；其中，滚齿钻头基座1402为圆形钢制基座，滚齿钻头传动轴1401与其尾部同轴心固定连接，可带动滚齿钻头基座1402同步转动；三个锥形滚齿轴承轴 1406的底座均布在滚齿钻头基座1402的头部，锥形滚齿a1403、锥形滚齿b1404、锥形滚齿c1405 分别与上述三个锥形滚齿轴承轴1406的内圈连接，当滚齿钻头传动轴1401带动滚齿钻头基座1402 转动时，锥形滚齿a1403、锥形滚齿b1404、锥形滚齿c1405与山体壁面接触，对山体土体碾压破碎，掘进出与滚齿钻头1410大小相同的洞，用于导向和约束旋挖钻头1000的掘进方向。

由图12所示，导向钻头动力传递机构1430由液压减速马达d1431，蜗杆减速机1432，滚齿钻头动力传动轴1433，传动轴支撑轴承1434，小齿轮1435，大齿轮1436组成。液压减速马达d1431 固定于导向钻头固定方钢1422的端部，其输出轴与蜗杆减速机1432的输入端通过键槽配合，通过高压液压油驱动转动，带动蜗杆减速机1432同步转动，蜗杆减速机1432的输出端与滚齿钻头动力传动轴1433通过键槽配合连接；传动轴支撑轴承1434的底座固定于导向钻头固定方钢1422的端部上方，轴承内圈与滚齿钻头动力传动轴1433过盈配合，用于稳定支撑滚齿钻头动力传动轴1433正常转动。小齿轮1435与滚齿钻头动力传动轴1433的端部键槽配合，随滚齿钻头动力传动轴1433同步转动，大齿轮1436与滚齿钻头传动轴1401的端部键槽配合，随滚齿钻头传动轴1401同步转动，并与小齿轮1435啮合。液压减速马达d1431将动力传递给蜗杆减速机1432，减速增距后驱动滚齿钻头动力传动轴1433转动，通过小齿轮1435和大齿轮1436再次减速增距，将动力传递给滚齿钻头传动轴1401，进而滚齿钻头基座1402转动时，锥形滚齿a1403、锥形滚齿b1404、锥形滚齿c1405 与山体壁面接触，对山体土体碾压破碎。

如图13所示，掘进机底盘部分2000由掘进机底盘机构2100，升降浮箱a2200，升降浮箱b2300，支撑臂a2400，液压动力部分a2500，液压动力部分b2600，高压排水泵a2700，掘进机对接机构2800 组成；掘进机底盘机构2100用于固定和承载旋挖钻头1000，可推进旋挖钻头1000移动，并控制装置运动方向。掘进机底盘机构2100由掘进机底盘支架2101，推进器a2102，推进器b2103，土方输送带2104组成；其中，掘进机底盘支架2101结构如图14所示，与支护车底盘支架3101结构相同，由高强度槽钢、加固梁焊接而成，具有较高的承载能力。推进器a2102和推进器b2103的结构与推进器c3301的结构相同，通过涡轮反推为装置提供动力，同时利用三个液压马达完成推进方向换向工作，实现多角度推进，各推进器协同配合完成装置的上下、前后、左右移动动作，提高装置的机动灵活性。

如图14、图15、图16所示，土方输送带2104为液压马达驱动的传动带，通过液压马达提供动力，将旋挖钻头1000挖掘的土体运输到装置后方，并通过支护车主体部分4000的货箱将土方运输带隧道外。升降浮箱a2200和升降浮箱b2300的结构与升降浮箱c3300相同，由高强度水箱和两个推进器组成，高强度水箱可承受水底高压环境，利用高压排水泵a2700对升降浮箱a2200和升降浮箱b2300内抽水和排水，当装置需要长距离下沉时，可打开水箱的电磁水阀，海水注入，增加装置的重量，加快装置下称；当装置需要长距离上浮时，利用高压排水泵a2700抽出水箱内的部分水，水箱内达到一定的负压，减轻装置的重量，提高推进器的推进效率，加快装置上浮。支撑臂a2400 的结构由主臂2401，副臂a2402，副臂b2403，液压AGV万向轮a2404，液压AGV万向轮b2405 组成；其结构与吊车伸缩支腿类似，其中，主臂2401为高强度空心方钢，固定焊接于掘进机底盘机构2100的下方，副臂a2402和副臂b2403可通过液压油缸在主臂2401内伸缩，液压AGV万向轮 a2404，液压AGV万向轮b2405安装在副臂a2402和副臂b2403的两端，如图30所示。工作时，副臂a2402和副臂b2403伸出，液压AGV万向轮a2404，液压AGV万向轮b2405的带齿轮子可接触隧道支护板内壁或隧道内壁，液压AGV万向轮a2404和液压AGV万向轮b2405其结构和原理与市场上的AGV移动万向轮相同，区别在于本装置为适应水下环境需求和稳定性，将电动马达更换为液压马达驱动，两个液压马达分别控制万向轮的动力和转向，当液压AGV万向轮a2404和液压AGV 万向轮b2405均触及隧道支护板的内壁或隧道内壁时，其轮子带有钢齿可保证良好的附着力，根据装置倾斜状态和控制指令，人为控制轮子的行走动力和行进方向；当装置需要稳定在原地时，控制动力液压马达停止动力输出，轮子静止并良好的附着在隧道支护板的内壁或隧道内壁，保持装置稳定；当装置需要掘进隧道时，可通过控制动力液压马达控制轮子移动速度，控制转向液压马达进而控制轮子的移动方向，在保证装置稳定的前提下，利用该模块可为装置提供移动动力，推动装置向前掘进或向后移动，并调整装置的掘进方向。当装置需要长距离移动时，副臂a2402和副臂b2403 缩回，装置失去支撑，可通过多组推进器在隧道内移动和调整掘进方向。液压动力部分a2500由水下电机2501，液压泵2502，控制阀2503，液压油储存箱2504组成，水下电机2501通过水上方的船载电源供电，驱动液压泵2502产生高压液压油，通过控制阀2503分配液压油的流向并控制其油路的通断，液压油储存箱2504作为液压油的储存单元，为装置提供液压油；液压动力部分b2600与液压动力部分a2500的结构相同，二者共同为旋挖钻头1000和掘进机底盘部分2000提供动力。

高压排水泵a2700的输出端通过高压水管与升降浮箱a2200和升降浮箱b2300的内部相连，输入端与环境中的水相通，当装置需要长距离下沉时，可打开水箱的电磁水阀，海水注入，增加装置的重量，加快装置下称；当装置需要长距离上浮时，利用高压排水泵a2700抽出水箱内的部分水，水箱内达到一定的负压，减轻装置的重量，提高推进器的推进效率，加快装置上浮。如图17所示，掘进机对接机构2800由对接缓冲装置a2810，对接缓冲装置b2820，磁吸对接板a2831，突起块2832 组成，磁吸对接板a2831通过螺栓固定于掘进机底盘机构2100的端部，对接缓冲装置a2810和对接缓冲装置b2820结构与高铁列车的车厢对接机构相同，当对接缓冲装置a2810、对接缓冲装置b2820 和对接缓冲装置c3210、对接缓冲装置d3220两两连接时，接触头相互配合，油缸锁止，突起块2832 具有磁性，与磁吸对接板b3231上的凹槽相配合相吸，导向磁吸对接板a2831与磁吸对接板b3231 相对接锁止，实现掘进机底盘部分2000和支护车底盘部分3000相连接，二者成为整体，便于开展土体运输和支护板安装工作。

如图18所示，支护车底盘部分3000由支护车底盘机构3100，支护车对接机构3200，升降浮箱 c3300，升降浮箱d3400，液压动力部分c3500，高压排水泵b3600组成。支护车底盘机构3100用于支撑和承载支护车主体部分4000，可推进承载支护车主体部分4000移动，并控制装置运动方向。如图19所示，支护车底盘机构3100由支护车底盘支架3101，凹形横梁3102，支护车对接机构安装座3103，加固梁3104，支撑臂b主臂3105，支撑臂b副臂3106、液压AGV万向轮组成。其中，支护车底盘支架3101由高强度槽钢、加固梁焊接而成，具有较高的承载能力，凹形横梁3102结构如图19所示，焊接固定于支护车底盘支架3101下方，多个凹形横梁3102均布在支护车底盘支架3101 下方，加固支护车底盘支架3101并为工字钢轨道4101提供安装支撑，其斜面与工字钢轨道4101的底面通过螺栓固定连接。支护车对接机构安装座3103焊接固定于支护车底盘支架3101的端部，为支护车对接机构3200提供安装位置；加固梁3104为短槽钢，焊接在支护车底盘支架3101的槽钢之间，用于加固支护车底盘支架3101；支撑臂b主臂3105和支撑臂b副臂3106和支撑臂a2400的结构相同，支撑臂b主臂3105为高强度空心方钢，固定焊接于支护车底盘支架3101的下方，两个支撑臂b副臂3106可通过液压油缸在支撑臂b主臂3105内伸缩，液压AGV万向轮安装在两个支撑臂 b副臂3106的两端，液压AGV万向轮、支撑臂b主臂3105和支撑臂b副臂3106原理同前述支撑臂a2400，工作时，两个支撑臂b副臂3106伸出，稳定整个装置，保证隧道掘进的稳定性。

如图20所示，支护车对接机构3200与掘进机对接机构2800结构相同，由对接缓冲装置c3210，对接缓冲装置d3220，磁吸对接板b3231，锥形突起块3232组成，磁吸对接板b3231通过螺栓固定于支护车对接机构安装座3103的端部，对接缓冲装置c3210和对接缓冲装置d3220结构与高铁列车的车厢对接缓冲装置相同，当对接缓冲装置a2810、对接缓冲装置b2820和对接缓冲装置c3210、对接缓冲装置d3220两两连接时，对接缓冲装置其作用如下：如图32所示，两相对运动装置连接时会发生碰撞，为避免碰撞带来的冲击，对接缓冲装置功能主要用于吸收碰撞时的能量，沿隧道纵向连接受力点为缓冲装置，两个带突起的导向磁吸对接板连接后，是用于抑制平行于导向磁吸对接板的力，防止两装置连接后产生错位扭曲和滑动。对接缓冲装置其结构由钩头，钩身、钩尾三个部分组成、车钩前端粗大的部分称为钩头，在钩头内装有钩舌、钩舌销，锁提销，钩舌推铁和钩锁铁。装置锁闭连接位置时，钩舌被钩锁铁挡住不能向外转开的位置；开锁时，钩锁铁被提起，钩舌只要受到拉力就可以向外转开的位置。摘钩装置断开连接时，只要其中一个车钩处在开锁位置，就可以把两装置分开，上述过程均为控制器控制完成。锥形突起块3232具有磁性，与磁吸对接板b3231上的锥形凹槽相配合相吸，导向磁吸对接板a2831与磁吸对接板b3231相对接锁止，实现掘进机底盘部分2000和支护车底盘部分3000相连接，二者成为整体，便于开展土体运输和支护板安装工作。

如图21所示，升降浮箱c3300结构由推进器c3301，高压密闭水水箱3302，推进器d3303，电磁水阀3304组成；高压密闭水水箱3302可承受水下高压环境下的压力，利用高压排水泵b3600对升降浮箱c3300和升降浮箱d3400内抽水和排水，当装置需要长距离下沉时，可打开水箱的电磁水阀3304，海水自动注入，增加装置的重量，加快装置下称；当装置需要长距离上浮时，利用高压排水泵b3600抽出水箱内的部分水，水箱内达到一定的负压，减轻装置的重量，提高推进器的推进效率，加快装置上浮。推进器c3301和推进器d3303按照如图21所示结构，固定于高压密闭水水箱3302 的两侧，通过涡轮反推为装置提供动力，同时利用三个液压马达完成推进方向换向工作，实现多角度推进，各推进器协同配合完成装置的上下、前后、左右移动动作，提高装置的机动灵活性。如图 22所示，推进器c3301由推进器安装座3301a，第一液压马达3301b，第一旋转轴3301c，第二液压马达3301d，推进涡轮3301e，第三液压马达3301f组成；推进器安装座3301a作为安装基座，第一液压马达3301b固定于推进器安装座3301a的内部，其输出轴与第一旋转轴3301c相连，可带动第一旋转轴3301c同步转动，第二液压马达3301d固定于第一旋转轴3301c的侧壁，其输出轴与第三液压马达3301f连接，第三液压马达3301f同时通过销轴与第一旋转轴3301c的端部铰接，第二液压马达3301d可带动第三液压马达3301f整体绕着第二液压马达3301d的轴线移动，推进涡轮3301e固定于第三液压马达3301f的输出轴端部，由第三液压马达3301f驱动转动；利用三个液压马达协同配合完成涡轮推进方向换向工作，实现多角度推进，各推进器协同配合完成装置的上下、前后、左右移动动作。升降浮箱d3400与升降浮箱c3300结构相同，通过快接圆盘基座与支护车底盘支架3101 的下部连接，当水下工作时，使用升降浮箱d3400与升降浮箱c3300支撑和移动，当装置陆地工作时，可切换使用履带底盘5000在陆地运行，开展陆地隧道掘进和支护工作。

液压动力部分c3500结构与液压动力部分a2500结构相同，水下电机驱动通过水上方的船载电源供电，驱动液压泵产生高压液压油，通过控制阀分配液压油的流向并控制其油路的通断，液压油储存箱作为液压油的储存单元，为装置提供液压油；为支护车底盘部分3000和支护车主体部分4000 提供动力。高压排水泵b3600的输出端通过高压水管与升降浮箱d3400与升降浮箱c3300的内部相连，输入端与环境中的水相通，当装置需要长距离下沉时，可打开水箱的电磁水阀，海水注入，增加装置的重量，加快装置下称；当装置需要长距离上浮时，利用高压排水泵b3600抽出水箱内的部分水，水箱内达到一定的负压，减轻装置的重量，提高推进器的推进效率，加快装置上浮。

如图23所示，支护车主体部分4000由轨道车4100，支护车车架a4200，支护车车架b4300，支护车车架c4400，载货箱4500，隧道支护板4600组成；轨道车4100用于支撑和移动支护车车架a4200，支护车车架b4300，支护车车架c4400。支护车车架a4200，支护车车架b4300，支护车车架c4400 三者共同支撑和安装隧道支护板4600，隧道支护板4600用于支撑隧道土体内壁。下面对上述各部分的结构和逻辑连接关系进行详细描述：

轨道车4100由工字钢轨道4101，工字钢滚轮4102组成，如图24所示结构，工字钢轨道4101 二者倾斜固定安装于凹形横梁3102的两端斜面上，可提高轨道车4100的承载能力和稳定性。工字钢滚轮4102为带有液压马达的工字钢滚轮，利用液压马达驱动工字钢滚轮转动，工字钢滚轮与工字钢轨道4101配合，工字钢滚轮4102可沿着工字钢轨道4101的轴线方向移动。支护车车架a4200，支护车车架b4300，支护车车架c4400三者结构相同，支护车车架a4200由焊接钢架4201，支护板支撑油缸4202，轨道车横梁4203，支护板支撑臂4204，电磁控制器4205，活动销轴4206组成；焊接钢架4201为方钢和角钢组合焊接而成的钢架结构，其底部通过螺栓固定于工字钢滚轮4102的上方，用于支撑和承载隧道支护板4600；支护板支撑油缸4202为伸缩式油缸，按照如图24结构安装于支护车车架的周围，其伸缩端的端部固定有Y型铰接座，通过活动销轴4206与隧道支护板铰接座4604铰接；电磁控制器4205固定于Y型铰接座的侧壁，其活动销轴4206与Y型铰接座的销孔同轴心配合；在支护车车架a4200，支护车车架b4300，支护车车架c4400的上方和两个侧面分别可通过支护板支撑油缸4202支撑三块隧道支护板，三块隧道支护板之间通过铰接座连接，三块隧道支护板之间的角度可通过支护板支撑油缸4202调节，便于支护板进入隧道；当隧道支撑板从支护车车架上脱离时，三块隧道支护板下落到隧道内部，完成隧道支护。

需要说明的是，支护车主体部分4000的工字钢轨道4101固定安装于凹形横梁3102的两端斜面上，工字钢轨道4101长度较长，相对于支护车底盘部分3000伸出去悬空一定的长度，当掘进机底盘部分2000与支护车底盘部分3000对接后，悬空的工字钢轨道4101位于掘进机底盘部分2000的正上方，但承载受力为支护车底盘部分3000。工字钢滚轮在工字钢轨道4101上行走，但不会与掘进机底盘部分2000发生干涉。

如图26所示，载货箱4500由开口货箱4510，货箱输送带4520组成；开口货箱4510为三面开口的钢制矩形容器，固定于支护车车架a4200，支护车车架b4300，支护车车架c4400的内侧，货箱输送带4520由液压马达驱动，可传送开口货箱4510内的土体到装置尾部。磁吸对接板a2831与磁吸对接板b3231对接锁止，掘进机底盘部分2000和支护车底盘部分3000相连接，二者成为整体，当带齿挖斗旋转到土方输送带2104上方时，內部的土体下落到土方输送带2104上并传送到载货箱 4500内部，土方输送带2104在传送土体时，工字钢滚轮4102可沿着工字钢轨道4101的轴线方向移动，支护车车架a4200，支护车车架b4300，支护车车架c4400三者带动载货箱4500沿着工字钢轨道4101的轴线移动，便于装满载货箱4500的中间及两端，解决土体在载货箱局部堆积的问题，土体在载货箱4500内装满后，掘进机底盘部分2000和支护车底盘部分3000控制对接机构，二者脱离断开连接，支护车主体部分4000将土方运输带隧道外，开启货箱输送带4520将货箱内的土方传送到装置外，完成土方从隧道内运输到隧道外的工作。

如图27所示，隧道支护板4600由隧道支护板弧顶4601，支护板工字钢4602，支护板钢架4603，支护板铰接座4604组成；支护板工字钢4602作为隧道支护板4600的龙骨承载梁，支护板钢架4603 为焊接的弧形钢架，用于支撑和承载隧道支护板弧顶4601，隧道支护板弧顶4601为圆弧形的钢板，安装后与隧道内壁的土体接触，对隧道内壁土体提供支撑，防止土体下落；支护板铰接座4604作为支护板之间的铰接节点，将三块支护板拼接成为隧道的半圆形结构。同时为支护板支撑油缸4202的铰接端提供连接。

工作时，支护车主体部分4000上浮到水面上方，吊装船将隧道支护板4600吊装到支护车车架 a4200，支护车车架b4300，支护车车架c4400的三个油缸安装面，支护板铰接座4604与支护板支撑油缸4202伸缩端的Y型铰接座销孔同轴心，电磁控制器4205通电时利用电磁力推出活动销轴4206，将支护板铰接座4604与支护板支撑油缸4202伸缩端的Y型铰接座铰接连接，三块隧道支护板与支护车车架铰接连接，控制多组支护板支撑油缸4202伸缩动作，调整三块隧道支护板4600的相对位置，使三块铰接的支护板收缩，外围尺寸小于隧道内壁，两侧的支护板下端收缩靠向装置，顶部铰接的支护板会降低高度便于进入隧道内，底部第四块的支护板两端设计时开设有凹槽，可卡住两侧的支护板的支撑钢架，第四块支护板平放在两侧的支护板端部，即第四块支护板依靠两侧的支护板支撑在下方，具体放置方式如图33，整个环形支护板以缩小体积便于进入隧道。控制支护车主体部分4000下沉到水下，利用涡轮推进运输到隧道内。

控制支护车主体部分4000进入隧道，将磁吸对接板a2831与磁吸对接板b3231对接锁止，掘进机底盘部分2000和支护车底盘部分3000相连接，二者成为整体，控制多组支护板支撑油缸4202伸缩动作，调整环形隧道支护板4600的相对位置，直至隧道支护板展开能支撑住隧道土体内壁。旋挖钻头工作掘进时，工字钢滚轮4102同步向前，接触到土体隧道时，控制支护板支撑油缸将两侧隧道支护板的底部张开，第四块支护板在重力缓慢下落到隧道底部，控制支护板支撑油缸将两侧的支护板下方的凸起与第四块底部支护板设计的凹槽对接，控制电磁控制器4205断电，电磁力消失，活动销轴4206在电磁控制器4205内的弹簧拉力下缩回进电磁控制器4205内部，将支护板铰接座4604 与支护板支撑油缸4202伸缩端的Y型铰接座脱离，电磁控制器4205将活动销轴4206缩回，两侧的支护板与装置脱离，进而顶部支护板同样与装置完成脱离，底部隧道支护板和三块铰接的隧道支护板4600落地于隧道内，完成隧道支护板的安装工作。

如图28所示，履带底盘5000为液压驱动的常规履带底盘，可通过快接与装置的对接部分螺栓连接，同时接入液压控制油路，可切换在陆地工作，完成陆地隧道掘进和支护板安装工作。本装置的底盘下方有浮箱和履带底盘的对接安装圆盘，通过螺栓固定连接。水下工作时，起吊机投放装置到水下前，利用吊机辅助将装置底盘与水箱对接，工人连接螺栓，组装完成即可投入水下使用；陆地工作时，在装置运输之前，利用吊机辅助将装置底盘与履带底盘对接，工人连接螺栓，组装完成即可投入陆地使用。

下面参照图1-33并结合上述结构技术特征的描述，对本发明的水陆两用隧道建造机器人的工作原理进行介绍：

旋挖钻头1000由圆盘钻头a1100，圆盘钻头b1200，圆盘钻头c1300、导向钻头1400四部分组成，其中圆盘钻头a支架1120支撑和驱动圆盘钻头a1100，圆盘钻头b支架1220支撑和驱动圆盘钻头b1200，圆盘钻头c支架1320支撑和驱动圆盘钻头c1300，三个圆盘钻头支架两两通过方钢固定连接，并与掘进机底盘支架2101焊接固定，导向钻头1400通过导向钻头固定方钢1422固定于掘进机底盘支架2101上，通过导向钻头动力传递机构1430驱动导向钻头1400转动，对土体岩壁碾压破碎，实现小孔挖掘导向的功能。

掘进机底盘机构2100用于固定和承载旋挖钻头1000，可推进旋挖钻头1000移动，并控制装置运动方向。掘进机底盘机构2100由掘进机底盘支架2101，推进器a2102，推进器b2103，土方输送带2104组成；其中，掘进机底盘支架2101结构如图11所示，与支护车底盘支架3101结构相同，由高强度槽钢、加固梁焊接而成，具有较高的承载能力。推进器a2102和推进器b2103的结构与推进器c3301的结构相同，通过涡轮反推为装置提供动力，同时利用三个液压马达完成推进方向换向工作，实现多角度推进，各推进器协同配合完成装置的上下、前后、左右移动动作，提高装置的机动灵活性。高压排水泵a2700的输出端通过高压水管与升降浮箱a2200和升降浮箱b2300的内部相连，输入端与环境中的水相通，当装置需要长距离下沉时，可打开水箱的电磁水阀，海水注入，增加装置的重量，加快装置下称；当装置需要长距离上浮时，利用高压排水泵a2700抽出水箱内的部分水，水箱内达到一定的负压，减轻装置的重量，提高推进器的推进效率，加快装置上浮。

支护车底盘机构3100用于支撑和承载支护车主体部分4000，可推进承载支护车主体部分4000 移动，并控制装置运动方向。工作时，两个支撑臂b副臂3106伸出，通过控制液压AGV万向轮静止与行走，稳定整个装置，保证隧道掘进的稳定性；移动时，两个支撑臂b副臂3106缩回，装置失去支撑，可通过多组推进器在隧道内移动和调整掘装置的移动方向，便于隧道支护板的运输和安装工作。当装置需要长距离下沉时，可打开水箱的电磁水阀3304，海水自动注入，增加装置的重量，加快装置下称；当装置需要长距离上浮时，利用高压排水泵b3600抽出水箱内的部分水，水箱内达到一定的负压，减轻装置的重量，提高推进器的推进效率，加快装置上浮。推进器c3301和推进器 d3303按照如图18结构固定于高压密闭水水箱3302的两侧，通过涡轮反推为装置提供动力，同时利用三个液压马达完成推进方向换向工作，实现多角度推进，各推进器协同配合完成装置的上下、前后、左右移动动作，提高装置的机动灵活性。

土体运输时，当带齿挖斗旋转到土方输送带2104上方时，內部的土体下落到土方输送带2104 上并传送到载货箱4500内部，土方输送带2104在传送土体时，工字钢滚轮4102可沿着工字钢轨道 4101的轴线方向移动，支护车车架a4200，支护车车架b4300，支护车车架c4400三者带动载货箱 4500沿着工字钢轨道4101的轴线移动，便于装满载货箱4500的中间及两端，解决土体在载货箱局部堆积的问题，土体在载货箱4500内装满后，掘进机底盘部分2000和支护车底盘部分3000控制对接机构，二者脱离断开连接，支护车主体部分4000将土方运输带隧道外，开启货箱输送带4520将货箱内的土方传送到装置外，完成土方从隧道内运输到隧道外的工作。

工作时，支护车主体部分4000上浮到水面上方，吊装船将隧道支护板4600吊装到支护车车架 a4200，支护车车架b4300，支护车车架c4400的三个油缸安装面，支护板铰接座4604与支护板支撑油缸4202伸缩端的Y型铰接座销孔同轴心，电磁控制器4205通电时利用电磁力推出活动销轴4206，将支护板铰接座4604与支护板支撑油缸4202伸缩端的Y型铰接座铰接连接，三块隧道支护板与支护车车架铰接连接，控制多组支护板支撑油缸4202伸缩动作，调整三块隧道支护板4600的相对位置，使三块铰接的支护板收缩，外围尺寸小于隧道内壁，控制支护车主体部分4000下沉到水下，利用涡轮推进运输到隧道内。隧道支护板的钢架内壁钢架的上方，生产时会焊接有承载钢板，隧道内壁形成平面四壁。

本装置的副臂a2402和副臂b2403伸出，液压AGV万向轮a2404，液压AGV万向轮b2405的带齿轮子既可接触隧道支护板内壁也可接触隧道土体内壁。工作时，支护车主体部分4000上的单个环形支护板相互独立，初始装载环形支护板后，带有环形支护板的支护车主体部分4000初始位置在支护车底盘部分3000的偏后位置，支撑臂在环形支护板内处于缩回状态；而掘进机底盘部分2000 的支撑臂处于伸出支撑状态；当支护车底盘部分3000与掘进机底盘部分2000对接固定时，单个环形支护板并不会触及到掘进机底盘部分2000的支撑臂；本装置的两个支撑臂之间距离可容纳三个完整环形支护板的宽度，当支护车主体部分4000向前移动到掘进机底盘部分2000的支撑臂位置时，支护车底盘部分3000的支撑臂伸出，液压AGV万向轮的带齿轮子接触隧道支护板内壁并支撑住装置。掘进机底盘部分2000的支撑臂缩回，支护车主体部分4000可继续向前移动至钻头附近，掘进钻头可继续工作，支护板也可同步向前移动支撑隧道。支护车底盘部分3000与掘进机底盘部分2000 刚性连接，二者的支撑臂可交替切换使用即可稳定整个装置的正常工作。

掘进机底盘部分2000隧道内掘进移动时是靠两个支撑臂的液压AGV万向轮配合推进的，在长距离转场移动时未被隧道支护板包裹，不会对推进产生影响；关于支护车底盘部分3000的移动，(1) 推进器推进产生的尾流会反方向冲击隧道支护板，造成支护板受到与推进方向相反的力，影响装置推动效率，但本装置设计时将推进器与支护板的距离设置的较大，水具有一定的粘度，反推的尾流在长距离流动后会向各个方向消散，动量大幅减小，实际冲击到隧道支护板的力较小，对装置的推进虽有影响，但相对于推进器获得推力是较小的一部分。(2)为减少上述影响，支护车底盘部分3000 上方在装载三组环形支护板后，其中升降浮箱d3400和升降浮箱c3300的相邻的推进器位于环形支护板内，二者主要用于装置轴线方向的前进后退动力控制，其反推的水流主要沿着环形隧道轴线方向，减少隧道支护板受水流冲击力的影响；升降浮箱d3400和升降浮箱c3300的外侧两端推进器位于环形隧道支护板的边缘外，推进产生的水流绝大部分流向装置外，不会因水流对环形支护板产生较大的反力，因此外侧两端推进器则主要用于支护车底盘部分3000的转向和姿态调整。当隧道支护板卸载后，所有推进器即可正常各方向推进搭配使用。

当有支护板在支护车底盘部分3000部分时，隧道掘进与支护需要同时配合进行工作，会灵活调用另一个空载支护车部分对接在装置后方，通过第一个的支护车主体部分4000内的传送带将土体传送到第二个支护车主体部分4000，使用第二个空载的支护车主体部分4000运输土体。同时，多台支护车主体部分4000可灵活调用运输支护板，当第一台支护车主体部分4000的支护板支护完后，掘进机停止工作，掘进机底盘部分2000的支撑臂伸出辅助稳定装置并断开与第一台支护车主体部分 4000的连接，第一台支护车主体部分4000移动到隧道岔口或隧道外，第二台在隧道岔口或隧道外提前装配完支护板的支护车主体部分4000可进入隧道，与掘进机底盘部分2000对接，完成第一台支护车主体部分4000的工作，依次按照上述循环工作。

控制支护车主体部分4000进入隧道，将磁吸对接板a2831与磁吸对接板b3231对接锁止，掘进机底盘部分2000和支护车底盘部分3000相连接，二者成为整体，控制多组支护板支撑油缸4202伸缩动作，调整三块隧道支护板4600的相对位置，直至隧道支护板展开支撑住隧道土体内壁。控制电磁控制器4205断电，电磁力消失，活动销轴4206在电磁控制器4205内的弹簧拉力下缩回进电磁控制器4205内部，将支护板铰接座4604与支护板支撑油缸4202伸缩端的Y型铰接座脱离，三块铰接的隧道支护板4600落地于隧道内，完成隧道支护板的安装工作。

在陆地上使用时，在装置运输之前，利用吊机辅助将装置底盘与履带底盘对接，工人连接螺栓，履带可直接在隧道支护板上的承载钢板上行走，在工作时，无需支撑臂的辅助固定，依靠装置的自重即可稳定装置。掘进、支护过程与上述水下工作过程相同。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解得到的变换或者替换，都应该涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (10)

1.一种旋挖钻头，其特征在于，包括：

直径由小到大依次排布、内部具有空腔的三组圆盘钻头，

所述圆盘钻头包括两组并排设置的圆环座、设置于这两组圆环座外周的多个带齿挖斗以及分别设置于这两组圆环座内侧的环形齿条，所述带齿挖斗外周设置有钢齿，其两端具有的开口大小不同；

相邻的圆盘钻头上具有的带齿挖斗朝向相反，且圆盘钻头均朝向大开口方向旋转，使得这三组圆盘钻头两两互相反向转动；还包括

与这三组圆盘钻头数量相适配的、并用于支撑和驱动这三组圆盘钻头的三个圆盘钻头支架，这三个圆盘钻头支架两两之间连接；以及

头端布设于最小直径圆盘钻头的前端、尾端贯穿这三组圆盘钻头的导向钻头。

2.根据权利要求1所述的旋挖钻头，其特征在于，所述圆盘钻头支架包括作为承载圆盘钻头的焊接支架、设置于所述焊接支架上的多个轴承座以及与多个所述轴承座过盈配合的多个齿轮轴，所述环形齿条与齿轮轴上具有的齿轮啮合，其中的一个齿轮轴通过联轴器与液压减速马达的输出轴同轴心连接，所述液压减速马达将动力通过联轴器传递给齿轮轴，进而带动圆盘钻头圆周转动。

3.根据权利要求1所述的旋挖钻头，其特征在于，所述导向钻头包括依次设置的滚齿钻头、导向钻头传动箱以及导向钻头固定方钢，所述导向钻头传动箱内设置有导向钻头动力传递机构；所述导向钻头包括滚齿钻头基座、均布在所述滚齿钻头基座头部的三个锥形滚齿轴承轴以及与这三个锥形滚齿轴承轴内圈分别连接的三个锥形滚齿，所述滚齿钻头基座尾部同轴心连接有滚齿钻头传动轴，用于带动滚齿钻头基座同步转动。

4.一种水陆两用隧道建造机器人，其特征在于，包括权利要求1-3中任一项所述的旋挖钻头，还包括掘进机底盘部分、与所述掘进机底盘部分通过对接机构连接的支护车底盘部分以及设置于所述支护车底盘部分上的支护车主体部分；

所述掘进机底盘部分包括用于固定和承载所述旋挖钻头的掘进机底盘机构，所述掘进机底盘机构包括掘进机底盘支架以及设置于所述掘进机底盘支架两侧的两组朝向不同的推进器，所述掘进机底盘支架上方一侧设置有土方输送带；

所述掘进机底盘机构设置有土方输送带的这一端延伸至这三组圆盘钻头内部具有的空腔中，所述土方输送带通过液压马达提供动力，将所述旋挖钻头挖掘的土体运输到后方。

5.根据权利要求4所述的水陆两用隧道建造机器人，其特征在于，所述支护车底盘部分包括支护车底盘机构，所述支护车底盘机构包括支护车底盘支架、设置于所述支护车底盘支架下方的多个凹形横梁、设置于所述支护车底盘支架端部的支护车对接机构安装座，所述支护车对接机构安装座上安装有支护车对接机构。

6.根据权利要求5所述的水陆两用隧道建造机器人，其特征在于，所述支护车对接机构包括磁吸对接板、与磁吸对接板连接的对接缓冲装置以及设置于所述磁吸对接板对接端的突起块和凹槽，所述支护车对接机构与掘进机底盘部分具有的掘进机对接机构结构相同；所述支护车对接机构具有的对接缓冲装置与掘进机对接机构具有的对接缓冲装置对接；同时突起块具有磁性，两磁吸对接板通过突起块和凹槽相配合相吸，对接锁止，实现掘进机底盘部分和支护车底盘部分连接。

7.根据权利要求4或5所述的水陆两用隧道建造机器人，其特征在于，所述掘进机底盘机构和支护车底盘机构下方均设置有升降浮箱和支撑臂，所述升降浮箱内部通过高压水管与高压排水泵连接，所述高压排水泵用于对升降浮箱内抽水和排水；所述支撑臂包括主臂、以及通过液压油缸在所述主臂两端伸缩的副臂，在副臂端头均设置有液压AGV万向轮。

8.根据权利要求7所述的水陆两用隧道建造机器人，其特征在于，所述升降浮箱包括高压密闭水水箱以及设置于所述高压密闭水水箱相对两侧的朝向不同的两组推进器；所述推进器包括推进器安装座以及设置于所述推进器安装座内的第一液压马达，所述第一液压马达的输出轴与第一旋转轴相连，可带动第一旋转轴同步转动；第二液压马达设置于所述第一旋转轴的侧壁，其输出轴与第三液压马达连接，所述第三液压马达同时通过销轴与第一旋转轴的端部铰接，第二液压马达可带动第三液压马达整体绕着第二液压马达的轴线移动，推进涡轮设置于第三液压马达的输出轴端部，由第三液压马达驱动转动，利用三个液压马达协同配合完成涡轮推进方向换向工作，实现多角度推进。

9.根据权利要求4所述的水陆两用隧道建造机器人，其特征在于，所述支护车主体部分包括由工字钢轨道、工字钢滚轮组成的轨道车，所述工字钢轨道倾斜设置于凹形横梁的两端斜面上，所述工字钢滚轮与工字钢轨道配合并沿着工字钢轨道的轴线方向移动；在所述工字钢滚轮上端设置有支护车车架，所述支护车车架包括用于支撑和承载隧道支护板的焊接钢架，支护板支撑油缸设置于所述支护车车架的四周，其伸缩端的端部设置有Y型铰接座，通过活动销轴与隧道支护板铰接座铰接，电磁控制器设置于Y型铰接座的侧壁，其活动销轴与Y型铰接座的销孔同轴心配合，在三个支护车车架的上方和两个侧面分别通过支护板支撑油缸支撑三块隧道支护板，三块隧道支护板之间通过铰接座连接，三块隧道支护板之间的角度可通过支护板支撑油缸调节。

10.根据权利要求9所述的水陆两用隧道建造机器人，其特征在于，所述支护车车架内设置有载货箱，所述载货箱包括开口货箱以及设置于所述开口货箱内的货箱输送带，所述货箱输送带由液压马达驱动，可传送开口货箱内的土体到装置尾部；所述隧道支护板包括弧形的支护板钢架、设置于所述支护板钢架上的支护板弧顶以及设置于所述支护板钢架上的支护板铰接座，所述支护板铰接座作为支护板之间的铰接节点，将三块支护板拼接成为隧道的半圆形结构。

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