CN114856595A - 双盾壳分离式全断面超前预裂隧道掘进机及其掘进方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双盾壳分离式全断面超前预裂隧道掘进机，包括连接有刀盘（1）的主发动机（6）、分离式的内盾壳（4）和外盾壳（2）、连接内盾壳（4）和环形架（96）的伸缩油缸Ⅰ（8）、与外盾壳（2）相连接的且位于外盾壳（2）与内盾壳（4）之间的滑动支撑（7）和位于环形架（96）上的全断面超前预裂机构（9），环形架（96）与外盾壳（2）相连且平行位于刀盘（1）的后方，内盾壳（4）与主发动机（6）相连。本发明还公开了双盾壳分离式全断面超前预裂隧道掘进机的掘进方法。本发明有效解决了现有隧道掘进机滚刀损耗快，硬岩掘进难的问题。

Description

双盾壳分离式全断面超前预裂隧道掘进机及其掘进方法

技术领域

本发明属于地下工程施工机械及工法技术领域，具体涉及一种双盾壳分离式全断面超前预裂隧道掘进机及其掘进方法，尤其涉及一种可伸缩的双盾壳分离式全断面超前预裂隧道掘进机及工艺方法。

背景技术

隧道掘进机是一种用于隧道掘进的机械，其主要手段是使用滚刀对硬岩进行破碎，然而随着隧道掘进技术的不断发展，单纯使用滚刀破岩的效益难以满足人们的需求，尤其是高硬岩隧道，对滚刀磨损极大以致需要频繁换刀，增加了经济成本、时间成本以及危险性。

目前的现有技术，虽然提出了多种辅助手段帮助掘进机进行破岩，然而技术尚不成熟，同时难以实现超前预裂。

发明内容

为解决现有隧道掘进机滚刀损耗快，硬岩掘进难的问题，本发明提出了一种双盾壳分离式全断面超前预裂隧道掘进机。

同时，本发明还提供一种双盾壳分离式全断面超前预裂隧道掘进机的掘进方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

双盾壳分离式全断面超前预裂隧道掘进机，包括连接有刀盘的主发动机、分离式的内盾壳和外盾壳、连接内盾壳和环形架的伸缩油缸Ⅰ、与外盾壳相连接的且位于外盾壳与内盾壳之间的滑动支撑和位于环形架上的全断面超前预裂机构，环形架与外盾壳相连且平行位于刀盘的后方，内盾壳与主发动机相连。

全断面超前预裂机构包括钻裂臂、伸缩油缸Ⅱ、伸缩杆、支撑架、护臂、环形架和旋转装置；伸缩油缸Ⅱ由若干对长伸缩油缸和短伸缩油缸组成，长伸缩油缸连接钻裂臂下方的短伸缩油缸和伸缩杆；伸缩杆的末端位于与护臂内，护臂与环形架固定连接，伸缩杆穿过护臂与环形架与旋转装置相连；支撑架连接护臂和环形架；钻裂臂与超临界混相流体储存室相连。

本发明的双盾壳分离式全断面超前预裂隧道掘进机，还包括与内盾壳相连接的人舱；主发动机设置于发动机支架内，发动机支架通过连板与内盾壳固定连接，人舱位于内盾壳与主发动机之间，且位于连板的后方。

本发明的双盾壳分离式全断面超前预裂隧道掘进机，还包括运送渣石的履带式运输机；溜渣板位于履带式运输机和外盾壳之间，并与内盾壳固定相连。

旋转装置包括旋转电机。

主发动机、伸缩油缸Ⅰ、伸缩油缸Ⅱ、旋转装置和钻裂臂均与电源和控制器相连。

双盾壳分离式全断面超前预裂隧道掘进机的掘进方法，包括以下步骤：

S1，检查仪器设备；

S2，通过调节伸缩油缸Ⅰ，将掘进机调整为预裂模式，即连接有主发动机的内盾壳向环形架移动，连接超临界混相流体储存室的钻裂臂探出刀盘外；

S3，通过控制伸缩油缸Ⅱ和旋转装置实现钻裂臂工作范围内的全方位旋转定位；

S4，定位后，驱动钻裂臂进行超深打孔，打孔完成后进行超临界流体脉冲预裂；

S5，重复S4，对目标孔位进行预裂；

S6，收回钻裂臂并叠合，调节伸缩油缸Ⅰ，将掘进机调整为掘进模式；

S7，转动刀盘开始掘进，并启动履带运输机搬运碎石；

S8，重复S1到S7。

S1中，在工作前检查伸缩油缸Ⅰ和伸缩油缸Ⅱ能否正常工作、钻裂臂与超临界混相流体储存室管路连接是否正常、内盾壳和刀盘角度是否倾斜。

S3中，短伸缩油缸用于控制钻裂臂的前后移动，长伸缩油缸用于控制钻裂臂的上下移动。

S3中，超深打孔的深度至少为10m。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供一种双盾壳分离式全断面超前预裂隧道掘进机及其掘进方法，创造性地提出通过气动力实现超前预裂的隧道掘进机，同时创设性地实现可伸缩的前端机构以及分离式双盾壳结构，并解决了目前硬岩隧道中掘进机掘进速率慢、换刀频繁以至于成本较高的难题。本发明使用工作范围覆盖全断面的气动力钻裂臂进行超前预裂，大大降低硬岩掘进的难度，减少刀具磨损，提高掘进速率，同时颠覆了固有的端头设计，实现掘进机前端机构的可伸缩性，为掘进机的进一步发展提供帮助。

附图说明

图1为本发明的隧道掘进机的结构示意图；

图2为本发明的全断面超前预裂机构的结构示意图；

图3为图2的左视图；

图中：1、刀盘；2、外盾壳；3、溜渣板；4、内盾壳；5、人舱；6、主发动机；7、滑动支撑；8、伸缩油缸Ⅰ；9、全断面超前预裂机构；10、履带式运输机；91、钻裂臂；92、伸缩油缸Ⅱ；93、伸缩杆；94、支撑架；95、护臂；96、环形架；97、旋转装置；98、钻裂臂工作范围。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，以下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条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，一种双盾壳分离式全断面超前预裂隧道掘进机，分为预裂模式和掘进模式，包括连接有刀盘1的主发动机6、分离式的内盾壳4和外盾壳2，与内盾壳4相连接的人舱5和溜渣板3、连接内盾壳4和环形架96的伸缩油缸Ⅰ8、与外盾壳2相连接的滑动支撑7和全断面超前预裂机构9、运送渣石的履带式运输机10。

所述内盾壳4和外盾壳2彼此分离，外盾壳2作为防护主体，对舱室进行保护，内盾壳4作为移动模块主体，在模式切换时带动刀盘1和主发动机6移动。

所述滑动支撑7与外盾壳2相连接，对内盾壳4起支撑作用同时保证内盾壳4的顺利滑动。

如图2和图3所示，所述全断面超前预裂机构9，包含钻裂臂91、伸缩油缸Ⅱ92、伸缩杆93、支撑架94、护臂95、环形架96和旋转装置97，环形架96与外盾壳2刚性连接。

所述伸缩油缸Ⅱ92，由两对长、短两个伸缩油缸组成，短伸缩油缸主要控制钻裂臂91的前后移动，同时可通过伸缩杆93辅助钻裂臂91的前后移动，长伸缩油缸主要控制钻裂臂91的上下移动，长伸缩油缸连接短伸缩油缸和伸缩杆93，通过短伸缩油缸连接长伸缩油缸和钻裂臂91，通过控制长、短伸缩油缸的移动实现钻裂臂91在该平面内的自由旋转和移动；

所述伸缩杆93，与护臂95紧密贴合，但没有刚性连接，其中护臂95主要功能为约束伸缩杆93的形变，减小最大荷载；伸缩杆93与旋转装置97连接，并通过伸缩油缸Ⅱ92连接钻裂臂91，当旋转装置97开始旋转时，带动钻裂臂91进行旋转，从而实现钻裂臂工作范围98内任意位置的钻裂工作。

所述支撑架94连接护臂95和环形架96，支撑架94与护臂95和环形架96之间形成稳固的三角形结构，维持钻裂臂91的稳定作业；

所述钻裂臂91连接后方的超临界混相流体储存室（图中未示出），同时具备钻孔和超深孔超临界流体预裂功能。

实施例2

一种双盾壳分离式全断面超前预裂隧道掘进机的掘进方法。其步骤包含：

（1）在工作前检查伸缩油缸Ⅰ8和伸缩油缸Ⅱ92能否正常工作、钻裂臂91与超临界混相流体储存室管路连接是否正常、内盾壳4和刀盘1角度是否倾斜；需保证伸缩油缸Ⅰ8和伸缩油缸Ⅱ92正常工作、钻裂臂91与超临界混相流体储存室管路连接正常、内盾壳4和刀盘1角度不倾斜；

（2）通过控制伸缩油缸Ⅰ8收缩，将掘进机调整为预裂模式，即由伸缩油缸Ⅰ8带动包含刀盘1、主发动机6和内盾壳4的移动模块向环形架96移动直至四只连接超临界混相流体储存室的钻裂臂91探出刀盘1外；

（3）通过控制伸缩油缸Ⅱ92和旋转装置97实现钻裂臂工作范围98内的全方位旋转定位，其中短伸缩油缸主要控制钻裂臂91的前后移动，同时可通过伸缩杆93辅助钻裂臂91的前后移动，长伸缩油缸主要控制钻裂臂91的上下移动，通过两组伸缩油缸的配合实现钻裂臂的平面转动，通过环形架96后的旋转装置97实现钻裂臂91的空间转动；

（4）通过移动和转动、调整孔位和倾角后，驱动钻裂臂91进行打孔，打孔完成后进行超临界流体脉冲预裂，具体方法为使用高频电磁感应发热对超临界混相流体进行加热，使其快速相变膨胀，达到冲击致裂的目的，该设备目前已有，为现有设备；

（5）重复步骤（4），对设计的每一个目标孔位进行预裂；

（6）收回钻裂臂91并叠合成图2所示状态以便缩进刀盘1内，缩短伸缩杆93至初始状态（最短），调节伸缩油缸Ⅰ8，将掘进机调整为掘进模式，即图1所示模式；

（7）转动刀盘1开始掘进，同步启动履带运输机10搬运碎石；

（8）重复步骤（1）到步骤（7）。

本实施例中，超前预裂为至少超前10m预裂。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语 “上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”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，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。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.双盾壳分离式全断面超前预裂隧道掘进机，其特征在于：包括连接有刀盘（1）的主发动机（6）、分离式的内盾壳（4）和外盾壳（2）、连接内盾壳（4）和环形架（96）的伸缩油缸Ⅰ（8）、与外盾壳（2）相连接的且位于外盾壳（2）与内盾壳（4）之间的滑动支撑（7）和位于环形架（96）上的全断面超前预裂机构（9），环形架（96）与外盾壳（2）相连且平行位于刀盘（1）的后方，内盾壳（4）与主发动机（6）相连。

2.根据权利要求1所述的双盾壳分离式全断面超前预裂隧道掘进机，其特征在于：全断面超前预裂机构（9）包括钻裂臂（91）、伸缩油缸Ⅱ（92）、伸缩杆（93）、支撑架（94）、护臂（95）、环形架（96）和旋转装置（97）；伸缩油缸Ⅱ（92）由若干对长伸缩油缸和短伸缩油缸组成，长伸缩油缸连接钻裂臂（91）下方的短伸缩油缸和伸缩杆（93）；伸缩杆（93）的末端位于与护臂（95）内，护臂（95）与环形架（96）固定连接，伸缩杆（93）穿过护臂（95）与环形架（96）与旋转装置（97）相连；支撑架（94）连接护臂（95）和环形架（96）；钻裂臂（91）与超临界混相流体储存室相连。

3.根据权利要求2所述的双盾壳分离式全断面超前预裂隧道掘进机，其特征在于：还包括与内盾壳（4）相连接的人舱（5）；主发动机（6）设置于发动机支架内，发动机支架通过连板与内盾壳（4）固定连接，人舱（5）位于内盾壳（4）与主发动机（6）之间，且位于连板的后方。

4.根据权利要求3所述的双盾壳分离式全断面超前预裂隧道掘进机，其特征在于：还包括运送渣石的履带式运输机（10）；溜渣板（3）位于履带式运输机（10）和外盾壳（2）之间，并与内盾壳（4）固定相连。

5.根据权利要求2所述的双盾壳分离式全断面超前预裂隧道掘进机，其特征在于：旋转装置（97）包括旋转电机。

6.根据权利要求1所述的双盾壳分离式全断面超前预裂隧道掘进机，其特征在于：主发动机（6）、伸缩油缸Ⅰ（8）、伸缩油缸Ⅱ（92）、旋转装置（97）和钻裂臂（91）均与电源和控制器相连。

7.根据权利要求1~6任意一项所述的双盾壳分离式全断面超前预裂隧道掘进机的掘进方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1，检查仪器设备；

S2，通过调节伸缩油缸Ⅰ（8），将掘进机调整为预裂模式，即连接有主发动机（6）的内盾壳（4）向环形架（96）移动，连接超临界混相流体储存室的钻裂臂（91）探出刀盘（1）外；

S3，通过控制伸缩油缸Ⅱ（92）和旋转装置（97）实现钻裂臂（91）工作范围（98）内的全方位旋转定位；

S4，定位后，驱动钻裂臂（91）进行超深打孔，打孔完成后进行超临界流体脉冲预裂；

S5，重复S4，对目标孔位进行预裂；

S6，收回钻裂臂（91）并叠合，调节伸缩油缸Ⅰ（8），将掘进机调整为掘进模式；

S7，转动刀盘（1）开始掘进，并启动履带运输机（10）搬运碎石；

S8，重复S1到S7。

8.根据权利要求7所述的双盾壳分离式全断面超前预裂隧道掘进机的掘进方法，其特征在于：S1中，在工作前检查伸缩油缸Ⅰ（8）和伸缩油缸Ⅱ（92）能否正常工作、钻裂臂（91）与超临界混相流体储存室管路连接是否正常、内盾壳（4）和刀盘（1）角度是否倾斜。

9.根据权利要求7所述的双盾壳分离式全断面超前预裂隧道掘进机的掘进方法，其特征在于：S3中，短伸缩油缸用于控制钻裂臂（91）的前后移动，长伸缩油缸用于控制钻裂臂（91）的上下移动。

10.根据权利要求7所述的双盾壳分离式全断面超前预裂隧道掘进机的掘进方法，其特征在于：S3中，超深打孔的深度至少为10m。

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