CN115773121B - 隧道盾构掘进设备及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了隧道盾构掘进设备，隧道盾构掘进设备包括安装平台，所述安装平台的顶端固定连接有两个支撑架，两个所述支撑架之间转动连接有定位杆，所述定位杆为管状设置，所述定位杆的一端安装有定位钻，所述定位杆上转动连接有滑盘，所述定位杆上套有钻筒，所述钻筒和滑盘滑动连接，所述定位杆的长度大于钻筒，所述滑盘用于提升钻筒和定位杆的同心度。本申请还公开了上述隧道盾构掘进设备的使用方法。

Description

隧道盾构掘进设备及其使用方法

技术领域

本发明涉及隧道开挖领域，尤其涉及一种隧道盾构掘进设备及其使用方法。

背景技术

目前的盾构开挖隧道时常常会碰到硬岩地层，目前对硬岩地层一般采用爆破处理，目前的爆破方法一般采用水磨钻在隧道端面上钻出若干临空面，之后在孔内放置劈裂棒，利用液压撑破(亦或爆破)岩石。传统的水磨钻的钻筒是直接和驱动电机的电机轴连接在一起的，由于其推进位置在旁边的固定杆上，并且较重的钻筒没有得到有效的定位和支撑，很容易出现钻筒被卡住的情况，不适用于大量钻孔任务的隧道任务当中，为此继续亟需提出一种隧道盾构掘进设备及其使用方法。

发明内容

本发明针对上述问题，提出了一种隧道盾构掘进设备及其使用方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种隧道盾构掘进设备，包括安装平台，所述安装平台的顶端固定连接有两个支撑架，两个所述支撑架之间转动连接有定位杆，所述定位杆为管状设置，所述定位杆的一端安装有定位钻，所述定位杆上转动连接有滑盘，所述定位杆上套有钻筒，所述钻筒和滑盘滑动连接，所述定位杆的长度大于钻筒，所述滑盘用于提升钻筒和定位杆的同心度。

可选的，所述钻筒的底端设有多个万向架，所述万向架转动连接安装平台，所述万向架的顶端转动连接有支撑滚轮，所述支撑滚轮和钻筒滚动连接，所述支撑滚轮支撑钻筒。

可选的，所述安装平台的顶端安装有导轨，所述导轨的内部滑动连接有第一滑块，所述第一滑块的顶端安装有驱动电机，所述驱动电机的一端安装有第一防护壳，且所述驱动电机的电机轴一端固定连接有第一转轴，所述第一转轴上固定连接有第一齿轮，所述第一防护壳的内部转动连接有第二转轴和第三转轴。

可选的，所述第二转轴上固定连接有第二齿轮，所述第三转轴上固定连接有第四齿轮和第五齿轮，所述钻筒位于第一防护壳内部的一端固定连接有第三齿轮，所述定位杆上滑动连接有第六齿轮，所述第二齿轮和第三齿轮相啮合，所述第四齿轮和第六齿轮相啮合。

可选的，所述第一防护壳的内部固定连接有呈环形的限位环，所述限位环内滑动连接有第二滑块，所述第二滑块的一侧通过转轴转动连接有活动齿轮，所述第一齿轮通过活动齿轮与第二齿轮或第五齿轮相啮合，所述第一转轴利用旋转方向驱动第二滑块滑动到限位环的两端位置。

可选的，所述第一齿轮、第二齿轮和第五齿轮大小尺寸相同，所述第三齿轮、第四齿轮和第六齿轮大小齿轮相同。

可选的，所述驱动电机背离第一防护壳的一端固定连接有第二防护壳，所述第二防护壳的内部转动连接有第六转轴，所述第六转轴上固定连接有第八齿轮，所述第八齿轮延伸至第二防护壳的外部，且所述第八齿轮的底端啮合有齿条，所述齿条安装在安装平台上，所述第六转轴位于第二防护壳外部的一端固定连接有摇把。

可选的，所述第二防护壳的内部转动连接有第四转轴和第五转轴，所述第四转轴和驱动电机的电机轴相连，所述第四转轴的一端固定连接有蜗杆，所述第五转轴上固定连接有蜗轮，所述蜗杆啮合蜗轮，所述蜗轮的一侧固定连接有固定对接套，所述第五转轴上转动连接有轴套，所述轴套的一端固定连接有第七齿轮，所述第七齿轮和第八齿轮相啮合。

可选的，所述轴套的另一端滑动连接有活动对接套，所述活动对接套和固定对接套相互配合使用，所述活动对接套的一侧固定连接有箍环，所述箍环上套有套环，所述套环的一侧夹持有切换杆，所述切换杆通过限位轴和第二防护壳转动连接，所述第二防护壳的一侧开设有呈凵字状的定位槽，所述切换杆通过定位槽驱动箍环沿着轴套移动。

一种如上所述隧道盾构掘进设备的其使用方法，包括以下步骤：

S1，首先可以将所述安装平台安装到第三方的固定平台上，将所述定位钻抵触到所需开孔的岩壁，启动所述驱动电机反转，所述第一转轴通过所述第一齿轮驱动所述第一滑块偏转到一侧，则所述第一齿轮通过所述活动齿轮和所述第四齿轮相啮合，经过所述第三转轴、所述第五齿轮啮合所述第六齿轮从而驱动所述定位杆转动，所述定位钻为所述定位杆开出支点；

S2，其次在钻探定位完成后，将水管对准所述钻筒，预备降温抑尘启动所述驱动电机正转，则所述第二滑块又被驱动到另外一边，所述第一齿轮通过所述活动齿轮驱动所述第二齿轮，接着由所述第二齿轮啮合所述第三齿轮来驱动所述钻筒转动，使得所述钻筒获得动力钻探切割岩壁，所述钻筒沿着已经定位的所述定位杆轴向移动，且得到所述滑盘的延长支撑作用，则所述钻筒移动中更加稳定，不会卡所述钻筒；

S3，之后转动所述摇把即可驱动所述第六转轴旋转，通过驱动所述第八齿轮主动啮合所述齿条，推动所述驱动电机沿着所述导轨移动，则所述钻筒跟随沿着所述定位杆的轴向接触进一步的钻孔打洞；

S4，在需要自动移动打孔时，操作所述切换杆利用所述限位环驱动所述活动对接套接触所述固定活动套，则被所述驱动电机驱动的所述蜗轮带动所述第七齿轮旋转，所述第七齿轮接着啮合所述第八齿轮，从而驱动所述钻筒自动掘进。

本发明的有益效果是：

本装置通过反转驱动电机驱动定位钻在所需打孔岩壁上打出定位孔，使得定位杆的端部得到稳定的支撑点，之后驱动电机正转驱动钻筒沿着定位杆轴向移动，其次还得到滑盘的辅助定位，由于钻筒得到定位杆的限位，则钻筒转动抖动更小，避免钻筒被孔卡住，此外还可操作切换杆操控手动或自动钻孔，使用更加灵活。

附图说明：

图1为本发明提供的一种隧道盾构掘进设备整体结构示意图；

图2为图1所示的半剖示意图；

图3为图1所示的右视图；

图4为图2所示的部分结构连接示意图；

图5为图2所示的部分结构连接示意图；

图6位图2所示的A部放大示意图。

附图标记：1、安装平台；2、支撑架；3、定位杆；4、钻筒；5、支撑滚轮；6、万向架；7、定位钻；8、滑盘；9、导轨；10、第一滑块；11、驱动电机；12、第一转轴；13、第一齿轮；14、限位环；15、第二滑块；16、活动齿轮；17、第二转轴；18、第二齿轮；19、第三齿轮；20、第三转轴；21、第四齿轮；22、第五齿轮；23、第六齿轮；24、第四转轴；25、蜗杆；26、第五转轴；27、蜗轮；28、固定对接套；29、第七齿轮；30、轴套；31、活动对接套；32、箍环；33、套环；34、切换杆；35、限位轴；36、第六转轴；37、第八齿轮；38、齿条；39、摇把；41、第一防护壳；42、第二防护壳；43、定位槽。

具体实施方式：

下面结合各附图，对本发明做详细描述。

实施例1

一种隧道盾构掘进设备，如图1-图2所述，包括安装平台1，安装平台1的顶端固定连接有两个支撑架2，两个支撑架2之间转动连接有定位杆3，定位杆3为管状设置，定位杆3的一端安装有定位钻7，定位杆3上转动连接有滑盘8，定位杆3上套有钻筒4，钻筒4和滑盘8滑动连接，定位杆3的长度大于钻筒4，滑盘8用于提升钻筒4和定位杆3的同心度，

钻筒4的底端设有多个万向架6，万向架6转动连接安装平台1，万向架6的顶端转动连接有支撑滚轮5，支撑滚轮5和钻筒4滚动连接，支撑滚轮5支撑钻筒4；钻筒4的底端接触滚动连接有多个支撑滚轮5，支撑滚轮5安装在万向架6上，其万向架6转动连接安装平台1，则支撑滚轮5可根据钻筒4的旋进反向自动跟随进行有效的接触滚动，提供良好的前期支撑作用，直到将钻筒4扶上正轨的钻孔的当中去，进一步地抑制钻筒4抖动，减小定位杆3前期定位压力。

请参阅图1-图4，安装平台1的顶端安装有导轨9，导轨9的内部滑动连接有第一滑块10，第一滑块10的顶端安装有驱动电机11，驱动电机11的一端安装有第一防护壳41，且驱动电机11的电机轴一端固定连接有第一转轴12，第一转轴12上固定连接有第一齿轮13，第一防护壳41的内部转动连接有第二转轴17和第三转轴20，第二转轴17上固定连接有第二齿轮18，第三转轴20上固定连接有第四齿轮21和第五齿轮22，钻筒4位于第一防护壳41内部的一端固定连接有第三齿轮19，定位杆3上滑动连接有第六齿轮23，第二齿轮18和第三齿轮19相啮合，第四齿轮21和第六齿轮23相啮合；第一防护壳41的内部固定连接有呈环形的限位环14，限位环14内滑动连接有第二滑块15，第二滑块15的一侧通过转轴转动连接有活动齿轮16，第一齿轮13通过活动齿轮16与第二齿轮18或第五齿轮22相啮合，第一转轴12利用旋转方向驱动第二滑块15滑动到限位环14的两端位置；第一齿轮13、第二齿轮18和第五齿轮22大小尺寸相同，第三齿轮19、第四齿轮21和第六齿轮23大小齿轮相同；首先将安装平台1和外界的支撑设备对接，将定位钻7抵触到隧道岩壁上，启动驱动电机11反转，驱动电机11驱动第一转轴12带动第一齿轮13转动，第一齿轮13利用其旋转反向驱动第二滑块15滑动到限位环14的两端，第二滑块15移动中驱动活动齿轮16跟随移动，由活动齿轮16临时架设动力输出通道，第一齿轮13通过活动齿轮16啮合第五齿轮22，第三转轴20转动是通过第四齿轮21啮合第六齿轮23来驱动定位杆3旋转，由定位杆3驱动定位钻7在岩壁上钻孔，定位杆3通过钻出的孔使得一端得有有效支撑，钻筒4是限位在定位杆3上的，则钻筒4抵近钻孔岩壁时，不会发生抖动，更不会发生卡死的现象，定位杆3的一端还设有滑盘8，滑盘8进一步地增加了钻筒4的活动稳定性，提升钻筒4和定位杆3之间的同心度，则钻筒4钻出的孔壁也更为规整，取出钻筒4也更为方便；之后切换驱动电机11的旋转方向，则第一齿轮13又将第二滑块15移动到限位环14的另外一端，此时活动齿轮16移动到第一齿轮13和第二齿轮18之间，第二齿轮18通过啮合第三齿轮19驱动钻筒4旋转，从而方便通过同一个动力源的旋转方向不同来实现定位或钻孔的目的。

请参阅图5-图6，驱动电机11背离第一防护壳41的一端固定连接有第二防护壳42，第二防护壳42的内部转动连接有第六转轴36，第六转轴36上固定连接有第八齿轮37，第八齿轮37延伸至第二防护壳42的外部，且第八齿轮37的底端啮合有齿条38，齿条38安装在安装平台1上，第六转轴36位于第二防护壳42外部的一端固定连接有摇把39；第二防护壳42的内部转动连接有第四转轴24和第五转轴26，第四转轴24和驱动电机11的电机轴相连，第四转轴24的一端固定连接有蜗杆25，第五转轴26上固定连接有蜗轮27，蜗杆25啮合蜗轮27，蜗轮27的一侧固定连接有固定对接套28，第五转轴26上转动连接有轴套30，轴套30的一端固定连接有第七齿轮29，第七齿轮29和第八齿轮37相啮合，轴套30的另一端滑动连接有活动对接套31，活动对接套31和固定对接套28相互配合使用，活动对接套31的一侧固定连接有箍环32，箍环32上套有套环33，套环33的一侧夹持有切换杆34，切换杆34通过限位轴35和第二防护壳42转动连接，第二防护壳42的一侧开设有呈凵字状的定位槽43，切换杆34通过定位槽43驱动箍环32沿着轴套30移动；在推动钻筒4前进掘进时，直接转动摇把39，摇把39驱动第六转轴36转动，之后由转动地第八齿轮37啮合齿条38，从而反向驱动驱动电机11往前移动，之后通过第一防护壳41等推动转动的钻筒4沿着定位杆3的轴向移动；在切换自动掘进时，只需操作切换杆34转动，使其卡合到定位槽43的另一位置，切换杆34通过套环33驱动箍环32和活动对接套31，使得活动对接套31和固定对接套28接触，驱动电机11通过蜗杆25啮合蜗轮27，之后由蜗轮27驱动轴套30，最终第七齿轮29被动啮合第八齿轮37，由此将手动转变成自动，通过操作切换杆34即可完成手动和自动之间的切换，使用起来更加灵活丰富。

本实施例所提供的掘进设备的使用方法包括以下步骤：

S1，首先可以将安装平台1安装到第三方的固定平台上，将定位钻7抵触到所需开孔的岩壁，启动驱动电机11反转，第一转轴12通过第一齿轮13驱动第一滑块15偏转到一侧，则第一齿轮13通过活动齿轮16和第四齿轮21相啮合，经过第三转轴20、第五齿轮22啮合第六齿轮23从而驱动定位杆3转动，定位钻7为定位杆3开出支点；

S2，其次在钻探定位完成后，将水管对准钻筒4，预备降温抑尘，启动驱动电机11正转，则第二滑块15又被驱动到另外一边，第一齿轮13通过活动齿轮16驱动第二齿轮18，接着由第二齿轮18啮合第三齿轮19来驱动钻筒4转动，使得钻筒4获得动力钻探切割岩壁，钻筒4沿着已经定位的定位杆3轴向移动，且得到滑盘8的延长支撑作用，则钻筒4移动中更加稳定，不会卡钻筒4；

S3，之后转动摇把39即可驱动第六转轴36旋转，通过驱动第八齿轮37主动啮合齿条38，推动驱动电机11沿着导轨9移动，则钻筒4跟随沿着定位杆3的轴向接触进一步的钻孔打洞；

S4，在需要自动移动打孔时，操作切换杆34利用限位环33驱动活动对接套31接触固定活动套28，则被驱动电机11驱动的蜗轮27带动第七齿轮29旋转，第七齿轮29接着啮合第八齿轮37，从而驱动钻筒4自动掘进。

本装置过程中及原理如下，首先将安装平台1和外界的支撑设备对接，将定位钻7抵触到隧道岩壁上，启动驱动电机11反转，驱动电机11驱动第一转轴12带动第一齿轮13转动，第一齿轮13利用其旋转反向驱动第二滑块15滑动到限位环14的两端，第二滑块15移动中驱动活动齿轮16跟随移动，由活动齿轮16临时架设动力输出通道，第一齿轮13通过活动齿轮16啮合第五齿轮22，第三转轴20转动是通过第四齿轮21啮合第六齿轮23来驱动定位杆3旋转，由定位杆3驱动定位钻7在岩壁上钻孔，定位杆3通过钻出的孔使得一端得有有效支撑，钻筒4是限位在定位杆3上的，则钻筒4抵近钻孔岩壁时，不会发生抖动，更不会发生卡死的现象，定位杆3的一端还设有滑盘8，滑盘8进一步地增加了钻筒4的活动稳定性，提升钻筒4和定位杆3之间的同心度，则钻筒4钻出的孔壁也更为规整，取出钻筒4也更为方便；之后切换驱动电机11的旋转方向，则第一齿轮13又将第二滑块15移动到限位环14的另外一端，此时活动齿轮16移动到第一齿轮13和第二齿轮18之间，第二齿轮18通过啮合第三齿轮19驱动钻筒4旋转，从而方便通过同一个动力源的旋转方向不同来实现定位或钻孔的目的；钻筒4的底端接触滚动连接有多个支撑滚轮5，支撑滚轮5安装在万向架6上，其万向架6转动连接安装平台1，则支撑滚轮5可根据钻筒4的旋进反向自动跟随进行有效的接触滚动，提供良好的前期支撑作用，直到将钻筒4扶上正轨的钻孔的当中去，进一步地抑制钻筒4抖动，减小定位杆3前期定位压力；在推动钻筒4前进掘进时，直接转动摇把39，摇把39驱动第六转轴36转动，之后由转动的第八齿轮37啮合齿条38，从而反向推动驱动电机11往前移动，之后通过第一防护壳41等推动转动的钻筒4沿着定位杆3的轴向移动；在切换自动掘进时，只需操作切换杆34转动，使其卡合到定位槽43的另一位置，切换杆34通过套环33驱动箍环32和活动对接套31，使得活动对接套31和固定对接套28接触，驱动电机11通过蜗杆25啮合蜗轮27，之后由蜗轮27驱动轴套30，最终第七齿轮29被动啮合第八齿轮37，由此将手动转变成自动，通过操作切换杆34即可完成手动和自动之间的切换，使用起来更加灵活丰富。

以图2中所示的方向为例，当整个装置自右向左掘进时，钻筒内的滑盘触碰到岩石时，会向右滑动。

本实施例所提供的装置以及使用方法，在材料的硬度与刚性足够大时，且整个设备的尺寸能够做大足够大时，比如钻筒的长度能够做到100米以上，钻筒的直径达到2米以上时，本设备可以直接应用于全硬岩地层的隧道开挖，依然以附图2中所示的方向为例，首先定位钻自右向左掘进一段距离起到定位的作用，而后钻筒再自又向左掘进一段距离(此过程可以将部分岩石切断并存储进钻筒内)，而后定位钻再自右向左掘进一段距离(此过程中可以使得位于钻筒内的大块岩石碎裂成小块岩石)，依次不断重复地定位钻掘进与钻筒掘进循环往复，最终可以在全硬岩地层内挖掘出隧道。这种掘进方式是通过从岩体两侧挤压岩石的方式来压碎岩石，与传统盾构机用刀头来磨碎岩石并不相同，能耗更低。

实施例2

一种沙土地层隧道开挖方法，本种沙土地层的主要成分砂砾与沙土(以及少量的黏土)，使用如实施例1所示的隧道盾构掘进设备，在沙土地层中开挖隧道时，可以在钻筒4的筒底处开一个孔，而后再在该筒底处的孔上接一跟抽负压的管子，依然以附图2中所示的方向为例，当整个装置在沙土地层中自右向左掘进开挖时，抽负压的管子对钻筒内部抽负压，地层中砂砾与泥土会被负压抽进钻筒内，这样可以减少钻筒自右向左掘进时的阻力，加快整个隧道的掘进速度。

本实施例中滑盘8可以只有一个通孔，也可以含有多个通孔。

实施例3

一种软弱富水地层的隧道掘进方法。

在一些软弱富水地层中，传统的隧道开挖方法为先采用冻结法将所欲开挖地段的土壤全部冻结在一起，形成一个巨大的冻结块，而后采用钻爆的方法在冻土内开挖出隧道，这种方法的缺陷在于，在开挖出的隧道中，必须趁着土壤还处于冻结状态加紧支护结构(混凝土支护圈)的施工，且由于冻土在化冻之后，支护结构的各个部位之间不可避免底会产生不同程度的沉降，所以容易出现漏水点位。

本实施例中，采用如实施例1所示的隧道盾构掘进设备，首先将所需开挖地段的土壤全部冻结，而后利用本设备进行开挖，依然附图2中所示的方向为例，钻筒2与定位杆3(连带着定位钻7一起)自右向左的掘进开挖，一边，开挖过程中会不断底有冻土进入钻筒内，当完成隧道开挖后，拆除定位杆与定位钻，将钻筒留在冻土层中，而后使得整个钻筒在冻土层内沉降，待所有冻结的土壤化冻之后，拆除钻筒的筒底，将整个钻筒拆成一个圆筒状保留在土体内作为永久的支护结构，并且清理掉钻筒内的泥水，本种挖掘方法可以确保土层内产生的沉降是均匀的，不会出现沉降不均的现象，最终成型后的隧道不会出现漏水的现象。

需要特别说明的是软弱富水地层中隧道开挖必须先冻结土体，除非是采用先从地表进行明挖，搭建完隧道工程之后再进行回填，否则即使采用盾构机进行开挖，也会因为土体含水量太大，强度不够而造成塌方。

需要特别说明的时本中方法中所开挖的隧道的长度需短于钻筒的长度，如果钻筒的长度是100米，则本方法所适应开挖的隧道长度在50～70米之间。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此即限制本发明的专利保护范围，凡是运用本发明说明书所作的等效变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种隧道盾构掘进设备，其特征在于，包括安装平台，所述安装平台的顶端固定连接有两个支撑架，两个所述支撑架之间转动连接有定位杆，所述定位杆为管状设置，所述定位杆的一端安装有定位钻，所述定位杆上转动连接有滑盘，所述定位杆上套有钻筒，所述钻筒和滑盘滑动连接，所述定位杆的长度大于钻筒，所述滑盘用于提升钻筒和定位杆的同心度；

所述钻筒的底端设有多个万向架，所述万向架转动连接安装平台，所述万向架的顶端转动连接有支撑滚轮，所述支撑滚轮和钻筒滚动连接，所述支撑滚轮支撑钻筒；

所述安装平台的顶端安装有导轨，所述导轨的内部滑动连接有第一滑块，所述第一滑块的顶端安装有驱动电机，所述驱动电机的一端安装有第一防护壳，且所述驱动电机的电机轴一端固定连接有第一转轴，所述第一转轴上固定连接有第一齿轮，所述第一防护壳的内部转动连接有第二转轴和第三转轴；

所述第一防护壳的内部固定连接有呈环形的限位环，所述限位环内滑动连接有第二滑块，所述第二滑块的一侧通过转轴转动连接有活动齿轮，所述第一齿轮通过活动齿轮与第二齿轮或第五齿轮相啮合，所述第一转轴利用旋转方向驱动第二滑块滑动到限位环的两端位置；

所述第二转轴上固定连接有第二齿轮，所述第三转轴上固定连接有第四齿轮和第五齿轮，所述钻筒位于第一防护壳内部的一端固定连接有第三齿轮，所述定位杆上滑动连接有第六齿轮，所述第二齿轮和第三齿轮相啮合，所述第四齿轮和第六齿轮相啮合；

所述驱动电机背离第一防护壳的一端固定连接有第二防护壳，所述第二防护壳的内部转动连接有第六转轴，所述第六转轴上固定连接有第八齿轮，所述第八齿轮延伸至第二防护壳的外部，且所述第八齿轮的底端啮合有齿条，所述齿条安装在安装平台上，所述第六转轴位于第二防护壳外部的一端固定连接有摇把；

所述第二防护壳的内部转动连接有第四转轴和第五转轴，所述第四转轴和驱动电机的电机轴相连，所述第四转轴的一端固定连接有蜗杆，所述第五转轴上固定连接有蜗轮，所述蜗杆啮合蜗轮，所述蜗轮的一侧固定连接有固定对接套，所述第五转轴上转动连接有轴套，所述轴套的一端固定连接有第七齿轮，所述第七齿轮和第八齿轮相啮合。

2.根据权利要求1所述的一种隧道盾构掘进设备，其特征在于，所述第一齿轮、第二齿轮和第五齿轮大小尺寸相同，所述第三齿轮、第四齿轮和第六齿轮大小齿轮相同。

3.根据权利要求1所述的一种隧道盾构掘进设备，其特征在于，所述轴套的另一端滑动连接有活动对接套，所述活动对接套和固定对接套相互配合使用，所述活动对接套的一侧固定连接有箍环，所述箍环上套有套环，所述套环的一侧夹持有切换杆，所述切换杆通过限位轴和第二防护壳转动连接，所述第二防护壳的一侧开设有呈凹字状的定位槽，所述切换杆通过定位槽驱动箍环沿着轴套移动。