CN116025370A - 一种弧顶直墙断面硬岩隧道掘进机 - Google Patents

Abstract

本发明提供的弧顶直墙断面硬岩隧道掘进机，包括机体、设于机体中部与机体同步运动并向后延伸的主梁、可转动地设置在机体前端部的圆形主刀盘、设置在机体内并位于主刀盘和主梁之间用于驱动主刀盘转动的主驱动、副刀盘，主刀盘用于开挖出圆形断面，圆形断面的上半部分构成弧顶，副刀盘呈滚筒状并位于机体的后端部，副刀盘可摆动地连接在主梁的底部两侧，其摆动角度≥90°，其摆动平面平行于圆形断面，其摆动半径可变，在主刀盘向前掘进时，副刀盘通过来回摆动并配合摆动半径的变化对圆形断面的下半部分进行挖掘，修型出直墙，该隧道掘进机不浪费隧道土方开挖量、能够适应硬岩地层掘进、改造简单方便、掘进效率高、运转可靠性好。

Description

一种弧顶直墙断面硬岩隧道掘进机

技术领域

本发明涉及隧道掘进机技术领域，具体涉及一种弧顶直墙断面硬岩隧道掘进机。

背景技术

隧道掘进机是利用回转刀具开挖，同时破碎洞内围岩及掘进，形成整个隧道断面的一种新型、先进的隧道施工机械，在我国，习惯上将用于软土地层的隧道掘进机称为盾构，将用于岩石地层的隧道掘进机称为TBM。

隧道掘进机(TBM)作为岩石地层开挖的施工利器，已经在铁路、公路、水利、市政、煤炭等行业得到了广泛应用；传统隧道掘进机(TBM)的开挖断面均为圆形，但从隧道断面空间利用率的角度来讲，铁路、公路等工程最适宜的隧道断面为“城门洞”形，现有的挖掘方式是开挖出圆形断面后进行回填，如图1所示，这种方式虽然能够保留隧道掘进机(TBM)刀盘的完整性，适应抗压强度在100MPa以上的硬岩地层的掘进，但后续的回填作业费时费力，同时，也需要采用直径更大的隧道掘进机(TBM)进行掘进，对隧道土方开挖量的浪费大。

为解决这一问题，市场上出现了具有异型断面开挖能力的隧道掘进机，这类隧道掘进机基本采用两种结构实现：

第一种，将大直径的主刀盘替换成多个小直径的小刀盘，利用多个小刀盘的开挖轨迹拟合出异型断面，由于小刀盘的结构较为单薄，支撑强度低，难以适应抗压强度较高的硬岩地层的掘进，实际应用只在蒙华铁路白城隧道出现过，其开挖地层的抗压强度低于70MPa。

第二种，在大直径主刀盘上设置伸缩式仿形刀梁，再将一部分滚刀设置在仿形刀梁上，在主刀盘旋转时，利用仿形刀梁的伸缩拟合出异型断面，但仿形刀梁占据了主刀盘上较大空间，改变了主刀盘原本的整体式设计，降低了其强度，同时，掘进时异型断面与原本圆形断面同时开挖的方式，并不会减小仿形刀梁及主刀盘承受的压力，导致这类隧道掘进机也难以适应硬岩地层的掘进作业。

另外，这两种隧道掘进机均需要改变主刀盘的原本造型，难以保留主刀盘原本较强的硬岩地层掘进能力，同时，改造过程费时费力，改造后，主刀盘处用于驱动、传动、控制的部件大幅增加，安装位置拥挤，导致调试、维修非常不便，严重影响掘进效率和运转的可靠性。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的缺点，提供一种不浪费隧道土方开挖量、能够适应硬岩地层掘进、改造简单方便、掘进效率高、运转可靠性好的弧顶直墙断面硬岩隧道掘进机。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是，弧顶直墙断面硬岩隧道掘进机，包括：

圆筒状的机体；

设于所述机体中部并向后延伸的主梁，所述主梁与所述机体同步运动；

可转动地设置在所述机体前端部的圆形主刀盘，所述主刀盘的前表面设有可转动的主滚刀，所述主刀盘用于开挖出圆形断面，所述圆形断面的上半部分构成弧顶直墙断面中的弧顶；

设置在所述机体内并位于所述主刀盘和所述主梁之间的主驱动，所述主驱动用于驱动所述主刀盘转动；

以及，副刀盘；

所述副刀盘呈滚筒状，所述副刀盘的外壁设有可转动的副滚刀，所述副刀盘位于所述机体的后端部，所述副刀盘可摆动地连接在所述主梁的底部两侧，所述副刀盘的摆动角度≥90°，所述副刀盘的摆动平面平行于所述圆形断面，所述副刀盘的摆动半径可变，在所述主刀盘向前掘进时，所述副刀盘通过来回摆动并配合摆动半径的变化对所述圆形断面的下半部分进行挖掘，修型出所述弧顶直墙断面中的直墙。

优选地，所述副刀盘包括位于前后侧的支撑板、可转动地架设在所述支撑板上的滚筒、用于驱动所述滚筒转动的副驱动，以及伸缩臂，所述主梁上设有可摆动的摆动座，所述摆动座的摆动轴心线沿前后方向延伸，所述伸缩臂的一端部与所述支撑板相连接，另一端部与所述摆动座相连接。

进一步优选地，所述伸缩臂的两端部分别与所述支撑板和所述摆动座转动连接，所述伸缩臂相对于所述支撑板的转动平面和所述伸缩臂相对于所述摆动座的转动平面均垂直于所述圆形断面。

进一步优选地，所述伸缩臂相对于所述支撑板、所述摆动座的转动角度为±3°。

进一步优选地，所述伸缩臂内设有用于驱动所述伸缩臂伸缩的第一驱动件，所述第一驱动件通过驱动所述伸缩臂伸缩实现所述副刀盘的摆动半径的变化。

进一步优选地，所述第一驱动件包括伸缩式液压油缸，在所述副刀盘的摆动半径变化的过程中，所述伸缩臂先伸长，再缩短。

进一步优选地，在所述副刀盘的摆动半径变化的过程中，位于前侧的所述伸缩臂的伸缩幅度小于位于后侧的所述伸缩臂的伸缩幅度，使所述滚筒处于前端距所述主梁近、后端距所述主梁远的倾斜状态。

进一步优选地，所述主梁上还设有用于驱动所述摆动座摆动的第二驱动件，所述第二驱动件包括摆动式液压油缸。

优选地，所述副滚刀为盘形滚刀，在所述副刀盘对所述圆形断面的下半部分进行挖掘时，所述副滚刀利用挤压破岩原理切削岩石，并最终形成所述直墙。

优选地，所述弧顶直墙断面硬岩隧道掘进机还包括渣土收集与输送装置，所述渣土收集与输送装置用于收集所述副刀盘切下的石渣碎屑并将其运输至隧道外，所述渣土收集与输送装置包括皮带输送机。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.先利用主刀盘开挖圆形断面，再利用副刀盘对圆形断面下半部分进行挖掘，进而修型出弧顶直墙断面的方式，无需改变主刀盘的整体结构，能够保留主刀盘的完整性，不影响主刀盘的各项性能，同时，副刀盘对应的开挖面实际为敞口面，能够大幅降低副刀盘承受的压力，而适应抗压强度在100MPa以上硬岩地层的掘进作业。

2.能够实现弧顶直墙断面的一次性开挖成型，主刀盘直径的选择能够更加合理，也无需进行回填作业，不浪费隧道土方开挖量，有效地缩短了施工周期，并降低了施工成本。

3.由于副刀盘位于机体后端部并摆动连接在主梁的底部两侧，与主刀盘并无关联，能够简单方便地对现有圆形断面的隧道掘进机进行改造，改造增加的部件少，调试维修方便，改造后的掘进效率高、可靠性好。

附图说明

图1是现有技术中通过开挖圆形断面后进行回填的作业示意图。

图2是本发明实施例一掘进时的剖视示意图。

图3是图1的后视示意图，为便于观察，隐去了主驱动、主刀盘等部件。

图4是图1中副刀盘处的结构示意图，此时，伸缩臂处于伸出状态。

图5是本发明实施例二中副刀盘处的结构示意图。

图6是本发明实施例三中副刀盘处的结构示意图。

其中：10.机体；20.主梁；21.摆动座；22.第二驱动件；30.主刀盘；31.主滚刀；32.圆形断面；40.主驱动；50.副刀盘；51.副滚刀；52.支撑板；53.滚筒；54.副驱动；55.伸缩臂；551.第一驱动件；60.渣土收集与输送装置；71.弧顶；72.直墙；80.回填区域。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

实施例一

如图2至图4所示，本发明提供的弧顶直墙断面硬岩隧道掘进机，包括：机体10、主梁20、主刀盘30、主驱动40、副刀盘50，其中，机体10呈圆筒状；主梁20为推进主梁，主梁20设于机体10中部并向后延伸，主梁20与机体10同步运动；主刀盘30呈圆形，主刀盘30可转动地设置在机体10的前端部，主刀盘30的前表面设有多个可转动的主滚刀31，主滚刀31的转动方向根据主滚刀31所在位置确定，在确保破岩效果的同时尽可能地延长使用寿命，主刀盘30用于开挖出圆形断面32，圆形断面32的上半部分构成弧顶直墙断面中的弧顶71；主驱动40设置在机体10内并位于主刀盘30和主梁20之间，主驱动40用于驱动主刀盘30转动，主驱动40可采用电机、减速机、齿轮配合等现有方式驱动主刀盘30转动；副刀盘50呈滚筒状，副刀盘50的外壁设有可转动的副滚刀51，副刀盘50位于机体10的后端部，副刀盘50有两组，这两组副刀盘50可摆动地连接在主梁20的底部两侧，并对称设置，副刀盘50的摆动平面平行于圆形断面32，副刀盘50的摆动半径可变，在主刀盘30向前掘进时，副刀盘50通过来回摆动并配合摆动半径的变化对圆形断面32的下半部分进行挖掘，修型出弧顶直墙断面中的直墙72，副刀盘50的摆动角度非常重要，该角度过大，会影响整体的掘进效率，该角度过小，又难以修型出直墙72，优选地，该角度为90°～100°，在本实施例中，该角度为95°，具体地，副刀盘50具有第一极限位置和第二极限位置，在副刀盘50摆动至竖直向下并向靠近另一个副刀盘50的方向继续摆动2.5°时，该副刀盘50到达第一极限位置，在副刀盘50摆动至水平方向并向上继续摆动2.5°时，该副刀盘50到达第二极限位置。

这样设置的好处在于：

1.无需改变主刀盘的整体结构，能够保留主刀盘的完整性，不影响主刀盘的各项性能，同时，副刀盘对应的开挖面实际为敞口面，能够大幅降低副刀盘承受的压力，而适应抗压强度在100MPa以上硬岩地层的掘进作业。

2.能够实现弧顶直墙断面的一次性开挖成型，主刀盘直径的选择能够更加合理，也无需进行回填作业，不浪费隧道土方开挖量，有效地缩短了施工周期，并降低了施工成本。

3.能够简单方便地对现有圆形断面的隧道掘进机进行改造，改造增加的部件少，调试维修方便，改造后的掘进效率高、可靠性好。

在本实施例中，副刀盘50包括位于前后侧的支撑板52、可转动地架设在支撑板52上的滚筒53、用于驱动滚筒53转动的副驱动54，以及伸缩臂55，副滚刀51可转动地设置在滚筒53的外壁上，副滚刀51的转动方向根据副滚刀51所在位置确定，在确保破岩效果的同时尽可能地延长使用寿命，副驱动54设置在支撑板52远离滚筒53的一侧，副驱动54可采用电机、减速机的配合驱动滚筒53转动，伸缩臂55的一端部与支撑板52相连接，另一端部与摆动座21相连接，摆动座21可摆动地设置在主梁20上，摆动座21的摆动轴心线沿前后方向延伸，以实现副刀盘50与主梁20的摆动连接，进一步地，主梁20上还设有用于驱动摆动座21摆动的第二驱动件22，第二驱动件22为摆动式液压油缸。

在本实施例中，伸缩臂55内设有用于驱动伸缩臂55伸缩的第一驱动件551，第一驱动件551通过驱动伸缩臂55伸缩实现副刀盘50摆动半径的变化，进一步地，第一驱动件551为伸缩式液压油缸，在副刀盘50摆动半径变化的过程中，伸缩臂55先伸长，再缩短。

在本实施例中，副滚刀51为盘形滚刀，在副刀盘50对圆形断面32的下半部分进行挖掘时，副滚刀51利用挤压破岩原理切削岩石，并最终形成直墙72。

在本实施例中，该弧顶直墙断面硬岩隧道掘进机还包括渣土收集与输送装置60，渣土收集与输送装置60用于收集副刀盘50切下的石渣碎屑并将其运输至隧道外，渣土收集与输送装置60为皮带输送机。

需要说明的是，由于副刀盘50摆动角度的限制，直墙72与圆形断面32的连接部位存在凸出部，该凸出部的尺寸较小，可在后续管片拼装作业前进行去除，或者直接在管片拼装时由管片压平，并不会对最终形成的弧顶直墙断面产生影响。

实施例二

如图5所示，实施例二与实施例一基本相同，不同之处在于，在实施例二中，伸缩臂55的两端部分别与支撑板52和摆动座21转动连接，伸缩臂55相对于支撑板52的转动平面和伸缩臂55相对于摆动座21的转动平面均垂直于圆形断面32。

这样设置的好处在于，能够使滚筒53、伸缩臂55、主梁20构成平行四边形机构，在副刀盘50对圆形断面32的下半部分进行挖掘时，若碰到硬度突然变高的区域，可通过该平行四边形机构的变形，使滚筒53向后上方摆动，从而避让该区域，避免副刀盘50、副滚刀51、伸缩臂55的损坏，确保掘进效率。

伸缩臂55相对于支撑板52、摆动座21的转动角度不易过大也不易过小，过大，则副刀盘50容易在惯性作用下向后上方过渡摆动，影响对圆形断面32下半部分的挖掘效果，过小，则难以起到避让作用，在本实施例中，该角度为±3°。

需要说明的是，在经过硬度突然变高的区域后，若副滚刀51受到的前后方向的阻力较小，该平行四边形机构可通过自重及配合副刀盘50的摆动实现复位，若副滚刀51受到的前后方向的阻力较大，可通过在伸缩臂55端部的转动连接处设置复位扭簧等方式强制复位。

实施例三

如图6所示，实施例三与实施例二基本相同，不同之处在于，实施例三中，在副刀盘50摆动半径变化的过程中，位于前侧的伸缩臂55的伸缩幅度小于位于后侧的伸缩臂55的伸缩幅度，使滚筒53处于前端距主梁20近、后端距主梁20远的倾斜状态，这样设置的好处在于，能够使滚筒53上沿前后方向分布的副滚刀51逐级切削岩石，使所有副滚刀51的单次切削量大致相当，从而延长其使用寿命，该倾斜状态的倾斜角度(相对于主梁20轴心线)需根据滚筒53长度、位于后侧的伸缩臂55的伸缩幅度综合确定，通常不超过5°。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种弧顶直墙断面硬岩隧道掘进机，包括：

圆筒状的机体；

设于所述机体中部并向后延伸的主梁，所述主梁与所述机体同步运动；

可转动地设置在所述机体前端部的圆形主刀盘，所述主刀盘的前表面设有可转动的主滚刀，所述主刀盘用于开挖出圆形断面，所述圆形断面的上半部分构成弧顶直墙断面中的弧顶；

设置在所述机体内并位于所述主刀盘和所述主梁之间的主驱动，所述主驱动用于驱动所述主刀盘转动；

以及，副刀盘；

其特征在于：

所述副刀盘呈滚筒状，所述副刀盘的外壁设有可转动的副滚刀，所述副刀盘位于所述机体的后端部，所述副刀盘可摆动地连接在所述主梁的底部两侧，所述副刀盘的摆动角度≥90°，所述副刀盘的摆动平面平行于所述圆形断面，所述副刀盘的摆动半径可变，在所述主刀盘向前掘进时，所述副刀盘通过来回摆动并配合摆动半径的变化对所述圆形断面的下半部分进行挖掘，修型出所述弧顶直墙断面中的直墙。

2.根据权利要求1所述的弧顶直墙断面硬岩隧道掘进机，其特征在于：所述副刀盘包括位于前后侧的支撑板、可转动地架设在所述支撑板上的滚筒、用于驱动所述滚筒转动的副驱动，以及伸缩臂，所述主梁上设有可摆动的摆动座，所述摆动座的摆动轴心线沿前后方向延伸，所述伸缩臂的一端部与所述支撑板相连接，另一端部与所述摆动座相连接。

3.根据权利要求2所述的弧顶直墙断面硬岩隧道掘进机，其特征在于：所述伸缩臂的两端部分别与所述支撑板和所述摆动座转动连接，所述伸缩臂相对于所述支撑板的转动平面和所述伸缩臂相对于所述摆动座的转动平面均垂直于所述圆形断面。

4.根据权利要求3所述的弧顶直墙断面硬岩隧道掘进机，其特征在于：所述伸缩臂相对于所述支撑板、所述摆动座的转动角度为±3°。

5.根据权利要求3所述的弧顶直墙断面硬岩隧道掘进机，其特征在于：所述伸缩臂内设有用于驱动所述伸缩臂伸缩的第一驱动件，所述第一驱动件通过驱动所述伸缩臂伸缩实现所述副刀盘的摆动半径的变化。

6.根据权利要求5所述的弧顶直墙断面硬岩隧道掘进机，其特征在于：所述第一驱动件包括伸缩式液压油缸，在所述副刀盘的摆动半径变化的过程中，所述伸缩臂先伸长，再缩短。

7.根据权利要求5所述的弧顶直墙断面硬岩隧道掘进机，其特征在于：在所述副刀盘的摆动半径变化的过程中，位于前侧的所述伸缩臂的伸缩幅度小于位于后侧的所述伸缩臂的伸缩幅度，使所述滚筒处于前端距所述主梁近、后端距所述主梁远的倾斜状态。

8.根据权利要求2所述的弧顶直墙断面硬岩隧道掘进机，其特征在于：所述主梁上还设有用于驱动所述摆动座摆动的第二驱动件，所述第二驱动件包括摆动式液压油缸。

9.根据权利要求1所述的弧顶直墙断面硬岩隧道掘进机，其特征在于：所述副滚刀为盘形滚刀，在所述副刀盘对所述圆形断面的下半部分进行挖掘时，所述副滚刀利用挤压破岩原理切削岩石，并最终形成所述直墙。

10.根据权利要求1所述的弧顶直墙断面硬岩隧道掘进机，其特征在于：所述弧顶直墙断面硬岩隧道掘进机还包括渣土收集与输送装置，所述渣土收集与输送装置用于收集所述副刀盘切下的石渣碎屑并将其运输至隧道外，所述渣土收集与输送装置包括皮带输送机。

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