CN116517568B - 全断面硬岩隧洞掘进机用可变径装置及掘进机和使用方法 - Google Patents

Abstract

一种全断面硬岩隧洞掘进机用可变径装置及掘进机和使用方法，盾体包括前盾和尾盾，尾盾与前盾尾部连接；主驱动，设置于前盾内部，伸缩臂通过铰接装置与主驱动连接；可变径刀盘，包括外刀盘、内刀盘及中心刀盘，可变径刀盘与主驱动连接，主驱动可带动可变径刀盘沿轴线相对于盾体移动，并带动可变径刀盘旋转，外刀盘可通过伸缩臂沿径向外扩或内缩；推进装置，设置于前盾内部，以推动前盾移动；开挖装置，设置于外刀盘上。

Description

全断面硬岩隧洞掘进机用可变径装置及掘进机和使用方法

技术领域

本发明涉及隧洞施工设备技术领域，具体涉及一种全断面硬岩隧洞掘进机用可变径装置及掘进机和使用方法。

背景技术

目前,全断面硬岩隧洞掘进机，也简称TBM；

TBM施工技术作为目前较为先进的隧洞施工技术，已被广泛应用于交通、水利等行业的隧道的施工，在质量、工期、安全、环境保护与文明施工方面表现出了突出优势，但在国内常规水电站和抽水蓄能电站施工中应用较少；抽水蓄能电站均为有限空间内的地下洞室群，立面交叉多、短洞多、转弯多、断面尺寸变化频繁，而TBM设备装拆时间长、要求高，施工工期优势在短隧道施工中或不同洞径施工中无法得到充分体现；目前针对不同洞径的隧洞，现有TBM中，在洞内施工过程中仅能实现设备直径的由大变小，对直径由小变大多采用在洞外重新组装的方式，或者采用在洞内需变径处人工开挖设置安装洞，更换另一种规格的TBM刀盘重新掘进，存在设备拆除安装时间长，辅助操作繁琐的问题；因此，寻求一种可洞内任意扩径和缩径的TBM，可极大地提升抽水蓄能电站地下洞室开挖施工的适应性、安全性，提高施工效率，降低施工成本。

发明内容

有鉴于此，面对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种全断面硬岩隧洞掘进机用可变径装置，操作简单、便于组装且能够实现洞内连续变径的TBM及其使用方法。

本申请旨在解决背景技术中的问题之一。

可变径全断面硬岩隧洞掘进机，也简称可变径TBM；

本发明所采用的技术方案为：为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种全断面硬岩隧洞掘进机用可变径装置；

一种全断面硬岩隧洞掘进机用可变径装置，包括：

盾体，包括前盾和尾盾，尾盾与前盾尾部连接；

主驱动，设置于前盾内部，伸缩臂通过铰接装置与主驱动连接；

可变径刀盘，包括外刀盘、内刀盘及中心刀盘，可变径刀盘与主驱动连接，主驱动可带动可变径刀盘沿轴线相对于盾体移动，并带动可变径刀盘旋转，外刀盘可通过伸缩臂沿径向外扩或内缩；

推进装置，设置于前盾内部，以推动前盾移动；

开挖装置，设置于外刀盘上。

主驱动可带动可变径刀盘沿轴线相对于盾体移动，轴线为前进方向的轴心或者盾体的轴心，或者旋转切削掘进的轴心。

本申请提供的一种技术方案，还具有以下技术特征：

优选的，外刀盘包括外伸缩刀盘和分外刀盘，外伸缩刀盘可沿外刀盘圆周方向旋转伸缩，并与分外刀盘连接。

优选的，内刀盘包括刀头伸缩装置和可伸缩刀头，外刀盘和中心刀盘工作面为同一平面，可伸缩刀头设置于外刀盘后部，内刀盘伸出后的工作面和中心刀盘同一平面。

优选的，可伸缩刀头通过刀头伸缩装置实现伸缩。

优选的，开挖装置包括移动副和扩挖机构，移动副用于限位可变径刀盘，移动副设置在可变径刀盘的径向路径上，可变径刀盘铰接伸缩臂的一端。

优选的，扩挖机构设置在的开挖装置和前盾连接处外端。

本发明提供的技术方案从结构强度、体积紧凑、生产效率、生产成本和结构自身特点来说，都具有明显的优势；

结构强度：优选的可变径装置采用了外刀盘和内刀盘的结构设计，这种设计增强了整个装置的结构强度；外刀盘由外伸缩刀盘和分外刀盘组成，外伸缩刀盘可沿外刀盘圆周方向旋转伸缩，并与分外刀盘连接；内刀盘由中心刀盘和可伸缩刀头组成，中心刀盘与外刀盘处于同一平面，可伸缩刀头设置于外刀盘后部；这种结构设计提高了整个可变径装置的刚度和稳定性，使其能够应对高强度的岩石掘进工作；

体积紧凑：优选的可变径装置在结构设计上考虑了体积紧凑的因素；通过采用外伸缩刀盘和分外刀盘的设计，可变径装置可以在掘进过程中灵活地调整直径大小，从而适应不同断面尺寸的隧洞；这种可变径的设计使得装置整体的体积较小，可以在有限的空间内进行操作和移动，提高了施工的灵活性和适应性；

生产效率：优选的可变径装置具有较高的生产效率；可伸缩刀头通过刀头伸缩装置实现伸缩，可以根据需要调整刀头的长度，从而适应不同岩石层的掘进工作；同时，开挖装置包括扩挖机构及移动副，移动副用于限位可变径刀盘，使可变径刀盘垂直主驱动的运动轴线向外移动，即沿盾体或外刀盘的径向路径向外移动，径向是指盾体中心向外辐射的半径，而且该移动副径向移动的中心和伸缩臂的轴心应该属于同一平面，从而使伸缩臂的两个端点的相对旋转运动，转变为可变径刀盘的径向移动；这种结构设计可以有效地提高掘进速度和生产效率，缩短施工周期；

生产成本：优选的可变径装置在生产成本方面具有一定优势；其结构设计相对简洁，采用了合理的组合和布局，减少了零部件的数量和制造成本；同时，由于装置体积紧凑，可以在施工现场更方便地组装和拆卸，减少了运输和安装的成本。

应用上述的一种全断面硬岩隧洞掘进机用可变径装置，得到一种全断面硬岩隧洞掘进机用可变径装置的使用方法，包括以下步骤：

第一步，扩径准备：主驱动沿轴向推动可变径刀盘伸出，向前掘进一段距离，储备扩挖空间；

第二步，刀盘扩挖：开挖装置内部移动副沿径向伸出外刀盘，在主驱动的带动下外刀盘旋转，进而带动扩挖机构扩挖外圈土体，得到扩径空间，主驱动带动可变径刀盘沿轴向回缩，可变径刀盘即可在扩挖空间处完成刀盘的扩径；

第三步，刀盘扩径：中心刀盘保持原位置，外刀盘通过主驱动的伸缩臂沿径向伸出，扩大直至所需直径，外伸缩刀盘旋转伸出，与分外刀盘相连形成组合刀盘，同时内刀盘上的可伸缩刀头在刀头伸缩装置的驱动下沿轴向伸出，与外刀盘刀头保持在同一平面。

优选的，刀盘缩径包括以下步骤：第四步，中心刀盘保持原位置，内刀盘上的可伸缩刀头在刀头伸缩装置的驱动下沿轴向回缩，外伸缩刀盘与分外刀盘断开，沿圆周方向旋转回缩，外刀盘在伸缩臂的驱动下沿径向回缩。

优选的，第五步，推进装置通过抵在隧洞的洞壁岩体上，给主机提供前进的推进力。

应用上述的一种全断面硬岩隧洞掘进机用可变径装置及使用方法，得到一种全断面硬岩隧洞掘进机。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明的设备克服了常规TBM需拖出洞外或额外设置工作井的问题，在洞内即可实现刀盘的变径，减少人工开挖变径处设备安装洞的工作，减少设备拆装环节，缩短了施工工期；

2、采用本发明可实现刀盘直接由大变小和由小变大，并且可连续任意变径，能适应多种直径隧洞的开挖，应用范围广，施工效率高；

3、本发明操作简单，无需组装和拆卸，施工方便；

总的来说，本发明操作简单、便于组装，与现有技术相比，本发明设备无需退至洞外进行拆机重新组装，能够在隧洞内实现刀盘的可连续扩径及缩径，形成不同洞径的隧洞断面，极大地提升工程施工质量、安全以及施工效率，对于地下隧洞开挖施工适应性强，可有效降低施工成本。

附图说明

图1为本发明的一种全断面硬岩隧洞掘进机用可变径装置的剖面结构示意图；

图2为本发明的一种全断面硬岩隧洞掘进机用可变径装置的变径前的平面结构示意图；

图3为本发明的一种全断面硬岩隧洞掘进机用可变径装置的变径后的平面结构示意图；

图中：

100、盾体

110、前盾

120、尾盾

200、主驱动

210、铰接装置

220、伸缩臂

300、可变径刀盘

310、外刀盘

311、外伸缩刀盘

312、分外刀盘

320、内刀盘

321、中心刀盘

322、刀头伸缩装置

323、可伸缩刀头

400、推进装置

500、开挖装置

510、移动副

520、扩挖机构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“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，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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

实施例

如图1-3，一种全断面硬岩隧洞掘进机用可变径装置，包括：

盾体100，包括前盾110和尾盾120，尾盾120与前盾110尾部连接；

主驱动200，设置于前盾110内部，伸缩臂220通过铰接装置210与主驱动200连接；

可变径刀盘300，包括外刀盘310、内刀盘320及中心刀盘321，可变径刀盘300与主驱动200连接，主驱动200可带动可变径刀盘300沿轴线相对于盾体100移动，并带动可变径刀盘300旋转，外刀盘310可通过伸缩臂220沿径向外扩或内缩；

推进装置400，设置于前盾110内部，以推动前盾110移动；

开挖装置500，设置于外刀盘310上。

本申请实施时，具有这样的特点：现有TBM中，在洞内施工过程中仅能实现设备直径的由大变小，对直径由小变大多采用在洞外重新组装的方式，或者采用在洞内需变径处设置工作井，更换另一种规格的TBM重新掘进的方法，均存在施工工期长，设备操作繁琐费时费力的问题；

本实施例提供了一种全断面硬岩隧洞掘进机用可变径装置，其能够在隧洞内实现刀盘的扩径及缩径，无需退至洞外进行拆机重新组装，并且可连续变径，能适应多种直径的隧洞开挖，极大地提升工程适应性、安全性，提高施工效率，降低施工成本；

可变径刀盘300，包括外刀盘310、内刀盘320及中心刀盘321，可变径刀盘300与主驱动200连接，主驱动200可带动可变径刀盘300沿轴线相对于盾体100移动，并带动可变径刀盘300旋转，外刀盘310可通过伸缩臂220沿径向外扩或内缩；

外刀盘310位于可变径刀盘300前端，并与主驱动200连接，在主驱动200的驱动下，可沿径向外扩或内缩，实现刀盘外圈直径的增大与缩小；内刀盘320与中心刀盘321均设置于主驱动200上，内刀盘320位于可变径刀盘300后部，中心刀盘321位于可变径刀盘300中心。

本实施例提供的可变径刀盘300设置有开挖装置500，开挖装置500设置在外刀盘310上，包括移动副510和扩挖机构520，在可变径刀盘300扩径前，移动副510沿径向伸出扩挖机构520，扩挖机构520进行岩体的扩挖，通过主驱动200驱动可变径刀盘300，并在可变径刀盘300的平移旋转带动下，使得开挖装置500能够在洞内沿径向扩挖形成扩挖空间，从而使全断面硬岩隧洞掘进机在洞内即可完成刀盘直径的由小变大。

具体的，外刀盘310包括外伸缩刀盘311和分外刀盘312，外伸缩刀盘311可沿外刀盘310圆周方向旋转伸缩，并与分外刀盘312连接，使得外刀盘310能够根据需要调整直径大小，以适应不同断面尺寸的隧洞。

具体的，内刀盘320包括刀头伸缩装置322和可伸缩刀头323，中心刀盘321与外刀盘310处于同一平面，可伸缩刀头323设置于外刀盘310后部，内刀盘320在外刀盘310的连接限位下可旋转和伸缩，以适应不同断面尺寸的隧洞。

具体的，可伸缩刀头323通过刀头伸缩装置322实现伸缩，刀头伸缩装置322提供了控制和调节刀头长度的机制，使得可伸缩刀头323能够根据实际需求进行伸缩，以适应不同岩石层的掘进工作。

具体的，开挖装置500包括移动副510和扩挖机构520，移动副510用于限位可变径刀盘300，使可变径刀盘300垂直主驱动200的运动轴线向外移动，伸缩臂220通过移动副510调整可变径刀盘300的伸缩位置，辅助外扩掘进，确保刀盘的稳定和准确掘进。

具体的，扩挖机构520设置外端，以提高施工效率和掘进质量。

一种全断面硬岩隧洞掘进机用可变径装置的使用方法，包括以下步骤：

第一步，扩径准备：主驱动200沿轴向推动可变径刀盘300伸出，向前掘进一段距离，储备扩挖空间；

第二步，刀盘扩挖：开挖装置500内部移动副510沿径向伸出外刀盘310，在主驱动200的带动下外刀盘310旋转，进而带动扩挖机构520扩挖外圈土体，得到扩径空间，主驱动200带动可变径刀盘300沿轴向回缩，可变径刀盘300即可在扩挖空间处完成刀盘的扩径；

第三步，刀盘扩径：中心刀盘321保持原位置，外刀盘310通过主驱动200的伸缩臂220的驱动，在移动副510的限位下，外刀盘310沿径向伸出，扩大直至所需直径，外伸缩刀盘311旋转伸出，与分外刀盘312相连形成组合刀盘，同时内刀盘320上的可伸缩刀头323在刀头伸缩装置322的驱动下沿轴向伸出，与外刀盘310刀头保持在同一平面。

具体的，刀盘缩径包括以下步骤：第四步，中心刀盘321保持原位置，内刀盘320上的可伸缩刀头323在刀头伸缩装置322的驱动下沿轴向回缩，外伸缩刀盘311与分外刀盘312断开，沿圆周方向反向旋转回缩，外刀盘310在伸缩臂220的驱动下沿径向回缩。

具体的，第五步，推进装置400通过抵在隧洞的洞壁岩体上，给主机提供前进的推进力。

具体的，外刀盘310后部还设置了外伸缩刀盘311，当外刀盘310在主驱动200的驱动下直径扩大后，外伸缩刀盘311从分外刀盘312内部伸出，沿圆周方向旋转，直至与相邻分外刀盘312连接；同时中心刀盘321保持原状，外刀盘310扩径后，内刀盘320露出表面，其上设置有可伸缩刀头323和刀头伸缩装置322，可伸缩刀头323在刀头伸缩装置322的作用下，沿轴向伸出，直至与外刀盘310上刀头位于同一平面。要实现刀盘直径的缩小时，可伸缩刀头323可在刀头伸缩装置322的作用下沿轴向回缩，隐藏于内刀盘320上，同时外伸缩刀盘311与分外刀盘312断开，沿圆周方向反向旋转回缩，外刀盘310在主驱动200的驱动下沿径向缩小直径；推进装置400设置于前盾110内部，以推动前盾110移动。

总的来说，本发明包括盾体100、主驱动200、可变径刀盘300、推进装置400和开挖装置500；盾体100包括前盾110和尾盾120；可变径刀盘300包括外刀盘310和内刀盘320，内、外刀盘310均与主驱动200连接，外刀盘310上设有外伸缩刀盘311，内刀盘320上设有可伸缩刀头323，与刀头伸缩装置322连接；开挖装置500包括移动副510和扩挖机构520；同时，本发明还提供了一种可变径TBM的使用方法。

本实施例的可变径TBM设备的使用方法，包括以下步骤：

1)扩径准备：主驱动200沿轴向推动可变径刀盘300伸出，向前掘进一段距离，留出扩挖空间；

2)刀盘扩挖：开挖装置500内部移动副520沿径向伸出外刀盘310，在主驱动200的带动下外刀盘310旋转，进而带动扩挖机构520扩挖外圈土体，形成扩径空间，主驱动200带动可变径刀盘300沿轴向回缩，可变径刀盘300即可在扩挖空间处完成刀盘的扩径；

3)刀盘扩径：中心刀盘321保持原位置，外刀盘310通过伸缩臂220沿径向伸出，扩大直至所需直径，外伸缩刀盘311旋转伸出，与外刀盘310相连形成组合刀盘，同时内刀盘320上的可伸缩刀头323在刀头伸缩装置322的驱动下沿轴向伸出，与外刀盘310刀头保持在同一平面。

4)刀盘缩径：中心刀盘321保持原位置，内刀盘320上的可伸缩刀头323在刀头伸缩装置322的驱动下沿轴向回缩，外伸缩刀盘311与外刀盘310断开，沿圆周方向旋转回缩，外刀盘310在伸缩臂220的驱动下沿径向回缩。

综上，本发明可广泛用于不同直径隧洞的开挖，本发明克服了现有TBM无法任意连续变径和变径时费时、费力、成本高的缺点；本发明的设备通过外刀盘310的径向伸缩和内刀盘320的刀头的轴向伸缩实现洞内连续变径，无需退至洞外拆机重组，可提高隧洞掘进效率，降低施工成本，特别适应于存在多种直径隧洞的工程；同时本发明具有结构简单，便于组装和拆卸，操作简单，施工效率高等优点，解决了变直径隧洞中TBM无法连续掘进的难题。

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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种全断面硬岩隧洞掘进机用可变径装置，其特征在于，包括：

盾体（100），包括前盾（110）和尾盾（120），尾盾（120）与前盾（110）尾部连接；

主驱动（200），设置于前盾（110）内部，伸缩臂（220）通过铰接装置（210）与主驱动（200）连接；

可变径刀盘（300），包括外刀盘（310）、内刀盘（320）及中心刀盘（321），可变径刀盘（300）与主驱动（200）连接，主驱动（200）可带动可变径刀盘（300）沿轴线相对于盾体（100）移动，并带动可变径刀盘（300）旋转，外刀盘（310）可通过伸缩臂（220）沿径向外扩或内缩；

推进装置（400），设置于前盾（110）内部，以推动前盾（110）移动；

开挖装置（500），设置于外刀盘（310）上；

外刀盘（310）包括外伸缩刀盘（311）和分外刀盘（312），外伸缩刀盘（311）可沿外刀盘（310）圆周方向旋转伸缩，并与分外刀盘（312）连接；

内刀盘（320）包括刀头伸缩装置（322）和可伸缩刀头（323），外刀盘（310）和中心刀盘（321）工作面为同一平面，可伸缩刀头（323）设置于外刀盘（310）后部，内刀盘（320）的可伸缩刀头（323）伸出后的工作面和中心刀盘（321）同一平面；

开挖装置（500）包括移动副（510）和扩挖机构（520），移动副（510）用于限位可变径刀盘（300）的外刀盘（310），移动副（510）设置在可变径刀盘（300）的外刀盘（310）径向路径上，可变径刀盘（300）的外刀盘（310）铰接伸缩臂（220）的一端。

2.一种全断面硬岩隧洞掘进机用可变径装置的使用方法，采用权利要求1所述的一种全断面硬岩隧洞掘进机用可变径装置，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，扩径准备：主驱动（200）沿轴向推动可变径刀盘（300）伸出，向前掘进一段距离，储备扩挖空间；

第二步，刀盘扩挖：开挖装置（500）内部移动副（510）沿径向伸出扩挖机构（520），在主驱动（200）的带动下外刀盘（310）旋转，进而带动扩挖机构（520）扩挖外圈土体，得到扩径空间，主驱动（200）带动可变径刀盘（300）沿轴向回缩，可变径刀盘（300）即可在扩挖空间处完成刀盘的扩挖；

第三步，刀盘扩径：中心刀盘（321）保持原位置，外刀盘（310）通过主驱动（200）的伸缩臂（220）沿径向伸出，扩大直至所需直径，外伸缩刀盘（311）旋转伸出，与分外刀盘（312）相连形成组合刀盘，同时内刀盘（320）上的可伸缩刀头（323）在刀头伸缩装置（322）的驱动下沿轴向伸出，与外刀盘（310）刀头保持在同一平面。

3.如权利要求2所述的一种全断面硬岩隧洞掘进机用可变径装置的使用方法，其特征在于，刀盘缩径包括以下步骤：第四步，中心刀盘（321）保持原位置，内刀盘（320）上的可伸缩刀头（323）在刀头伸缩装置（322）的驱动下沿轴向回缩，外伸缩刀盘（311）与分外刀盘（312）断开，沿圆周方向旋转回缩，外刀盘（310）在伸缩臂（220）的驱动下沿径向回缩。

4.如权利要求3所述的一种全断面硬岩隧洞掘进机用可变径装置的使用方法，其特征在于，第五步，推进装置（400）通过抵在隧洞洞壁岩体上，给主机提供前进的推进力。

5.一种全断面硬岩隧洞掘进机，其特征在于，应用权利要求1所述的一种全断面硬岩隧洞掘进机用可变径装置。