CN117386390A - 一种隧道开挖设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道开挖设备，包括切削系统、土仓和动力系统，切削系统设置在前仓端口后方，动力系统设置在中仓，由动力系统驱动切削系统切削，土仓活动设置在切削系统下方；所述切削系统包括刀盘组件、刀盘外围刃口、中心钻具和前置导向组件，刀盘外围刃口封堵设置在前仓端口，刀盘组件设置在刀盘外围刃口内。该隧道开挖设备仅为部分切削隧道断面，用机械方式对掌子面形成支撑，而不完全采用通常的掌子面压力平衡方式，能够减少围岩直接破碎面积，有效减少地层扰动，利于控制沉降，且降低施工所需能耗和成本，安全且环保，构造简单，且可实现拼装，能够适应不同的隧道断面形状，具有较强的适应性。

Description

一种隧道开挖设备

技术领域

本发明涉及地下空间施工技术领域，具体涉及一种隧道开挖设备。

背景技术

盾构法包含顶管法是目前隧道施工常用的方法之一，一般盾构或顶管机刀盘通常与隧道断面基本一致，对于城市软弱围岩或软硬不均地层，特别在浅覆土的情况下，伸出的刀盘可能会扰动上覆地层因而引起地表沉降。另外大刀盘所需工作动力较高，设备造价及施工成本也比较高，因此亟需一种新技术，能够有效改善盾构或顶管施工成本较高，且施工过程地层扰动相对较大等问题。

发明内容

本发明目的是提供一种隧道开挖设备及使用方法，该隧道开挖设备解决了现有隧道盾构或顶管施工成本较高、能耗较高且地层扰动大的问题。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种隧道开挖设备，包括切削系统、土仓和动力系统，切削系统设置在前仓端口后方，动力系统设置在中仓，由动力系统驱动切削系统切削，土仓活动设置在切削系统下方；

所述切削系统包括刀盘组件、刀盘外围刃口、中心钻具和前置导向组件，刀盘外围刃口封堵设置在前仓端口，刀盘组件设置在刀盘外围刃口内，中心钻具设置在前仓内、且与动力系统动力连接，中心钻具前端穿出刀盘组件、超前设置于前仓端口，前置导向组件设置在前仓端口处。

优选的，所述前仓和所述中仓由纠偏系统活动连接，纠偏系统包括四个纠偏油缸，四个纠偏油缸将前仓的后壁与中仓的前壁相连。

优选的，所述刀盘组件包括刀盘和刀齿，刀盘固定安装在中心钻具上，在刀盘上呈放射状均布多个排土窗，在排土窗一侧设置一组刀齿。

优选的，所述刀盘置于前仓端口后方，滞后距离为隧道断面直径的20%～120%；刀盘面积为所述前仓端口面积的45%-85%。

优选的，所述刀盘外围刃口包括套筒和刃口，刃口是由多块多边形板拼接成的带多个切削楞的喇叭状结构，刃口设置在套筒一端。

优选的，所述中心钻具包括中心钻头、螺旋钻具和外套管，外套管一端连接在所述前仓的后壁上，另一端深入所述套筒尾端、并通过弹性密封圈封堵外套管与套筒间的间隙，螺旋钻具与所述动力系统相连、设置在外套管内，螺旋钻具的转轴前端穿出所述刀盘、且与刀盘相固定，中心钻头设置在螺旋钻具的转轴前端；在外套管上开设有出土口，所述土仓设置在出土口正下方。

优选的，所述土仓活动安装在滑轨上，土仓在滑轨的一个极限位置为所述出土口正下方，另一个极限位置在所述中仓内，滑轨设置在所述前仓底板上以及所述中仓底板上。

优选的，所述前置导向组件包括四个油缸，四个油缸分设在所述前仓端口的四角、且位于所述刃口外围，油缸底端固定安装在所述前仓的后壁，油缸顶端连接有导向铲。

优选的，所述前仓的外壳截面与所述中仓的外壳截面形状相同，为圆形或方形。

本发明中，为了最大程度减小土体扰动，相对于传统技术，本发明将刀盘面积缩小至前仓端口面积即断面面积的45%-85%，通过小刀盘扰动切削土体，且超前置于前仓端口，能够减少围岩直接破碎面积，有效减少地层扰动，利于控制沉降，且降低施工所需能耗和成本，安全且环保。

刀盘外围刃口不仅能够及时收拢围岩，对于相对较硬的围岩具有一定程度的剪切作用，提高了开挖设备的实用性，实现隧道掘进。

当外框结构边角区域围岩不易被刀盘破坏时，可通过前置导向构件对刀盘外围区域土体进行局部扰动，便于掘进；同时，前置导向构件对掘进轨迹具有一定纠偏作用，当左侧两个油缸工作时，左侧土体优先扰动，掘进轨迹易偏向左侧，同理，当右侧两个油缸工作时，右侧土体优先扰动，掘进轨迹易偏向右侧。

隧道掘进时，根据围岩特点和施工状态，同时，通过调整土仓内渣土输送速度，进而改变土仓内土体量并间接改变外套管中土体压力，从而实现掌子面稳定，确保掘进安全。

开挖设备构造简单，且可实现拼装，能够适应不同的隧道断面形状，具有较强的适应性。

该隧道开挖设备仅为部分切削隧道断面，用机械方式对掌子面形成支撑，而不完全采用通常的掌子面压力平衡方式，能够减少围岩直接破碎面积，有效减少地层扰动，利于控制沉降，且降低施工所需能耗和成本，安全且环保，构造简单，且可实现拼装，能够适应不同的隧道断面形状，具有较强的适应性。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明整体结构另一视角示意图；

图3为本发明整体结构立体示意图；

图中：1、切削系统；2、土仓；3、动力系统；4、前仓；5、中仓；6、纠偏系统；7、滑轨；8、顶推系统；10、刀盘组件；11、刀盘外围刃口；12、中心钻具；13、前置导向组件；14、导向铲；30、电机；31、减速器；80、顶推油缸；81、顶推盘；100、刀盘；101、刀齿；102、排土窗；110、套筒；111、刃口；120、中心钻头；121、螺旋钻具；122、外套管；123、出土口。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步说明：

如图1、图2和图3所示的一种隧道开挖设备，包括切削系统1、土仓2和动力系统3，切削系统1设置在前仓4端口后方，前仓4为敞开式结构，动力系统3设置在中仓5，由动力系统3驱动切削系统1切削，土仓2活动设置在切削系统1下方, 即前仓主要为切削出渣区域，中仓主要为动力源区域。前仓4和中仓5由纠偏系统6活动连接，纠偏系统6包括四个纠偏油缸，四个纠偏油缸将前仓4的后壁与中仓5的前壁相连。

切削系统1包括刀盘组件10、刀盘外围刃口11、中心钻具12和前置导向组件13，刀盘外围刃口11封堵设置在前仓4端口，刀盘组件10设置在刀盘外围刃口11内，中心钻具12设置在前仓4内、且与动力系统3动力连接，中心钻具12前端穿出刀盘组件10、超前设置于前仓4端口，前置导向组件13设置在前仓4端口处。

刀盘组件10包括刀盘100和刀齿101，刀盘100固定安装在中心钻具12上，在刀盘100上呈放射状均布多个排土窗102，在排土窗102一侧设置一组刀齿101。刀盘100置于前仓端口后方，滞后距离为隧道断面直径的20%～120%；刀盘100面积为前仓4端口面积的45%-85%，滞后距离取决于地层等因素，当地质条件良好，掌子面自身稳定，此时刀盘组件滞后距离较短，当围岩条件较为软弱时，则需要刀盘组件滞后距离较长，通过外围构造对掌子面前方围岩产生一定程度的预支护，进而保证施工安全。刀盘外围刃口11包括套筒110和刃口111，刃口111是由多块多边形板拼接成的带多个切削楞的喇叭状结构，刃口111设置在套筒110一端。

中心钻具12包括中心钻头120、螺旋钻具121和外套管122，外套管122一端连接在前仓4的后壁上，另一端深入套筒110尾端、并通过弹性密封圈封堵外套管122与套筒110间的间隙，螺旋钻具121与动力系统3相连、设置在外套管122内，在本例中，动力系统3包括电机30和减速器31，螺旋钻具121的转轴通过减速器31与电机30的输出端相连接。螺旋钻具121的转轴前端穿出刀盘100、且与刀盘100相固定，中心钻头120设置在螺旋钻具121的转轴前端；在外套管122上开设有出土口123，土仓2设置在出土口123正下方。在一个优选实施例中，土仓2为带滚轮的上开口箱体结构，土仓2活动安装在滑轨7上，土仓2在滑轨7的一个极限位置为出土口123正下方，另一个极限位置在中仓5内，以便于土仓2内土体转运，滑轨7设置在前仓4底板上以及中仓5底板上。

前置导向组件13包括四个油缸，四个油缸分设在前仓4端口的四角、且位于刃口111外围，油缸底端固定安装在前仓4的后壁，油缸顶端连接有导向铲14。前置导向构件对掘进轨迹具有一定纠偏作用，当左侧两个油缸工作时，左侧土体优先扰动，掘进轨迹易偏向左侧，同理，当右侧两个油缸工作时，右侧土体优先扰动，掘进轨迹易偏向右侧，在纠偏过程中，纠偏系统6调整前仓4和中仓5间的相对位置，以配合掘进过程中对掘进轨迹的纠偏。

前仓4的外壳截面与中仓5的外壳截面形状相同，为圆形或方形。中仓5后壁与顶推系统8相连接，顶推系统8包括顶推油缸80和顶推盘81，顶推盘81固定在中仓后壁上，顶推油缸80的伸缩端与顶推盘81相连接。

一种隧道盾构机头的使用方法，包括以下步骤：

步骤一：盾构机头安装，对隧道盾构机头进行安装调试，并进行设备定位；

步骤二：设备启动，设备以一定的姿态掘进，设备掘进时，根据地层情况和工程状况调整刀盘组件10与刀盘外围刃口11相对位置，且设备边掘进边排渣，密切关注掌子面土体压力，通过调整土仓2的出土速度以控制土仓2压力，使土仓2压力与掌子面土体压力平衡，实现掌子面土体稳定；

步骤三：衬砌施工，掘进一个步距后，在形成的隧道空间内进行衬砌施工；

步骤四：后续施工，循环步骤二至步骤三直至掘进至设计位置。

上述实施例只是对本发明构思和实现的若干说明，并非对其进行限制，比如可以采用非矩形断面，在本发明构思下，未经实质变换的技术方案仍然在保护范围内。

Claims (9)

1.一种隧道开挖设备，其特征在于：包括切削系统（1）、土仓（2）和动力系统（3），切削系统（1）设置在前仓（4）端口后方，动力系统（3）设置在中仓（5），由动力系统（3）驱动切削系统（1）切削，土仓（2）活动设置在切削系统（1）下方；

所述切削系统（1）包括刀盘组件（10）、刀盘外围刃口（11）、中心钻具（12）和前置导向组件（13），刀盘外围刃口（11）封堵设置在前仓（4）端口，刀盘组件（10）设置在刀盘外围刃口（11）内，中心钻具（12）设置在前仓（4）内、且与动力系统（3）动力连接，中心钻具（12）前端穿出刀盘组件（10）、超前设置于前仓（4）端口，前置导向组件（13）设置在前仓（4）端口处。

2.根据权利要求1所述的隧道开挖设备，其特征在于：所述前仓（4）和所述中仓（5）由纠偏系统（6）活动连接，纠偏系统（6）包括四个纠偏油缸，四个纠偏油缸将前仓（4）的后壁与中仓（5）的前壁相连。

3.根据权利要求1所述的隧道开挖设备，其特征在于：所述刀盘组件（10）包括刀盘（100）和刀齿（101），刀盘（100）固定安装在中心钻具（12）上，在刀盘（100）上呈放射状均布多个排土窗（102），在排土窗（102）一侧设置一组刀齿（101）。

4.根据权利要求3所述的隧道开挖设备，其特征在于：所述刀盘（100）置于前仓端口后方，滞后距离为隧道断面直径的20%～120%；刀盘（100）面积为所述前仓（4）端口面积的45%-85%。

5.根据权利要求4所述的隧道开挖设备，其特征在于：所述刀盘外围刃口（11）包括套筒（110）和刃口（111），刃口（111）是由多块多边形板拼接成的带多个切削楞的喇叭状结构，刃口（111）设置在套筒（110）一端。

6.根据权利要求5所述的隧道开挖设备，其特征在于：所述中心钻具（12）包括中心钻头（120）、螺旋钻具（121）和外套管（122），外套管（122）一端连接在所述前仓（4）的后壁上，另一端深入所述套筒（110）尾端、并通过弹性密封圈封堵外套管（122）与套筒（110）间的间隙，螺旋钻具（121）与所述动力系统（3）相连、设置在外套管（122）内，螺旋钻具（121）的转轴前端穿出所述刀盘（100）、且与刀盘（100）相固定，中心钻头（120）设置在螺旋钻具（121）的转轴前端；在外套管（122）上开设有出土口（123），所述土仓（2）设置在出土口（123）正下方。

7.根据权利要求6所述的隧道开挖设备，其特征在于：所述土仓（2）活动安装在滑轨（7）上，土仓（2）在滑轨（7）的一个极限位置为所述出土口（123）正下方，另一个极限位置在所述中仓（5）内，滑轨（7）设置在所述前仓（4）底板上以及所述中仓（5）底板上。

8.根据权利要求5所述的隧道开挖设备，其特征在于：所述前置导向组件（13）包括四个油缸，四个油缸分设在所述前仓（4）端口的四角、且位于所述刃口（111）外围，油缸底端固定安装在所述前仓（4）的后壁，油缸顶端连接有导向铲（14）。

9.根据权利要求1所述的隧道开挖设备，其特征在于：所述前仓（4）的外壳截面与所述中仓（5）的外壳截面形状相同，为圆形或方形。