CN117432430A - 钻孔式硬岩隧道掘进方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于岩石钻进技术领域，涉及一种硬岩隧道掘进方法和设备，该设备包括行走底盘和可拆卸安装在行走底盘上的工作装置、驾驶室、动力系统以及配重机构，所述工作装置布置在行走底盘的前端，所述动力系统和配重机构布置在行走底盘的后端以在行走底盘的前后两端形成配重关系，所述驾驶室布置在工作装置的后方；所述工作装置包括中心升降机构、俯仰调节机构、臂头回转机构、半径伸缩调整机构以及钻进机构。本发明中工作装置布置在行走底盘的前端，动力系统及配重机构在行走底盘的后端，前后形成配重关系，且工作装置呈左右对称布置，大部分隧道也是左右对称的，使得该钻孔式硬岩隧道掘进设备具有更高的施工效率。

Description

钻孔式硬岩隧道掘进方法和设备

技术领域

本发明属于岩石钻进技术领域，涉及一种硬岩隧道掘进方法和设备。

背景技术

建筑与交通建设中，存在各种条件的隧道，传统的隧道施工难以满足时代发展下施工的需要，因此出现了很多新型的隧道施工技术，如非爆破法开挖。这种方式是在周边的环境不利于爆破的情况下，通过机械与人工开挖隧道。

现有的非爆破法开挖，主要有盾构法、铣挖法、手动钻机钻孔法、破碎锤法、悬臂式掘进法以及环缝钻进法等手段。但是上述各种开挖法中均具有一定的不足，如手动钻机钻孔法由于钻孔时钻进力较大，人工施力劳动强度大，施力不稳定，效率较低；盾构法的适用环境为中长距离隧道，并且整体费用较高，硬岩开挖速度低；铣挖法则是仅适用于脆性岩石地层或低强度岩层，并且开挖过程中粉尘大，效率低；破碎锤法则是仅适用于强度较低的风化岩，并且开挖过程中粉尘大，效率低，隧道轮廓线修边困难；悬臂式掘进法则是在开挖过程中粉尘较大，并且超欠挖严重，也无法掘进硬岩隧道。

如图13所示，环缝钻进法是在隧道截面四周钻上相连接的环缝，待四周圆环缝切割完成，形成临空面，然后在中间区域钻上一定数量的孔，采用劈裂装置使中间的土石撑裂，最后将撑裂的土石运走，周而复始，实现掘进。环缝钻进法常用人工水磨钻搭脚手架来钻孔。根据隧道断面的形状和大小，定制合适的脚手架，然后将人工水磨钻机固定在脚手架上面进行水平或者倾斜钻孔，操作人员或坐或站立在脚手架上的工作平台上面，操作设备。可以想象，非常危险，效率低下，并且工人劳动强度非常高。在现有技术中采用环缝钻进方案进行隧道开挖时，常用劈裂装置将岩石向临空面方向进行劈裂，常见的劈裂装置一般有劈裂棒，石楔子等，这些方法都是对孔口作用分裂力，由于在隧道掘进中，待分裂的岩石，除了孔口两侧的岩石是连接在一起待分裂外(A面)，底部工作面的岩石也是连接在一起待分裂(B面)，因此，仅在孔口作用分裂力，绝大部分情况下，岩石都是从钻孔深度的一半斜向裂开，导致还有一半岩石没有分裂，而且会造成后续破岩工序困难重重。

因此，目前急需一种使用于硬岩隧道的隧道掘进设备及方法，以克服上述问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种硬岩隧道掘进方法和设备，以解决现有非爆破法开挖法中存在的不足。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种钻孔式硬岩隧道掘进设备，包括行走底盘和安装在行走底盘上的工作装置、动力系统以及配重机构，所述工作装置布置在行走底盘的前端，所述动力系统和配重机构布置在行走底盘的后端以在行走底盘的前后两端形成配重关系；

所述工作装置包括中心升降机构、俯仰调节机构、臂头回转机构、半径伸缩调整机构以及钻进机构，所述中心升降机构的一端连接在行走底盘的前端，所述俯仰调节机构包括托板、俯仰油缸以及摆动支架，所述托板竖直滑动连接在中心升降机构上远离行走底盘的一侧，所述俯仰油缸的一端铰接在托板上，所述臂头回转机构包括回转减速机、回转中心架以及中心定距套，所述摆动支架铰接在托板上，至少两个回转减速机并列安装在同一个摆动支架上，至少两个回转中心架的尾端对应安装在两个回转减速机中，所述回转中心架在其对应的回转减速机驱动下绕回转减速机轴线转动，所述中心定距套至少具有两个套筒，且所述回转减速机、回转中心架及套筒的数量一一对应，所述套筒对应套装在各个回转中心架的中部、且各回转中心架可在回转减速机的驱动下在对应的套筒内转动，且所述俯仰油缸的另一端铰接在中心定距套上；

所述半径伸缩调整机构一端连接回转中心架，另一端连接钻进机构，以调节钻进机构到回转中心距离，且所述半径伸缩调整机构的数量与回转中心架的数量一致。

进一步地，所述回转减速机及回转中心架均为两个，且两个回转减速机及两个回转中心架呈对称布置；中心定距套上两套筒间的中心距与两回转减速机间的中心距相同。

进一步地，还包括中心顶紧机构及中心顶紧油缸，中心顶紧机构插装在回转中心架的首端，所述中心顶紧油缸一端铰接在中心定距套上，另一端铰接在中心顶紧机构上。

进一步地，所述中心顶紧机构包括固定筒、固定板、活动顶紧筒以及弹簧顶紧机构；所述固定筒设在固定板上并与固定板固接成整体，且所述固定筒的数量与回转中心架的数量相同，固定板前侧的中心位置处设有中心顶紧筒，后侧的中心位置处设有可与中心顶紧油缸相铰接的连接板；

弹簧顶紧机构主要由弹簧底板、弹簧、螺杆以及前底板组成，弹簧底板与前底板上均设有螺杆穿出孔，螺杆依次穿过弹簧底板、弹簧以及前底板后通过套装在螺杆两端头的螺母将弹簧夹在弹簧底板与前底板之间、并对弹簧长度进行锁定；

活动顶紧筒有两个，各自通过一组弹簧顶紧机构插装在对应的固定筒内，其中，弹簧底板设置在固定筒后端并与固定筒相固接，前底板设置在活动顶紧筒内并与活动顶紧筒相固接，活动顶紧筒伸出固定筒并可沿固定筒内壁前后移动。

进一步地，所述半径调整伸缩机构包括固定套、半径伸缩活动套和伸缩油缸，所述半径伸缩活动套沿固定连接在所述回转中心架上的固定套做轴向滑动，并由伸缩油缸驱动以调节钻具推进机构到回转中心架的距离。

进一步地，所述钻进机构包括钻具和钻具推进机构，且所述钻进机构通过钻具推进机构连接在所述半径伸缩调整机构上，所述钻具推进机构包括导轨和滑动连接在导轨上的钻头推进座，所述钻头推进座包括导向座以及推进座，其中导向座安装在导轨上，推进座安装在导向座上，所述钻具转动连接在推进座上，并在所述导向座或推进座上连接有驱动其沿导轨轴向运动的推进机构。

进一步地，钻进装置架包括架体本体与固定板，两块固定板通过若干连接件可拆卸安装在架体本体的两侧；固定板朝向滑轮架一侧面上设有导轨条，该导轨条与架体本体配合形成限位滑槽。

进一步地，导轨条与固定板为分体结构，两者间通过连接件可拆卸连接。

进一步地，所述推进机构包括前定滑轮、后定滑轮、第一链条、第二链条、动滑轮组、进给油缸以及钻进装置架；导轨安装在钻进装置架上并与钻进装置架组合成框架结构，前定滑轮与后定滑轮均安装在钻进装置架上并与导轨的前、后端头相对应，导轨上套装有钻头推进座；

动滑轮组主要由滑轮架、前动滑轮和后动滑轮组成；前动滑轮与后动滑轮各自通过一个导向销轴并列安装在滑轮架上，或，前动滑轮与后动滑轮通过一个导向销轴同轴安装在滑轮架上；

进给油缸平行设置在导轨下方，进给油缸的后端安装在钻进装置架上，前端伸缩端与动滑轮组中的滑轮架相接；导向销轴的伸出端嵌合在钻进装置架的限位滑槽内、以使该动滑轮组在进给油缸的驱动下沿限位滑槽前后移动；

第一链条的上端头连接在钻头推进座的前端，然后依次绕过前定滑轮与前动滑轮后，其下端头通过前张紧螺栓连接在钻进装置架的前端；第二链条的上端头连接在钻头推进座的后端，然后依次绕过后定滑轮与后动滑轮后，其下端头通过后张紧螺栓连接在钻进装置架的后端。

一种钻孔式硬岩隧道掘进方法，采用所述的钻孔式硬岩隧道掘进设备，具体包括以下步骤：

第一步：沿隧道轮廓线打交孔，使轮廓线内的岩石和山体沿隧道轮廓线断开，形成一圈环缝；

第二步：根据岩石力学特点以及分裂器的能力，在整个轮廓线内布置分裂孔，且分裂孔的深度不低于环缝的孔深，分裂器的长度不大于分裂孔深度的一半；

第三步：根据分裂方向，将分裂方向所对的环缝内的岩心清除干净，形成临空面；

第四步：至少在一排或者一列所有的分裂孔内插入分裂器，或者在所有分裂孔内插入分裂器，并将分裂器插入分裂孔的孔底，使得分裂器的加力机构贴近分裂孔的底部；

第五步：启动所有的分裂器给岩石加力，使得待分裂岩石先从分裂孔的底部工作面分裂，然后再从分裂孔口的两侧工作面裂开，从而完全分裂岩石且底部工作面平整；

第六步：将大块岩石改小，出渣运输，完成一个循环的隧道掘进；

第七步：重复上述过程，直至隧道贯通。

本发明的有益效果在于：

1、本发明提供的一种钻孔式硬岩隧道掘进方法和设备，工作装置布置在行走底盘的前端，动力系统及配重机构在行走底盘的后端，前后形成配重关系，保持设备行走和工作的时候重心稳定，驾驶室位于工作装置的背后，便于机手直观的观察钻机工作状态，提高操作便利性，工作装置位于设备前端，并呈左右对称布置，大部分隧道也是左右对称的，因此对称布置的工作装置具有更高的施工效率，采用中心升降机构以适应不同高度的隧道，通过俯仰调节机构用于适应不同坡度的隧道，通过对称布置的臂头回转机构以方便的对弧形轮廓线打孔，采用中心顶紧机构以用于在钻机工作的时候，顶紧岩壁，稳定工作装置，通过半径伸缩调整机构连接钻机推进机构能够适应不同宽度的隧道。

2、臂头回转机构中的两个回转减速机及两个回转中心架呈对称布置，将施工面一分为二，各回转中心架各自控制并实现180°的单侧翻转，两个对称布置的回转中心架可配合实现两侧共360°范围内的角度调节，设备可同时钻进，提高了作业效率，既满足了独立控制的要求，又不会互相干涉；两个回转减速机安装在同一个摆动支架上，两个回转中心架由一个中心定距套定距约束，整个回转机构形成整体，受力性好，满足多种施工环境的施工需求；该回转机构由设置在下方的俯仰油缸调整钻进/俯仰角度，下方的俯仰油缸通过托板与上方的回转机构形成了一个三角形稳定结构，整体结构紧凑，稳定；中心顶紧机构与回转中心架插装配合，既不会干涉回转中心架的转动，又保证了中心顶紧机构的结构稳定性，机构整体的受力性及稳定性更好。

3、中心顶紧机构中的活动顶紧筒后方设有弹簧顶紧机构，即使遇到不平整的岩壁，活动顶紧筒仍能适应并顶紧；在钻机震动时，顶紧岩壁的活动顶紧筒还具有一定的缓冲效果。中心顶紧筒居中设置，两个活动顶紧筒对称设置在中心顶紧筒的两侧，中心顶紧筒作为顶紧基础，可限制该机构的顶紧深度，而两侧的活动顶紧筒与中心顶紧筒相配合，实现了整个机构的双顶紧，与常规的“单”筒顶紧相比，消除了单筒顶紧时绕顶紧筒轴线转动的问题，避免了顶紧状态下的扭动。

4、钻具推进机构中的进给油缸的活塞杆连接动滑轮组，链条的运动距离为进给油缸活塞杆行程的双倍，即进给油缸活塞杆行程为一半，带有钻具的钻头推进座在导轨上做全程移动，实现了进给油缸的倍程推进钻孔或倍程退芯。进给油缸的活塞杆缩回时，导向座向前运动以使钻具向前伸出钻进，进给油缸的活塞杆伸出时，导向座向后运动以使钻具后退，即油缸返回时的拉力用于钻进，伸出时的推力用于退芯，而油缸推力大、拉力小，符合钻进对力的需求。钻进装置架中设有限位滑槽，该限位滑槽具有导向作用，能防止动滑轮组向上或向下摆动；另外，钻进装置架中的架体本体与固定板设置成分体结构，即可通过装配形成限位滑槽，这样既降低了前期零部件的加工难度，又使得后期的检修、维护更方便。导向座“抱”在导轨上，导向座的几个侧面中，部分相邻侧面上设有凹槽，凹槽内设有尼龙滑块，剩余的相邻面作为基准面，通过旋钮顶紧螺丝顶压尼龙滑块，可调节导向座与导轨之间的间隙，使得导向座既能在导轨上平稳滑动，又不会因间隙过大而导致导向座在导轨上晃动，进而确保了钻具钻进的稳定性。总的来说，本方案的推进导向机构结构简单、稳定，重量轻便，既方便加工、安装，又便于后期维护，整体成本更低。

总的来说，该钻孔式硬岩隧道掘进设备相较于现有的掘进设备，本发明具有更好的结构稳定性，并且呈对称布置，更加美观；各个结构之间的调整呈线性，依次为中心升降调节、俯仰调节、回转(弧度)调节以及半径调节，利于操作人员理解，从而提升工作效率，并且具有较好的断面适应能力；并且通过本发明中钻孔式硬岩隧道掘进设备的准确定位和精准开孔配合本发明的钻孔式硬岩隧道掘进方法，能够使得开挖尺寸精确，超欠挖可控，便于实现自动化和智能化。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为一种钻孔式硬岩隧道掘进设备的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为图1的侧视图；

图4为俯仰调节机构及臂头回转调节机构的结构示意图；

图5为图4的俯视图；

图6为中心顶紧机构的结构示意图；

图7为图6的剖视图；

图8为钻具推进机构的结构示意图；

图9为钻具推进机构的结构示意图(去除固定板)；

图10为另一种动滑轮组的结构示意图；

图11为动滑轮组与钻进装置架的配合示意图；

图12为半径伸缩调整机构的局部结构示意图；

图13为现有技术中钻孔式硬岩隧道掘进方法的原理示意图(背景技术)；

图14为本发明中钻孔式硬岩隧道掘进方法的原理示意图。

附图标记：钻具1、钻具推进机构2、导轨201、前定滑轮202、后定滑轮203、第一链条204、第二链条205、动滑轮组206、滑轮架20601、前动滑轮20602、后动滑轮20603、导向销轴20604、进给油缸207、钻进装置架208、限位滑槽20801、架体本体20802、固定板20803、导轨条20804、螺栓20805、钻头推进座209、导向座2091、推进座2092、前张紧螺栓2010、后张紧螺栓2011、钻具驱动马达3、半径伸缩调整机构4、固定套401、半径伸缩活动套402、伸缩油缸403、中心顶紧机构5、固定筒501、固定板502、活动顶紧筒503、弹簧顶紧机构504、弹簧底板50401、弹簧50402、螺杆50403、前底板50404、螺母50405、中心顶紧筒505、连接板506、顶紧盖板507、下层盖板50701、上层盖板50702、通孔50703、中心盖板508、筋板509、中心顶紧油缸5010、俯仰调节机构6、托板601、上铰点60101、下铰点60102、俯仰油缸602、臂头回转调节机构7、中心定距套701、摆动支架702、回转减速机703、回转中心架704、中心升降机构8、操作台9、机手座椅10、动力系统及配重机构11、行走机构12、行走底盘13、升降支腿14。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，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的具体含义。

请参阅图1～图14，为一种钻孔式硬岩隧道掘进设备，包括行走底盘13和可拆卸安装在行走底盘13上的工作装置、驾驶室、动力系统以及配重机构11；其中，所述工作装置布置在行走底盘13的前端，所述动力系统及配重机构11布置在行走底盘13的后端，前后形成配重关系，保持设备行走和工作的时候重心稳定，所述驾驶室位于工作装置的后方，便于机手直观的观察掘进设备工作状态，提高操作便利性，且驾驶室中的机手座椅10位于设备重心附近，便于机手灵活的驾驶设备行走和工作。

具体的，所述行走底盘13的底部安装有行走机构12，所述行走机构12具体可设为履带或轮子；且行走底盘13的底部安装有四个升降支腿14，四个升降支腿可以将行走底盘13支撑离地，一般情况下，钻孔作业的时候，升降支腿14都是支撑起来的，所述驾驶室包含机手座椅10、操作台9以及框架等附件，所述操作台9布置在所述行走底盘13靠近工作装置的一侧；

工作装置可拆卸的固定安装在行走底盘13的前端，工作装置包括中心升降机构8、俯仰调节机构6、两套对称布置的臂头回转机构7、两套对称布置的半径伸缩调整机构4、中心顶紧机构5以及左右对称布置的两套钻进机构。

其中，所述中心升降机构8的一端可拆卸的固定在行走底盘13前端，在中心升降机构8上远离行走底13盘的一侧竖直滑动连接有托板601，且所述俯仰调节机构6和臂头回转机构7是耦合在一起的，以形成俯仰回转耦合机构。

重点参阅图4～图5，该俯仰回转耦合机构包括由托板601、摆动支架702以及俯仰油缸602组成的俯仰调节机构6以及由回转减速机703和回转中心架704组成的臂头回转机构7。所述托板601上下各设有铰点，摆动支架702即铰接在托板601的上铰点60101处，两个回转减速机703并列安装在同一个摆动支架702上，两个回转中心架704的尾端对应安装在两个回转减速机703中；两个回转中心架704在其对应的回转减速机703驱动下绕回转减速机703轴线转动。该臂头回转机构7还包括中心定距套701，中心定距套701具有两个套筒且两个套筒对应套装在两个回转中心架704的中部，各套筒内均设有轴承、以使各回转中心架704在回转减速机703的驱动下能在中心定距套701的套筒内自由转动。所述俯仰油缸602一端铰接在托板601的下铰点60102处，另一端则铰接在中心定距套701上。

该俯仰回转耦合机构中，两个回转中心架704由其对应的回转减速机703进行控制，实现了各回转中心架704的独立翻转控制，而两个回转减速机703又安装在同一个摆动支架702上，两个回转中心架704中部又由一个中心定距套701进行定距约束；即由摆动支架702、回转减速机703、回转中心架704以及中心定距套701形成的回转机构为整体结构，受力性好，可满足多种施工环境的施工需求。该回转机构由设置在下方的俯仰调节机构6调整钻进/俯仰角度，俯仰调节机构6的两端分别与下铰点60102以及中心定距套701相铰接，这样，下方的俯仰调节机构6通过托板601与上方的回转机构形成了一个三角形稳定结构，整体结构紧凑，稳定。当俯仰调节机构6伸出时，会推动中心定距套701上抬，同时回转中心架704通过摆动支架702绕托板601(的上铰点60101)向上偏转，进而实现仰的动作；当俯仰调节机构6缩回时，会拉动中心定距套701下降，同时回转中心架704通过摆动支架702绕托板601(的上铰点60101)向下偏转，进而实现俯的动作。

两个回转减速机703及两个回转中心架704呈对称布置；中心定距套701上两套筒间的中心距与两回转减速机703间的中心距相同。对称布置的回转机构将施工面一分为二，各回转中心架704各自控制并实现180°的单侧翻转，两个对称布置的回转中心架704可配合实现两侧共360°范围内的角度调节，这样既满足了独立控制的要求，又不会互相干涉；设备可同时钻进，提高了作业效率。

作为上述方案的进一步优化，该耦合机构还包括中心顶紧机构5及中心顶紧油缸5010，中心顶紧机构5插装在回转中心架704的首端，中心顶紧油缸5010一端铰接在中心定距套701上，另一端铰接在中心顶紧机构5上。

具体的，该中心顶紧机构5两边的支臂对应插装在回转中心架704首端的钢管内，不干涉回转中心架704的转动，即回转中心架704首端的钢管套在中心顶紧机构5的支臂外并可相对于支臂转动。当中心顶紧油缸7伸出时，将推动中心顶紧机构5沿回转中心架704向前移动，以使中心顶紧机构5的前端能顶紧在岩壁上。中心顶紧机构5与回转中心架704插装配合，既不干涉回转中心架704的转动，又保证了中心顶紧机构5的结构稳定性，机构整体的受力性及稳定性更好。

在另外的实施例中，所述回转减速机703及回转中心架704均设为4个，且呈对称布置，所述中心定距套701中的套筒也对应设为4个，进而增加钻进机构的数量，以达到提升单位时间工作效率的目的。

重点参阅图6～图7，所述中心顶紧机构5包括固定筒501、固定板502、活动顶紧筒503以及弹簧顶紧机构504；两个固定筒501对称分设在固定板502的两端并插装在回转中心架704首端的钢管内。将朝向掌子面一侧/端作为“前侧/端”，将背离掌子面一侧/端作为“后侧/端”，其中，固定板502前侧的中心位置处设有中心顶紧筒505，后侧的中心位置处设有可与中心顶紧油缸5010相铰接的连接板506。此处固定筒501与固定板502固接成整体，不可相对移动，以形成整个中心顶紧机构的安装基础；固定板502的中心位置处开设有方槽，便于与连接板506的连接；连接板506上开有的孔位，其通过销轴与中心顶紧油缸5010相铰接，为该顶紧机构提供推力；中心顶紧筒505作为基础顶紧筒，在油缸推力作用下顶紧岩壁。

弹簧顶紧机构504主要由弹簧底板50401、弹簧50402、螺杆50403以及前底板50404组成；弹簧底板50401与前底板50404上均设有螺杆穿出孔，螺杆50403依次穿过弹簧底板50401、弹簧50402以及前底板50404后通过套装在螺杆50403两端头的螺母50405将弹簧50402夹在弹簧底板50401与前底板50404之间、并对弹簧50402长度进行锁定。此处弹簧50402的前端与前底板50404的一侧面相连接，弹簧50402的后端与弹簧底板50401的一侧面相连接，螺杆50403分别贯穿弹簧底板50401与前底板50404中心(即螺杆穿出孔)，螺杆50403可与前底板50404以及弹簧底板50401产生相对移动，前底板50404与弹簧底板50401通过螺杆50403上的螺母50405进行限位，旋钮螺母50405即可调节前底板50404与弹簧底板50401间的距离，进而实现弹簧50402长度(初始伸缩量)的调整/限制。

活动顶紧筒503有两个，各自通过一组弹簧顶紧机构504安装在对应的固定筒501内；其中，弹簧顶紧机构504整个插装在固定筒501内，活动顶紧筒503部分插装在固定筒501内，部分伸出固定筒501。对于各弹簧顶紧机构504而言，弹簧顶紧机构504后端通过位于固定筒501后端的弹簧底板50401与固定筒501的内壁相固接，前端则通过位于活动顶紧筒503内的前底板50404与活动顶紧筒503内壁相固接，以实现弹簧顶紧机构504与固定筒501以及活动顶紧筒503间的可靠连接。当活动顶紧筒503受到向后的顶压力时，活动顶紧筒503可带动前底板50404向后移动并压缩弹簧50402，该顶压力消失时，活动顶紧筒503可在弹簧50402作用下沿固定筒501内壁向前移动。通过该原理，即可使机构两侧的顶紧筒在钻机震动时具有一定的缓冲效果；另外，因弹簧顶紧机构504的存在，即使遇到不平整的岩壁，亦可使活动顶紧筒503能适应并顶紧。

该顶紧机构中共有三个顶紧筒，其中，中心顶紧筒505居中设置，两个活动顶紧筒503对称设置在中心顶紧筒505的两侧，在顶紧前的自然状态下，两个活动顶紧筒503的顶紧端头位于中心顶紧筒505的顶紧端头的前侧，其具有一定的压缩余量。中心顶紧筒505作为顶紧基础，可限制该机构的顶紧深度，而两侧的活动顶紧筒503与中心顶紧筒505相配合，实现了整个机构的双顶紧，与常规的“单”筒顶紧相比，消除了单筒顶紧时绕顶紧筒轴线转动的问题，避免了顶紧状态下的扭动。

本方案中，前底板50404设置在活动顶紧筒503的后端，活动顶紧筒503的前端固设有顶紧盖板507。具体的，顶紧盖板507固定在活动顶紧筒503内壁靠近顶紧端头703一侧，顶紧盖板507用来隔绝外来异物，防止异物损坏螺杆50403及螺母50405。

优选的，顶紧盖板507分为两层，包括下层盖板50701及上层盖板50702，其中下层盖板50701固设在活动顶紧筒503内壁的前端处并间隔顶紧端头703一段距离，下层盖板50701的中心处开设有通孔50703，上层盖板50702可拆卸安装在下层盖板50701的前侧。通孔50703用于安装/调节螺母50405，上层盖板50702的直径略小于下层盖板50701直径，其通过局部的螺栓与下层盖板50701可拆卸连接，以实现对通孔50703的封堵，防止异物通过该通孔50703进入活动顶紧筒503内腔而损坏螺杆50403及螺母50405。

同样的，中心顶紧筒505的内壁前端设有中心盖板508，该中心盖板508既能增加中心顶紧筒505的强度，还可保护固定板502与连接板506的连接处。

本方案中，活动顶紧筒503上的顶紧端头与中心顶紧筒505的顶紧端头均为锯齿状，以提高其对凹凸不平的掌子面的适应性及顶紧稳定性。

作为前述方案的进一步优化，该顶紧机构还包括筋板509，筋板509将中心顶紧筒505、连接板506以及固定筒501相连成整体。具体的，筋板509对称设置在中心顶紧筒505的两侧，各筋板509的三边分别与固定板502、固定筒501和中心顶紧筒505连接，保证三者连接的稳定性，为其分担受力，可进一步稳固顶紧机构，保证顶紧机构的强度及稳定性。

该中心顶紧机构的工作过程为：

连接板506的开孔处与中心顶紧油缸5010通过销轴连接，因中心顶紧油缸5010在推/拉连接板506时，与连接板506相连的固定板502会带动其上的固定筒501及其内的活动顶紧筒503同步移动，中心顶紧筒505也随之移动，即中心顶紧油缸5010的伸缩会带动整个顶紧机构的移动。

当中心顶紧油缸5010向前推动固定板502时，由固定板502带动其上的固定筒501向前推进。初始状态下，设置在固定筒501内的活动顶紧筒503的顶紧端头位于中心顶紧筒505的顶紧端头前侧；中心顶紧油缸5010继续向前推动直到活动顶紧筒503先顶到岩壁上。

活动顶紧筒503接触到岩壁后，随着油缸的推进，弹簧顶紧机构504中的前底板50404对弹簧50402施加压力产生形变，不断收缩弹簧50402增大顶紧力，直到中心顶紧筒505顶到岩壁并与两侧的活动顶紧筒503对齐(即三个顶紧端头处于同一平面)时，完成顶紧工作。

直到中心顶紧筒505顶到岩壁时，油缸与活动顶紧筒503都应留有一定的移动余量，即油缸还能继续伸出，活动顶紧筒503还能继续压缩弹簧50402，以保证中心顶紧筒505与活动顶紧筒503能完全顶紧岩壁。活动顶紧筒503的压缩余量可以在(钻机工作产生)震动时发挥缓冲作用。同时，还可根据两侧活动顶紧筒503的伸缩量判断下一次钻进时、是否需要调整弹簧的初始形变量，而弹簧的初始形变量可通过旋钮两端的螺母进行微调。该顶紧机构能够减小震动带来的影响，并且保证两侧钻机能够对称施工，钻进深度一致。

重点参阅图12，所述半径调整伸缩机构4包括固定套401、半径伸缩活动套402和伸缩油缸403，所述半径伸缩活动套402沿固定连接在所述回转中心架704上的固定套401做轴向滑动，并由伸缩油缸402驱动，且所述钻具推进机构2固定连接在所述半径伸缩活动套402上以实现钻具推进机构2到回转中心架距离的变化，本设备包含左右两套半径伸缩调整机构，以分别调整布置在两个回转中心架704上的钻具推进机构2的位置；每套半径伸缩调整机构包括两组半径调整伸缩机构4，分别布置在钻具推进机构2的两端，并且位于其内外两侧，以使得半径调整伸缩机构的稳定性更好。

具体的，所述伸缩油缸403的固定筒和回转中心架704固定连接，活塞杆耳环和半径伸缩活动套401连接，伸缩油缸402的伸缩带动半径伸缩活动套401的伸缩，实现钻机模块到回转中心距离的变化。

左右对称布置的两套钻具推进机构2，分别可拆卸的安装在两套左右对称的半径伸缩活动套402前端，半径伸缩时，带动钻具推进机构2伸缩，调节钻具推进机构2到回转中心的距离，且所述钻具推进机构2、钻具1以及钻具驱动马达3组成了钻进机构。

重点参阅图8～图11，所述钻具推进机构2包括导轨201、前定滑轮202、后定滑轮203、第一链条204、第二链条205、动滑轮组206、进给油缸207以及钻进装置架208；导轨201安装在钻进装置架208上并与钻进装置架208组合成框架结构，此框架结构即作为整个推进导向机构的安装基础。前定滑轮202与后定滑轮203均安装在钻进装置架208上并与导轨201的前、后端头相对应。钻头推进座209作为钻具1的安装基础，其安装在导轨201上以使钻具1能沿着导轨201前后移动。动滑轮组206主要由滑轮架20601、前动滑轮20602和后动滑轮20603组成。本实施例中，前动滑轮20602与后动滑轮20603以前后并列的形式安装在滑轮架20601内(如图9所示)，此时，两根导向销轴20604对应插装在前动滑轮20602与后动滑轮20603的轴承中、且导向销轴20604的两端头伸出滑轮架20601，该伸出部分与钻进装置架208上的限位滑槽20801相配合，以实现动滑轮组206在钻进装置架208内的安装。

当然，前动滑轮20602与后动滑轮20603还可通过一个导向销轴20604以左右分设的形式同轴安装在滑轮架20601上(如图10所示)，此时，导向销轴20604只有一根，其两端头与滑轮架20601的配合形式同上。为保证受力均匀，可设置两个前动滑轮20602或两个后动滑轮20603，当前动滑轮20602位于内侧时，两个后动滑轮20603则对称设置在前动滑轮20602的外侧，前动滑轮20602的数量可为单数或偶数个，反之亦然。

进给油缸207平行设置在导轨201下方，进给油缸207的后端(即固定端)与钻进装置架8的后端相铰接，前端(即伸缩端/活动端)与动滑轮组206中的滑轮架20601相铰接；由于两根导向销轴20604的伸出端嵌合在钻进装置架208两侧的限位滑槽20801内，在进给油缸207的驱动下，该动滑轮组206可通过导向销轴20604沿限位滑槽20801前后滑动。

优选的，进给油缸207的前端通过连接销轴2015与滑轮架20601相接，而连接销轴2015的两端头也嵌合在钻进装置架208的限位滑槽20801内。对于前动滑轮20602与后动滑轮20603同轴安装的情况而言，连接销轴2015在限位滑槽20801内嵌合的方式，可有效解决滑轮架20601因受进给油缸207的作用力而出现的“摆动”问题。也就是说，对于限位滑槽20801而言，其内至少嵌合有两个销轴。

第一链条204的上端头连接在钻头推进座209的前端，然后依次绕过前定滑轮202与前动滑轮20602后，其下端头通过前张紧螺栓2010连接在钻进装置架208的前端；第二链条205的上端头连接在钻头推进座209的后端，然后依次绕过后定滑轮203与后动滑轮20603后，其下端头通过后张紧螺栓2011连接在钻进装置架208的后端。当进给油缸207做功时，将推/拉动滑轮组206，而移动的动滑轮组206将对应拉动第一链条204与第二链条205，两根链条又会拉动钻头推进座209，由此实现了链条带动钻具1移动。

该机构中，钻头推进座209包括导向座2091以及用于安装钻具1的推进座2092，其中导向座2091套装在导轨201上并可沿导轨201前后移动，推进座2092则固定在导向座2091上随导向座2091一起移动；故，第一链条204与第二链条205的上端头既可连接在导向座2091上，又可连接在推进座2092上。另外，第一链条204和/或第二链条205还可采用钢丝绳替代，能达到同样的效果。

具体的，所述钻具驱动马达3通过滑动安装在导轨201上的动力头安装座连接在导轨201上，且所述动力头安装座布置在所述钻头推进座209远离钻具的一侧，所述钻具驱动马达3通过贯穿所述推进座2092的六方杆与钻具1的内腔周向固定连接并沿轴向滑动连接；其中所述动力头安装座的一端通过固定连接在导轨201端头的铁链连接，以限制其滑动位移；其中所述六方杆插入所述钻具1中，所以还起到退芯的作用。

本实施例中，钻进装置架208包括架体本体20802与固定板20803，两块固定板20803通过若干螺栓20805可拆卸安装在架体本体20802的两侧，所述架体本体20802固定连接在所述半径伸缩活动套402的前端，以将钻具推进机构2连接在所述半径伸缩调整机构4上；固定板20803朝向滑轮架20601一侧面上设有导轨条20804，该导轨条20804与架体本体20802配合形成限位滑槽20801。此处的限位滑槽20801具有导向作用，其通过约束两根导向销轴20604，来达到防止动滑轮组206向上或向下摆动的目的。将架体本体20802与固定板20803设置成分体结构，即可通过装配形成限位滑槽20801，这样既降低了前期零部件(尤其是限位滑槽20801)的加工难度，又使得后期的检修、维护更方便。当然，导轨条20804与固定板20803也可设为分体结构，此时，两者间也通过螺栓20805可拆卸连接。为保证固定板20803与架体本体20802间连接的可靠性，螺栓20805可设置成双排多组。

本实施例中，导轨201为矩形(含正方形)管，导向座2091上具有用于插装导轨1的矩形通孔，该通孔的底面以及与之相邻的一个侧面上开均设有凹槽，凹槽内设有尼龙滑块，该底面与侧面上还对应设有顶压尼龙滑块的顶紧螺丝。具体的，矩形通孔的四个侧面中，除开设有凹槽的两面外，另两面将作为基准面，通过旋钮顶紧螺丝，可调节导向座2091与导轨201之间的间隙，以使导向座2091既能在导轨201上平稳滑动，又不会因间隙过大而导致导向座2091在导轨201上晃动，进而确保了钻具钻进的稳定性。

本实施例中，导向座2091包括上座体与下盖板，下盖板通过若干螺栓可拆卸安装在上座体的底部，与上座体配合形成用于插装导轨1的矩形通孔；凹槽911则对应开设在下盖板以及上座体的一侧面上。将导向座2091设置成分体结构，即由上座体与下盖板装配而成，这样既便于凹槽的加工，又利于导向座91的安装与调节。

作为替换方案，导轨201也可为正六边形管，对应的，导向座2091上则为正六边形的通孔。此时，正六边形通孔的上顶面以及一个侧面可作为基准面，而与之相对应的底面及侧面则作为调节面，凹槽对应开设在调节面上，其实现原理与矩形通孔相同，此处不再赘述。

该钻机推进导向机构的工作原理及工作过程为：

初始状态下，进给油缸207的活塞杆为伸出状态，动滑轮组206处于钻进装置架208的前端，钻头推进座209处于导轨201的后端，与钻具驱动马达3连接的钻具1为收回状态。

当进给油缸207的活塞杆缩回，将向后拉动动滑轮组206，在第一链条204与第二链条205的拉动下，钻头推进座209将带动其上的钻具1向前伸出以进行钻孔。由于进给油缸207的活塞杆连接动滑轮组206，故该过程中，第一链条204/第二链条205的运动距离为进给油缸207活塞杆缩回长度的双倍，即进给油缸207活塞杆行程为一半，带有钻具1的钻头推进座209在导轨上做全程移动，以此实现了进给油缸207的倍程推进钻孔。活塞杆缩回过程中，因活塞面积变小，故此时进给油缸207的作用力较伸出过程的作用小，更适用于钻具1前移钻进。

反之，当进给油缸207的活塞杆伸出，将向前推动动滑轮组206，在第一链条204与第二链条205的拉动下，钻头推进座209将带动其上的钻具1向后缩回以进行退芯。由于进给油缸207的活塞杆连接动滑轮组206，故该过程中，第一链条204/第二链条205的运动距离为进给油缸207活塞杆伸出长度的双倍，即进给油缸207活塞杆行程为一半，带有钻具1的钻头推进座209在导轨上做全程移动，以此实现了进给油缸207的倍程退芯。活塞杆伸出过程中，因活塞面积变大，故此时进给油缸207的作用力较缩回过程的作用大，更适用于钻具1后退退芯，以防止因钻具1筒壁与岩芯间摩擦力过大而退芯不利。

在另外的实施例中，用于推动钻头推进座209的推进机构为齿轮齿条机构，所述齿轮齿条机构包括设置在所述导轨201上的齿条和设置在所述钻头推进座209上的齿轮以及驱动所述齿轮转动的电机，所述齿轮可设置在所述导向座或推进座上。

优选地，所述中心升降机构8包括固定连接在行走底盘13上的一级升降柱和竖直滑动连接在一级升降柱上的二级升降柱以及升降油缸，所述升降油缸的固定筒连接在一级升降柱上，活塞杆连接在二级升降柱的一端以驱动其沿一级升降柱的轴向滑动，所述托板601竖直滑动连接在二级升降柱，所述二级升降柱的顶端和底端均设有定滑轮，且所述托板601的上下两端均具有绕过设置在所述二级升降柱的顶端和底端的定滑轮的链条与一级升降柱相连，即连接所述托板601上端的链条绕过设置在所述二级升降柱的顶端的定滑轮与一级升降柱相连，连接所述托板601下端的链条绕过设置在所述二级升降柱的底端的定滑轮与一级升降柱相连，从而使得所述中心升降机构8形成二级升降机构，能够使得所述中心升降机构8的结构更加紧凑，在收缩时占用竖向空间更小，有利于设备在隧道中进行使用。

请参阅图14，采用上述的一种钻孔式硬岩隧道掘进设备的钻孔式硬岩隧道掘进方法，包括以下步骤：

第一步：沿隧道轮廓线打交孔，使轮廓线内的岩石和山体沿隧道轮廓线断开，形成一圈环缝；

第二步：根据岩石力学特点以及分裂器的能力，在整个轮廓线内合理布置分裂孔，且分裂孔的深度不低于环缝的孔深，分裂器的长度不大于分裂孔深度的一半；

第三步：根据分裂方向，将分裂方向所对的环缝内的岩心清除干净，形成临空面；

第四步：至少在一排或者一列所有的分裂孔内插入分裂器，或者在整个断面的所有分裂孔内插入分裂器，并将分裂器插入分裂孔的孔底，使得分裂器的加力机构尽可能贴近分裂孔底部；

第五步：启动所有的分裂器给岩石加力，使得待分裂岩石先从B面(底部工作面)分裂，然后分裂A面(分裂孔的两侧工作面)，从而完全分裂岩石且底面平整；

第六步：将大块岩石改小，出渣运输，完成一个循环的隧道掘进；

第七步：重复上述过程，直至隧道贯通。

所述分裂器具体可采用液压岩石分裂器、水压岩石分裂器或劈裂棒等能够用于劈裂岩石的劈裂装置。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种钻孔式硬岩隧道掘进设备，其特征在于：包括行走底盘和安装在行走底盘上的工作装置、动力系统以及配重机构，所述工作装置布置在行走底盘的前端，所述动力系统和配重机构布置在行走底盘的后端以在行走底盘的前后两端形成配重关系；

所述工作装置包括中心升降机构、俯仰调节机构、臂头回转机构、半径伸缩调整机构以及钻进机构，所述中心升降机构的一端连接在行走底盘的前端，所述俯仰调节机构包括托板、俯仰油缸以及摆动支架，所述托板竖直滑动连接在中心升降机构上远离行走底盘的一侧，所述俯仰油缸的一端铰接在托板上，所述臂头回转机构包括回转减速机、回转中心架以及中心定距套，所述摆动支架铰接在托板上，至少两个回转减速机并列安装在同一个摆动支架上，至少两个回转中心架的尾端对应安装在两个回转减速机中，所述回转中心架在其对应的回转减速机驱动下绕回转减速机轴线转动，所述中心定距套至少具有两个套筒，且所述回转减速机、回转中心架及套筒的数量一一对应，所述套筒对应套装在各个回转中心架的中部、且各回转中心架可在回转减速机的驱动下在对应的套筒内转动，且所述俯仰油缸的另一端铰接在中心定距套上；

所述半径伸缩调整机构一端连接回转中心架，另一端连接钻进机构，以调节钻进机构到回转中心距离，且所述半径伸缩调整机构的数量与回转中心架的数量一致。

2.根据权利要求1所述的钻孔式硬岩隧道掘进设备，其特征在于：所述回转减速机及回转中心架均为两个，且两个回转减速机及两个回转中心架呈对称布置；中心定距套上两套筒间的中心距与两回转减速机间的中心距相同。

3.根据权利要求1或2所述的钻孔式硬岩隧道掘进设备，其特征在于：还包括中心顶紧机构及中心顶紧油缸，中心顶紧机构插装在回转中心架的首端，所述中心顶紧油缸一端铰接在中心定距套上，另一端铰接在中心顶紧机构上。

4.根据权利要求3所述的钻孔式硬岩隧道掘进设备，其特征在于：所述中心顶紧机构包括固定筒、固定板、活动顶紧筒以及弹簧顶紧机构；所述固定筒设在固定板上并与固定板固接成整体，且所述固定筒的数量与回转中心架的数量相同，固定板前侧的中心位置处设有中心顶紧筒，后侧的中心位置处设有可与中心顶紧油缸相铰接的连接板；

弹簧顶紧机构主要由弹簧底板、弹簧、螺杆以及前底板组成，弹簧底板与前底板上均设有螺杆穿出孔，螺杆依次穿过弹簧底板、弹簧以及前底板后通过套装在螺杆两端头的螺母将弹簧夹在弹簧底板与前底板之间、并对弹簧长度进行锁定；

活动顶紧筒有两个，各自通过一组弹簧顶紧机构插装在对应的固定筒内，其中，弹簧底板设置在固定筒后端并与固定筒相固接，前底板设置在活动顶紧筒内并与活动顶紧筒相固接，活动顶紧筒伸出固定筒并可沿固定筒内壁前后移动。

5.根据权利要求1所述的钻孔式硬岩隧道掘进设备，其特征在于：所述半径调整伸缩机构包括固定套、半径伸缩活动套和伸缩油缸，所述半径伸缩活动套沿固定连接在所述回转中心架上的固定套做轴向滑动，并由伸缩油缸驱动以调节钻具推进机构到回转中心架的距离。

6.根据权利要求1所述的钻孔式硬岩隧道掘进设备，其特征在于：所述钻进机构包括钻具和钻具推进机构，且所述钻进机构通过钻具推进机构连接在所述半径伸缩调整机构上，所述钻具推进机构包括导轨和滑动连接在导轨上的钻头推进座，所述钻头推进座包括导向座以及推进座，其中导向座安装在导轨上，推进座安装在导向座上，所述钻具转动连接在推进座上，并在所述导向座或推进座上连接有驱动其沿导轨轴向运动的推进机构。

7.根据权利要求6所述的钻孔式硬岩隧道掘进设备，其特征在于：钻进装置架包括架体本体与固定板，两块固定板通过若干连接件可拆卸安装在架体本体的两侧；固定板朝向滑轮架一侧面上设有导轨条，该导轨条与架体本体配合形成限位滑槽。

8.根据权利要求7所述的钻孔式硬岩隧道掘进设备，其特征在于：导轨条与固定板为分体结构，两者间通过连接件可拆卸连接。

9.根据权利要求6所述的钻孔式硬岩隧道掘进设备，其特征在于：所述推进机构包括前定滑轮、后定滑轮、第一链条、第二链条、动滑轮组、进给油缸以及钻进装置架；导轨安装在钻进装置架上并与钻进装置架组合成框架结构，前定滑轮与后定滑轮均安装在钻进装置架上并与导轨的前、后端头相对应，导轨上套装有钻头推进座；

动滑轮组主要由滑轮架、前动滑轮和后动滑轮组成；前动滑轮与后动滑轮各自通过一个导向销轴并列安装在滑轮架上，或，前动滑轮与后动滑轮通过一个导向销轴同轴安装在滑轮架上；

进给油缸平行设置在导轨下方，进给油缸的后端安装在钻进装置架上，前端伸缩端与动滑轮组中的滑轮架相接；导向销轴的伸出端嵌合在钻进装置架的限位滑槽内、以使该动滑轮组在进给油缸的驱动下沿限位滑槽前后移动；

第一链条的上端头连接在钻头推进座的前端，然后依次绕过前定滑轮与前动滑轮后，其下端头通过前张紧螺栓连接在钻进装置架的前端；第二链条的上端头连接在钻头推进座的后端，然后依次绕过后定滑轮与后动滑轮后，其下端头通过后张紧螺栓连接在钻进装置架的后端。

10.一种钻孔式硬岩隧道掘进方法，其特征在于，采用根据权利要求1-9任一项中所述的钻孔式硬岩隧道掘进设备，具体包括以下步骤：

第一步：沿隧道轮廓线打交孔，使轮廓线内的岩石和山体沿隧道轮廓线断开，形成一圈环缝；

第二步：根据岩石力学特点以及分裂器的能力，在整个轮廓线内布置分裂孔，且分裂孔的深度不低于环缝的孔深，分裂器的长度不大于分裂孔深度的一半；

第三步：根据分裂方向，将分裂方向所对的环缝内的岩心清除干净，形成临空面；

第四步：至少在一排或者一列所有的分裂孔内插入分裂器，或者在所有分裂孔内插入分裂器，并将分裂器插入分裂孔的孔底，使得分裂器的加力机构贴近分裂孔的底部；

第五步：启动所有的分裂器给岩石加力，使得待分裂岩石先从分裂孔的底部工作面分裂，然后再从分裂孔口的两侧工作面裂开，从而完全分裂岩石且底部工作面平整；

第六步：将大块岩石改小，出渣运输，完成一个循环的隧道掘进；

第七步：重复上述过程，直至隧道贯通。