CN117627667A - 一种隧道掘进机及隧道掘进方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道掘进机及隧道掘进方法，包括移动主体和安装在移动主体上的掘进臂，移动主体包括履带底盘，以及安装在履带底盘上的刮板输送出渣装置、回转底盘、尾部支撑装置和倾斜底座；掘进臂包括依次相连的大臂组件、减振缓冲装置、高频振动器以及刀具；减振缓冲装置包括上冲击器和下冲击器，上冲击器的前端与高频振动器的壳体后端铰接，上冲击器的后端与下冲击器的壳体顶部铰接，下冲击器的前端与高频振动器的壳体底部铰接，下冲击器的后端与大臂组件的前端铰接；所述刀具安装在高频振动器的前端。具有适应围岩范围广，开挖能耗低、开挖效率高、稳定性高，并能进行非爆隧道岩层实时分析，利用高频振动力快速开挖的特点。

Description

一种隧道掘进机及隧道掘进方法

技术领域

本发明涉及隧道施工机械技术领域及掘进方法，是一种非爆开挖设备及施工方法，特别适合对悬臂掘进机、液压破碎锤施工效率低的超硬岩层快速连续开挖。

背景技术

随着当前科学技术的不断发展，传统的隧道施工技术(爆破法)已经满足不了隧道特殊施工的要求，传统施工中，较硬质围岩隧道施工多采用爆破法，在一些施工环境复杂、居民密集区、建筑物密集等不利环境下，爆破法难以开展下去。

由此非爆破开挖法应运而生，非爆破开挖法可以针对以上不利条件采取相应设备进行的施工办法，能够有效解决开挖面小、进度缓慢、适应性差、断面超欠挖控制难的问题。但就如何提高硬岩隧道的掘进速度和降低掘进成本是隧道施工领域长期困扰人们的一道难题。

前TBM掘进机被认为是非爆隧道硬岩施工中最理想的机械，但其安装进出场费和施工成本都很高，而悬臂掘进机对60MPa的岩石开挖掘进效果并不明显。

发明内容

针对现有掘进机对各类硬岩、异形隧道难以开挖的问题，本发明拟提供一种适用于非爆开挖的设备，提高施工效率，减少施工冲击，提高设备的使用寿命。

为实现上述目的，本发明提出了一种隧道掘进机，包括移动主体和安装在移动主体上的掘进臂，所述移动主体包括履带底盘，以及安装在履带底盘上的刮板输送出渣装置、回转底盘、尾部支撑装置和倾斜底座，所述回转底盘可转动地安装在履带底盘的正上方，倾斜转盘安装在回转底座顶部的安装斜面上，尾部支撑装置能向后伸出并支撑在履带底盘后方的地面上；

所述掘进臂包括依次相连的大臂组件、减振缓冲装置、高频振动器以及刀具，所述大臂组件铰接安装在倾斜转盘上并通过油缸实现转动，大臂组件上铰接安装有左右两个伸缩撑靴，伸缩撑靴通过油缸实现转动以进行撑于地面或撑于隧道侧壁的转换；

所述减振缓冲装置包括上冲击器和下冲击器，上冲击器的前端与高频振动器的壳体后端铰接，上冲击器的后端与下冲击器的壳体顶部铰接，下冲击器的前端与高频振动器的壳体底部铰接，下冲击器的后端与大臂组件的前端铰接；所述刀具安装在高频振动器的前端。

作为上述方案的优选，所述刀具包括配备的横齿刀、竖齿刀和圆滚刀盘，三种刀具能进行换装。

进一步优选，当安装横齿刀或竖齿刀时，所述高频振动器设置一个，横齿刀或竖齿刀紧固安装在高频振动器前端。

进一步优选，当安装圆滚刀盘时，所述高频振动器共两个且左右布置，圆滚刀盘的后方设置有刀盘齿圈，每个高频振动器的前端分别设置有与刀盘齿圈对应的振动器齿圈，两个高频振动器的壳体固定安装在一起，并在壳体上设置有向前延伸的中间轴，所述圆滚刀盘通过轴承安装在中间轴上并通过端头螺帽防退；两个高频振动器启动时，能通过振动器齿圈与刀盘齿圈的配合向圆滚刀盘施加一个向前上方或前下方的斜向推力，以推动圆滚刀盘绕中间轴转动的并传递振动力，从而实现圆滚刀盘的滚动冲击。在圆滚刀盘中心接头两侧安装一对高频振动器，在高频振动器前端与圆滚刀盘通过齿圈配合，即可利用齿尖的作用推动圆滚刀盘绕中间轴转动，并向圆滚刀盘传递振动力，从而实现圆滚刀盘高频高压的滚动冲击，利用两个高频振动器的壳体固定在一起，作为中间轴的固定端，并通过轴承安装圆滚刀盘的左右居中安装，安装结构非常巧妙。

进一步优选，所述刮板输送出渣装置包括由前到后依次设置的铲板、一级刮板输送机和二级刮板输送机，铲板的后端连接一级刮板输送机，一级刮板输送机的后端位于二级刮板输送机的前端的正上方，能进行接力输送，二级刮板输送机前端下方设置有一个回转支承，能进行±30°摆动；以节约占用的高度空间，并能根据需要将二级刮板输送机摆动到适当的位置进行渣土输送，灵活可控性高。

进一步优选，所述回转底盘通过门型安装座横跨安装在刮板输送出渣装置上方，并位于第一刮板输送机前端的正上方。

进一步优选，所述尾部支撑装置共两个，能在履带底盘后呈八字形支撑，进一步确保支撑稳定可靠。

同时，本发明提出了一种隧道掘进方法，采用上述的隧道掘进机，包括以下步骤：

S1、在隧道开挖掌子面周向安装至少四个接收器；

S2、控制掘进机的掘进臂带动高频振动器向掌子面发送固定频率、并用接收器接收到的回馈信号分析前方岩石、水系、溶腔情况以及掌子面裂缝信息和岩层强度信息；

S3、根据掌子面裂缝信息和岩层强度信息结果进行对应刀具的切换并控制掘进机带动掘进臂动作；

在裂隙发育较好，40MPa以下的四级、五级及土质围岩中用横齿刀施工；四、五围岩裂隙发育差、岩石压强在40MPa到80MPa用竖齿刀破岩；三级以上硬岩、裂隙不发育完全、岩石压强在80MPa以上用圆滚刀盘，其中岩层压强在80MPa到100MPa岩层用刀间距150mm单列竖齿刀施工，岩层压强在100MPa到150MPa用双列竖齿刀间距80mm施工；

在掘进臂动作过程中，左右两个伸缩撑靴通过油缸实现转动以进行撑于地面或撑于隧道侧壁的转换；

S4、掘进完成后，伸缩撑靴及掘进臂缩回，尾部支撑装置向后伸出并支撑在履带底盘后方的地面上，岩石通过刮板输送出渣装置快速出渣。

本发明的有益效果：

(1)刀具后方安装了高频振动器，高频振动器通过油缸连接到减振缓冲装置，减振缓冲装置连接在大臂组件上，在大臂组件上设置有左右两个伸缩撑靴，以上结构共同组成掘进臂，并通过倾斜转盘连接到掘进机的移动主体上；掘进时利用掘进臂的推力及高频振动器的高频振动冲击，使刀具嵌入岩层，刀具将岩石从掌子面挤压、碎裂、脱落。

(2)利用减振缓冲装置能吸收大部分施工时来自前端产生的巨大震动力，可以有效的保护掘进机整体不受冲击而造成破坏。减振缓冲装置采用上冲击器和下冲击器组合而成的方式，并结合特殊的安装布置结构，使上冲击器能吸收俯仰方向的冲击力，下冲击器能吸收前后方向的冲击力，一举两得，安装结构非常巧妙；

(3)铰接安装的左右两个伸缩撑靴可以进行回转，在施工过程中可以进行撑于地面或撑于隧道侧壁上，除了可以避免掘进时重心靠前造成的整体不稳定，两相对撑能还能实现对掘进机的反向推力，进一步确保施工稳定性；另外，配备尾部支撑装置，通过刮板输送出渣装置进行出渣时，尾部支撑装置向后伸出并支撑在履带底盘后方的地面上，确保出渣过程中整体稳定性；根据掘进施工和出渣过程中重心变化，选择不同的辅助支撑，极大增加了摩擦力，提高了掘进机的稳定性。

综上所述，具有适应围岩范围广，开挖能耗低、开挖效率高、稳定性高，并能进行非爆隧道岩层实时分析，利用高频振动力快速开挖的特点。

附图说明

图1为本发明的隧道掘进机结构示意图(安装圆滚刀盘的状态)。

图2为图1的俯视图。

图3为刮板输送出渣装置的结构示意图。

图4为减振缓冲装置的分解示意图。

图5为高频振动器前端安装竖齿刀的状态。

图6为高频振动器前端与圆滚刀盘后端安装后的示意图。

具体实施方式

结合图1—图2所示，一种隧道掘进机，由移动主体A和安装在移动主体A上的掘进臂B两部分组成。

移动主体A主要由履带底盘1，以及安装在履带底盘1上的刮板输送出渣装置2、回转底盘3、尾部支撑装置4和倾斜底座5组成。回转底盘3可转动地安装在履带底盘1的正上方，能相对履带底盘1进行90°回转。倾斜转盘5安装在回转底座3顶部的安装斜面上，倾斜转盘5能相对回转底座3实现0°—210°回转。尾部支撑装置4能向后伸出并支撑在履带底盘1后方的地面上。

回转底盘3最好通过门型安装座横跨安装在刮板输送出渣装置2上方，并位于第一刮板输送机2b前端的正上方。尾部支撑装置4最好是共两个，能在履带底盘1后呈八字形支撑。

掘进臂B主要由依次相连的大臂组件10、减振缓冲装置6、高频振动器7以及刀具8组成。大臂组件10铰接安装在倾斜转盘5上并通过油缸实现转动，大臂组件10上铰接安装有左右两个伸缩撑靴11，伸缩撑靴11通过油缸实现转动以进行撑于地面或撑于隧道侧壁的转换。在撑杆底部可安装主动或被动的轮架。大臂组件10与倾斜转盘5可拆装连接，大臂组件10包含有多个关节，能够完成上下、左右、前后方向的自由摆动。

如图3所示，刮板输送出渣装置2包括由前到后依次设置的铲板2a、一级刮板输送机2b和二级刮板输送机2c三个部分。铲板2a的后端连接一级刮板输送机2b，一级刮板输送机2b的后端位于二级刮板输送机2c的前端的正上方，能进行接力输送，二级刮板输送机2c前端下方设置有一个回转支承2d，能进行±30°摆动。在掘进过程中产生的岩石碎渣通过机械臂刮进铲斗、扒到刮板输送出渣装置上运送到末端的皮带运输机上，经皮带运输机运送到后方的渣土车内运出。机械臂配合刮板输送出渣装置清理地面的渣土，有效提升了出渣系统的出渣效率。

结合图1、图4所示，减振缓冲装置6由上冲击器6a和下冲击器6b组合而成。上冲击器6a、下冲击器结构相同，包括壳体和冲击头，冲击器的前端为冲击头，后端为壳体。上冲击器6a的前端与高频振动器7的壳体后端铰接，上冲击器6a的后端与下冲击器6b的壳体顶部铰接。下冲击器6b的前端与高频振动器7的壳体底部铰接，下冲击器6b的后端与大臂组件10的前端铰接。每个铰接部位均配备有伸缩油缸。刀具8安装在高频振动器7的前端。

刀具8包括配备的横齿刀、竖齿刀8a和圆滚刀盘8c，三种刀具能进行换装。图5所示为高频振动器前端安装横齿刀的状态，当安装横齿刀或竖齿刀8a时，高频振动器7设置一个，横齿刀或竖齿刀8a紧固安装在高频振动器7前端。

图1所示为高频振动器前端安装圆滚刀盘的状态。结合图1、图2、图6所示，当安装圆滚刀盘8c时，高频振动器7共两个且左右布置，圆滚刀盘8c的后方设置有刀盘齿圈8b，每个高频振动器7的前端分别设置有与刀盘齿圈8b对应的振动器齿圈。两个高频振动器7的壳体固定安装在一起，并在共同的壳体上设置有向前延伸的中间轴7b，圆滚刀盘8c通过轴承13安装在中间轴7b上并通过端头螺帽12防退；两个高频振动器7启动时，能通过振动器齿圈与刀盘齿圈8b的配合向圆滚刀盘8c施加一个向前上方或前下方的斜向推力，以推动圆滚刀盘8c绕中间轴7b转动的并传递振动力，从而实现圆滚刀盘8c的滚动冲击。沿周向的转动分力F1(如图6中箭头所示)，还有向前的推动分力F2(如图2中箭头所示)，高频振动器向圆滚刀盘施加的合力F分解成转动分力F1和向前的推动分力F2。通过齿圈啮合产生振动力和冲击力，在掘进过程中，不仅有圆滚刀盘的滚压破碎切削，还有来自高频振动器的巨大冲击载荷破碎，从而大幅降低了施工工期，控制作业环境，并且减少了掌子面的施工人员数量，极大提高了操作安全性。

一种隧道掘进方法，采用上述的隧道掘进机，包括以下步骤：

S1、在隧道开挖掌子面周向安装至少四个接收器9，至少保证顶部、底部、左右两侧各一个。

S2、控制掘进机的掘进臂B带动高频振动器7向掌子面发送固定频率、并用接收器9接收到的回馈信号分析前方岩石、水系、溶腔情况以及掌子面裂缝信息和岩层强度信息。

最好是，利用高频振动器7抵住掌子面中心，发送固定频率，在隧道掌子面边缘安装接收器9用来收集信号，通过回馈频率经验数据的对比对前500米内岩层情况分析，进而科学、安全、精细化施工。

超前预报通过高频振动器发射的固定频率和接收、无线(有线)操作设备的配合实现对掘进机施工的智能控制，提高施工精。

S3、根据掌子面裂缝信息和岩层强度信息结果进行对应刀具8的切换并控制掘进机带动掘进臂B动作。

通过回波分析岩层情况，将实施数据上传云端并反馈给操作人员，操作人员可以针对不同岩层硬度切换对应的刀具。在裂隙发育较好，40MPa以下的四级、五级及土质围岩中用横齿刀施工；四、五围岩裂隙发育差、岩石压强在40MPa到80MPa用竖齿刀8a破岩；三级以上硬岩、裂隙不发育完全、岩石压强在80MPa以上用圆滚刀盘8c，其中岩层压强在80MPa到100MPa岩层用刀间距150mm单列竖齿刀施工，岩层压强在100MPa到150MPa用双列竖齿刀间距80mm施工。通过快速换刀适应不同硬岩技术，结合高频振动器实现裂岩的智能化、快速化。

在掘进臂B动作过程中，左右两个伸缩撑靴11通过油缸实现转动以进行撑于地面或撑于隧道侧壁的转换。

S4、掘进完成后，伸缩撑靴11及掘进臂B缩回，尾部支撑装置4向后伸出并支撑在履带底盘1后方的地面上，岩石通过刮板输送出渣装置2快速出渣。

为实现整个系统的运行，还配备有柴电双动力电机、旋转马达、旋转减速机构、PLC控制模块、破岩冲击系统、液压控制系统、电气控制系统等。PLC控制模块可采用操作一个动作的多点集成控制系统，可以根据需要开挖深度控制一键完成一个既定动作。设备上还配备有视觉监控系统，可实现远程操作。各油缸均设置有液压锁，保证油缸的可靠定位，是设备进行作业及运输的主要承力部件。

控制系统主要分为液压系统和电控系统，整台开挖装备配置液压锁、传感器、比例阀、编码器、多级油缸及管路，通过外界提供液压动力源进行完成各部件的动作。为了保证设备同步行走的安全稳定，电控系统同型号功率的马达，减速机的选型完全一致，配置编码器，保证行走主体两侧的同步性。

此掘进开挖面结束后，可操作刀体至下一开挖面进行开挖，对于各开挖面的间隙和未开挖到的开挖面，即可利用边缘滚刀修边，重复此开挖流程直至掌子面破岩结束。

Claims (10)

1.一种隧道掘进机，包括移动主体(A)和安装在移动主体(A)上的掘进臂(B)，其特征在于，所述移动主体(A)包括履带底盘(1)，以及安装在履带底盘(1)上的刮板输送出渣装置(2)、回转底盘(3)、尾部支撑装置(4)和倾斜底座(5)，所述回转底盘(3)可转动地安装在履带底盘(1)的正上方，倾斜转盘(5)安装在回转底座(3)顶部的安装斜面上，尾部支撑装置(4)能向后伸出并支撑在履带底盘(1)后方的地面上；

所述掘进臂(B)包括依次相连的大臂组件(10)、减振缓冲装置(6)、高频振动器(7)以及刀具(8)，所述大臂组件(10)铰接安装在倾斜转盘(5)上并通过油缸实现转动，大臂组件(10)上铰接安装有左右两个伸缩撑靴(11)，伸缩撑靴(11)通过油缸实现转动以进行撑于地面或撑于隧道侧壁的转换；

所述减振缓冲装置(6)包括上冲击器(6a)和下冲击器(6b)，上冲击器(6a)的前端与高频振动器(7)的壳体后端铰接，上冲击器(6a)的后端与下冲击器(6b)的壳体顶部铰接，下冲击器(6b)的前端与高频振动器(7)的壳体底部铰接，下冲击器(6b)的后端与大臂组件(10)的前端铰接；所述刀具(8)安装在高频振动器(7)的前端。

2.根据权利要求1所述的隧道掘进机，其特征在于：所述刀具(8)包括配备的横齿刀、竖齿刀(8a)和圆滚刀盘(8c)，三种刀具能进行换装。

3.根据权利要求2所述的隧道掘进机，其特征在于：当安装横齿刀或竖齿刀(8a)时，所述高频振动器(7)设置一个，横齿刀或竖齿刀(8a)紧固安装在高频振动器(7)前端。

4.根据权利要求2所述的隧道掘进机，其特征在于：当安装圆滚刀盘(8c)时，所述高频振动器(7)共两个且左右布置，圆滚刀盘(8c)的后方设置有刀盘齿圈(8b)，每个高频振动器(7)的前端分别设置有与刀盘齿圈(8b)对应的振动器齿圈，两个高频振动器(7)的壳体固定安装在一起，并在壳体上设置有向前延伸的中间轴(7b)，所述圆滚刀盘(8c)通过轴承(13)安装在中间轴(7b)上并通过端头螺帽防退；两个高频振动器(7)启动时，能通过振动器齿圈与刀盘齿圈(8b)的配合向圆滚刀盘(8c)施加一个向前上方或前下方的斜向推力，以推动圆滚刀盘(8c)绕中间轴(7b)转动的并传递振动力，从而实现圆滚刀盘(8c)的滚动冲击。

5.根据权利要求2所述的隧道掘进机，其特征在于：所述刮板输送出渣装置(2)包括由前到后依次设置的铲板(2a)、一级刮板输送机(2b)和二级刮板输送机(2c)，铲板(2a)的后端连接一级刮板输送机(2b)，一级刮板输送机(2b)的后端位于二级刮板输送机(2c)的前端的正上方，能进行接力输送，二级刮板输送机(2c)前端下方设置有一个回转支承，能进行±30°摆动。

6.根据权利要求5所述的隧道掘进机，其特征在于：所述回转底盘(3)通过门型安装座横跨安装在刮板输送出渣装置(2)上方，并位于第一刮板输送机(2b)前端的正上方。

7.根据权利要求2所述的隧道掘进机，其特征在于：所述尾部支撑装置(4)共两个，能在履带底盘(1)后呈八字形支撑。

8.根据权利要求1所述的隧道掘进机，其特征在于：所述回转底盘(3)能相对履带底盘(1)进行90°回转，倾斜转盘(5)能相对回转底座(3)实现0°—210°回转。

9.一种隧道掘进方法，其特征在于，采用权利要求1—8中任一项所述的隧道掘进机，包括以下步骤：

S1、在隧道开挖掌子面周向安装至少四个接收器(9)；

S2、控制掘进机的掘进臂(B)带动高频振动器(7)向掌子面发送固定频率、并用接收器(9)接收到的回馈信号分析前方岩石、水系、溶腔情况以及掌子面裂缝信息和岩层强度信息；

S3、根据掌子面裂缝信息和岩层强度信息结果进行对应刀具(8)的切换并控制掘进机带动掘进臂(B)动作；

在裂隙发育较好，40MPa以下的四级、五级及土质围岩中用横齿刀施工；四、五围岩裂隙发育差、岩石压强在40MPa到80MPa用竖齿刀(8a)破岩；三级以上硬岩、裂隙不发育完全、岩石压强在80MPa以上用圆滚刀盘(8c)，其中岩层压强在80MPa到100MPa岩层用刀间距150mm单列竖齿刀施工，岩层压强在100MPa到150MPa用双列竖齿刀间距80mm施工；

在掘进臂(B)动作过程中，左右两个伸缩撑靴(11)通过油缸实现转动以进行撑于地面或撑于隧道侧壁的转换；

S4、掘进完成后，伸缩撑靴(11)及掘进臂(B)缩回，尾部支撑装置(4)向后伸出并支撑在履带底盘(1)后方的地面上，岩石通过刮板输送出渣装置(2)快速出渣。

10.根据权利要求9所述的隧道掘进方法，其特征在于：步骤S2中，利用高频振动器(7)抵住掌子面中心，发送固定频率，在隧道掌子面边缘安装接收器(9)用来收集信号，通过回馈频率经验数据的对比对前500米内岩层情况分析。