CN208168883U - 一种马蹄形全断面岩石隧道掘进机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种马蹄形全断面岩石隧道掘进机，解决了现有技术中马蹄形隧道开挖不能一次成型、易出现超挖或欠挖情况等问题。本实用新型包括驱动系统、控制系统、检测系统和掘进主机，所述掘进主机包括圆形刀盘、护盾总成、主驱动和支撑梁架，圆形刀盘与护盾总成之间设有可伸缩铣挖头总成和可伸缩刮渣板总成，可伸缩铣挖头总成和可伸缩刮渣板总成交叉设置，可伸缩铣挖头总成和可伸缩刮渣板总成均由控制系统控制，可伸缩刮渣板总成与设置在支撑梁架上的主机皮带机相对应。本实用新型通过先圆形断面后非圆断面的开挖方式进行马蹄形断面隧道开挖，挖掘精度高，大大提高了工作效率，弥补用于岩石开挖的马蹄形TBM的市场空白，具有较高的推广价值。

Description

一种马蹄形全断面岩石隧道掘进机

技术领域

本实用新型涉及敞开式掘进机技术领域，特别是指一种马蹄形全断面岩石隧道掘进机。

背景技术

全断面隧道掘进机（TBM）是一种集机械、电子、液压、激光等技术于一体的大型隧道掘进装备，在山岭隧道、引水工程及城市地铁的建设中发挥着重要作用。TBM分为护盾式TBM和敞开式TBM，TBM开挖的隧道断面一般都是圆形。但是随着我国高速铁路的发展，为了加大对隧道空间的利用率，高铁对隧道断面的要求也多样化起来。高铁隧道建设要求满足列车的高速度，具备良好通风和救援通道，而且要求隧道质量好，施工成本低，建设工期短。已经完工的蒙华铁路白城隧道，总长3.4公里，采用的是马蹄形断面，地质情况是主要以粉砂、细砂和砂质土为主，这种马蹄形盾构机采用多刀盘开挖，只适用于软土地层，对于岩石地层无能为力。目前适应于岩石的马蹄形TBM尚未出现。

马蹄形断面开挖存在以下问题：一、马蹄形断面不具备中心对称性，无法用回转的形式完成马蹄形断面的开挖，必须在圆形断面的基础上增加另一种开挖方式，完成马蹄形于圆形之间的区域的开挖；二、圆形刀盘切削的岩渣是通过布置在刀盘周边的刮渣板收集进入主机皮带机。非圆部分开挖的岩渣会在隧道的底部堆积，而圆形刀盘的刮渣板却无法刮起隧道底部的岩渣，必须设计一种新的刮渣板，能够在进行非圆断面开挖时完成渣土的收集；三、圆形刀盘开挖的断面是马蹄形界面的最大内切圆轨迹，内切圆于马蹄形轨迹之间的距离较大，非圆开挖不能一步到位，需分多次进行，因此非圆部分的刮渣也不能一次完成，需要实时的适应最新的断面；四、现有护盾和其他的部件都是与正常圆形开挖的隧道相配合，不适用于马蹄形隧道面，需要做进一步改进。

实用新型内容

针对上述背景技术中的不足，本实用新型提出一种马蹄形全断面岩石隧道掘进机，解决了现有技术中马蹄形隧道开挖不能一次成型、易出现超挖或欠挖情况、工作效率低的问题。

本实用新型的技术方案是这样实现的：一种马蹄形全断面岩石隧道掘进机，包括驱动系统、控制系统和掘进主机，所述掘进主机包括圆形刀盘、护盾总成、主驱动和支撑梁架，护盾总成的一端与圆形刀盘相连接、另一端与支撑梁架相连接，主驱动设置在支撑梁架上且与圆形刀盘相连接；圆形刀盘前端面上均匀设有主切刀和边切刀，圆形刀盘与护盾总成之间设有可伸缩铣挖头总成和可伸缩刮渣板总成，可伸缩铣挖头总成和可伸缩刮渣板总成交叉设置，可伸缩铣挖头总成和可伸缩刮渣板总成均由控制系统控制，可伸缩刮渣板总成与设置在支撑梁架上的主机皮带机相对应。

所述可伸缩铣挖头总成包括与圆形刀盘相连接的导向套和铣挖头伸缩油缸，导向套内设有导向柱，导向柱的上端设有铣挖头和液压马达，液压马达为铣挖头的自转提供动力，铣挖头伸缩油缸的一端与导向柱铰接、另一端通过油缸耳座与圆形刀盘相连接。

所述导向套的一侧设有用于夹持管线的管线链排。

所述可伸缩刮渣板总成包括与圆形刀盘相连接的导渣板，导渣板上设有刮渣伸缩油缸，刮渣伸缩油缸的自由端连接有刮渣板，刮渣板在刮渣伸缩油缸的作用下沿导渣板运动，导渣板的出渣端与主机皮带机相对应。

所述圆形刀盘与护盾总成之间设有四组可伸缩铣挖头总成和四组可伸缩刮渣板总成，四组可伸缩铣挖头总成沿径向均匀设置在圆形刀盘的后部，四组可伸缩刮渣板总成沿径向均匀设置在圆形刀盘的后部，四组可伸缩铣挖头总成和四组可伸缩刮渣板总成位于同一面内。

所述护盾总成包括首尾相连的上盾体、下盾体和侧护板，上盾体和侧护板分别通过支撑油缸与支撑梁架相连接，侧护板为椭圆弧形板，椭圆弧形板与马蹄形隧道内侧壁相配合。

所述支撑梁架包括前大梁和后大梁，后大梁上依次设有推进机构、撑靴机构和后支腿，撑靴机构的内部设有鞍架，主机皮带机穿过鞍架，撑靴机构的外侧设有撑靴板，撑靴板为椭圆弧形板，椭圆弧形板与马蹄形隧道内侧壁相配合；后支腿的下部设有支撑护板，支撑护板为椭圆弧形板，椭圆弧形板与马蹄形隧道内侧壁相配合。

本实用新型圆形刀盘上增加可伸缩铣挖头总成完成马蹄形断面的仿形开挖工作，并通过可伸缩刮渣板总成实现顺利出渣，能够在适合铣挖头开挖的硬岩条件下，实现连续的马蹄形断面隧道的施工，工作效果高，避免出现超挖和欠挖的情况。在进行非圆开挖时，在控制系统的作用下，每个铣挖头和刮渣板都能够在不同的位置伸出不同的长度，确保在有一定开挖量的同时，又能把切削下来的岩渣及时的刮起运走，提高开挖效率和开挖精度，实现一次成型开挖。本实用新型通过先圆形断面后非圆断面的开挖方式进行马蹄形断面隧道开挖，挖掘精度高，大大提高了工作效率，弥补用于岩石开挖的马蹄形TBM的市场空白，具有较高的推广价值。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型整体结构示意图。

图2为图1中A-A视图。

图3为图1中B-B视图。

图4为图1中C-C视图。

图5为图1中D-D视图。

图6为可伸缩铣挖头总成和可伸缩刮渣板总成收回状态结构示意图。

图7为可伸缩铣挖头总成和可伸缩刮渣板总成伸出状态结构示意图。

图8为铣挖头开挖区域示意图。

图9为圆形刀盘和铣挖头开挖原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1-9所示，实施例1，一种马蹄形全断面岩石隧道掘进机，包括驱动系统、控制系统、检测系统和掘进主机，驱动系统、控制系统、检测系统均与掘进主机相连接。所述掘进主机包括圆形刀盘1、护盾总成2、主驱动3和支撑梁架4，圆形刀盘1的刀盘面板采用常规设计，具备正常的掘进和出渣功能。护盾总成2的一端与圆形刀盘1相连接、另一端与支撑梁架4相连接，主驱动3设置在支撑梁架4上且与圆形刀盘1相连接，提供圆形刀盘转动的驱动力。圆形刀盘1前端面上均匀设有主切刀5和边切刀6，主切刀成组沿圆形刀盘径向均匀设置，用于切削正面上的岩石，边切刀设置在圆形刀盘的外圆周上，用于切削边侧的岩石。圆形刀盘1与护盾总成2之间设有可伸缩铣挖头总成7和可伸缩刮渣板总成8，可伸缩铣挖头总成7和可伸缩刮渣板总成8交叉设置，可伸缩铣挖头总成7和可伸缩刮渣板总成8均由控制系统控制，可伸缩刮渣板总成8与设置在支撑梁架4上的主机皮带机9相对应。在圆形刀盘进行圆形截面的开挖时，铣挖头收回到刀盘的轮廓以内；圆形刀盘开挖一定的行程以后，停止推进，刀盘继续旋转，铣挖头在油缸的控制下按照一定的规律伸出，铣挖头本身旋转，并随着刀盘的旋转切削岩石。如此，在一定的时间内，铣挖头能够完成由圆形断面到马蹄形断面之间的岩石的开挖。为了保证开挖的效率，铣挖头联合工作，铣挖头的切削也是递进式，确保切削范围能够覆盖到马蹄形断面与圆形断面之间最大的距离。

进一步，所述可伸缩铣挖头总成7包括与圆形刀盘1相连接的导向套7-1和铣挖头伸缩油缸7-2，导向套7-1内设有导向柱7-3，导向柱7-3的上端设有铣挖头7-4和液压马达7-5，液压马达7-5为铣挖头7-4的自转提供动力，铣挖头伸缩油缸7-2的一端与导向柱7-3铰接、另一端通过油缸耳座7-6与圆形刀盘1相连接。导向柱在铣挖头伸缩油缸的作用下带着液压马达和铣挖头沿导向套上下移动，实现铣挖头的伸出与收回，所述导向套7-1的一侧设有用于夹持管线的管线链排7-7，防止线路和管路在圆形刀盘旋转过程中出现损坏。

进一步，所述可伸缩刮渣板总成8包括与圆形刀盘1相连接的导渣板8-1，导渣板8-1上设有刮渣伸缩油缸8-2，刮渣伸缩油缸8-2的自由端连接有刮渣板8-3，刮渣板8-3在刮渣伸缩油缸8-2的作用下沿导渣板8-1运动，导渣板8-1的出渣端与主机皮带机9相对应，圆形断面开挖随着铣挖头的开挖，行程的断面已经超出圆形刀盘刮渣板能够覆盖的范围，此时，大量的石渣会堆积在隧道的下方，石渣若不能及时被刮走，将会阻碍铣挖头对此处的切削。但由于仿形的轨迹是渐变的过程，因此刮渣的轨迹也必须是实时适应新轨迹，所以不能设计固定的刮渣板。要设计油缸控制的可伸缩刮渣板，这个控制过程与铣挖头的控制类似。在每组铣挖头间隔的位置设计刮渣板，每组刮渣板的伸缩都与前一组铣挖头的伸缩保持一致，如此就能保证每组铣挖头切削的岩渣都能及时的被刮起运走。为了保证刮渣的效果，非圆开挖时刀盘转速不易过快。所述圆形刀盘1与护盾总成2之间设有四组可伸缩铣挖头总成7和四组可伸缩刮渣板总成8，四组可伸缩铣挖头总成7沿径向均匀设置在圆形刀盘1的后部，四组可伸缩刮渣板总成8沿径向均匀设置在圆形刀盘1的后部，四组可伸缩铣挖头总成7和四组可伸缩刮渣板总成8位于同一面内。要实现非圆断面的仿形开挖，铣挖头和刮渣板都是要满足准确的控制，每次伸缩的时机、速度、行程都需要严格把控。同时，四组铣挖头和四组刮渣板之间的逻辑控制也是本专利的难点，每一组刮渣板都要实时的适应前一组铣挖头开挖处的截面，每一组铣挖头都要在前一组铣挖头切削的基础上加大一定量的切深，并且加大切深的速率和时机各不相同，采用旋转编码器实时的监控刀盘旋转的角度，并传递给控制系统，作为控制铣挖头和刮渣板的信号之一，做到及时、精准和有效。

一种马蹄形全断面岩石隧道掘进机的施工方法，包括如下步骤：S1、控制系统控制可伸缩铣挖头总成和可伸缩刮渣板总成，使铣挖头和刮渣板收回到圆形刀盘的轮廓线以内；S2、启动圆形刀盘转动，在推进机构的推进力的作用下，向前掘进一个行程，完成圆形断面的开挖；S3、保持圆形刀盘只旋转不推进，降低圆形刀盘的速度，启动液压马达带动铣挖头自转；S4、控制系统控制可伸缩铣挖头总成和可伸缩刮渣板总成，使铣挖头和刮渣板逐渐伸出圆形刀盘的轮廓线以外，在圆形断面的基础上进行马蹄形断面的非圆断面的开挖；S5、每组的可伸缩铣挖头总成和可伸缩刮渣板总成都是单独控制，随着圆形刀盘转动，都是依次经历先伸出，在缩回，再伸出，再缩回的循环过程，在这个过程中铣挖头的自转、刀盘旋转、铣挖头伸缩油缸和刮渣板伸缩油缸都是同步动作，铣挖头的切削距离与圆形刀盘的开挖行程保持一致，铣挖头切削下来的岩石经刮渣板和导渣板收集到主机皮带机上运出洞外；S6、马蹄形断面仿形完成以后，控制系统控制铣挖头和刮渣板收回到圆形刀盘轮廓线以内；如此循环往复，完成整个马蹄形隧道的开挖。

实施例2，一种马蹄形全断面岩石隧道掘进机，所述护盾总成2包括首尾相连的上盾体2-1、下盾体2-2和侧护板2-3，上盾体2-1和侧护板2-3分别通过支撑油缸2-4与支撑梁架4相连接，侧护板2-3为椭圆弧形板，椭圆弧形板与马蹄形隧道内侧壁相配合。所述支撑梁架4包括前大梁4-1和后大梁4-2，后大梁4-2上依次设有推进机构10、撑靴机构11和后支腿12，撑靴机构11的内部设有鞍架13，主机皮带机9穿过鞍架13，撑靴机构11的外侧设有撑靴板14，撑靴板14为椭圆弧形板，椭圆弧形板与马蹄形隧道内侧壁相配合；后支腿12的下部设有支撑护板15，支撑护板15为椭圆弧形板，椭圆弧形板与马蹄形隧道内侧壁相配合。由于所有的开挖及出渣工作都在刀盘处完成，因此TBM主机区域的护盾、撑靴和后支腿系统都要匹配马蹄形断面。尤其是侧护盾外轮廓必须匹配马蹄形轮廓的一部分，撑靴外轮廓匹配为马蹄形腰部位置的弧度，后支腿底部的靴板匹配马蹄形截面底部的弧度，起到稳定支撑的作用。

其他结构与实施例1相同。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种马蹄形全断面岩石隧道掘进机，包括驱动系统、控制系统和掘进主机，其特征在于：所述掘进主机包括圆形刀盘（1）、护盾总成（2）、主驱动（3）和支撑梁架（4），护盾总成（2）的一端与圆形刀盘（1）相连接、另一端与支撑梁架（4）相连接，主驱动（3）设置在支撑梁架（4）上且与圆形刀盘（1）相连接；圆形刀盘（1）前端面上均匀设有主切刀（5）和边切刀（6），圆形刀盘（1）与护盾总成（2）之间设有可伸缩铣挖头总成（7）和可伸缩刮渣板总成（8），可伸缩铣挖头总成（7）和可伸缩刮渣板总成（8）交叉设置，可伸缩铣挖头总成（7）和可伸缩刮渣板总成（8）均与控制系统相连接，可伸缩刮渣板总成（8）与设置在支撑梁架（4）上的主机皮带机（9）相对应。

2.根据权利要求1所述的马蹄形全断面岩石隧道掘进机，其特征在于：所述可伸缩铣挖头总成（7）包括与圆形刀盘（1）相连接的导向套（7-1）和铣挖头伸缩油缸（7-2），导向套（7-1）内设有导向柱（7-3），导向柱（7-3）的上端设有铣挖头（7-4）和液压马达（7-5），液压马达（7-5）为铣挖头（7-4）的自转提供动力，铣挖头伸缩油缸（7-2）的一端与导向柱（7-3）铰接、另一端通过油缸耳座（7-6）与圆形刀盘（1）相连接。

3.根据权利要求2所述的马蹄形全断面岩石隧道掘进机，其特征在于：所述导向套（7-1）的一侧设有用于夹持管线的管线链排（7-7）。

4.根据权利要求1或2所述的马蹄形全断面岩石隧道掘进机，其特征在于：所述可伸缩刮渣板总成（8）包括与圆形刀盘（1）相连接的导渣板（8-1），导渣板（8-1）上设有刮渣伸缩油缸（8-2），刮渣伸缩油缸（8-2）的自由端连接有刮渣板（8-3），刮渣板（8-3）在刮渣伸缩油缸（8-2）的作用下沿导渣板（8-1）运动，导渣板（8-1）的出渣端与主机皮带机（9）相对应。

5.根据权利要求4所述的马蹄形全断面岩石隧道掘进机，其特征在于：所述圆形刀盘（1）与护盾总成（2）之间设有四组可伸缩铣挖头总成（7）和四组可伸缩刮渣板总成（8），四组可伸缩铣挖头总成（7）沿径向均匀设置在圆形刀盘（1）的后部，四组可伸缩刮渣板总成（8）沿径向均匀设置在圆形刀盘（1）的后部，四组可伸缩铣挖头总成（7）和四组可伸缩刮渣板总成（8）位于同一面内。

6.根据权利要求1所述的马蹄形全断面岩石隧道掘进机，其特征在于：所述护盾总成（2）包括首尾相连的上盾体（2-1）、下盾体（2-2）和侧护板（2-3），上盾体（2-1）和侧护板（2-3）分别通过支撑油缸（2-4）与支撑梁架（4）相连接，侧护板（2-3）为椭圆弧形板，椭圆弧形板与马蹄形隧道内侧壁相配合。

7.根据权利要求1或6所述的马蹄形全断面岩石隧道掘进机，其特征在于：所述支撑梁架（4）包括前大梁（4-1）和后大梁（4-2），后大梁（4-2）上依次设有推进机构（10）、撑靴机构（11）和后支腿（12），撑靴机构（11）的内部设有鞍架（13），主机皮带机（9）穿过鞍架（13），撑靴机构（11）的外侧设有撑靴板（14），撑靴板（14）为椭圆弧形板，椭圆弧形板与马蹄形隧道内侧壁相配合；后支腿（12）的下部设有支撑护板（15），支撑护板（15）为椭圆弧形板，椭圆弧形板与马蹄形隧道内侧壁相配合。