CN111305862A - 一种紧凑型超小转弯半径全断面隧道掘进机及施工方法 - Google Patents
一种紧凑型超小转弯半径全断面隧道掘进机及施工方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种紧凑型超小转弯半径全断面隧道掘进机及施工方法，解决了现有技术中掘进机小转弯开挖效率低的问题。本发明包括主机、出渣***和后配套设备，所述主机包括分体式前盾和支撑盾，分体式前盾的内部设有驱动***，驱动***前部设有刀盘，分体式前盾或驱动***的后部通过具有调向作用的推进油缸与支撑盾相连接；支撑盾内设有撑靴机构，支撑盾与后配套设备相连接。本发明与现有的全断面掘进机相比，可以用于超小转弯半径的隧道施工，整机结构简约、设备配备布置合理，增强了全断面掘进机的适应性。
Description
技术领域
本发明涉及掘进机技术领域，特别是指一种紧凑型超小转弯半径全断面隧道掘进机及施工方法。
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设备，在隧道施工中有着经济、安全、环保等优点，目前全断面隧道掘进机已广泛应用于交通工程、水利工程、人防工程等隧道的施工。传统的全断面隧道掘进机由于设备庞大，适应转弯能力不足，在矿山、蓄能电站等短距离、小转弯半径的隧道工程推广困难。目前矿山、蓄能电站领域隧道开挖以钻爆法为主，机械化程度低，掘进效率低，作业安全性差。而申请号为CN201410260192.X的一种硬岩隧道掘进机，虽然能够实现小转弯半径的隧道开挖，但是其主梁强度较弱，转向不灵活，在小转弯施工中存在局限性。
发明内容
针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种紧凑型超小转弯半径全断面隧道掘进机及施工方法，解决了现有技术中掘进机小转弯开挖效率低的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：一种紧凑型超小转弯半径全断面隧道掘进机，包括主机、出渣***和后配套设备，所述主机包括分体式前盾和支撑盾，分体式前盾的内部设有驱动***，驱动***前部设有刀盘，分体式前盾的后部通过具有调向作用的推进油缸与支撑盾相连接；支撑盾内设有撑靴机构，支撑盾与后配套设备相连接。
所述分体式前盾包括上前盾和下前盾，上前盾通过顶升油缸与下前盾相连接组成环形盾体。
所述推进油缸沿支撑盾周向设置，相邻两个推进油缸成V型设置，推进油缸的伸缩端与上前盾和下前盾相连接。
所述刀盘上设有全断面盘形滚刀，驱动***设置在分体式前盾内部，推进油缸的伸缩端与驱动***的驱动箱相连接。
所述出渣***采用带式输送机，带式输送机的前部依次穿过支撑盾和驱动***并伸进刀盘内部；带式输送机的后部位于后配套设备上。
所述撑靴机构包括右撑靴和左撑靴，右撑靴和左撑靴滑动设置在支撑盾上，右撑靴通过撑靴油缸与左撑靴相连接，右撑靴和左撑靴能在撑靴油缸的作用下伸进或缩回支撑盾内。
所述后配套设备包括至少一辆台车，位于最前端的台车通过拖拉油缸与支撑盾相连接，台车上设有配套辅助***。
所述配套辅助***包括电控***、除尘***、液压***、水循环***。
紧凑型超小转弯半径全断面隧道掘进机的施工方法，步骤如下：
S1：掘进机掘进时：首先，推进油缸处于缩回状态，撑靴机构高压撑紧在洞壁上，依靠右撑靴和左撑靴与洞壁之间的摩擦力，为掘进机提供掘进时的推进支反力；然后上前盾低压撑紧在洞壁上，减弱掘进过程中产生的主机振动；驱动***工作驱动刀盘旋转；然后，推进油缸高压伸出，推动分体式前盾和刀盘向前掘进；刀盘切削下的岩石由带式输送机运送至掘进机尾部，再由运输车辆转运至洞外；
S2：掘进机换步时：推进油缸伸出到最大行程后，刀盘停止旋转，撑靴机构的的右撑靴和左撑靴回收至支撑盾内，上前盾高压撑紧在洞壁上，依靠上前盾与洞壁之间的摩擦力提供掘进机换步时的拖拉支反力；然后，推进油缸高压缩回，将支撑盾、撑靴机构及其后配套设备向前拖拉；
S3：掘进机小转弯调向、纠滚时：前盾与支撑盾通过成V型设置的推进油缸铰接，推进油缸的伸缩方向布设在前盾的周向，控制前盾和刀盘***在周向各方向上的摆动；掘进机转向时：控制位于转向反方向上的推进油缸伸出，掘进机实现小转弯调向；掘进机纠滚时：刀盘旋转开挖掌子面，刀盘受到扭力发生偏转时，控制推进油缸配合伸缩，调节刀盘偏转方向的补偿值，使刀盘回归设定位置继续开挖。
本发明的有益效果如下：（1）对前盾采用分块设计，上前盾既可以稳定刀盘又可以提供掘进机拖拉支反力的设计形式，使掘进机转弯灵活，提高掘进效率；（2）推进油缸沿圆周方向以“V”型结构均匀布置，既可以单独控制，又可以任意分组控制，控制刀盘灵活转向、实时纠滚，保证安全、高质量掘进；（3）本发明与现有的全断面掘进机相比，可以用于超小转弯半径的隧道施工，整机结构简约、设备配备布置合理，增强了全断面掘进机的适应性。（4）对于矿山、蓄能电站等掘进距离短、转弯半径小的隧道施工领域，将原有的钻爆法施工改为全断面掘进机施工，可以提高掘进效率，改善施工环境，降低施工风险。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，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发明的一些实施例，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：本发明全断面隧道掘进机的主视图。
图2：本发明全断面隧道掘进机的俯视图。
图3：本发明全断面隧道掘进机的主机结构图。
图4：图1的A-A剖视图。
图5：图1的B-B剖视图。
图6：图1的C-C剖视图。
图7：图1的D-D剖视图。
图8：主机超小转弯掘进姿态示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
如图1、3所示，实施例1，一种紧凑型超小转弯半径全断面隧道掘进机，包括主机、出渣***和后配套设备，出渣***用于刀盘切削下来的渣土的运输。后配套设备为掘进机的顺利掘进的辅助***，如电控***、除尘***、冷却***、润滑***等。所述主机包括分体式前盾2和支撑盾5，支撑盾5位于分体式前盾后方，分体式前盾分为至少两个分块，分块能相对运动。分体式前盾2的内部设有驱动***3，驱动***3前部设有刀盘1，提供刀盘旋转的动力，与现有掘进机刀盘***结构相同。分体式前盾2的后部通过具有调向作用的推进油缸4与支撑盾5相连接，推进油缸伸缩能带动分体式前盾和刀盘***摆动，能灵活实现刀盘***的小转弯调向；支撑盾5内设有撑靴机构6，撑靴机构能相对支撑盾伸缩，用于撑紧洞壁与否，为掘进机向前掘进提供支撑，支撑盾5与后配套设备相连接，在掘进机向前运动过程中，支撑盾拖带后配套设备向前同步运动。
进一步，如图4、5所示，所述分体式前盾2包括上前盾201和下前盾203，上前盾201和下前盾203均为半圆环盾体，上前盾201通过顶升油缸202与下前盾203相连接组成环形盾体。顶升油缸的伸缩端与上前盾相连接，顶升油缸的固定端与下前盾相连接，通过顶升油缸202伸缩，上前盾201可以实现上下移动。所述推进油缸4有多个且沿支撑盾5周向设置，相邻两个推进油缸4成V型设置，即前盾与支撑盾之间的多有推进油缸成环形W型均布，推进油缸4的伸缩端与上前盾201或下前盾203相连接，推进油缸可以单独控制，也可以任意分组控制。即推进油缸的伸缩方向布设在前盾的周向，控制前盾和刀盘***在周向各方向上的摆动，实现小半径转弯和实时纠滚。
如图1、6所示，实施例2，一种紧凑型超小转弯半径全断面隧道掘进机，驱动***设置在分体式前盾内部，推进油缸的伸缩端与驱动***的驱动箱相连接。驱动***的驱动箱上可设置四个驱动电机，为刀盘的旋转提供动力。刀盘1上设有全断面盘形滚刀101，驱动电机设置在分体式前盾2后部且位于出渣***的外周，不影响出渣为宜。
进一步，所述出渣***采用带式输送机7，带式输送机7的前部依次穿过支撑盾5和驱动***3的驱动箱，并伸进刀盘1内部，带式输送机7位于驱动电机之间；带式输送机7的后部位于后配套设备上。即带式输送机7采用一体式皮带设计，带式输送机7前端伸入到刀盘1内部，后端延伸至设备尾部。带式输送机7可以直接将刀盘1切削的岩石运送至设备尾部，再由隧洞内的运输车辆转运至洞外。
进一步，如图7所示，所述撑靴机构6包括右撑靴601和左撑靴603，右撑靴601和左撑靴603滑动设置在支撑盾5的两侧，右撑靴601通过撑靴油缸602与左撑靴603相连接，右撑靴601和左撑靴603能在撑靴油缸602的作用下伸进或缩回支撑盾5内。撑靴油缸602通过销轴分别与右撑靴601、左撑靴603连接，撑靴油缸602伸缩可实现右撑靴601、左撑靴603左右移动，实现撑紧洞壁与否。
进一步，如图2所示，所述后配套设备包括五辆台车，分别为一号台车9、二号台车10、三号台车11、四号台车12、五号台车13，且依次设置在支撑盾后方，位于最前端的台车（一号台车9）通过拖拉油缸8与支撑盾5相连接，台车为滑靴式台车或行走轮式台车，台车之间通过销轴连接。台车上设有配套辅助***。所述配套辅助***包括电控***、除尘***、液压***、水循环***。除尘***包括除尘风机16、储气罐14、空压机15和风筒存储器25，电控***包括电缆存储箱20、变压器18、变频器23、配电柜22，共同工作为整机设备提供电源；液压***包括油脂泵21和液压管路，水循环***内水冷却泵站24、污水箱19。储气罐14为设备储气单元，可以储存空压机15生成的压缩空气，为油脂泵21、气动球阀和气动工具提供动力源；除尘风机16可以通过固定风管将刀盘内含粉尘的空气吸出，经除尘风机过滤除尘后排放至设备尾部；液压泵站17可以为推进油缸4、拖拉油缸8、带式输送机7等液压执行机构提供动力源；油脂泵21为驱动***3和设备的机械润滑点提供油脂润滑。内水冷却泵站24向驱动***3、空压机15、变频器23提供循环冷却水降温；风筒存储器25与隧道中的风筒连接，并且可以储存一定长度的风筒，在设备掘进的过程中将风筒同步延伸。污水箱19为中继水箱，主机前部的一级污水泵将设备掘进时产生的污水抽排到污水箱19内，再由内置在污水箱内的二级污水泵将污水排放到洞外。本申请仅显示为实现小转弯半径必须配置的功能，为提高设备适应性，也可以配置锚杆钻机、喷混机械手等支护***使用。
实施例3，上述紧凑型超小转弯半径全断面隧道掘进机的施工方法，步骤如下：
S1：掘进机掘进时：首先，推进油缸4处于缩回状态，撑靴机构6高压撑紧在洞壁上，依靠右撑靴601和左撑靴603与洞壁之间的摩擦力，为掘进机提供掘进时的推进支反力；然后上前盾201低压撑紧在洞壁上，减弱掘进过程中产生的主机振动；驱动***3工作驱动刀盘1旋转；然后，推进油缸4高压伸出，推动分体式前盾2和刀盘1向前掘进；刀盘1切削下的岩石由带式输送机7运送至掘进机尾部，再由运输车辆转运至洞外；
S2：掘进机换步时：推进油缸4伸出到最大行程后，刀盘1停止旋转，撑靴机构的6的右撑靴601和左撑靴603回收至支撑盾5内，上前盾201高压撑紧在洞壁上，依靠上前盾201与洞壁之间的摩擦力提供掘进机换步时的拖拉支反力；然后，推进油缸4高压缩回，将支撑盾5、撑靴机构6及其后配套设备向前拖拉；
S3：掘进机小转弯调向、纠滚时，如图8所示：前盾2与支撑盾5通过成V型设置的推进油缸铰接，推进油缸的伸缩方向布设在前盾2的周向，控制前盾2和刀盘***在周向各方向上的摆动，即通过不同位置处的推进油缸的伸缩，带动前盾2和刀盘***做出相应摆动；掘进机转向时：控制位于转向反方向上的推进油缸4伸出，例如向左转，控制位于右侧的伸缩油缸较左侧油缸伸出量大，掘进机实现小转弯调向。掘进机纠滚时：刀盘旋转开挖掌子面，刀盘受到扭力发生偏转时，控制推进油缸配合伸缩，调节刀盘偏转方向的补偿值，校正刀盘，使刀盘回归设定位置继续开挖。
其他结构与实施例2相同。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种紧凑型超小转弯半径全断面隧道掘进机，包括主机、出渣***和后配套设备，其特征在于：所述主机包括分体式前盾（2）和支撑盾（5），分体式前盾（2）的内部设有驱动***（3），驱动***（3）前部设有刀盘（1），驱动***（3）的后部或分体式前盾（2）通过具有调向作用的推进油缸（4）与支撑盾（5）相连接；支撑盾（5）内设有撑靴机构（6），支撑盾（5）与后配套设备相连接。
2.根据权利要求1所述的紧凑型超小转弯半径全断面隧道掘进机，其特征在于：所述分体式前盾（2）包括上前盾（201）和下前盾（203），上前盾（201）通过顶升油缸（202）与下前盾（203）相连接组成环形盾体。
3.根据权利要求2所述的紧凑型超小转弯半径全断面隧道掘进机，其特征在于：所述推进油缸（4）沿支撑盾（5）周向设置，相邻两个推进油缸（4）成V型设置，推进油缸（4）的伸缩端与上前盾（201）和下前盾（203）相连接。
4.根据权利要求1~2任一项所述的紧凑型超小转弯半径全断面隧道掘进机，其特征在于：所述刀盘（1）上设有全断面盘形滚刀（101），驱动***（3）设置在分体式前盾（2）内部，推进油缸（4）的伸缩端与驱动***（3）的驱动箱相连接。
5.根据权利要求4所述的紧凑型超小转弯半径全断面隧道掘进机，其特征在于：所述出渣***采用带式输送机（7），带式输送机（7）的前部依次穿过支撑盾（5）和驱动***（3）并伸进刀盘（1）内部；带式输送机（7）的后部位于后配套设备上。
6.根据权利要求1或3或5所述的紧凑型超小转弯半径全断面隧道掘进机，其特征在于：所述撑靴机构（6）包括右撑靴（601）和左撑靴（603），右撑靴（601）和左撑靴（603）滑动设置在支撑盾（5）上，右撑靴（601）通过撑靴油缸（602）与左撑靴（603）相连接，右撑靴（601）和左撑靴（603）能在撑靴油缸（602）的作用下伸进或缩回支撑盾（5）内。
7.根据权利要求1或5所述的紧凑型超小转弯半径全断面隧道掘进机，其特征在于：所述后配套设备包括至少一辆台车，位于最前端的台车通过拖拉油缸（8）与支撑盾（5）相连接，台车上设有配套辅助***。
8.根据权利要求7所述的紧凑型超小转弯半径全断面隧道掘进机，其特征在于：所述配套辅助***包括电控***、除尘***、液压***、水循环***。
9.根据权利要求1或8所述的紧凑型超小转弯半径全断面隧道掘进机的施工方法，其特征在于：步骤如下：
S1：掘进机掘进时：首先，推进油缸（4）处于缩回状态，撑靴机构（6）高压撑紧在洞壁上，依靠右撑靴（601）和左撑靴（603）与洞壁之间的摩擦力，为掘进机提供掘进时的推进支反力；然后上前盾（201）低压撑紧在洞壁上，减弱掘进过程中产生的主机振动；驱动***（3）工作驱动刀盘（1）旋转；然后，推进油缸（4）高压伸出，推动分体式前盾（2）和刀盘（1）向前掘进；刀盘（1）切削下的岩石由带式输送机（7）运送至掘进机尾部，再由运输车辆转运至洞外；
S2：掘进机换步时：推进油缸（4）伸出到最大行程后，刀盘（1）停止旋转，撑靴机构的（6）的右撑靴（601）和左撑靴（603）回收至支撑盾（5）内，上前盾（201）高压撑紧在洞壁上，依靠上前盾（201）与洞壁之间的摩擦力提供掘进机换步时的拖拉支反力；然后，推进油缸（4）高压缩回，将支撑盾（5）、撑靴机构（6）及其后配套设备向前拖拉；
S3：掘进机小转弯调向、纠滚时：前盾（2）与支撑盾（5）通过成V型设置的推进油缸铰接，推进油缸的伸缩方向布设在前盾（2）的周向，控制前盾（2）和刀盘***在周向各方向上的摆动；掘进机转向时：控制位于转向反方向上的推进油缸（4）伸出，掘进机实现小转弯调向；掘进机纠滚时：刀盘旋转开挖掌子面，刀盘受到扭力发生偏转时，控制推进油缸配合伸缩，调节刀盘偏转方向的补偿值，使刀盘回归设定位置继续开挖。
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