一种多级扩挖全断面自行进隧道连续掘进装置和方法，属于岩石隧道掘进技术领域。所述的装置包括有周向布置的进行一级切削的多个岩石钻扩器、掘进机筒壳（16）和位于所述岩石钻扩器中心的二级切削刀盘（17）；此种岩石隧道的掘进装置及掘进方法，为地下隧道施工技术提供了一种新型的可在岩石中具有连续自行进前行的掘进装置和方法，为高效、连续地开挖大断面岩石隧道提供了技术支持。
1.一种多级扩挖全断面自行进隧道连续掘进装置，其特征在于：其包括有掘进装置横断面上布置的多个岩石钻丝旋扩器、掘进机筒壳(16)和位于所述岩石钻丝旋扩器中心的一级切削刀盘(17)；布置在掘进装置横断面上位于一级切削刀盘后的可切削一级切削刀盘遗留下岩土体的多个二级切削刀盘和环形摆动式切削刀盘；
所述的岩石钻丝旋扩器包括有超前钻孔钻杆(5)，安装在超前钻孔钻杆(5)前端的超前钻孔钻头(2)、套装在超前钻孔钻杆(5)上的位于超前钻孔钻头(2)后的岩石攻丝钻头(6)，套装在超前钻孔钻杆(5)上的位于岩石攻丝钻头(6)后的螺旋管(10)、超前孔钻杆5的另一端安装在掘进机筒壳(16)的内部，在钻杆驱动扭矩20的作用下，钻成超前钻孔3；
螺旋管10后部的无螺旋部位上套装有环形切削刀盘(12)，在螺旋管(10)的端部通过推力轴承(14)设置有用于提供推力的螺旋管端部推力盘(15)；岩石攻丝钻头(6)与螺旋管(10)之间设置有用于攻丝所残生的碎岩石排出的岩石攻丝钻头与螺旋管过渡段(7)，攻丝钻头与螺旋管过渡段(7)为管状，攻丝钻头与螺旋管过渡段(7)的直径小于等于攻丝后的孔径，超前钻孔钻杆(5)中设置有与钻孔冲洗液入口(23)相通并且连通至超前钻孔钻头(2)的超前钻孔钻杆中心孔(4)；在超前钻孔钻杆(5)和螺旋管(10)之间设置有与岩屑混合液出口(22)相连的超前钻杆外与螺旋管内环形空间，超前钻杆外与螺旋管内环形空间连接至岩屑混合液出口(22)；岩石攻丝钻头与螺旋管过渡段(7)上设置有连通所述超前钻杆外与螺旋管内环形空间与螺旋管(10)外空间的螺旋管出渣孔(8)；在螺旋管(10)套装有一级切削刀盘(11)；
所述的二级切削刀盘(17)在掘进方向上位于一级切削刀盘(11)与环形切削刀盘(12)之间；
在所述的一级切削刀盘(11)与环形切削刀盘(12)之间设置有置有用于存放岩渣的岩渣仓(21)；
所述的岩石钻丝旋扩器中的螺旋管(10)和一级切削刀盘(11)均通过推力轴承14与位于掘进机筒壳(16)内的掘进机内固定架(13)固定相连；
所述的一级切削刀盘(11)、螺旋管(10)、超前钻孔钻头(2)分别由一级切削刀盘扭矩驱动源(18)，螺旋管扭矩驱动源(19)，超前钻孔动力源(20)驱动。
2.权利要求1所述的隧道连续掘进装置的掘进方法，其特征在于：在欲掘进的岩石隧道前方的岩土体(1)中，利用超前孔钻头(2)，在超前钻杆动力源(20)的作用下，先行钻进形成一个已钻成超前钻孔(3)，超前孔钻头(2)在钻进过程中切削岩土体(1)形成的岩石碎屑，通过超前孔钻杆中心孔(4)被从钻孔冲洗液入口(23)进入的液体冲洗并携带到超前孔中心钻杆(5)外侧与螺旋管(10)内的环形空间内；
后续跟进的岩石攻丝钻头(6)在已钻成超前钻孔(3)上切削孔边岩石，形成已攻丝完成的岩石螺旋空隙(9)；攻丝切削下来的岩石碎屑进入到岩石攻丝钻头与螺旋管过渡段(7)内，并通过螺旋管出渣孔(8)进入超前孔中心钻杆(5)外侧与螺旋管(10)内的环形空间内，与已进入此空间的超前孔岩石碎屑混合液混合，二者的混合液体通过超前钻杆(5)外侧与螺旋管(10)内环形空间从岩屑混合液出口(22)排出；
在螺旋管扭矩驱动源(19)的作用下，螺旋管(10)沿着已攻丝岩石螺旋空隙(9)向掘进机前方岩土体(1)内前行，螺旋管(10)端部推力盘(15)推挤推力轴承(14)，使连接到掘进机筒壳(16)上的掘进机内固定架(13)受到向前推挤，并给一级切削刀盘(11)施加推力；在掘进机固定架(13)受到向前推挤的同时，拉动掘进机筒壳(16)前行，并使得二级切削刀盘(17)和环形切削刀盘(12)也同时得到对所负担切削岩土体(1)的推力；在一级切削刀盘扭矩驱动源(18)的作用下，布置在掘进机筒壳(16)前端的多个一级切削刀盘(11)在各自的动力驱动下，切削岩土体(1)，形成M个超前圆形小隧道，M≥1；
在超前小隧道交界中心，布置N个刀盘直径能全部切削交界部位岩土体的二级切削刀盘(17)，N≥1，刀盘推力也由螺旋管(10)向岩土体内旋入提供，扭矩由自带扭矩驱动源提供；二级切削刀盘(17)切削超前小隧道间的岩土体，切削下的岩渣落入岩渣仓(21)内，通过岩渣出口(25)排出到掘进机体内再通过其它运输设施运出；
采用环形切削刀盘(12)对超前小隧道与设计开挖隧道轮廓间的岩土体作往复摆动式旋转切削，切削下的岩渣落入岩渣仓(21)内，再通过岩渣出口(25)排出，运到掘进机体外；
环形切削刀盘(12)的推力也由螺旋管(10)向岩土体内旋入提供，扭矩由自带扭矩驱动源提供；
在一级岩土体切削刀盘(11)、二级切削刀盘(17)和环形切削刀盘(12)的联合切削作用下，完成整个隧道断面的连续不间断开挖，形成已开挖的设计隧道(24)。
一种多级扩挖全断面自行进隧道连续掘进装置和方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种在较大断面的岩石隧道掘进中，采用多个自行进刀盘先行切削岩体，再后用多级刀盘补充连续切削剩余岩体形成全断面隧道工作面的装置和方法。
背景技术
[0002] 目前，地下工程岩石隧道修建中使用较多的单护盾或双护盾岩石隧道掘进机(TBM-Tunnel Boring Method)采用的前行反力和前方刀盘切削工作面岩体所需的推力依赖于掘进机后方的外伸撑靴与周围岩体撑紧所产生的摩擦反力。缺点是：掘进机每进行一个循环，均需要刀盘的间歇停顿来实现掘进机向前的多步骤换步工作。在掘进机一般本来只有总工作的20％～50％用于掘进的纯作业时间情况下，还要从中必须保证占纯作业时间15％以上，甚至达到50％的换步时间。因此，降低了掘进机的利用率。
[0003] 随着隧道开挖直径的增大，带来诸多不利影响：
[0004] (1)由于刀盘多数是单轴回转驱动式。
[0005] 与直径有关的是刀头内周与外周的周差速增大，刀头受力及磨损的均匀性差，对刀头产生种种不良影响；
[0006] 增大对刀盘扭矩要求；
[0007] 对刀盘旋转切削的效率造成影响。
[0008] (2)随着开挖直径的增大
[0009] 推力增大：要求支撑靴面积或数量增多，影响到机体内部布置；对洞壁承载力要求更高；
[0010] TBM拆解、运输、再组装费时长。
[0011] 因此，目前尽管TBM公认的开挖隧道直径可以为1.2m～12m之间，而又以直径3～6m最为成熟的原因之一。
[0012] 此外，现有岩石隧道掘进机采用向隧道洞壁撑紧撑靴产生摩擦力为掘进机前行提供反力的方式，对洞壁的岩石性质、撑紧力的数值合理性等因素要求较高，制约了掘进机的应用范围和掘进机前行施工的有效性。撑靴的对洞周的撑紧和释放也对周边岩体造成扰动，影响到周边敏感岩体的稳定性。
发明内容
[0013] 为了解决现状岩石隧道掘进机大直径掘进机换步影响掘进、边刀磨损快、撑靴推力加大对开挖洞壁稳定性要求高、开挖效率影响问题，本发明提出了一种多级扩挖全断面自行进隧道连续掘进装置和方法。
[0014] 一种多级扩挖全断面自行进隧道连续掘进装置，其包括有工作面前方布置的多个岩石钻丝旋扩器、掘进机筒壳16和位于所述岩石钻丝旋扩器搭接间隙后的二级切削刀盘17；
[0015] 所述的岩石钻丝旋扩器包括有超前钻孔钻杆5，安装在超前钻孔钻杆5前端的超前钻孔钻头2、套装在超前钻孔钻杆5上的位于超前钻孔钻头2后的岩石攻丝钻头6，套装在超前钻孔钻杆5上的位于岩石攻丝钻头6后的螺旋管10、超前孔钻杆5的另一端安装在掘进机筒壳16的内部，在钻杆驱动扭矩20的作用下，钻成超前钻孔3。
[0016] 螺旋管10后部的无螺旋部位上套装有环形切削刀盘12，在螺旋管10的端部通过推力轴承14设置有用于提供推力的螺旋管端部推力盘15；岩石攻丝钻头6与螺旋管10之间设置有用于攻丝所残生的碎岩石排出的岩石攻丝钻头与螺旋管过渡段7，攻丝钻头与螺旋管过渡段7为管状，攻丝钻头与螺旋管过渡段7的直径小于等于攻丝后的孔径，超前钻孔钻杆5中设置有与钻孔冲洗液入口23相通并且连通至超前钻孔钻头2的超前钻孔钻杆中心孔4；在超前钻孔钻杆5和螺旋管10之间设置有与岩屑混合液出口22相连的超前钻杆外与螺旋管内环形空间，超前钻杆外与螺旋管内环形空间连接至岩屑混合液出口22；岩石攻丝钻头与螺旋管过渡段7上设置有连通所述超前钻杆外与螺旋管内环形空间与螺旋管10外空间的螺旋管出渣孔8。在螺旋管10套装有一级切削刀盘11。
[0017] 所述环形切削刀盘12安装在掘进机筒壳16上。
[0018] 所述的二级切削刀盘17在掘进方向上位于一级切削刀盘11与环形切削刀盘12之间。
[0019] 所述的环形切削刀盘12为整体式。
[0020] 所述的岩石钻丝旋扩器的数目为M，M≥1。
[0021] 所述的二级切削刀盘17的数目为N,N≥1。
[0022] 在所述的一级切削刀盘11与环形切削刀盘12之间设置有用于存放岩渣的岩渣仓21。
[0023] 所述的岩石钻丝旋扩器中的螺旋管10和一级切削刀盘11均通过推力轴承14与位于掘进机筒壳16内的掘进机内固定架13固定相连。
[0024] 所述的一级切削刀盘11、螺旋管10、超前钻孔钻头2分别由一级切削刀盘扭矩驱动源18，螺旋管扭矩驱动源19，超前钻孔动力源20驱动。
[0025] 所述隧道连续掘进装置的掘进方法：在欲掘进的岩石隧道前方的岩土体1中，利用超前孔钻头2，在超前钻杆动力源20的作用下，先行钻进形成一个已钻成超前钻孔3，超前孔钻头2在钻进过程中切削岩土体1形成的岩石碎屑，通过超前孔钻杆中心孔4被从钻孔冲洗液入口23进入的液体冲洗并携带到超前孔中心钻杆5外侧与螺旋管10内的环形空间内。
[0026] 后续跟进的岩石攻丝钻头6在已钻成超前钻孔3上切削孔边岩石，形成已攻丝完成的岩石螺旋孔隙9。攻丝切削下来的岩石碎屑进入到岩石攻丝钻头与螺旋管过渡段7内，并通过螺旋管出渣孔8进入超前孔中心钻杆5外侧与螺旋管10内的环形空间内，与已进入此空间的超前孔岩石碎屑混合液混合，二者的混合液体通过超前钻杆5外侧与螺旋管10内环形空间从岩屑混合液出口22排出。
[0027] 在螺旋管扭矩驱动源19的作用下，螺旋管10沿着已攻丝岩石螺旋空隙9向掘进机前方岩土体1内前行，螺旋管端部推力盘15推挤推力轴承14，使连接到掘进机筒壳16上的掘进机内固定架13受到向前推挤，并给一级切削刀盘11施加推力。在掘进机固定架13受到向前推挤的同时，拉动掘进机筒壳16前行，并使得二级切削刀盘17和环形切削刀盘12也同时得到对所负担切削岩土体1的推力。在一级切削刀盘扭矩驱动源18的作用下，布置在掘进机筒壳16前端的多个一级切削刀盘11在各自的动力驱动下，切削岩土体1，形成M个超前圆形小隧道，M≥1。
[0028] 在超前小隧道交界中心，布置N个刀盘直径能全部切削交界部位岩土体的二级切削刀盘17，N≥1，刀盘推力也由螺旋管10向岩土体内旋入提供，扭矩由自带扭矩驱动源提供。二级切削刀盘17切削超前小隧道间的岩土体，切削下的岩渣落入岩渣仓21内，通过岩渣出口25排出到掘进机体内再通过其它运输设施运出。
[0029] 采用环形切削刀盘12对超前小隧道与设计开挖隧道轮廓间的岩土体作往复摆动式旋转切削，切削下的岩渣落入岩渣仓21内，再通过岩渣出口25排出，运到掘进机体外。环形切削刀盘12的推力也由螺旋管10向岩土体内旋入提供，扭矩由自带扭矩驱动源提供。
[0030] 在一级岩土体切削刀盘11、二级切削刀盘17和环形切削刀盘12的联合切削作用下，完成整个隧道断面的连续不间断开挖，形成已开挖的设计隧道24。
[0031] 本发明的工作原理如下：
[0032] 一个岩石隧道的圆形工作面掘进首先划分可用多个内接小圆形刀盘进行超前第一级切削掘进。这些小圆形刀盘可利用超前同轴线的岩石内钻孔、攻丝、再螺旋旋入的钻丝旋扩器装置，借助于螺旋传动的原理，牵拉超前圆形刀盘对工作面施加推力，并在刀盘驱动扭矩动力源的作用下切削岩体，自行前进，在工作面轮廓范围内形成多个圆形超前小隧道。
[0033] 在已形成多个超前小隧道后方，采用再一级或二级扩切的方式形成开挖岩石隧道的掘进轮廓。再一级扩切的方式：采用在超前小隧道公共交界中心处设置旋转刀盘，旋转切削第一级切削遗留下的小隧道间岩体。同时设置满足开挖隧道设计轮廓要求的环形摆动式切削刀盘，切削小隧道与开挖隧道轮廓间的岩体，满足开挖隧道的设计开挖轮廓。二级扩切的方式，只是设置在超前小隧道公共交界中心处的旋转刀盘超前于环形摆动式切削刀盘。所述的一级扩切或二级扩切均是指沿隧道轴线上的前后顺序，不代表时间的先后。一级扩切或二级扩切刀盘对切削岩体施加的推力均来自于超前螺旋旋入装置所提供的拉力。一级扩切或二级扩切与超前第一级切削可以同时进行，也可分别进行。
[0034] 本发明可以获得如下有益效果：
[0035] 在完成整个开挖隧道设计轮廓的同时，多个螺旋旋入装置提供的拉力还可以牵拉掘进筒壳前进，实现掘进机体连续不间断施工，完成设计隧道的开挖。
[0036] 此种岩石隧道的掘进装置及掘进方法，为地下隧道施工技术提供了一种新型的可在岩石中具有连续自行进前行的掘进装置和方法，为高效、连续、地开挖大断面岩石隧道提供了技术支持。附图说明：
[0037] 图1：为本发明的结构剖视图；
[0038] 图2：为本发明的截面剖视图。
[0039] 图中：1-岩土体；2-超前孔钻头；3-已钻成超前钻孔；4-超前孔钻杆中心孔；5-超前孔钻杆；6-岩石攻丝钻头；7-攻丝钻头与螺旋管过渡段；8-螺旋管出渣孔；9-已攻丝岩石螺旋空隙；10-螺旋管；11-一级切削刀盘；12-环形切削刀盘；13-掘进机内固定架；
14-推力轴承；15-螺旋管端部推力盘；16-掘进机筒壳；17-二级切削刀盘；18-一级切削刀盘扭矩驱动源；19-螺旋管扭矩驱动源；20-超前钻孔动力源；21-岩渣仓；22-岩屑混合液出口；23-钻孔冲洗液入口；24-已开挖的设计隧道；25-岩渣出口。
具体实施方式：
[0040] 下面结合附图和具体实施方式对于本发明做进一步的说明：
[0041] 在欲掘进的岩石隧道前方的岩土体1中，利用超前孔钻头2，在超前钻杆动力源20的作用下，先行钻进形成一个已钻成超前钻孔3，超前孔钻头2在钻进过程中切削岩土体1形成的岩石碎屑，通过超前孔钻杆中心孔4被从钻孔冲洗液入口23进入的液体冲洗并携带到超前孔中心钻杆5外侧与螺旋管10内的环形空间内。
[0042] 后续跟进的岩石攻丝钻头6在已钻成超前钻孔3上切削孔边岩石，形成已攻丝完成的岩石螺旋孔隙9。攻丝切削下来的岩石碎屑进入到岩石攻丝钻头与螺旋管过渡段7内，并通过螺旋管出渣孔8进入超前孔中心钻杆5外侧与螺旋管10内的环形空间内，与已进入此空间的超前孔岩石碎屑混合液混合，二者的混合液体通过超前钻杆5外侧与螺旋管10内环形空间从岩屑混合液出口22排出。
[0043] 在螺旋管扭矩驱动源19的作用下，螺旋管10沿着已攻丝岩石螺旋空隙9向掘进机前方岩土体1内前行，螺旋管端部推力盘15推挤推力轴承14，使连接到掘进机筒壳16上的掘进机内固定架13受到向前推挤，并给一级切削刀盘11施加推力。在掘进机固定架13受到向前推挤的同时，拉动掘进机筒壳16前行，并使得二级切削刀盘17和环形切削刀盘12也同时得到对所负担切削岩土体1的推力。在一级切削刀盘扭矩驱动源18的作用下，布置在掘进机筒壳16前端的多个一级切削刀盘11在各自的动力驱动下，切削岩土体1，形成M(M≥1)个超前圆形小隧道。
[0044] 在超前小隧道交界中心，布置N(N≥1)个刀盘直径能全部切削交界部位岩土体的二级切削刀盘17，刀盘推力也由螺旋管10向岩土体内旋入提供，扭矩由自带扭矩驱动源提供。二级切削刀盘17切削超前小隧道间的岩土体，切削下的岩渣落入岩渣仓21内，通过岩渣出口25排出到掘进机体内再通过其它运输设施运出。
[0045] 采用环形切削刀盘12对超前小隧道与设计开挖隧道轮廓间的岩土体作往复摆动式旋转切削，切削下的岩渣落入岩渣仓21内，再通过岩渣出口25排出，运到掘进机体外。环形切削刀盘12的推力也由螺旋管10向岩土体内旋入提供，扭矩由自带扭矩驱动源提供。
[0046] 在一级岩土体切削刀盘11、二级切削刀盘17和环形切削刀盘12的联合切削作用下，完成整个隧道断面的连续不间断开挖，形成已开挖的设计隧道24。
