一种隧道掘进机及隧道反向扩径方法

摘要

本发明提供了一种隧道掘进机及隧道反向扩径方法，涉及掘进设备，包括：具有刀盘体的扩径刀盘，所述刀盘体前端面设置有正面滚压刀具，后端面设置有背面滚压刀具，侧面设置有侧面切削刀具，隧道掘进机正向掘进时，所述正面滚压刀具和所述侧面切削刀具破碎岩土，隧道掘进机反向掘进时，所述背面滚压刀具和所述侧面切削刀具破碎岩土并扩大开挖直径，通过在刀盘体的后端面设置背面滚压刀具，可以实现反向扩孔，在反向扩孔中掌子面转移到扩径刀盘的背面，形成背向掌子面，保证在待掘削土体和盾体之间形成封闭空间，可以维持背向掌子面的稳定，也可以形成封闭和保压、实现压力平衡，更好地控制掘进过程。

权利要求

1.一种隧道掘进机，其特征在于，包括：

扩径刀盘（1），包括刀盘体（101），所述刀盘体（101）前端面设置有正面滚压刀具（103），后端面设置有背面滚压刀具（107），侧面设置有侧面切削刀具（102），隧道掘进机正向掘进时，所述正面滚压刀具（103）和所述侧面切削刀具（102）破碎岩土，隧道掘进机反向掘进时，所述背面滚压刀具（107）和所述侧面切削刀具（102）破碎岩土并扩大开挖直径；

所述扩径刀盘（1）还包括连接环（110），所述连接环（110）设置在所述刀盘体（101）的后端面，所述连接环（110）连接有支腿（111），所述支腿（111）的另一端设置有刀盘连接法兰（112）；

隧道掘进机还包括盾体（2）、连接法兰（3）、驱动装置（4）、推拉油缸组（5）、支撑装置（6），所述驱动装置（4）上设置有连接法兰（3），所述连接法兰（3）与刀盘连接法兰（112）连接以使得驱动装置（4）驱动扩径刀盘（1）转动，所述盾体（2）通过所述连接环（110）与所述扩径刀盘（1）连接，所述盾体（2）通过推拉油缸组（5）与所述支撑装置（6）相连。

2.根据权利要求1所述的隧道掘进机，其特征在于：所述刀盘体（101）的后端面形成有若干同心虚拟的等距圆曲线，若干所述等距圆曲线与刀盘体（101）的角度等分线的交点处均匀设置所述背面滚压刀具（107）。

3.根据权利要求1所述的隧道掘进机，其特征在于：所述刀盘体（101）的后端面形成有若干同心虚拟的等距圆曲线，若干所述等距圆曲线与刀盘体（101）的角度等分线的交点处以正向螺旋顺序设置所述背面滚压刀具（107），达到最大布刀直径，再以反向螺旋顺序布置所述背面滚压刀具（107）。

4.根据权利要求1所述的隧道掘进机，其特征在于：所述刀盘体（101）的后端面形成有阿基米德螺旋曲线，阿基米德螺旋曲线与刀盘体（101）的角度等分线的交点处以正向螺旋顺序设置所述背面滚压刀具（107），达到最大布刀直径后，再以反向螺旋顺序布置所述背面滚压刀具（107）。

5.根据权利要求1‑4任一项所述的隧道掘进机，其特征在于：所述正面滚压刀具（103）和背面滚压刀具（107）的刀具中心轴线相对于扩径刀盘（1）中心线的角度随正面滚压刀具（103）和背面滚压刀具（107）到扩径刀盘（1）中心线的距离增大而增大。

6.根据权利要求1所述的隧道掘进机，其特征在于：所述刀盘体（101）的后端面还设置有背面切削刀具（108），所述背面切削刀具（108）环设置在所述盾体（2）处。

7.根据权利要求6所述的隧道掘进机，其特征在于：所述支撑装置（6）包括撑靴（601）、撑紧油缸（602）和支架（603），所述撑靴（601）设置在所述撑紧油缸（602）的活动端，所述撑紧油缸（602）设置在所述支架（603）上，若干所述撑紧油缸（602）在支架（603）的中心呈放射状布置。

8.根据权利要求7所述的隧道掘进机，其特征在于：所述推拉油缸组（5）包括拖拉油缸（501）和推进油缸（502），若干拖拉油缸（501）和若干推进油缸（502）分别呈环状设置，所述拖拉油缸（501）和推进油缸（502）分别与所述盾体（2）和支架（603）相连。

9.一种隧道反向扩径方法，包括权利要求8所述的隧道掘进机，其特征在于，包括如下步骤：

S1：采用初始的刀盘进行正向掘进至隧道任意点；

S2.在隧道掘进停止处将初始的刀盘更换为的扩径刀盘，所述扩径刀盘的直径大于初始的刀盘，反向驱动扩径刀盘进行扩孔；

S3.扩孔次数大于等于一次。

10.根据权利要求9所述的隧道反向扩径方法，其特征在于：所述初始的刀盘为现有刀盘或扩径刀盘。

说明书

一种隧道掘进机及隧道反向扩径方法

技术领域

[0001] 本发明涉及掘进设备，特别涉及一种隧道掘进机及隧道反向扩径方法。

背景技术

[0002] 当前隧道施工基本都是一次全断面挖掘成型，不会进行二次扩径。特大隧道施工一般定制特大掘进机，依靠驱动系统提供足够大的扭矩和压力，来驱动特大刀盘上的刀具破碎岩石、土块。但是这对掘进机整机性能，特别是对驱动系统的动力和可靠性要求极高，只能随着设计理论和制造技术的进步，发展特大扭矩、功率的驱动系统等部件，以满足此要求。

[0003] 现有技术提出对旧隧道扩径改造等类似两次掘削的方法形成特大隧道。但是提出的方法均是采用仅能正向掘削的掘进机，需要移除原有衬砌甚至挖除部分围岩，给扩径的掘进机留出始发空间，但是这种方法更不利的是，前端掌子面也是空心的，难以维持稳定，更难以封闭掌子面实现压力平衡，挖掘过程将危险、不可控，因此并不实用。

发明内容

[0004] 本发明提供了一种隧道掘进机及隧道反向扩径方法，其目的是为了提供一种可反向掘进设备，保证掌子面的稳定，实现安全稳定的隧道扩径。

[0005] 为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种隧道掘进机，包括：

[0006] 扩径刀盘，包括刀盘体，所述刀盘体前端面设置有正面滚压刀具，后端面设置有背面滚压刀具，侧面设置有侧面切削刀具，隧道掘进机正向掘进时，所述正面滚压刀具和所述侧面切削刀具破碎岩土，隧道掘进机反向掘进时，所述背面滚压刀具和所述侧面切削刀具破碎岩土并扩大开挖直径。

[0007] 优选的，所述刀盘体的后端面形成有若干同心虚拟的等距圆曲线，若干所述等距圆曲线与刀盘体的角度等分线的交点处均匀设置所述背面滚压刀具。

[0008] 优选的，所述刀盘体的后端面形成有若干同心虚拟的等距圆曲线，若干所述等距圆曲线与刀盘体的角度等分线的交点处以正向螺旋顺序设置所述背面滚压刀具，达到最大布刀直径，再以反向螺旋顺序布置所述背面滚压刀具。

[0009] 优选的，所述刀盘体的后端面形成有阿基米德螺旋曲线，阿基米德螺旋曲线与刀盘体的角度等分线的交点处以正向螺旋顺序设置所述背面滚压刀具，达到最大布刀直径后，再以反向螺旋顺序布置所述背面滚压刀具。

[0010] 优选的，所述正面滚压刀具和背面滚压刀具的刀具中心轴线相对于扩径刀盘中心线的角度随正面滚压刀具和背面滚压刀具到扩径刀盘中心线的距离增大而增大。

[0011] 优选的，所述扩径刀盘还包括连接环，所述连接环设置在所述刀盘体的后端面，所述连接环连接有支腿，所述支腿的另一端设置有刀盘连接法兰；

[0012] 隧道掘进机还包括盾体、连接法兰、驱动装置、推拉油缸组、支撑装置，所述驱动装置上设置有连接法兰，所述连接法兰与刀盘连接法兰连接以使得驱动装置驱动扩径刀盘转动，所述盾体通过所述连接环与所述扩径刀盘连接，所述盾体通过推拉油缸组与所述支撑装置相连。

[0013] 优选的，所述刀盘体的后端面还设置有背面切削刀具，所述背面切削刀具环设置在所述盾体处。

[0014] 优选的，所述支撑装置包括撑靴、撑紧油缸和支架，所述撑靴设置在所述撑紧油缸的活动端，所述撑紧油缸设置在所述支架上，若干所述撑紧油缸在支架的中心呈放射状布置。

[0015] 优选的，所述推拉油缸组包括拖拉油缸和推进油缸，若干拖拉油缸和若干推进油缸分别呈环状设置，所述拖拉油缸和推进油缸分别与所述盾体和支架相连。

[0016] 本申请还提供了一种隧道反向扩径方法，采用前述的隧道掘进机，包括如下步骤：

[0017] S1：采用初始的刀盘进行正向掘进至隧道任意点；

[0018] S2.在隧道掘进停止处将初始的刀盘更换为的扩径刀盘，所述扩径刀盘的直径大于初始的刀盘，反向驱动扩径刀盘进行扩孔；

[0019] S3.扩孔次数大于等于一次。

[0020] 优选的，所述初始的刀盘为现有刀盘或扩径刀盘。

[0021] 本发明的上述方案有如下的有益效果：

[0022] 在本申请中，通过在刀盘体的后端面设置背面滚压刀具，可以实现反向扩孔，在反向扩孔中掌子面转移到扩径刀盘的背面，形成背向掌子面，保证在待掘削土体和盾体之间形成封闭空间，可以维持背向掌子面的稳定，也可以形成封闭和保压、实现压力平衡，更好地控制掘进过程，相对于现有正向多次扩径的设备来说，能够维持掘进过程中隧道的稳定性，避免坍塌。

附图说明

[0023] 图1是本发明的结构示意图；

[0024] 图2a是扩径刀盘结构示意图；

[0025] 图2b是正面滚压刀具和背面滚压刀具偏转示意图；

[0026] 图3a是第一种背面滚压刀具布置示意图；

[0027] 图3b是第一种背面滚压刀具布置点位图；

[0028] 图4a是第二种背面滚压刀具布置示意图；

[0029] 图4b是第二种背面滚压刀具布置点位图；

[0030] 图5a是第三种背面滚压刀具布置示意图；

[0031] 图5b是第三种背面滚压刀具布置点位图；

[0032] 图6a是推拉油缸组侧视图；

[0033] 图6b是推拉油缸组的轴向视图；

[0034] 图7是支撑装置的安装示意图；

[0035] 图8a是正向掘进示意图；

[0036] 图8b是第一次反向扩径示意图；

[0037] 图8c是第二次反向扩径示意图。

[0038] 【附图标记说明】

[0039] 1‑扩径刀盘、2‑盾体、3‑连接法兰、4‑驱动装置、5‑推拉油缸组、6‑支撑装置、7‑渣土收集装置、8‑连接桥、9‑渣土输送装置、10‑后配套台车、11‑拖拉装置、12‑台车拖拉泵站、13‑既有隧道、14‑待掘削隧道、101‑刀盘体、102‑侧面切削刀具、103‑正面滚压刀具、104‑第一出渣口、105‑保压舱、106‑保压密封环、107‑背面滚压刀具、108‑背面切削刀具、109‑第二出渣口、110‑连接环111‑支腿、112‑刀盘连接法兰、501‑拖拉油缸、502‑推进油缸、601‑撑靴、602‑撑紧油缸、603‑支架。

具体实施方式

[0040] 为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

[0041] 如图1‑8c所示，本发明的实施例提供了一种隧道掘进机，包括用于破碎岩石的扩径刀盘1、盾体2、为扩径刀盘1转动提供动力的驱动装置4，用于带动扩径刀盘1前后移动的推拉油缸组5以支撑装置6。

[0042] 其中扩径刀盘1包括刀盘体101，刀盘体101分为前端面和后端面，前端面设置有正面滚压刀具103，后端面设置有背面滚压刀具107，在前端面和后端面之间的侧面设置有侧面切削刀具102。当隧道掘进机正向掘进时，正面滚压刀具103和侧面切削刀具102工作，破碎岩土，当隧道掘进机反向掘进时，背面滚压刀具107和侧面切削刀具102破碎岩土并扩大开挖直径。

[0043] 在本申请中，正面滚压刀具103保留了现有掘进机的正向开挖的作用，可以按照现有的掘进机进行操作，当需要扩径时，更换本申请的扩径刀盘1，利用背面滚压刀具107进行扩径。本申请提供的扩径刀盘1可以提供不同直径的扩径刀盘1，通过不同规格的扩径刀盘1更换实现正向掘进，反向扩径的目的。

[0044] 具体来说，扩径刀盘1还包括连接环110、支腿111和刀盘连接法兰112。其中，连接环110设置在刀盘体101的后端面，刀盘体101与连接环110同心设置，在连接环110上连接前述的支腿111，支腿111的另一端连接有刀盘连接法兰112，刀盘连接法兰112用于连接盾体2。

[0045] 刀盘体101的后端面布置背面滚压刀具107的方式有三种，分别为：

[0046] 第一，在刀盘体101后端面等距圆曲线上径向均匀布刀。参照图3a和图3b，在刀盘体101的后端面形成有若干的虚拟圆，若干虚拟圆与刀盘体101同心设置，若干虚拟圆之间的半径等距增大。刀盘体101设置有多个角度等分线，角度等分线与若干虚拟圆之间的交点处顺序设置前述的背面滚压刀具107。这种布刀的方式在满足破岩时对刀间距的要求同时，会导致在虚拟圆环向上的背面滚压刀具107数量富余，富余的背面滚压刀具107可以作为备用刀具使用，避免在掘进时背面滚压刀具107损坏无法及时更换刀具。

[0047] 第二，在刀盘体101后端面等距圆曲线上径向间隔布刀。参照图4a和图4b，在刀盘体101的后端面形成有若干的虚拟圆，若干虚拟圆与刀盘体101同心设置，若干虚拟圆之间的半径等距增大。刀盘体101设置有多个角度等分线，角度等分线与若干虚拟圆之间存在交点，最小虚拟圆与角度等分线的任一交点为起始，在各交点处以正向螺旋顺序布置背面滚压刀具107，直至达到最大虚拟圆；再以最大虚拟圆上的最后布刀点位反向螺旋布置刀具，直至达到最小的虚拟圆。如图4b所示的正向螺旋和反向螺旋示意图布置a、b…i把背面滚压刀具107。图4b只展示了一组正向螺旋和反向螺旋示意图，但并不代表只设置有一组正向螺旋和反向螺旋。

[0048] 在这种布刀方式下能够满足径向布刀数量要求，实现刀间距的要求、保证切削效果，并且可以减小环向上每个虚拟圆上的布刀数量。

[0049] 当然的，若此方式不能到覆盖全部分布角度时或者刀具数量未达到载荷分担要求时，可以更改若干虚拟圆之间半径的差值以增加布刀数量。

[0050] 第三，在刀盘体101的后端面在阿基米德螺旋曲线上径向间隔布刀。参照图5a和5b，在刀盘体101的后端面形成有虚拟的阿基米德螺旋曲线，阿基米德螺旋曲线以刀盘体
101的中心为起始点逆时针螺旋，刀盘体101上设置有多个角度等分线，角度等分线与阿基米德螺旋曲线存在交点，以靠近刀盘体101中心的交点为起始点，以正向螺旋顺序依次在各个交点上布置背面滚压刀具107，直至达到阿基米德螺旋曲线的最大曲线，在反向螺旋布置背面滚压刀具107直至达到阿基米德螺旋曲线的最小曲线。采用这种布刀方式，当扩径刀盘
1旋转时，每把背面滚压刀具107相对于刀盘体101的中心(也是旋转中心)径向距离各个不同且均匀变化，径向刀间距相对于圆曲线分布形式更小，能够进一步减少径向的布刀数量，具有良好的经济效益。

[0051] 如图5b所示的正向螺旋和反向螺旋示意图布置a、b…i把背面滚压刀具107。图5b只展示了一组正向螺旋和反向螺旋示意图，但并不代表只设置有一组正向螺旋和反向螺旋。

[0052] 当然的，在第三种布刀方式中，若无法覆盖全部分布角度或者刀具数量未达到载荷分担要求时，可以在阿基米德螺旋曲线的径向的两个交点之间增加布刀数量。

[0053] 进一步的，正面滚压刀具103的刀具中轴线相对扩径刀盘1中心线的角度随正面滚压刀具103到扩径刀盘1中心线的距离增大而增大。

[0054] 背面滚压刀具107的刀具中轴线相对于扩径刀盘1中心线的角度随背面滚压刀具107到扩径刀盘1中心线的距离增大而增大。通过调整正面滚压刀具103和背面滚压刀具107中心线相对扩径刀盘1中心的角度，可以减少掘进死角及增大切削破岩的侧向力。

[0055] 前述的侧面切削刀具102在刀盘体101的侧面呈环形或螺旋分布，优选的为螺旋分布，可以减小侧面切削刀具102的数量。在扩径刀盘1的侧面设置有螺旋状的排渣槽和螺旋分布的第一出渣口104，便于引导渣土，方便后续收集。

[0056] 在扩径刀盘1上还包括背面切削刀具108，背面切削刀具108设置在刀盘体101靠近连接环110处，当扩径刀盘1与盾体2连接时，背面切削刀具108位于盾体2外。背面切削刀具108呈环形排布，根据需求，可以设置多环排布。背面切削刀具108的作用是消除背面滚压刀具107的切削死角，破碎此处的岩石及堆积的渣土。优选的，在背面切削刀具108处设置第二出渣口109。

[0057] 前述的驱动装置4还设置有连接法兰3，连接法兰3与刀盘连接法兰112连接，使得驱动装置4可以驱动扩径刀盘1进行转动，盾体2通过前述的连接环110与扩径刀盘1连接。所述盾体2通过推拉油缸组5与支撑装置6连接。

[0058] 支撑装置6包括撑靴601、撑紧油缸602和支架603，支架603呈环状，撑紧油缸602设置在支架603上，并且在支架603的中心呈放射状布置，撑靴601设置在撑紧油缸602的活动端。支撑装置6通过撑紧油缸602的伸缩作用带动撑靴601的移动，当掘进机需要推拉扩径刀盘1时，撑靴601伸出盾体2外，并撑紧在既有隧道13上，提供摩擦力；当盾体2需要移动时，撑靴601缩回盾体2内，不干扰盾体2的移动。

[0059] 推拉油缸组5包括拖拉油缸501和推进油缸502，通过拖拉油缸501和推进油缸502实现扩径刀盘2和支撑装置6交替前进或后退。具体的，若干拖拉油缸501呈环状布置，若干推进油缸502呈环形设置，拖拉油缸501和推进油缸502分别与盾体2和支撑装置6的支架603连接。

[0060] 本申请适用于硬岩地层隧道的挖掘。通过利用本申请的扩径刀盘1及含有该扩径刀盘1的掘进机可以进行正向掘进和反向扩孔，在反向扩孔时，依靠扩径刀盘1的反向设置，将前掌子面转移到扩径刀盘1的背面形成背向掌子面，保证待掘削土体与盾体2之间形成封闭空间，维持背向掌子面的稳定，同时实现封闭和保压、实现压力平衡，更好控制掘进过程。

[0061] 本申请保留了扩径刀盘1原有的正向掘削功能，可以适用于现有的掘进机，还新增了反向扩径的功能，通过更换不同直径的扩径刀盘1实现反向扩径，既能通过一次正向掘进和二次反向扩径用于建设全新的特大隧道，也可以用于旧隧道的扩径改造。

[0062] 本申请还可以包括渣土收集装置7、连接桥8、渣土输送装置9和后配套台车10。渣土收集装置7用于收集第一出渣口104和第二出渣口109排出的渣土，渣土收集装置7与渣土输送装置9通过连接桥8进行连接，并通过连接桥8将收集的渣土运输至渣土输送装置9上。渣土输送装置9将渣土最终运至后配套台车10。本申请渣土运输装置可以是运输车或者传送皮带等现有技术。后配套台车10可配备拖拉装置11和台车拖拉泵站12以减小推拉油缸组
5的负担。

[0063] 当本申请也可以用于软土地层的非敞开式环境。当应用于该环境下，在扩径刀盘1上还设置有保压系统、保压舱105和保压密封环106，保压密封环106和保压舱105设置在扩径刀盘1的侧面，保压密封环106靠近掘进机的掘进方向。保压系统用于控制保压舱105的压力平衡。当掘进机正向工作时，正向掌子面与保压舱105之间形成密封，通过保压系统控制压力平衡；当掘进机反向扩径时，背向掌子面、盾体2和保压舱105之间形成密封，通过保压至系统控制压力平衡。

[0064] 如图8a‑8c，本申请还提供了一种隧道反向扩径方法，采用前述的隧道掘进机，包括如下步骤：

[0065] S1：采用初始的刀盘进行正向掘进至隧道任意点；

[0066] S2.在隧道掘进停止处将初始的刀盘更换为的扩径刀盘1，所述扩径刀盘1的直径大于初始的刀盘，反向驱动扩径刀盘1进行扩孔；

[0067] S3.扩孔次数大于等于一次。

[0068] 优选的，所述初始的刀盘为现有刀盘或扩径刀盘1。

[0069] 需要强调的是，为实现扩径刀盘1与现有原始刀盘的更换，不同直径扩径刀盘的刀盘连接法兰112结构、尺寸、接口相同，方便扩径刀盘1替换原始刀盘。

[0070] 以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。