集成支护系统及装有该集成支护系统的隧道掘进的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于隧道掘进机(TBM)的集成支护系统，其包括：管片/仰拱块拼装系统；超前钻探/加固系统；锚杆钻机系统以及以上三个系统共有的回转系统以及平移支撑系统。本发明还公开了一种具有集成支护系统的隧道掘进机(TBM)。本发明的隧道掘进机(TBM)用集成支护系统，集管片/仰拱块拼装、超前钻探/加固、锚杆加固等功能于一体，可实现锚固支护及管片衬砌两种隧道支护模式，且通过结构优化及合理布置，管片/仰拱块拼装系统、超前钻探/加固系统及锚杆钻机系统共用一套回转、平移系统，减少了回转支撑以及液压电气控制系统的布置，从而缩短了隧道掘进机(TBM)长度，降低了设备制造维护成本，更能适应隧道施工尤其是城市地铁隧道施工掘进机始发、拆卸空间小的工程实际，更能适用于不同地质条件下的隧道衬砌、支护要求。
【专利说明】集成支护系统及装有该集成支护系统的隧道掘进机
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种集成支护系统，尤其是隧道掘进机(TBM)用集成支护系统及具有该系统的隧道掘进机(TBM)。
【背景技术】
[0002]全断面隧道掘进机(TBM)集机械、电气、液压、控制、测量技术于一体，可实现隧道开挖、出碴、支护的连续作业。相对于传统的钻爆法隧道施工模式，利用隧道掘进机(TBM)施工更加安全、可靠、高效、环保，现已广泛应用于水利水电、矿山开采、轨道交通、市政、国防等工程中。
[0003]使用掘进机施工，应充分考虑到地质的变化因素，确保掘进机既具有快速掘进的能力，又具有在软弱地质条件下安全通过的能力。在中风化、微风化等围岩条件较好时，可采用锚杆加固、并于底部敷设仰拱块的支护模式；在砂土及软弱地层时可采用全环管片衬砌的支护模式；遇到断裂破碎带时，则需考虑超前加固。
[0004]隧道掘进机(TBM)支护系统包括超前钻探/加固系统、管片/仰拱块拼装系统及锚杆钻机系统等。超前钻探/加固系统用来钻探取芯、超前预报及超前加固；管片/仰拱块拼装系统是隧道掘进机(TBM) —个重要组成部分，主要用来将预制好的钢筋混凝土管片拼装成隧道衬砌，以支护隧道表面、防止地下水土的渗透和地表沉降；锚杆钻机系统用于围岩的钻孔并通过锚杆加固。
[0005]传统的隧道掘进机(TBM)支护系统，超前钻探/加固系统与锚杆钻机系统使用专用的回转系统，与管片/仰拱块拼装系统分开布置，结构复杂，所占空间大，制造维护成本高，不能适应隧道施工尤其是城市地铁隧道施工掘进机始发、拆卸空间小的工程实际及不同地质条件下的支护衬砌要求。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的不足，提供一种集成支护系统，集管片/仰拱块拼装、超前钻探/加固、锚杆加固等功能于一体，可实现仰拱块+锚杆支护及全环管片衬砌两种隧道支护模式，且共用一个回转、平移支撑系统，优化了机械结构，缩短了隧道掘进机(TBM)长度，减少了相关液压电气控制系统配置，降低了设备制造维护成本，更能适应隧道施工尤其是城市地铁隧道施工掘进机始发、拆卸空间小的工程实际，更能适用于不同地质条件下的隧道衬砌、支护要求。
[0007]为实现本发明的上述目的，本发明的技术方案是:一种集成支护系统，包括:管片/仰拱块拼装系统、超前钻探/加固系统、锚杆钻机系统、回转系统和平移支撑系统，其特征在于，所述的管片/仰拱块拼装系统、超前钻探/加固系统和锚杆钻机系统均安装在回转系统和平移支撑系统上，实现管片/仰拱块拼装系统、超前钻探/加固系统和锚杆钻机系统共用一套回转系统和平移支撑系统。
[0008]所述的管片/仰拱块拼装系统主要包括管片夹取装置和提升机构。
[0009]所述的回转系统主要包括:移动支架、旋转支架、液压马达及减速器、小齿轮、回转轴承外圈、轴承内圈及其液压电气控制系统；管片/仰拱块拼装系统的管片夹取装置安装在旋转支架的底部，提升机构通过螺栓与旋转支架连接。
[0010]所述的超前钻探/加固系统主要包括:一套易拆卸式超前钻机、超前钻机系统安装支座及其液压电气控制系统；超前钻探/加固系统通过安装支座采用螺栓可拆卸的连接在回转系统的旋转支架上，安装支座通过销连接，从而超前钻机的俯仰角可通过该支座进行调节，以便实现不同位置的钻孔、加固作业。
[0011]所述的锚杆钻机系统主要包括:两套易拆卸式锚杆钻机、两个锚杆钻机系统安装支座及其液压电气控制系统；锚杆钻机系统通过安装支座采用螺栓可拆卸的连接在提升机构上，而提升机构和旋转支架通过螺栓连接，从而锚杆钻机可拆卸地连接在旋转支架上。
[0012]所述的共有平移支撑系统主要包括:行走大梁、直线往复油缸及其液压电气控制系统；移动支架和旋转支架连接在行走大梁上；行走大梁起支撑作用，利用直线往复油缸运动，带动连接在其上的回转系统实现直线往复运动。
[0013]一种装有所述的集成支护系统的隧道掘进机，包括主机、支撑横梁和皮带机，支撑横梁连接在主机后部内，皮带机设在主机内的中部，其特征在于，所述的主皮带机穿过所述的集成支护系统，集成支护系统的平移支撑系统行走大梁的前端与支撑横梁相连接。
[0014]相对于现有技术，本发明的优点是:通过结构优化及合理布置，将管片/仰拱块拼装系统、超前钻探/加固系统、锚杆钻机系统连接在同一套旋转及平移支撑机构上，共用一套回转、平移系统，结构相对简单且紧凑，节约了不必要的机械、液压、电气配置，降低了制造维护成本，缩短了隧道掘进机(TBM)的长度，更能适应隧道施工尤其是城市地铁隧道施工掘进机始发、拆卸空间小的工程实际。
[0015]通过锚杆钻机的自身伸缩实现准确定位，且通过插入角微调(±5° )，可实现两个锚杆钻机同时在洞壁钻孔、加固，提高了工作效率。
[0016]集管片/仰拱块拼装、超前钻探/加固、锚杆加固等功能于一体，可实现仰拱块+锚杆支护及全环管片衬砌两种支护模式，更能适用于不同地质条件下的隧道衬砌、支护要求。
[0017]下面结合附图对本发明进行详细说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是本发明隧道掘进机(TBM)用集成支护系统的整体结构示意图；
图2是图1的右视图；
图3本发明隧道掘进机(TBM)用集成支护系统共有的回转系统的结构示意图；
图4是图3的右视图；
图5是本发明隧道掘进机(TBM)用集成支护系统的共有平移支撑系统的结构示意图； 图6是本发明隧道掘进机(TBM)用集成支护系统与隧道掘进机(TBM)组装结构示意图。
[0019]附图标记:1_管片/仰拱块拼装系统；2-平移支撑系统；3-回转系统；4-管片夹取装置；5_超前钻探/加固系统；6_锚杆钻机系统；7_提升机构(油缸)；8-销；9-超前钻机系统安装支座；10_锚杆钻机系统安装支座；11_平移支撑系统行走大梁；12-锚杆钻机；13-超前钻机；14-液压马达及减速器；15-移动支架；16-小齿轮；17_回转轴承外圈；18-轴承内圈；19-旋转支架；20_直线往复油缸；21-TBM主机；22_TBM支撑横梁；23_集成支护系统；24_皮带机；25_刀盘。
【具体实施方式】
[0020]如图1所示，本发明的隧道掘进机(TBM)用集成支护系统包括:管片/仰拱块拼装系统I，超前钻探/加固系统5，锚杆钻机系统6，共有回转系统3，共有平移支撑系统2。
[0021]其中，管片/仰拱块拼装系统I主要包括:管片夹取装置4，提升机构7等。
[0022]超前钻探/加固系统5主要包括:一套易拆卸式超前钻机13、超前钻机系统安装支座9及其液压电气控制系统。
[0023]锚杆钻机系统6主要包括:两套易拆卸式锚杆钻机12、锚杆钻机系统安装支座10及其液压电气控制系统。
[0024]回转系统3主要包括:移动支架15、旋转支架19、2个液压马达及减速器14、小齿轮16、回转轴承外圈17、轴承内圈18及其液压电气控制系统。
[0025]平移支撑系统2主要包括:行走大梁11、直线往复油缸20及其液压电气控制系统。利用直线往复油缸20带动行走大梁11及回转系统3等实现直线往复运动。
[0026]具体的，管片/仰拱块拼装系统I的管片夹取装置4安装在旋转支架19的底部，提升机构7通过螺栓与旋转支架19连接。
[0027]超前钻探/加固系统5通过安装支座9采用螺栓可拆卸的连接在回转系统3的旋转支架19上。安装支座9通过销8连接，从而超前钻机13的俯仰角可通过该支座进行调节，以便实现不同位置的钻孔、加固作业。
[0028]锚杆钻机系统6通过安装支座10采用螺栓可拆卸的连接在提升机构7上，而提升机构7和旋转支架19通过螺栓连接，从而锚杆钻机12可拆卸地连接在旋转支架19上。
[0029]这样，管片/仰拱块拼装系统1、超前钻探/加固系统5、锚杆钻机系统6直接或间接地连接在旋转支架19上，共用一套回转系统3。2个液压马达及减速器14带动2个小齿轮16旋转，2个小齿轮16与回转轴承内圈18啮合带动轴承内圈18转动，轴承内圈18通过螺栓与旋转支架19连接，从而带动旋转支架19实现旋转。轴承外圈17与移动支架15连接并固定。旋转支架19旋转带动整个回转系统进行旋转、定位。回转系统3可正反转，具有覆盖全环管片的旋转范围。
[0030]移动支架15和旋转支架19连接在行走大梁11上，因此连接在旋转支架19上的管片/仰拱块拼装系统1、超前钻探/加固系统5、锚杆钻机系统6共用一套平移支撑系统。行走大梁11起支撑作用，利用直线往复油缸20运动，带动连接在其上的回转系统3实现直线往复运动。
[0031]通过共用的平移支撑系统2平移及共用的回转系统3旋转，可实现管片/仰拱块拼装系统1、超前钻探/加固系统5、锚杆钻机系统6沿隧道轴线方向及隧道径向的定位，从而便于在合适的范围内进行支护、衬砌作业。管片/仰拱块拼装系统I通过管片夹取装置4及提升装置7实现管片/仰拱块的准确定位；超前钻探/加固系统5通过安装支座9及超前钻机13自身的前后及俯仰运动实现准确定位；锚杆钻机系统6通过锚杆钻机12的伸缩实现准确定位，且通过插入角微调(±5° )，可实现两个锚杆钻机12同时在洞壁钻孔、力口固，提高了工作效率。
[0032]本发明还提供一种隧道掘进机(TBM)，其包括上述的集成支护系统。主皮带机24需要穿过集成支护系统，集成支护系统通过与支撑横梁22相连接，从而实现与TBM主机21的连接。
[0033]本发明各单元的工作原理:
管片/仰拱块拼装系统I功能实现:首先通过回转系统3(具有可覆盖全环衬砌的旋转范围)及平移支撑系统2将管片夹取装置4中的螺栓卡座套在管片的连接螺栓上，然后通过管片夹取装置4的横摇、偏转、俯仰对管片进行微调，使管片上的螺栓孔相互对齐，再将螺栓按一定的预紧扭矩紧固好，完成一块管片的拼装。然后重复上述过程，直到安装完一环，从而实现管片拼装功能。同样地，该系统也可实现仰拱块的敷设。
[0034]超前钻探/加固系统5功能实现:通过平移支撑系统2和回转系统3(具有可覆盖全环衬砌的旋转范围)及实现沿隧道轴线方向及沿隧道圆周方向的定位，并通过超前钻机13自身的前后及俯仰运动实现准确定位，穿过主机盾体和刀盘上具有足够大直径的导管来实现钻取岩芯和钻孔进行地层加固的功能。
[0035]锚杆钻机系统6功能实现:通过平移系统2和回转系统3实现沿隧道轴线方向及沿隧道圆周方向的定位，并可通过锚杆钻机12的伸缩实现准确定位，且通过插入角微调(±5° )，可实现两个锚杆钻机12同时在洞壁钻孔、加固，提高了工作效率。
[0036]在中风化、微风化等围岩条件较好时，可采用锚杆加固、并于底部敷设仰拱块的支护模式。具体的通过管片/仰拱块拼装系统I实现仰拱块的铺设，首先通过管片夹取装置4实现仰拱块的准确定位，从而按规定位置实现仰拱块的铺设。在仰拱块铺设完毕后，通过平移系统3及回转系统2实现锚杆钻机系统6沿隧道轴线及沿隧道圆周方向的定位，利用锚杆钻机13实现准确定位，可进行后续的在洞壁钻孔、加固作业，从而完成锚杆加固、并于底部敷设仰拱块的支护模式。
[0037]在砂土及软弱地层时可采用全环管片衬砌的支护模式，此时锚杆钻机系统6可拆除。具体的通过回转系统3 (具有可覆盖全环衬砌的旋转范围)及平移支撑系统2将管片夹取装置4中的螺栓卡座套在管片的连接螺栓上，然后通过管片夹取装置4的横摇、偏转、俯仰对管片进行微调，使管片上的螺栓孔相互对齐，再将螺栓按一定的预紧扭矩紧固好，完成一块管片的拼装。然后重复上述过程，直到安装完一环，从而实现管片拼装功能。
[0038]遇到断裂破碎带时，需考虑超前加固。此时通过平移支撑系统2和回转系统3(具有可覆盖全环衬砌的旋转范围)及实现沿隧道轴线方向及沿隧道圆周方向的定位，并通过超前钻机13自身的前后及俯仰运动实现准确定位，穿过主机盾体和刀盘上具有足够大直径的导管来实现钻取岩芯和钻孔进行地层加固的功能。
[0039]本发明的隧道掘进机(TBM)具有上述的隧道掘进机(TBM)用集成支护系统。
[0040]尽管上文对本发明作了详细说明，但本发明不限于此，本【技术领域】的技术人员可以根据本发明的原理进行修改，因此，凡按照本发明的原理进行的各种修改都应当理解为落入本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种集成支护系统，包括:管片/仰拱块拼装系统(I)、超前钻探/加固系统(5)、锚杆钻机系统(6)、回转系统(3)和平移支撑系统(2)，其特征在于，所述的管片/仰拱块拼装系统1、超前钻探/加固系统5和锚杆钻机系统6均安装在回转系统3和平移支撑系统2上，实现管片/仰拱块拼装系统1、超前钻探/加固系统5和锚杆钻机系统6共用一套回转系统3和平移支撑系统2。
2.根据权利要求1所述的集成支护系统，其特征在于，所述的管片/仰拱块拼装系统I主要包括管片夹取装置4和提升机构7。
3.根据权利要求2所述的集成支护系统，其特征在于，所述的回转系统3主要包括:移动支架15、旋转支架19、液压马达及减速器14、小齿轮16、回转轴承外圈17、轴承内圈18及其液压电气控制系统；管片/仰拱块拼装系统I的管片夹取装置4安装在旋转支架19的底部，提升机构7通过螺栓与旋转支架19连接。
4.根据权利要求3所述的集成支护系统，其特征在于，所述的超前钻探/加固系统5主要包括:一套易拆卸式超前钻机13、超前钻机系统安装支座9及其液压电气控制系统；超前钻探/加固系统5通过安装支座9采用螺栓可拆卸的连接在回转系统3的旋转支架19上，安装支座9通过销8连接，从而超前钻机13的俯仰角可通过该支座进行调节，以便实现不同位置的钻孔、加固作业。
5.根据权利要求3所述的集成支护系统，其特征在于，所述的锚杆钻机系统6主要包括:两套易拆卸式锚杆钻机12、两个锚杆钻机系统安装支座10及其液压电气控制系统；锚杆钻机系统6通过安装支座10采用螺栓可拆卸的连接在提升机构7上，而提升机构7和旋转支架19通过螺栓连接，从而锚杆钻机12可拆卸地连接在旋转支架19上。
6.根据权利要求3所述的集成支护系统，其特征在于，所述的共有平移支撑系统2主要包括:行走大梁11、直线往复油缸20及其液压电气控制系统；移动支架15和旋转支架19连接在行走大梁11上；行走大梁11起支撑作用，利用直线往复油缸20运动，带动连接在其上的回转系统3实现直线往复运动。
7.一种装有权利要求1-6中任一项所述的集成支护系统的隧道掘进机，包括主机21、支撑横梁22和皮带机24，支撑横梁22连接在主机21后部内，皮带机24设在主机21内的中部，其特征在于，所述的主皮带机24穿过所述的集成支护系统23，集成支护系统23的平移支撑系统行走大梁11的前端与支撑横梁22相连接。
【文档编号】E21D20/00GK104196547SQ201410450469
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月5日 优先权日:2014年9月5日
【发明者】刘丽欢, 韩传强, 李合华, 王斌, 朱厚军, 初兴仁 申请人:中船重工（青岛）轨道交通装备有限公司