应用于管幕法的土方开挖装置及其开挖方法与流程

本发明涉及隧道施工技术领域，特指一种应用于管幕法的土方开挖装置及其开挖方法。

背景技术：

管幕法是一种新型暗挖法施工技术，它的施工原理为在始发井与接收井之间，利用顶管设备将钢管顶进土体，各钢管间依靠锁口相接形成管排，并在锁口空隙注入止水剂以达到止水要求，然后，在管幕的保护下施作地下结构。

在软土地区管幕法施工过程中，管幕法多与箱涵顶进施工工艺相结合，在箱涵结构依次顶进的同时，依靠箱涵结构的支撑作用，逐步挖出箱涵结构内土体，最终完成顶推置换施工；或者利用台阶法等土方分部开挖方式结合临时支撑系统，完成管幕下土方开挖作业。

然而，这两种施工方法中前者工艺复杂，顶进箱涵所需要的时间较长，施工效率较低；而后者需要分次进行土方开挖，开挖所需的设备较多，同样存在耗时较长、施工效率较低的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种应用于管幕法的土方开挖装置及其开挖方法，可以解决现有土方开挖方法施工效率较低的问题。

实现上述目的的技术方案是：

本发明提供了一种应用于管幕法的土方开挖装置，管幕设于土体内，所述土方开挖装置包括：

可在管幕内自行走的行走机构；

设于所述行走机构的前侧、且供切削土体的切削机构。

本发明的有益效果是，采用行走机构和切削机构配合，使土方开挖装置能够在管幕内一边切削土体一边前进，从而提升了施工效率。

本发明应用于管幕法的土方开挖装置的进一步改进在于，所述切削机构包括可沿中心轴转动的滚筒，所述滚筒的表面设置有切削刀具，所述行走机构通过一驱动杆与所述中心轴连接，且所述驱动杆可转动地连接于所述行走机构，通过驱动所述驱动杆转动从而带动所述滚筒摆动。

本发明应用于管幕法的土方开挖装置的进一步改进在于，所述行走机构上设有连接于所述驱动杆远离所述滚筒的一端、且可伸缩的驱动设备，通过驱动所述驱动设备伸缩从而带动所述驱动杆转动。

本发明应用于管幕法的土方开挖装置的进一步改进在于，所述滚筒水平设置。

本发明应用于管幕法的土方开挖装置的进一步改进在于，所述切削刀具呈螺旋状布设于所述滚筒的表面。

本发明应用于管幕法的土方开挖装置的进一步改进在于，

一前壳体，所述前壳体上设有可顶撑并固定于管幕的前顶撑组件；

一后壳体，所述后壳体上设有可顶撑并固定于管幕的后顶撑组件；以及

设于所述前壳体与后壳体之间的顶进设备。

本发明应用于管幕法的土方开挖装置的进一步改进在于，所述土方开挖装置还包括设于所述前壳体的前支撑件和对应所述前支撑件设置且可伸缩的前顶撑设备，所述前顶撑设备伸长时其端部抵靠于所述前支撑件，从而使得所述前支撑件抵靠于管幕的表面，且通过所述前壳体上相对两侧的前支撑件顶撑于管幕相对的两个内表面从而实现所述前壳体固定于所述管幕；

所述土方开挖装置还包括设于所述后壳体的后支撑件和对应所述后支撑件设置且可伸缩的后顶撑设备，所述后顶撑设备伸长时其端部抵靠于所述后支撑件，从而使得所述后支撑件抵靠于管幕的表面，且通过所述后壳体上相对两侧的后支撑件顶撑于管幕相对的两个内表面从而实现所述后壳体固定于所述管幕。

本发明应用于管幕法的土方开挖装置的进一步改进在于，所述前支撑件和后支撑件的表面形成有适配于所述管幕的弧形凹槽。

本发明还提供了一种利用上述的应用于管幕法的土方开挖装置的实施的开挖方法，包括：

在将管幕打进土体内后，在管幕内挖除一部分土体以形成供容置所述土方开挖装置的容置空间；

将所述开挖装置放入所述容置空间内，然后令所述行走机构在所述管幕内行走，同时利用所述切削机构切削土体。

本发明应用于管幕法的土方开挖方法的进一步改进在于，所述行走机构包括一前壳体、设于所述前壳体上且可顶撑并固定于管幕的前顶撑组件、一后壳体、设于所述后壳体上且可顶撑并固定于管幕的后顶撑组件以及设于所述前壳体与后壳体之间的顶进设备；

所述行走机构在所述管幕内行走时，使所述后壳体与所述管幕固定并解除所述前壳体与所述管幕的固定连接，然后启动所述顶进设备以使所述顶进设备推动所述前壳体向远离所述后壳体的方向移动，同时启动所述切削机构切削土体；

在所述前壳体与所述后壳体的间距到达设定间距时，停止所述切削机构，使所述前壳体与所述管幕固定并解除所述后壳体与所述管幕的固定连接，然后启动所述顶进设备以使所述顶进设备拉动所述后壳体向靠近所述前壳体的方向移动。

附图说明

图1为本发明应用于管幕法的土方开挖装置的结构示意图。

图2为本发明应用于管幕法的土方开挖装置的侧剖视图。

图3为本发明应用于管幕法的土方开挖装置前壳体处的剖视图。

图4为本发明应用于管幕法的土方开挖装置后壳体处的剖视图。

图5为本发明应用于管幕法的土方开挖装置的后视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

参阅图1，本发明提供了一种应用于管幕法的土方开挖装置，在不断前进的同时切削土体，且进一步还同时完成了支撑框架的拼装，具有施工耗时短、效率高的优势。

在开挖土方前，管幕已设置在土体内，且管幕的截面为一封闭的图形。下面结合附图对本发明应用于管幕法的土方开挖装置进行说明。

如图1和图2所示，本发明应用于管幕法的土方开挖装置包括：可在管幕内自行走的行走机构1和设于所述行走机构1的前侧的切削机构4。本发明中，行走机构1的前侧对应行走机构行走方向的一侧，即面对土体的一侧；后侧对应行走机构行走方向的反向的一侧，即面对开挖完成的空间的一侧。行走机构1包括前壳体10、设于前壳体且可顶撑并固定于管幕的前顶撑组件、后壳体20、设于后壳体且可顶撑并固定于管幕的后顶撑组件以及设于前壳体与后壳体之间的顶进设备30。

如图1至图3所示，切削机构4设于前壳体远离后壳体的一侧，且用于切削土体。切削机构4包括可沿中心轴402转动的滚筒40，滚筒40通过设于其内部的电机驱动而旋转，滚筒40的表面设置有切削刀具401，前壳体10通过一驱动杆41与中心轴402连接，且驱动杆41的中部可转动地连接于前壳体10，前壳体10上还设有连接于驱动杆41远离滚筒40的一端、且可伸缩的驱动设备42，通过驱动该驱动设备42带动所述驱动杆41转动，进而带动滚筒40摆动。具体地，前壳体10内部通过一封闭板封闭，该封闭板上开设有供驱动杆41穿过的洞口101，且前壳体10位于洞口101处设有加劲板15，加劲板15与驱动杆41的中部可转动地连接，且驱动设备42设于前壳体10的封闭板靠近后壳体的表面，该驱动设备42为气缸，其倾斜设置，且气缸的一端可转动地连接于前壳体10的中部、另一端可转动地连接于驱动杆41远离滚筒的一端。启动驱动设备42使其伸长时，驱动设备42给驱动杆41端部推力以使驱动杆41转动，继而使滚筒40向靠近中心的方向摆动；反之，启动驱动设备42使其缩短时，驱动设备42给驱动杆41端部拉力以使驱动杆41转动，继而使滚筒40向远离中心的方向摆动。在本实施例中，滚筒40的数量为四个，且滚筒40摆动轨迹在隧道截面上的投影的面积接近隧道截面上管幕内部的面积。

进一步地，由于滚筒40摆动角度有限，其无法切削位于前壳体与管幕之间的土体，为此，前壳体10的表面还凸设有供清除前壳体与管幕之间的土体的清土刷14。在顶进设备30推动前壳体10向远离后壳体的方向移动时，清土刷14刮过前壳体与管幕之间的间隙并将位于该间隙内的残留土体刮落，防止土体在该间隙中堆积导致对前支撑件及后支撑件的顶撑造成影响。

如图1和图2所示，土方开挖装置还包括一送料设备50，用于将切削下来的土体从前壳体处移走，该送料设备50为螺旋机。前壳体10下部的中间位置开设有送料开口102，送料设备50的一端连接于前壳体10的送料开口102处，使该送料开口102与送料设备50内部连通，另一端穿过后壳体20并将切削下来的土体送离土方开挖装置。较佳地，滚筒40水平设置，且切削刀具401呈螺旋状布设于滚筒40的表面，使得切削下来的土体聚集于送料开口102处，以便切削下来的土体进入送料设备50内。

如图1和图2所示，顶进设备30为油缸，用于在后壳体固定于管幕时推动前壳体向远离后壳体的方向移动，且在前壳体固定与管幕时拉动后壳体向靠近前壳体的方向移动，从而使土方开挖装置不断前进。

在本实施例中，管幕的截面为方形，因而本实施例中的前壳体10和后壳体20也为方形的结构。对于不同形状的管幕，本领域技术人员可以改变前壳体10和后壳体20形状而制造出不同形状的土方开挖装置以使其适配于形状不同的管幕。

结合图2和图3所示，为了使前壳体10可固定于管幕，前顶撑组件包括前支撑件11和对应前支撑件设置且可伸缩的前顶撑设备12。其中，前支撑件11的数量为多个且设于前壳体10的边缘。在本实施例中，前支撑件11沿前壳体10边缘设置一周，前支撑件11的数量有四个，分别布设于前壳体10的上、下、左、右四个位置，每个前支撑件11对应方形的一条直边。较佳地，前支撑件11的外表面(即远离前壳体的表面)形成有适配于管幕的弧形凹槽。

前顶撑设备12为油缸，通过螺栓固定于前壳体10上，前壳体10上设置有多个用以提升前壳体稳定性的前壳筋板13，防止前壳体10变形。前顶撑设备12在伸长时其端部抵靠于前支撑件11的内表面(即靠近前壳体的表面)，从而使得前支撑件11抵靠于管幕的内表面，前支撑件11上的弧形凹槽紧贴管壁，从而增大了前支撑件11与管幕的摩擦力。通过前壳体10上相对两侧的前支撑件11顶撑于管幕相对的两个内表面从而实现前壳体10固定于管幕。本实施例中，有两对前支撑件11顶撑于管幕，确保了前壳体10与管幕固定时的稳定性。

同理，结合图2和图4所示，为了使后壳体20可固定于管幕，后顶撑组件包括后支撑件21和对应后支撑件设置且可伸缩的后顶撑设备22。其中，后支撑件21的数量为多个且设于后壳体20的边缘。在本实施例中，后支撑件21沿后壳体20边缘设置一周，后支撑件21的数量有四个，分别布设于后壳体20的上、下、左、右四个位置，每个后支撑件21对应方形的一条直边。较佳地，后支撑件21的外表面(即远离后壳体的表面)形成有适配于管幕的弧形凹槽。

后顶撑设备22为油缸，通过螺栓固定于后壳体20上，后壳体20上设置有多个用以提升后壳体稳定性的后壳筋板23，防止后壳体20变形。后顶撑设备22在伸长时其端部抵靠于后支撑件21的内表面(即靠近后壳体的表面)，从而使得后支撑件21抵靠于管幕的内表面，后支撑件21上的弧形凹槽紧贴管壁，从而增大了后支撑件21与管幕的摩擦力。通过后壳体20上相对两侧的后支撑件21顶撑于管幕相对的两个内表面从而实现后壳体20固定于管幕。本实施例中，有两对后支撑件21顶撑于管幕，确保了后壳体20与管幕固定时的稳定性。

如图2和图5所示，支撑框架90用于支撑开挖完成部分的管幕。该支撑框架为门字形临时支撑框架，且通常由上框架与下框架拼接并与管幕连接固定从而起到支撑作用，附图中仅示意其上框架。

在一实施例中，拼装支撑框架90时可以使用小型的起吊装置吊装支撑框架90，并随着土方开挖装置不断前进，而不断在后方拼装支撑框架，达到支撑管幕防止塌陷的作用。

而在一较佳的实施例中，后壳体20上设置有供吊装支撑框架90的吊装机构6，后壳体10内部形成有空间，该吊装机构6包括固设于后壳体20内部上方的吊装平台60、安装于吊装平台60之上的卷扬机61、竖向设置于后壳体的导轨62以及滑设于导轨且供承托支撑框架90的承托件63。卷扬机61上卷绕有钢丝绳，钢丝绳的端部与承托件63连接，通过驱动卷扬机61卷绕钢丝绳使得承托件63沿导轨62向上移动，继而吊起支撑框架63。先后吊装支撑框架63的上框架和下框架，当上框架或下框架吊至合适的位置时，人工辅助对支撑框架63进行固定和拼装，从而完成支撑框架的设置。实现土方开挖装置一边开挖土体一边搭建支撑框架的功能。

在使用该土方开挖装置前需要先将其放入管幕内部，使用时，使后壳体20与管幕固定并解除前壳体10与管幕的固定连接，然后启动顶进设备30以使顶进设备推动前壳体10向远离后壳体20的方向移动，同时启动切削机构4切削土体；

在前壳体10与后壳体20的间距到达设定间距时，停止切削机构4，使前壳体10与管幕固定并解除后壳体20与管幕的固定连接，然后启动顶进设备30以使顶进设备拉动后壳体20向靠近前壳体10的方向移动。

在顶进设备30拉动后壳体20向靠近前壳体10的方向移动后，驱动吊装机构6吊装支撑框架90，并结合人工辅助将支撑框架90与管幕固定连接，从而支撑开挖完成部分的管幕。

如图1至图5所示，本发明还提供一种利用上述的应用于管幕法的土方开挖装置的实施的开挖方法，包括：

在将管幕打设进土体内后，在管幕内挖除一部分土体以形成供容置所述开挖装置的容置空间。较佳地，该容置空间长7m。

将土方开挖装置放入所述容置空间内，然后驱动行走机构在管幕内行走，同时利用切削机构切削土体，具体包括：

启动后顶撑设备22伸长使后顶撑组件顶撑于管幕，后壳体20与管幕固定，同时启动前顶撑设备12回缩从而解除前壳体10与管幕的固定连接；

然后启动顶进设备30以使顶进设备伸长并推动前壳体10向远离后壳体20的方向移动，同时启动滚筒40及驱动设备42，使滚筒40一边旋转一边摆动，继而使得滚筒40上的切削刀具401切削土体；

在前壳体10与后壳体20的间距到达设定间距时，停止切削机构4；

启动前顶撑设备12伸长使前顶撑组件顶撑于管幕，前壳体10与管幕固定，同时启动后顶撑设备22回缩从而解除后壳体20与管幕的固定连接；

然后启动顶进设备30以使顶进设备回缩并拉动后壳体20向靠近前壳体10的方向移动。

在一实施例中，利用小型起吊设备随着土方开挖装置不断前进，而不断在后方吊装支撑框架90并进行拼接和将支撑框架90与管幕固定连接。

而在一较佳的实施例中，后壳体20上设置有供吊装支撑框架90的吊装机构6，在顶进设备30拉动后壳体20向靠近前壳体10的方向移动后，驱动吊装机构6吊装支撑框架90，并结合人工辅助将支撑框架90与管幕固定连接，从而支撑开挖完成部分的管幕。

本发明应用于管幕法的土方开挖装置及其开挖方法的有益效果为：采用前壳体和后壳体交替与管幕固定，同时配合顶进设备及切削装置，使土方开挖装置在不断前进的同时切削土体，装置各个部件之间的配合较佳，从而提升了施工效率。且进一步地，通过吊装机构的设置还同时完成了支撑框架的吊装，实现一边开挖土体一边搭建支撑框架的功能。因此，本发明应用于管幕法的土方开挖装置及其开挖方法具有施工耗时短、效率高的优势。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。