一种石质围岩隧道整体成洞机及施工工艺的制作方法

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本发明属于隧道成洞机设备技术领域，具体涉及一种石质围岩隧道整体成洞机及施工工艺。

背景技术：

近期我国的基础建设加快，尤其是在隧道施工方面取得了举世瞩目的成绩，石质围岩隧道开凿成洞有爆破法和盾构施工法两种，爆破法施工外观不美观、不规则、施工进度慢，盾构法施工存在下列问题：（1）盾构法施工由于要开挖整个断面，施工速度慢，（2）使用普通的盾构机进行大跨径隧道施工不能一次成洞，还要使用钻孔、开挖、爆破等其他方式辅助施工，增加了施工成本，施工周期增长，（3）使用大型盾构机进行大跨径隧道施工存在过度开挖问题。大型盾构机作业的施工断面为外接园，而高速公路隧道实际需要的有效面积仅为外接园的一部分，超开挖为实际需要的二倍以上，不但增加施工成本而且加大了对山体的破坏，不利于环境保护，（4）盾构机工作时在整个断面将石料破碎，产生大量的废料，大量的废料需要运输和弃场，占用大量的场地，不利于环境保护，对此，提供一种一次成洞、开挖量小、施工速度快、废料少、节约原材料、工程造价低、有利于保护环境的石质围岩隧道整体成洞机及施工工艺具有十分重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种一次成洞、开挖量小、施工速度快、废料少、节约原材料、工程造价低、有利于保护环境的石质围岩隧道整体成洞机及施工工艺。

本发明的目的是这样实现的：一种石质围岩隧道整体成洞机，它包括机体，所述的机体是由动力系统、钻切系统、废料输送系统、冷却系统、胎体运输系统、废水收集净化系统、gps定位系统和控制系统组成，所述的动力系统是由发动机、变速箱、分动箱、液压马达、液压泵组成，所述的发动机的输出端与变速箱连接，所述的变速箱的输出端与分动箱连接，所述的分动箱的输出端与液压马达连接，所述的液压马达的输出端与液压泵连接，所述的钻切系统包括脉冲碎石子系统、高压水流切割子系统和切削子系统，所述的高压水流切割子系统是由水箱、高压泵、喷嘴和高压管组成，所述的水箱的出液口端与高压泵的进液口端连接，所述的高压泵与液压泵连接，高压泵的出液口端与高压管连接，所述的高压管的出液口端与喷嘴连接，所述的切削子系统是由主动轴、万向臂、钻头装置、连接器和导向器组成，所述的主动轴的输入端与液压泵连接，主动轴的输出端与连接器连接，所述的连接器的输出端与钻头装置连接，所述的钻头装置是由钻杆和钻头组成，所述的钻头为空心结构，钻头装置的中部与导向器连接，所述的导向器是由浮动轴承、液压缸、和与钻头装置相配合的顶杆组成，所述的浮动轴承设置在导向器的前端，浮动轴承连接有弹簧，所述的弹簧的另一端连接有与钻头装置相配合的钢珠，所述的顶杆设置在液压缸的输出端，导向器与万向臂连接，废料输送系统由支架、皮带轮、刮板和输料皮带组成，所述的皮带轮设置在支架的上部，所述的刮板设置在输料皮带的外侧面上，所述的胎体运输系统是由导轨、导轮、运输平板和液压顶升器组成，所述的导轮设置在运输平板的下侧面上，所述的液压顶升器设置在运输平板的正下方，所述的废水收集净化系统是由导流槽、集水池和净化器组成，所述的导流槽与集水池连通，所述的净化器与集水池连通。

一种石质围岩隧道整体成洞机的施工工艺，所述的施工工艺采用a、b两个作业面循环施工的方式进行施工，所述的施工工艺包括如下步骤：

步骤1：施工准备、测量放样、机械安装；

步骤2：对a作业面钻切开挖；

步骤3：a作业面在石胎下铺设导轨，安装导轮、运输平板和液压顶升器，调整液压顶升器上升，使运输平板紧贴石胎底面；

步骤4：a作业面切断石胎，然后将钻切装置移动到b作业面；

步骤5：a作业面支护施工；同时对b作业面钻切开挖。

步骤6：a作业面混凝土凝固，同时b作业面在石胎下铺设导轨，安装导轮、运输平板和液压顶升器，并调节液压顶升器上升，使运输平板紧贴石胎底面；

步骤7：a作业面胎体运输，然后将支护系统和胎体运输转移到b作业面，b作业面切断石胎，然后将钻切装置移动到a作业面，对a作业面进行开挖切割，同时b作业面进行支护出胎；

步骤8：重得上述步骤，使开挖切割和支护出胎循环作业。

所述的高压水流切割子系统还设置有导流套、高压密封件和液压开关。

所述的高压管的出液口端和喷嘴均设置在钻头的内部。

所述的gps定位系统是由gps定位接收器和控制装置组成。

所述的控制系统是由控制元件、控制软件、操作开关组成。

所述的万向臂采用可加长、可伸缩、可弯曲的钢桁架结构，且万向臂在gps定位系统和控制系统的操作下，通过液压缸随意调整其伸缩和弯曲。

所述的机体还设置有与其相配合的支护系统，且支护系统是由钢筋加工机、机械手、电焊机、混凝土泵送车和隔离布组成。

所述的脉冲碎石子系统采用液电式脉冲冲击波碎石装置自动连续触发产生连续的脉冲冲击波，并通过高压水流切割子系统的高压水流作为耦合介质，在gps定位系统和控制系统的引导下，对石质围岩衬砌部分进行脉冲冲击破碎。

本发明的有益效果：本发明由动力系统、钻切系统、废料输送系统、冷却系统、支护系统、胎体运输系统、废水收集净化系统、gps定位系统和控制系统组成，本发明的工作原理整机采用分段方式进行施工，每段的施工过程包括1、钻切施工、废料输送，通过gps定位系统对钻切系统进行工作定位，钻切系统只将隧道断面的衬砌部分掏出，留下石胎在原位置，钻切行进50-80米左右时，在石胎下部安装导轨和运输平板，然后钻切系统将第一段石胎从山体切断，钻切时产生的废料通过废料输送系统送出；2、支护施工，利用石胎作为内模，在石胎上覆盖隔离布，机械手在开挖空的衬砌部分布置钢筋，然后浇筑混凝土；3、胎体运输，使用索引车（或装载机）将胎体从隧道内运出，然后拆除导轨，进行路面铺装，每段施工完成后再进入下一段施工，动力系统设置的发动机是对钻切系统、废料输送系统、冷却系统、支护系统、胎体运输系统的工作提供动力，钻切系统的工作原理是利用高压脉冲振动水流对石质围岩进行破碎切割，利用钻切系统的切削钻头进行修整，脉冲碎石子系统采用液电式脉冲冲击波碎石装置，液电式冲击波发射器自动连续触发产生连续的脉冲冲击波，通过高压水流切割子系统的高压水流作为耦合介质，在gps定位系统和控制系统的引导下，对石质围岩衬砌部分进行脉冲冲击破碎，高压水流切割子系统工作时，液压马达驱动高压泵产生高压水流（压力达600mpa以上），高压水流通过喷嘴喷向石质围岩进行切割，高压水流与脉冲碎石子系统的脉冲冲击波相结合，形成高压脉冲振动水流对岩体进行破碎和切割，破碎和切割同步完成，提高了作业效率，万向臂采用可加长、可伸缩、可弯曲的钢桁架结构，万向臂后端连接工作台、前端连接并固定导向器，在gps定位系统和控制系统操的引导下，通过液压缸调整万向臂伸缩和弯曲，随钻进深度的增加，万向臂向钻进方向行进，万向臂工作时在gps定位系统和控制系统操的引导下，可在隧道断面上任意位置移动，万向臂移动带动钻头在设定的位置范围内工作，钻头在液压泵的驱动下转动，钻头只依靠筒壁的切削刃对高压脉冲振动水流破碎和切割的岩面进行修整，开挖的主要工作由高压脉冲振动水流完成，钻头内设有两个喷嘴，一个喷嘴射水方向与钻进方向水平，开挖衬砌时使用；另一个喷嘴射水方向与钻进方向垂直，切割石胎时使用，钻杆连接主动轴和钻头，动力通过钻杆带动钻头工作，钻杆为分节式可连接空心杆，随着钻进深度的增加，钻杆可随意调整其长度，当进行直线隧道的施工时，采用直杆；当进行曲线隧道的施工时，采用可弯曲的软杆，导向器位于钻头的中后部，导向器固定在万向臂上，钻头转动时导向器和万向臂不转动，当进行曲线隧道的施工时，在gps定位系统和控制系统的引导下，钻头可在一定的范围内在水平方向转动一定的角度，保证隧道完成后是弯曲的，弹性浮动轴承位于钻头中部，弹性浮动轴承的钢珠与轴承体通过弹簧连接，可以保证钻头在旋转时钻头在一定的范围内能向任意方向浮动，顶杆位于钻头尾部，顶杆在液压缸推动下可前进和后退，控制系统通过计算机程序设定顶杆前进量或后退量，顶杆推动钻头在水平方向在一定的范围内转动，废料输送系统工作原理是高压脉冲振动水流对岩体进行破碎和切割时，岩体对水流产生反力使水流向回运动，回流连续冲击刮板向前运动，带动皮带轮连续转动，进而利用刮板将废料送出，冷却系统是利用高压脉冲振动水流对岩体进行破碎和切割时，利用水流起到冷却钻头的作用，支护系统的作用是钻切完成后将石胎留在原位置不动，利用石胎作为内模，在石胎上覆盖隔离布，机械手在开挖空的衬砌部分布置钢筋，然后浇筑混凝土形成隧道衬砌，胎体运输系统的作用是当第一段开挖完成后，在将石胎切断前，在石胎下铺设导轨，安装导轮、运输平板和液压顶升器，液压顶升器上升使运输平板紧贴石胎底面，然后进行支护施工，混凝土凝固后放下液压顶升器，使用石胎和运输平板缓缓下降，直到导轮与导轨咬合，最后使用索引车（或装载机）将石胎体从隧道内运出，废水收集净化系统的作用是在隧道口设置集水池，污水经导流槽进入集水池，污水经净化器净化后循环使用，gps定位系统的作用是施工时，将钻头行进路线输入gps定位系统，gps定位系统引导控制系统使钻头按规定程序工作，控制系统的设置可以调整钻切速度、钻切量、钻头转角、顶升速度等，本发明的作用是（1）对于各种跨径的石质围岩隧道一次成洞，只开挖局部，减少了开挖量，施工速度快，节约工期和造价，（2）施工产生的废料少，节省大量的废料运输和弃场，减少工程占地，利于环境保护，（3）石胎可破坏加工成石料，也可以加工成石材，废物得到利用，（4）衬砌施工不需要模板，节约原材料，减少工程造价，（5）隧道底面直接成型，不超挖，节约施工成本，本发明具有一次成洞、开挖量小、施工速度快、废料少、节约原材料、工程造价低、有利于保护环境的优点。

附图说明

图1为本发明一种石质围岩隧道整体成洞机及施工工艺的石质围岩隧道整体成洞机的结构示意图。

图2为本发明一种石质围岩隧道整体成洞机及施工工艺的胎体运输系统的结构示意图。

图3为本发明一种石质围岩隧道整体成洞机及施工工艺的废水收集净化系统结构示意图。

图4为本发明一种石质围岩隧道整体成洞机及施工工艺的废料输送系统的结构示意图。

图5为本发明一种石质围岩隧道整体成洞机及施工工艺的钻头装置的结构示意图。

图6为本发明一种石质围岩隧道整体成洞机及施工工艺的导向器的连接结构示意图。

图中：1、机体2、废料输送系统3、胎体运输系统4、废水收集净化系统5、gps定位系统6、控制系统7、发动机8、变速箱9、分动箱10、液压马达11、液压泵12、水箱13、高压泵14、喷嘴15、高压管16、主动轴17、万向臂18、钻头装置19、连机器20、导向器21、钻杆22、钻头23、浮动轴承24、液压缸25、顶杆26、弹簧27、钢珠28、支架29、皮带轮30、刮板31、输料皮带32、导轨33、导轮34、运输平板35、液压顶升器36、导流器37、集水池38、净化器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

实施例1

如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，一种石质围岩隧道整体成洞机，它包括机体1，所述的机体1是由动力系统、钻切系统、废料输送系统2、冷却系统、胎体运输系统3、废水收集净化系统4、gps定位系统5和控制系统6组成，所述的动力系统是由发动机7、变速箱8、分动箱9、液压马达10、液压泵11组成，所述的发动机7的输出端与变速箱8连接，所述的变速箱8的输出端与分动箱9连接，所述的分动箱9的输出端与液压马达10连接，所述的液压马达10的输出端与液压泵11连接，所述的钻切系统包括脉冲碎石子系统、高压水流切割子系统和切削子系统，所述的高压水流切割子系统是由水箱12、高压泵13、喷嘴14和高压管15组成，所述的水箱12的出液口端与高压泵13的进液口端连接，所述的高压泵13与液压泵11连接，高压泵13的出液口端与高压管15连接，所述的高压管15的出液口端与喷嘴14连接，所述的切削子系统是由主动轴16、万向臂17、钻头装置18、连接器19和导向器20组成，所述的主动轴16的输入端与液压泵11连接，主动轴16的输出端与连接器19连接，所述的连接器19的输出端与钻头装置18连接，所述的钻头装置18是由钻杆21和钻头22组成，所述的钻头22为空心结构，钻头装置18的中部与导向器20连接，所述的导向器20是由浮动轴承23、液压缸24、和与钻头装置18相配合的顶杆25组成，所述的浮动轴承23设置在导向器20的前端，浮动轴承23连接有弹簧26，所述的弹簧26的另一端连接有与钻头装置18相配合的钢珠27，所述的顶杆25设置在液压缸24的输出端，导向器20与万向臂17连接，废料输送系统2由支架28、皮带轮29、刮板30和输料皮带31组成，所述的皮带轮29设置在支架28的上部，所述的刮板30设置在输料皮带31的外侧面上，所述的胎体运输系统3是由导轨32、导轮33、运输平板34和液压顶升器35组成，所述的导轮设置33在运输平板34的下侧面上，所述的液压顶升器35设置在运输平板34的正下方，所述的废水收集净化系统4是由导流槽36、集水池37和净化器38组成，所述的导流槽36与集水池37连通，所述的净化器38与集水池37连通。

本发明由动力系统、钻切系统、废料输送系统、冷却系统、支护系统、胎体运输系统、废水收集净化系统、gps定位系统和控制系统组成，本发明的工作原理整机采用分段方式进行施工，每段的施工过程包括1、钻切施工、废料输送，通过gps定位系统对钻切系统进行工作定位，钻切系统只将隧道断面的衬砌部分掏出，留下石胎在原位置，钻切行进50-80米左右时，在石胎下部安装导轨和运输平板，然后钻切系统将第一段石胎从山体切断，钻切时产生的废料通过废料输送系统送出；2、支护施工，利用石胎作为内模，在石胎上覆盖隔离布，机械手在开挖空的衬砌部分布置钢筋，然后浇筑混凝土；3、胎体运输，使用索引车（或装载机）将胎体从隧道内运出，然后拆除导轨，进行路面铺装，每段施工完成后再进入下一段施工，动力系统设置的发动机是对钻切系统、废料输送系统、冷却系统、支护系统、胎体运输系统的工作提供动力，钻切系统的工作原理是利用高压脉冲振动水流对石质围岩进行破碎切割，利用钻切系统的切削钻头进行修整，脉冲碎石子系统采用液电式脉冲冲击波碎石装置，液电式冲击波发射器自动连续触发产生连续的脉冲冲击波，通过高压水流切割子系统的高压水流作为耦合介质，在gps定位系统和控制系统的引导下，对石质围岩衬砌部分进行脉冲冲击破碎，高压水流切割子系统工作时，液压马达驱动高压泵产生高压水流（压力达600mpa以上），高压水流通过喷嘴喷向石质围岩进行切割，高压水流与脉冲碎石子系统的脉冲冲击波相结合，形成高压脉冲振动水流对岩体进行破碎和切割，破碎和切割同步完成，提高了作业效率，万向臂采用可加长、可伸缩、可弯曲的钢桁架结构，万向臂后端连接工作台、前端连接并固定导向器，在gps定位系统和控制系统操的引导下，通过液压缸调整万向臂伸缩和弯曲，随钻进深度的增加，万向臂向钻进方向行进，万向臂工作时在gps定位系统和控制系统操的引导下，可在隧道断面上任意位置移动，万向臂移动带动钻头在设定的位置范围内工作，钻头在液压泵的驱动下转动，钻头只依靠筒壁的切削刃对高压脉冲振动水流破碎和切割的岩面进行修整，开挖的主要工作由高压脉冲振动水流完成，钻头内设有两个喷嘴，一个喷嘴射水方向与钻进方向水平，开挖衬砌时使用；另一个喷嘴射水方向与钻进方向垂直，切割石胎时使用，钻杆连接主动轴和钻头，动力通过钻杆带动钻头工作，钻杆为分节式可连接空心杆，随着钻进深度的增加，钻杆可随意调整其长度，当进行直线隧道的施工时，采用直杆；当进行曲线隧道的施工时，采用可弯曲的软杆，导向器位于钻头的中后部，导向器固定在万向臂上，钻头转动时导向器和万向臂不转动，当进行曲线隧道的施工时，在gps定位系统和控制系统的引导下，钻头可在一定的范围内在水平方向转动一定的角度，保证隧道完成后是弯曲的，弹性浮动轴承位于钻头中部，弹性浮动轴承的钢珠与轴承体通过弹簧连接，可以保证钻头在旋转时钻头在一定的范围内能向任意方向浮动，顶杆位于钻头尾部，顶杆在液压缸推动下可前进和后退，控制系统通过计算机程序设定顶杆前进量或后退量，顶杆推动钻头在水平方向在一定的范围内转动，废料输送系统工作原理是高压脉冲振动水流对岩体进行破碎和切割时，岩体对水流产生反力使水流向回运动，回流连续冲击刮板向前运动，带动皮带轮连续转动，进而利用刮板将废料送出，冷却系统是利用高压脉冲振动水流对岩体进行破碎和切割时，利用水流起到冷却钻头的作用，支护系统的作用是钻切完成后将石胎留在原位置不动，利用石胎作为内模，在石胎上覆盖隔离布，机械手在开挖空的衬砌部分布置钢筋，然后浇筑混凝土形成隧道衬砌，胎体运输系统的作用是当第一段开挖完成后，在将石胎切断前，在石胎下铺设导轨，安装导轮、运输平板和液压顶升器，液压顶升器上升使运输平板紧贴石胎底面，然后进行支护施工，混凝土凝固后放下液压顶升器，使用石胎和运输平板缓缓下降，直到导轮与导轨咬合，最后使用索引车（或装载机）将石胎体从隧道内运出，废水收集净化系统的作用是在隧道口设置集水池，污水经导流槽进入集水池，污水经净化器净化后循环使用，gps定位系统的作用是施工时，将钻头行进路线输入gps定位系统，gps定位系统引导控制系统使钻头按规定程序工作，控制系统的设置可以调整钻切速度、钻切量、钻头转角、顶升速度等，本发明的作用是（1）对于各种跨径的石质围岩隧道一次成洞，只开挖局部，减少了开挖量，施工速度快，节约工期和造价，（2）施工产生的废料少，节省大量的废料运输和弃场，减少工程占地，利于环境保护，（3）石胎可破坏加工成石料，也可以加工成石材，废物得到利用，（4）衬砌施工不需要模板，节约原材料，减少工程造价，（5）隧道底面直接成型，不超挖，节约施工成本，本发明具有一次成洞、开挖量小、施工速度快、废料少、节约原材料、工程造价低、有利于保护环境的优点。

实施例2