一种全断面仿形开挖装置的制作方法

本发明涉及隧道施工设备的技术领域，特别是指一种全断面仿形开挖装置。

背景技术：

国内公路铁路等山岭隧道常为马蹄形断面，其隧道开挖通常使用全断面钻爆法、台阶法、cd法、crd法、双侧壁导坑法等传统工法，为实现人员更安全、施工条件更环保、工期更加短、成本控制更低廉等需求，国内外专业技术人员对马蹄形隧道采用盾构法施工的进行了大量研究，其实现开挖的机械形式多种多样，如：

《一种泥水平衡式马蹄形盾构机》利用一个大圆形刀盘和异形刀盘（偏心摆动）组成的刀盘切削出马蹄形隧道，利用泥水平衡模式开挖面稳定性；

《无水软土隧道的马蹄形护盾开挖装置及隧道开挖方法》中提及其设备包括主机支架、上护盾总成和侧推动总成和步履行走总成，采用挖掘机或其他具有挖掘功能的设备进行开敞式开挖作业，并设计同步出渣装置，使两个工序同时进行，提高作业效率；

《一种超大断面马蹄形盾构机》利用土压平衡原理，采用数个前后分布的圆形刀盘进行开挖，以最新一环拼装完毕的管片为支撑基础进行整机的推进，该机型已在蒙华铁路白城隧道拥有成功应用案例；

《一种用于单线软岩隧道的异形掘进机》利用土压平衡原理，采用上述专利迥异的组合方式的刀盘进行马蹄形隧道开挖，以拼装完毕的管片为支撑基础进行整机的推进；

《一种用于马蹄形断面隧道的可现浇支护的盾构机》采用土压平衡原理进行掘进，以距离主机很远的拼装完毕的管片为撑紧基础，依靠摩擦提供的反力，并通过杠杆+球铰传力进行整机的推进，其开挖采用在同一平面上的三个圆刀盘和三个偏心回转刀盘组合而成；

《异形断面隧道用盾构掘进机》（日立造船株式会社）通过利用挖掘控制装置并根据刀盘的转角和仿形切刀的进退量，控制各刀盘轮辐的进退量，在仿形切刀后退时用刀盘轮辐挖掘短径部分，并在仿形切刀突出时挖掘长径部分，能够容易的挖掘异形断面隧道等。

综上所知，国内马蹄形隧道开挖多为组合式，通常针对v级软岩软土地质隧道，采用土压平衡原理或者泥水平衡原理出渣，少许盲区是影响很小的，但是对iv级围岩，盲区的影响却不能忽略。而国外在异形断面隧道的开挖解决方案上已有所进步，采用液压+电器系统联合控制的方式来模拟仿形刀的进退量，以便达到异形隧道全断面开挖的目的，但这种方法对液压部件执行能力和电器系统控制的精准度需求十分的高，所带来的设备费用也是巨大的。那么，在实际施工中需要一种施工可靠性很高、造价相对低廉的、安全环保的开发方法。

技术实现要素：

本发明提出一种全断面仿形开挖装置，解决了现有采用液压+电器系统联合控制仿形刀的方式设备费用巨大的问题，适应于黄土、硬土、全风化岩、页岩、泥岩等iv级围岩地质，断面开挖率为100%，实现马蹄形隧道更宽的应用领域。

本发明的技术方案是这样实现的：一种全断面仿形开挖装置，包括刀盘总成和前盾，刀盘总成包括主轴套筒，所述的主轴套筒上设有伸缩的仿形刀梁，仿形刀梁上设有支撑轮，支撑轮与前盾上的环轨相内切。

所述的仿形刀梁与主轴套筒之间设有推力机构。

所述的主轴套筒上设有外套刀梁，仿形刀梁包括内套筒和外刀头，内套筒位于外套刀梁内，内套筒与外套刀梁之间设有推力机构，内套筒与外刀头连接，外刀头上设有支撑轮。

所述的推力机构为推力油缸。

所述的外套刀梁安装在小圈梁上。

所述的主轴套筒上设有常规刀梁。

所述的常规刀梁安装在小圈梁上。

所述的仿形刀梁和常规刀梁交替布置。

所述的主轴套筒上设有三个仿形刀梁和三个常规刀梁。

所述的主轴套筒上设有中心鱼尾刀。

所述的前盾包括马蹄形的断面外轮廓，断面外轮廓与环轨平行。

所述的前盾上设有锥环，环轨与锥环连接，环轨与前盾的盾壳内侧面连接。

本发明的优点：实现了复合地质尤其为软岩隧道的全断面开挖，有利于减少掘进机的总推力和人工进舱处理的劳动强度，提高了掘进机施工效率；同时，马蹄形掘进机在采用土压平衡模式或泥水平衡模式下掘进，仿形刀梁伸缩行程控制简单，结构可靠，仿形轨迹运行准确，总体造价低廉，不失为马蹄形隧道首选的开挖解决方案。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明刀盘装置结构示意图。

图2为本发明前盾结构示意图。

图3为本发明仿形刀盘结构示意图。

图4为本发明支撑轮与环轨接触结构示意图。

图5为本发明开挖轨迹示意图。

图中：1.刀盘总成，101.仿形刀梁，1011.内套筒，1012.外刀头，102.外套刀梁，103.常规刀梁，104.小圈梁，105.主轴套筒，106.支撑轮，107.扭腿，108.推力油缸，2.前盾，201.环轨，202.压力舱隔板，203.锥环，204.断面外轮廓。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至5所示，一种全断面仿形开挖装置，包括刀盘总成1和马蹄形的前盾2，刀盘总成1位于前端2的前端并通过扭腿107与后部的驱动装置连接，刀盘总成1包括中心的主轴套筒105，主轴套筒105上交替设有辐射状的三个外套刀梁102和三个常规刀梁103，三个外套刀梁102和三个常规刀梁103均固定在小圈梁104上，外套刀梁102上安装伸缩的仿形刀梁101，仿形刀量101包括内套筒1011和外刀头1012，内套筒1011位于外套刀梁102内，并内套筒1011与外套刀梁102之间设有推力油缸1108，外刀头1012安装在内套筒1011上，外刀头1012上安装支撑轮106，支撑轮106与前盾2上的环轨201相内切，前盾2的断面外轮廓204为马蹄形，环轨201与马蹄形的断面外轮廓204平行，前端2内设有压力舱隔板202，压力舱隔板202与锥环203的一端连接，锥环203的另一端与前盾2的盾壳内侧面连接，环轨201的一端与锥环203连接，环轨201的另一端与前盾2的盾壳内侧面连接。

本发明的工作流程如下：

本发明的刀盘总成实现马蹄形隧道全断面开挖的机械结构方式可靠严谨，控制系统简单明确。支撑轮与马蹄形的环轨之间通过推力油缸提供恒定推力始终相接触（详见图2、4），当刀盘总成主轴套筒的轴心旋转，常规刀梁随之旋转切削出圆形隧道断面，再通过支撑轮沿着环轨滚动来控制仿形刀梁在径向的伸缩行程，再与轴心旋转动作的相互叠加，来完成整个马蹄形断面除圆形之外的面积的开挖。

支撑轮发生自转的同时，又伴随着仿形刀梁发生公转，这样有利于支撑轮带着仿形刀梁实时反馈马蹄形轮廓的切削量，促使马蹄形隧道断面拟合更真实，电控系统摆脱了控制每个仿形刀梁伸出回缩位移量的复杂计算，只需要指挥推力油缸保持推力，促使支撑轮始终接触环轨即可。故，本发明内容为实用高效的创新方法。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。