一种矩形断面硬岩掘进机及其施工方法与流程

本发明涉及隧道开挖技术领域，特别是指一种矩形断面硬岩掘进机及其施工方法。

背景技术：

由于我国现代化发展的需要，隧洞建设已经广泛应用于交通、水利、通信、冶金等诸多领域中。很多隧洞具有长、大、深埋、地质条件复杂等特点，而硬岩掘进机（即tbm）以其开挖岩石硬度范围广、作业环境好、信息化程度高、施工高效等优点，被广泛用于隧洞建设中。目前应用于矩形断面硬岩隧道施工的机械设备大多采用一次成形开挖方法，一次成形开挖方法开挖效率低，出渣慢，均不属于连续开挖，进而影响施工效率。

技术实现要素：

针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种矩形断面硬岩掘进机及其施工方法，解决了现有技术中矩形断面硬岩掘进机出渣慢、工作效率低的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种矩形断面硬岩掘进机，包括主梁，主梁上设有开挖装置、修整装置、推进系统、管片拼装机和出渣系统，出渣系统与开挖装置相连接，修整装置位于开挖装置后方，所述开挖装置包括组合式刀盘和主驱动，组合式刀盘与主驱动相连接，主驱动设置在主梁上；所述修整装置包括组合截齿滚筒和滚筒驱动装置，组合截齿滚筒与滚筒驱动装置相连接，滚筒驱动装置设置在主梁上。

所述组合式刀盘包括主刀盘和副刀盘，副刀盘对称设置在主刀盘的两侧，副刀盘的最高点与主刀盘的最高点位于同一水平直线上，副刀盘的最外侧点与主刀盘的最外侧点位于同一竖直直线上。

所述组合截齿滚筒包括横轴和竖轴，竖轴对称设置在滚筒驱动装置的两侧，横轴设置在滚筒驱动装置的上方，横轴和竖轴上均设有滚筒，滚筒上设有均匀设置的截齿。

所述横轴上的滚筒的最高点与副刀盘的最高点位于同一水平面内，竖轴上的滚筒的最外侧点与副刀盘的最外侧点位于同一竖直面内，竖轴的长度小于主刀盘的直径。

所述主梁上设有前支撑板和后防尘板，主驱动通过前支撑板与主梁相连接，修整装置位于前支撑板和后防尘板之间。

所述推进系统包括撑靴机构和推进油缸，撑靴机构与主梁滑动连接，推进油缸的一端与主梁相连接、另一端与撑靴机构相连接。

所述主梁的后部设有后支撑，后支撑通过油缸与主梁相连接。

一种矩形断面硬岩掘进机的施工方法，步骤如下：s1：经始发井将装置吊运至隧道内，并进行拼装调试，然后在隧道始发端进行管片拼装；

s2：后支撑收回至主梁，推进系统的撑靴机构撑紧在已拼装好的管片上，为推进油缸提供支点；

s3：启动主驱动和滚筒驱动装置，同时推进油缸伸出，带动主梁向前移动，实现开挖装置和修整装置向前移动；主驱动带动主刀盘和副刀盘转动对掌子面进行开挖，主刀盘和副刀盘开挖下的渣土经出渣系统输出；滚筒驱动装置带动组合截齿滚动转动，对主刀盘和副刀盘未开挖的部分进行修整；

s4：当推进油缸伸出最大行程后，后支撑伸出，撑靴机构收回，然后推进油缸缩回，带动撑靴机构沿主梁滑动，同时管片拼装机进行管片拼装；

s5：重复步骤s2~s4，直至完成隧道开挖和管片拼装。

所述步骤s3中主刀盘和副刀盘未开挖的部分分别为第一区、第二区、第三区和第四区，修整装置从第一区、第二区、第三区和第四区修整下来的渣土落入主刀盘开挖的第五区内；第五区的体积等于第一区、第二区、第三区和第四区体积之和。

所述步骤s1和步骤s4中的管片包括上管片、下管片、左管片和右管片，左管片和右管片对称设置在上管片、下管片之间且通过螺栓分别与上管片、下管片相连接。

本发明采用组合式刀盘对硬岩进行开挖，实现快速开挖，开挖下的渣土经出渣系统运出隧道外部，提高开挖效率。修整装置的设置用于对未开挖的部分进行修整，将修整区的渣土堆落至隧道底部，减少出渣量，提高出渣效率。本发明撑靴机构可直接撑紧在管片上，为推进系统提供支撑，便于开挖装置和修整装置的向前掘进，开挖装置和修整装置配合使用，实现对硬岩的分步连续开挖，大大提高了工作效率，是隧道施工的一大创新。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例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为本发明整体内部结构示意图。

图2为本发明开挖装置主视示意图。

图3为本发明修整装置主视示意图。

图4为开挖装置开挖轮廓示意图。

图5为修整装置修整后隧道断面示意图。

图6为修整装置修整状态示意图。

图7为管片支护状态示意图。

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。

实施例1，如图1和2所示，一种矩形断面硬岩掘进机，包括主梁1，主梁1上设有开挖装置、修整装置、推进系统、管片拼装机20和出渣系统，出渣系统与开挖装置相连接，开挖装置开挖下的渣土经出渣系统排出隧道外部。修整装置位于开挖装置后方，用于对开挖装置未开挖的部分进行修整，即将非矩形修整为矩形断面。所述开挖装置包括组合式刀盘2和主驱动3，组合式刀盘2与主驱动3相连接，组合式刀盘2均为圆形刀盘，主驱动3设置在主梁1上，组合式刀盘2分别与主驱动3相连接，实现分别独立驱动，为组合式刀盘提供驱动力，带动组合式刀盘转动。所述修整装置包括组合截齿滚筒4和滚筒驱动装置5，组合截齿滚筒4为倒u形滚筒架，组合截齿滚筒4与滚筒驱动装置5相连接，滚筒驱动装置5设置在主梁1上，滚筒驱动装置5通过链条或齿轮分别带动组合截齿滚筒转动，单独驱动，分别转动，对修整区进行刮削修整。

进一步，所述组合式刀盘2包括主刀盘2-1和副刀盘2-2，主刀盘2-1和副刀盘2-2均为圆形刀盘，主刀盘2-1的刀盘直径大于副刀盘2-2的刀盘直径，主刀盘2-1进行主要部分开挖，副刀盘2-2进行辅助开挖。副刀盘2-2对称设置在主刀盘2-1的两侧，对掌子面的上部进行开挖。副刀盘2-2的最高点与主刀盘2-1的最高点位于同一水平直线上，使其上部开挖面为矩形断面的上平面。副刀盘2-2的最外侧点与主刀盘2-1的最外侧点位于同一竖直直线上，使其开挖轮廓形成矩形断面的侧平面。主刀盘2-1和副刀盘2-2的开挖属于初步主开挖，在修整装置的修整下才可形成矩形断面。主刀盘2-1和副刀盘2-2开挖下的渣土经出渣系统运出隧道外部，主刀盘2-1和副刀盘2-2配合开挖，提供了开挖效率，同时便于修整装置的进一步修整。

实施例2，如图3所示，一种矩形断面硬岩掘进机，所述组合截齿滚筒4包括横轴4-1和竖轴4-2，横轴4-1水平设置，竖轴4-2竖直设置，竖轴4-2对称设置在滚筒驱动装置5的两侧，横轴4-1设置在滚筒驱动装置5的上方，横轴4-1和竖轴4-2上均固定设有滚筒4-3，滚筒4-3上设有均匀设置的截齿4-4。横轴4-1在滚筒驱动装置5的驱动下进行独立转动，竖轴4-2在滚筒驱动装置5的驱动下也进行独立转动，滚筒4-3上的截齿4-4对修整区的硬岩进行刮削修整。

进一步，所述横轴4-1上的滚筒4-3的最高点与副刀盘2-2的最高点位于同一水平面内，即用于修整主刀盘上部与副刀盘之间未开挖的部分，形成的矩形断面的上平面与主刀盘开挖轮廓相切。竖轴4-2上的滚筒4-3的最外侧点与副刀盘2-2的最外侧点位于同一竖直面内，即用于修整主刀盘两侧与副刀盘之间未开挖的部分，形成的矩形断面的侧面与主刀盘开挖轮廓相切。竖轴4-2的长度小于主刀盘2-1的直径，为了将修整区的渣土落在主刀盘开挖轮廓的下部，减少排出渣土的量，提高出渣效率。

进一步，所述主梁1上设有前支撑板6和后防尘板7，主驱动3通过前支撑板6与主梁1相连接，修整装置位于前支撑板6和后防尘板7之间，便于修整装置对修整区硬岩的修整，同时便于修整区渣土堆落。所述推进系统包括撑靴机构8和推进油缸9，撑靴机构8与现有掘进机上的撑靴系统相类似，为推进系统提供支撑。撑靴机构8与主梁1滑动连接，便于随主梁方向的移动。推进油缸9的一端与主梁1相连接、另一端与撑靴机构8相连接。通过推进油缸的伸出实现开挖装置、修整装置及主梁的步进移动。所述主梁1的后部设有后支撑10，后支撑10通过油缸与主梁1相连接，用于在撑靴机构收回对主梁的支撑。

其他结构与实施例1相同。

实施例3，如图4~7所示，一种矩形断面硬岩掘进机的施工方法，步骤如下：s1：经始发井将装置吊运至隧道内，并进行拼装调试，然后在隧道始发端进行管片拼装；确保装置处于正常稳定状态，做好开挖准备。

s2：开挖动作开始前，后支撑收回至主梁，推进系统的撑靴机构撑紧在已拼装好的管片上，为推进油缸提供支点。做好开挖姿态准备。

s3：启动主驱动和滚筒驱动装置，同时推进油缸伸出，带动主梁向前移动，实现开挖装置和修整装置向前移动；主驱动带动主刀盘和副刀盘转动对掌子面进行开挖，主刀盘和副刀盘开挖下的渣土经出渣系统输出；滚筒驱动装置带动组合截齿滚动转动，对主刀盘和副刀盘未开挖的部分进行修整。主刀盘和副刀盘未开挖的部分分别为第一区a1、第二区a2、第三区a3和第四区a4，修整装置从第一区a1、第二区a2、第三区a3和第四区a4修整下来的渣土落入主刀盘开挖的第五区a5内；第五区a5的体积等于第一区a1、第二区a2、第三区a3和第四区a4体积之和。

s4：当推进油缸伸出最大行程后，后支撑伸出，撑靴机构收回，然后推进油缸缩回，带动撑靴机构沿主梁滑动，同时管片拼装机进行管片拼装。管片包括上管片11、下管片12、左管片13和右管片14，左管片13和右管片14对称设置在上管片11、下管片12之间且通过螺栓分别与上管片11、下管片12相连接。左右两管片可分别向左侧、右侧水平滑动撑紧洞壁，且保持整个结构的稳定性。待撑靴机构不支撑该区域管片后，打紧管片之间的锁紧螺栓，调整左右两侧管片之间的间隙，保证管片结构的稳定性。

s5：重复步骤s2~s4，直至完成隧道开挖和管片拼装。

其他结构与实施例2相同。

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。