隧道掘进装置和掘进机的制作方法

[0001]
本发明涉及一种掘进机工程机械领域，具体而言，尤其涉及一种隧道掘进装置和包括上述隧道掘进装置的掘进机。


背景技术：

[0002]
目前，现有的悬臂式掘进机多为单个悬臂，掘进施工时悬臂开挖结构贴紧掌子面，悬臂左右、上下摆动，从一侧到另一侧顺序切割岩石，开挖效率比较低下。为此提出了多悬臂式掘进机，可以实现多点开挖以提高掘进效率。但是上述掘进机针对的是隧道施工中的一个断面，对于进行围岩等级为iv级以下围岩的大跨度隧道的施工中仍然存在如下问题：
[0003]
在施工中需要把断面分成上下若干部分，制定详细挖掘步骤，控制掘进机行走反复前进后退，进行局部挖掘，从而导致工序多、机械化程度低、劳动强度大；同时掘进中对围岩扰动次数多、支护困难、导致效率低下、成本高。如果不将断面分成上下若干部分，而采用全断面法施工，则容易导致围岩变形较大，初期支护难于及时施作，存在发生塌方冒顶的安全隐患。


技术实现要素：

[0004]
为了解决上述技术问题至少之一，本发明的一个目的在于提供一种隧道掘进装置。
[0005]
本发明的另一个目的在于提供一种上述隧道掘进装置的掘进机。
[0006]
为了实现上述目的，本发明第一方面的技术方案提供了一种隧道掘进装置，包括：多个回转装置，所述回转装置铰接有截割装置；多个伸缩机构，分别与多个所述回转装置一一对应相连，所述回转装置被构设为活动件，用于带动所述截割装置相对于所述掘进机的机体沿前后方向运动，使多个所述截割装置之间产生前后位移差，以使多个所述截割装置能够进行多断面开挖。
[0007]
具体而言，本方案所提供的隧道掘进装置独立布置多个回转装置，独立控制设置在回转装置上的截割装置。每个所述回转装置分别与一个所述伸缩机构相连接，通过伸缩机构的伸缩运动来控制回转装置在前后方向上的运动，以使多个回转装置在隧道中的位置不同，有的回转装置在前面，有的回转装置在后面，由于多个回转装置之间具有前后位移差，使得与多个所述回转装置相连接的多个截割装置之间同样具有前后位移差。这样，可以使多个截割装置对不同的断面进行同时开挖，形成台阶面结构。本发明所提供的隧道掘进装置操作上更加具有独立性，在对于大跨度隧道进行施工时，将断面分成若干部分，由单台掘进机在进行隧道掘进，多个截割装置分别对局部断面进行开挖，利用多个截割装置之间具有的前后位移差，可以形成不同深度的断面，而不需要控制掘进机反复前进后退，对不同深度的断面进行开挖，从而提高了施工效率，且减少了对围岩的扰动，有利于破岩工作后的岩体稳定。
[0008]
另外，显而易见的是，在掘进机的本体前后不移动的情况下，可以独立控制多个截
割装置同时进行工作，在同一断面的不同位置同时掘进，一次开挖成型，实现全断面掘进，截割效率高，且截割范围大，成型效果好。通过对全断面掘进可以形成台阶面，有利于维持隧道中围岩的稳定性，减少安全隐患。通过在一台掘进机上设置可独立移动的回转装置，相当于使用多个掘进机进行同时施工的效果，有利于提高机械化程度，同时有利于减少成本。
[0009]
另外，本发明提供的上述技术方案中的隧道掘进装置还可以具有如下附加技术特征：
[0010]
在上述技术方案中，所述伸缩机构包括沿水平方向前后延伸的滑移平台、伸缩油缸和与所述滑移平台滑动连接的连接架体；所述回转装置设置在所述连接架体上；所述伸缩油缸的两端分别与所述滑移平台和所述连接架体相连，用于驱动所述连接架体沿所述滑移平台的延伸方向往复运动。
[0011]
在上述技术方案中，所述连接架体在水平方向上沿垂直于所述滑移平台的长度方向延伸；所述连接架体与所述回转装置之间设有滑动机构；所述滑动机构包括驱动件与滑动件；所述回转装置通过所述滑动件与所述连接架滑动连接，并在所述驱动机构的驱动下沿连接架体的延伸方向运动。
[0012]
在上述技术方案中，所述滑动件包括相啮合的齿轮和齿条；所述齿轮和所述齿条中的一个设置在所述连接架体上，所述齿轮和所述齿条中的另一个设置在所述回转装置上。
[0013]
在上述任一技术方案中，所述回转装置包括回转底座和与所述回转底座转动连接的回转台，所述回转台上铰接有截割装置；所述回转装置上设有旋转机构，所述旋转机构与所述回转台相连，用于驱动所述截割装置在水平方向上旋转；和/或所述回转装置上设有俯仰机构，所述俯仰机构分别与所述回转台和所述截割装置铰接，用于驱动所述截割装置沿竖直方向上下转动。
[0014]
在上述任一技术方案中，所述截割装置包括一端与所述回转台铰接的截割臂和设在所述截割臂另一端的截割头或挖斗；和/或隧道掘进装置包括输料系统，部分所述输料系统设于所述截割装置下方，用于输送所述截割装置截割出的渣料。
[0015]
在上述任一技术方案中，所述隧道掘进装置还包括：盾体，包括弧形结构，用于支护所述隧道的围岩；所述伸缩机构与所述盾体相连，使所述回转装置位于所述弧形结构所围设出的空间内。
[0016]
在上述技术方案中，所述盾体的前端在拱顶处具有向前突出的结构，用于实现超前支护；和/或所述盾体的后端连接有顶推油缸，与所述盾体的后部相连，用于为所述盾体提供向前的驱动力。
[0017]
在上述任一技术方案中，所述回转装置的数量为两个，两个所述回转装置呈上下的位置排布；或所述回转装置的数量为三个，三个所述回转装置呈上中下的位置排布。
[0018]
本发明第二方面的技术方案提供了一种用于隧道施工的掘进机，包括如第一方面技术方案中任一项所述的隧道掘进装置。
[0019]
本发明第二方面的技术方案提供的掘进机，因包括第一方面技术方案中任一项所述的隧道掘进装置，因而具有上述任一技术方案所具有的一切有益效果，在此不再赘述。
[0020]
综上，使用本发明所提供的隧道掘进装置和掘进机，对多个台阶面同时开挖，比现有的台阶法的开挖空间更大，同时又利用的台阶的结构，相对于全断面施工减少了对围岩
的扰动。结合了台阶法和全断面法的优点，具有作业空间大、机械化程度高、工序少、施工速度快、扰动少的优点。
[0021]
本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0022]
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0023]
图1是本发明一些实施例所述的隧道掘进装置的掘进状态示意图；
[0024]
图2是本发明一些实施例所述的回转装置和截割装置的结构示意图；
[0025]
图3是图2所示的a-a向的结构示意图；
[0026]
图4是本发明一些实施例所述的隧道掘进装置的结构示意图；
[0027]
图5是本发明一些实施例所述的隧道掘进装置的结构示意图。
[0028]
其中，图1至图5中附图标记与部件名称之间的对应关系为：
[0029]
1回转装置；11回转底座；13回转台；15旋转机构；17俯仰机构；2伸缩机构；21滑移平台；23连接架体；25伸缩油缸；27滑动机构；271齿条；273齿轮；3截割装置；31截割臂；33截割头；4盾体；41顶推油缸；5输料系统。
具体实施方式
[0030]
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0031]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
[0032]
下面参照图1至图5描述根据本发明一些实施例的隧道掘进装置和掘进机。
[0033]
本发明所提供的隧道掘进装置包括回转装置1、伸缩机构2和截割装置3。
[0034]
实施例一
[0035]
如图1所示，隧道掘进装置包括：两个回转装置1、两个伸缩机构2和两个截割装置3，其中两个回转装置1分别铰接两个截割装置3；两个伸缩机构2分别与两个回转装置1一一对应相连，在隧道掘进机不前后移动的情况下，可以通过伸缩机构2带动回转装置1沿隧道的前后方向运动，从而使两个截割装置3之间产生前后位移差，以使两个截割装置3能够进行多断面开挖，适用于台阶法开挖隧道，将掌子面挖掘成台阶形状。
[0036]
具体而言，本实施例所提供的隧道掘进装置布置了两个回转装置1，两个回转装置1呈上下的位置排布，使得两个截割装置3呈上下位置排布。通过伸缩机构2带动回转装置1沿隧道的前后方向运动，从而使两个截割装置3之间产生前后位移差，从而通过设置一个隧道掘进装置，即可不需控制隧道掘进机行走反复前进后退，即可实现台阶法开挖。比如，位于上层的回转装置1相对于位于下层的回转装置1更加向前延伸，使上层的截割装置3对上层区域的掌子面进行开挖，位于下层的截割装置3对下层区域的掌子面进行开挖，如图所示
形成正台阶结构。当然也可以是位于下层的回转装置1位于上层的回转装置1之前，形成倒台阶结构。由于回转装置1是独立操作的，两个回转装置1之间的前后关系可以根据实际情况进行控制。
[0037]
本实施例所提供的隧道掘进装置操作上更加具有独立性，两个回转装置1和两个截割装置3独立工作，利用截割装置3之间具有的前后位移差分别对多断面进行开挖，而不需要控制掘进机反复前进后退，施工工序少，从而提高了施工效率，并减少了对围岩的扰动，有利于保证破岩工作后的岩体稳定，减少安全隐患。
[0038]
进一步地，如图2和图3所示，回转装置1包括回转底座11和与回转底座11转动连接的回转台13，回转台13上铰接有截割装置3；回转装置1上设有旋转机构15，旋转机构15与回转台13相连，用于驱动截割装置3在水平方向上旋转；回转装置1上设有俯仰机构17，俯仰机构17分别与回转台13和截割装置3铰接，用于驱动截割装置3沿竖直方向上下转动。
[0039]
本实施例中，通过设置旋转机构15使得回转台13与回转底座11相对转动，从而带动截割装置3左右摆动。截割装置3的一端设置有截割臂31座，截割臂31座与回转台13铰接，且截割臂31座与回转台13连接有俯仰机构17，通过设置俯仰机构17运动可以使得截割装置3绕铰接点上下摆动。这样通过设置旋转机构15和俯仰机构17使得截割装置3在掌子面上可以上下左右摆动，增加了截割范围，提高了开挖效率。可选地，其中旋转机构15包括回转油缸，俯仰机构17包括截割升降油缸。另外，回转台13可采用齿轮273齿条271传动形式来替代回转油缸伸缩完成回转动作。
[0040]
进一步地，截割装置3包括一端与回转台13铰接的截割臂31和设在截割臂31另一端的截割头33或挖斗。
[0041]
截割臂31的一端连接有截割部，截割部用于对台阶面进行开挖，针对不同等级的围岩，截割部可选用截割头33或挖斗进行开挖。可以理解的是，实施例中的两个截割装置3，可以其中一个截割装置3设置截割头33，另一个设置挖斗。其中，使用挖斗可以将截割出的渣料向远离掌子面的一侧输送，在有运送渣料的输料系统5的情况下，可以将渣料进行扒渣，不需要输料系统5紧跟开挖面，以减少设备之间的干扰。
[0042]
实施例二
[0043]
在实施例一的基础上，如图4和图5所示，进一步地，伸缩机构2包括沿水平方向前后延伸的滑移平台21、伸缩油缸25和与滑移平台21滑动连接的连接架体23；回转装置1设置在连接架体23上；伸缩油缸25的两端分别与滑移平台21和连接架体23相连，用于驱动连接架体23沿滑移平台21的延伸方向往复运动。
[0044]
伸缩机构2包括滑移平台21、伸缩油缸25和连接架体23。上下两个回转装置1分别对应设置有上下两层滑移平台21，伸缩油缸25的一端连接在滑移平台21上，伸缩油缸25的另一端连接在安装回转装置1的连接架体23上，通过伸缩油缸25的缸杆的伸缩使回转装置1在滑移平台21上前后往复运动，以调整截割装置3在隧道中的前后位置，进而使上下两个截割装置3之间产生位移差。通过设置滑移平台21，控制回转装置1前后位移操作方便快捷，有助于提升掘进效率。
[0045]
实施例三
[0046]
在实施例一或实施例二的基础上，如图4和图5所示，进一步地，连接架体23在水平方向上沿垂直于滑移平台21的长度方向延伸；连接架体23与回转装置1之间设有滑动机构
27；滑动机构27包括驱动件与滑动件；回转装置1通过滑动件与连接架滑动连接，并在驱动机构的驱动下沿连接架体23的延伸方向运动。
[0047]
本实施例所提供的隧道掘进装置使回转装置1在能够前后移动的基础上还可以进行左右移动，使得回转装置1能够移动到任一水平位置上，从而可以对大跨度隧道的掌子面进行开挖。比如将上层的掌子面分成左右两部分进行开挖，使得开挖更加稳定。同时对于大跨度隧道，在对左右两部分中的一处完成开挖后，不需要掘进机通过前进后退改变位置，即可通过回转装置1在连接架体23上移动，进行另一处的开挖，有效提高了掘进效率。
[0048]
可选地，滑动件包括相啮合的齿轮273和齿条271；齿轮273和齿条271中的一个设置在连接架体23上，齿轮273和齿条271中的另一个设置在回转装置1上。
[0049]
连接架体23与回转装置1之间的连接方式可以是滑动连接，
[0050]
在回转底座11或连接架体23的一个上设置有轴承，轴承上设置有齿轮273；在回转底座11或连接架体23的另一个上设置有与齿轮273啮合的齿条271，通过驱动齿轮273转动，或驱动齿条271转动，可以回转装置1使沿连接架体23的延伸方向运动。可选地，驱动件为马达，与齿轮273相连接。通过控制齿轮273转动的步数可以控制回转装置1平移的距离，以在左右部分两个掌子面间往复运动。当然，滑动件也可以是滑轮和滑轨等方式，由于均能实现使回转装置1左右移动的效果，也应包含在本发明的保护范围内。
[0051]
实施例四
[0052]
在上述任一实施例的基础上，进一步地，隧道掘进装置还包括：用于支护隧道的围岩的盾体4，其中伸缩机构2与盾体4相连，使回转装置1位于弧形结构所围设出的空间内。
[0053]
如图4和图5所示，隧道掘进装置还包括盾体4，可以包括双盾体4也可以是单盾体4。通过设置盾体4，在隧道掘进的过程中，对围岩进行初期支护，防止出现塌方冒顶事故，提高施工的安全性。
[0054]
具体而言，在设置有盾体4时，可以在盾体4的内壁的对称位置设置两个滑移平台21，可以为回转装置1提供稳定的平移轨道。相当于通过盾体4给与回转装置1连接的截割装置3提供稳定的支撑，提高了截割装置3的工作稳定性。同时，本领域技术人员都理解，使用台阶法进行隧道掘进有利于维持围岩的稳定，能够降低上下层同时作业对围岩产生的干扰作用。而通过本实施例所提供的隧道掘进装置，利用两个独立控制的截割结构和盾构机的盾体4相互配合使用，进一步减轻围岩扰动。
[0055]
进一步地，盾体4的前端在拱顶处具有向前突出的结构，用于实现超前支护。
[0056]
本实施例中按照具体断面形状将盾体4设置为具有倾斜角度的盾体4，盾体4上部的前端在前，而下部的前端在后，将盾体4设置为前倾型，使得盾体4上部的前端位于截割机构开挖的掌子面之前，以实现超前支护，同时通过设置前倾型的盾体4减少支护结构至掌子面的距离，最大程度保证空顶距最小，提高开挖的掌子面的稳定性。其中，盾体4不限于图示的形式，而可以将盾体4制造成异形断面盾体4，以适用于其它掘进方法。
[0057]
进一步地，盾体4的后端连接有顶推油缸41，与盾体4的后部相连，用于为盾体4提供向前的驱动力。
[0058]
盾体4的后端连接有顶推油缸41，顶推油缸41的缸杆上安装有撑靴，撑靴支撑在已经安装好的管片上或管片形成的钢管等结构上，通过控制顶推油缸41的缸杆向后伸出，为盾体4提供向前的掘进力，由于部分伸缩机构2与盾体4相连，在盾体4向前掘进时，带动回转
装置1向前移动相同的距离，使得盾体4的掘进和截割机构的开挖同步进行，对于台阶的长短不需要重新调整，减少了工序，提高了施工效率。
[0059]
实施例五
[0060]
在上述任一实施例的基础上，进一步地，如图1所示，隧道掘进装置包括输料系统5，部分输料系统5设于截割装置3下方，用于输送截割装置3截割出的渣料。
[0061]
本实施例中，隧道掘进装置设置有输料系统5，输料系统5用于将截割下来的渣料向后方输送，本实施例中设计了一个运送渣料的输送装置，比如输送装置包括装载机和皮带运输机，装载机用于收集渣料，皮带机用于输送渣料。输送装置位于底层，可以使设置于输送装置前端的装载机紧跟开挖面，可以有效减少扒渣距离。加快运渣效率，避免运渣速度过慢影响掘进效率。当然输送装置也可以可布置为其他运输设备来输送渣料，由于均能达到输送渣料的效果，均应包含在本发明的保护范围内。
[0062]
实施例六
[0063]
与上述实施例的区别在于，回转装置1的数量为三个，伸缩机构2的数量同样为三个，截割装置3的数量同样为三个，三个回转装置1呈上中下的位置排布，从而可以进行三台阶面开挖。
[0064]
使用台阶法在隧道中掘进施工时，将整个断面分为几层，既可以是上下两层，也可以是上中下三层，在掘进时既可以由上层向下层开挖，也可以由下层向上层开挖，形成多个台阶面。相比于实施例一中的两个回转装置1、两个伸缩机构2和两个截割装置3的组合结构而言，三个回转装置1、三个伸缩机构2和三个截割装置3的组合结构可以多增加一个台阶面，减小了一次开挖的断面面积，有利于掌子面的稳定，使得进行下层开挖时围岩较为稳定，提高作业的安全性。可以理解的是，根据隧道跨度的大小，可以选用二台阶法、三台阶法甚至是多台阶法开挖。同样，回转装置1、伸缩机构2以及截割装置3的数量也可以为三个四个、甚至是多个。这样通过增加回转装置1、伸缩机构2以及截割装置3的数量，更加有利于机械化作业，更好的发挥设备的效率，提高隧道掘进的施工效率。
[0065]
下边结合一个具体实施例来描述本发明所提供的隧道掘进装置的具体结构和工作原理。
[0066]
目前，掘进机已经广泛的应用在隧道掘进工程中，对于大跨度隧道，围岩等级为iv级以下围岩，单台掘进机在进行隧道掘进时，需要把断面分成若干部分，制定详细挖掘步骤，控制行走反复前进后退，进行局部挖掘。这样会造成工序多、机械化程度低、劳动强度大，且对围岩扰动次数多；且支护困难，效率低下，成本高。如果采用全断面法施工，围岩变形较大，初期支护难于及时施作，易发生塌方冒顶事故；且制造成本昂贵，装配时间长。
[0067]
为此，提供了一种隧道掘进装置，即在设置有盾体4的掘进机的盾体4的内部布置两层的滑移平台21，滑移平台21上有前后滑移的连接架体23，连接架体23上有左右滑移的截割装置3，在盾体4不移动的情况下，在盾体4内部复合操作截割装置3完成破岩工作。一次全断面掘进形成台阶面，保持岩体稳定。并采用前倾型盾体4，盾体4边缘和前缘在拱顶部分向掘进方向前突出。有效支撑掌子面岩体，渣土清理在控制范围之内。截割部可选用成型产品的掘进机软岩伸缩型截割部，配备适用此设备的回转台13，装配周期短，故障点少，成本低，易于操作维护。同时双截割部同时工作，效率高。
[0068]
工作原理和掘进过程如下：
[0069]
盾体4内设置有上下设置的两个滑移平台21，分别为上滑移平台21和下滑移平台21，上连接架体23和下连接架体23可以在滑移平台21的导轨上通过伸缩油缸25控制进行前后滑动。回转装置1与上连接架体23和下连接架体23通过滑动连接方式连接，回转装置1设有回转底座11，回转装置1上设置有齿轮273和轴承，上连接架体23和下连接架体23设置有齿条271，通过马达驱动齿轮273和齿条271啮合控制回转装置1左右滑动。在回转底座11设有驱动回转台13旋转的回转油缸。截割臂31座通过销轴铰接在回转底座11上。截割臂31座前部设有俯仰机构17，比如升降油缸。截割臂31通过螺栓和止口把合在截割臂31座。截割装置3上有电机将动力通过花键套传递给减速器后变成低速大扭矩后通过伸缩部的截割主轴传递给截割头33完成破岩工作。在输料系统5上布置皮带运输机和装载机进行运料收料。截割工作时，通过控制伸缩油缸25和截割装置3内部的截割升降油缸和回转油缸控制截割角度和距离，实现断面的掘进。操作上连接架体23和下连接架体23的马达和伸缩油缸25及截割升降油缸和回转油缸控制两个截割装置3同时对岩体切割点进行定点破岩。截割装置3可以在掌子面内任意移动进行获得设计的隧道断面。破岩完成后形成台阶面。
[0070]
这样，截割部的布置方式采用上下双层布置，同时操作双截割部，上下同时掘进，每个回转台13独立搭载一个截割部，独立操作，可一次实现全断面截割，截割效率高，且截割范围大，成型效果好，使用台阶法开挖一次开挖成型。回转装置1采用轨道式滑移技术，控制截割装置3前后左右快速移动完成破岩工作，设计的滑移平台21，操作方便快捷，提升掘进效率。同时设置有盾体4，可实现超前支护，而且盾体4为前倾型，最大程度保证空顶距最小；利用成型掘进机的截割部和盾构机的盾体4，配合使用，减少了掘进工序，减轻围岩扰动。
[0071]
综上，使用本发明所提供的隧道掘进装置和掘进机，对多个台阶面同时开挖，比现有的台阶法的开挖空间更大，同时又利用的台阶的结构，相对于全断面施工减少了对围岩的扰动。结合了台阶法和全断面法的优点，具有作业空间大、机械化程度高、工序少、施工速度快、扰动少的优点。
[0072]
在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0073]
本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。
[0074]
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0075]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技
术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。