非圆形隧道掘进装备及开挖方法

1.本发明涉及水利水电隧道施工技术领域，特别是一种非圆形隧道掘进装备及开挖方法。


背景技术：

2.现有的水工隧道，通常具有较大的通流截面，与高度相比，更大宽度使通流效果更佳因此通常优选采用倒“u”形的隧道，对于围岩状态不佳，例如iv类及以下有节理发育、有层状软弱面的围岩，通常每天掘进速度不能超过3米。目前的施工方式通常采用阶梯法，即先开挖隧道上层，部分位置小导管注浆提前支护，然后开挖下层，这种施工方法为线性施工，不同阶段的设备和人员施工互相影响，施工效率低。而且对于v类及以下围岩，采用逆做支护的方式，使支护结构处于悬臂受力状态，底部缺少支撑，如果碰到施工进度受阻的情形，有导致支护位置变形超设计甚至垮塌的风险。现有技术中也有采用掘进机进行施工的方案，但是大截面的盾构刀盘存在边缘线速度远大于中心线速度的问题，为限制边缘线速度，需要降低刀盘转速，这进一步影响了施工效率。而且现有技术中对于硬岩的掘进效率较低，而采用钻爆法施工，又存在安全性问题以及隧道超欠挖的问题。该技术问题尤其是对于地质条件复杂，即有硬岩区域也有强风化、砂岩和泥岩间层区域，这一地质特点在我国福建、广西和云南等地较为明显。经过检索，目前现有施工技术中尚无可供借鉴的解决方案。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是提供一种非圆形隧道掘进装备及开挖方法，能够提供大幅提高掘进效率，而且对地质条件的适应性较佳，能够应对各种地形的掘进，尤其是适用于地质条件复杂的区域，且整体能耗较低。
4.为解决上述的技术问题，本发明的技术方案是：一种非圆形隧道掘进装备，掘进机主体的前端面设有多个游动刀盘装置，游动刀盘装置上设有可转动的切削刀盘，切削刀盘的工作面朝向隧道的掌子面，游动刀盘装置还设有刀盘滑块；在掘进机主体的前端面设有多个沿着前端面分布的滑道，刀盘滑块由驱动装置驱动沿着滑道游动。
5.优选的方案中，所述的前端面为倒“u”形结构，前端面的外缘与隧道的内壁贴合，前端面的内壁贴合芯岩的外壁；滑道的形状为相应的倒“u”形；多个游动刀盘装置的移动轨迹覆盖整个前端面。
6.优选的方案中，所述的前端面设有至少一个阶台，在每个阶台对应的前端面均设有游动刀盘装置。
7.优选的方案中，游动刀盘装置的结构为，刀盘滑块与滑道滑动连接，切削刀盘与刀盘主轴固定连接，刀盘主轴与用于驱动刀盘主轴旋转的驱动装置连接；在刀盘滑块上还设有沿着滑道的行走主轴，在滑道的侧壁设有螺旋齿驱动槽，在
行走主轴上设有螺旋齿轮，螺旋齿轮与螺旋齿驱动槽啮合连接，以通过螺旋齿轮的旋转带动刀盘滑块沿着滑道行走；行走主轴与用于驱动行走主轴旋转的驱动装置连接。
8.优选的方案中，所述的螺旋齿轮至少为两个，每个螺旋齿轮的螺纹圈数在1~2之间，其中一个螺旋齿轮与行走主轴固定连接，另一个螺旋齿轮与行走主轴以可调节位置的方式固定连接，以调节螺旋齿轮与螺旋齿驱动槽之间的间隙。
9.优选的方案中，在掘进机主体内还设有柱塞压力机，柱塞压力机的输出管汇与压力介质分配器连接，压力介质分配器通过管路与芯岩上的各个注浆孔连接，柱塞压力机用于输出压力介质使芯岩破碎。
10.优选的方案中，在压力介质分配器上设有多个自控阀，用于控制每个管路的进液，在每个管路上设有压力传感器。
11.优选的方案中，在掘进机主体内还设有铣平装置，铣平装置上设有水平布置的滑道，滑道内设有游动刀盘装置，游动刀盘装置的刀盘滑块由驱动装置驱动沿着滑道游动。
12.一种采用上述的非圆形隧道掘进装备的开挖方法，包括以下步骤：s1、以具有倒“u”形前端面的掘进机主体，利用游动刀盘装置在隧道中开挖倒“u”环形的隧道；s2、在开挖形成的芯岩端面设置多个注浆孔，注浆孔的轴线与隧道的轴线平行，用管路将柱塞压力机与注浆孔连接，在注浆孔注入压力介质，使芯岩破碎；s3、在破碎的芯岩之后设置铣平装置，利用游动刀盘装置使隧道地面平整；通过以上步骤实现非圆形隧道的快速掘进。
13.一种采用上述的非圆形隧道掘进装备的开挖方法，包括以下步骤：s01、以具有倒“u”形前端面的带有阶台的掘进机主体，驱动游动刀盘装置在隧道中开挖阶台状的倒“u”环形的隧道；通过控制游动刀盘装置沿着滑道移动，切削形成整个倒“u”环形隧道；其中靠近底部的阶台状的倒“u”环形的隧道首先开挖；s02、在先挖部分隧道内两侧底部安装装配式地联梁，装配式地联梁为预制结构，两端保留外露的纵筋，装配式地联梁上还设有孔，用于与锚索固定连接，以装配式地联梁为基础，安装支护钢架，支护钢架与注浆锚杆连接，并挂网湿喷支护；s03、在后挖部分隧道内继续安装支护钢架的上部拱形部分，并挂网湿喷支护；有必要的位置进行超前导管注浆支护；s04、在开挖形成的芯岩端面设置多个注浆孔，注浆孔的轴线与隧道的轴线平行，用管路将柱塞压力机与注浆孔连接，在注浆孔按照由外层到内层的顺序注入压力介质，使芯岩依次在无侧限的状态下破碎；s05、在破碎的芯岩之后设置铣平装置，驱动游动刀盘装置沿水平切削使隧道地面平整；通过以上步骤实现破碎围岩条件下非圆形隧道的快速掘进。
14.本发明提供的一种非圆形隧道掘进装备及开挖方法，通过采用倒“u”环形开挖的装备，机械开挖面积小，仅需开挖出满足支护施工的空间即可，机械设备的挖掘效率非常高，能耗较低。而且采用游动刀盘装置的结构，结构简单，驱动方便，能够通过提高转速来提
高开挖速度，而且能够适用从硬岩到软弱层的各种地形，是一种适合作为全地质条件下的高效率开挖装备。由于在开挖过程中芯岩结构的存在，即便出现垮塌现象，芯岩的结构也能够起到较好的支撑效果，提高了安全性。而芯岩采用压力破碎的方案，以例如30兆帕以上的压力介质将芯岩在无侧限的状态下进行压力破碎，即确保了安全性，而且与机械开挖相比，能耗大幅下降。配合后方的铣平装置，能够获得高精度的隧道断面，解决超欠挖的问题。在本发明的施工方法中，采用了装配式地联梁的结构，进一步提高支护效率，尤其是，装配式地联梁能够在支护并沉降一段时间后，再将各段装配式地联梁的端头进行钢筋连接并浇筑，克服了不均匀沉降对装配式地联梁的变形影响。采用从底部开始支护的方案，能够使顶部支护获得可靠支撑，避免顶部支护变形甚至垮塌，进一步提高了安全性。
附图说明
15.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：图1为本发明的掘进装备的前端面示意图。
16.图2为本发明的掘进装备的侧视图。
17.图3为本发明的掘进装备另一优选方案的侧视图。
18.图4为本发明的芯岩端面的结构示意图。
19.图5为本发明的铣平装置端面的结构示意图。
20.图6为本发明的游动刀盘装置的结构示意图。
21.图7为本发明的游动刀盘装置的刀盘滑块横截面的结构示意图。
22.图中：隧道1，游动刀盘装置2，切削刀盘201，轴承202，刀盘主轴203，第一锥齿轮204，第二锥齿轮205，行走电机206，主轴齿轮207，齿轮轴208，刀盘马达209，第一螺旋齿轮210，调隙螺母211，第二螺旋齿轮212，行走主轴213，刀盘滑块214，第一滑道3，螺旋齿驱动槽301，掘进机主体4，头部机架41，尾部机架42，前端面43，芯岩5，注浆孔51，渣土绞龙6，输送装置7，顶推油缸8，冷却液管路9，落料滑槽10，铣平装置11，自控阀12，压力介质分配器13，输出管汇14，柱塞压力机15，支护平台16，阶台17，锚索18，装配式地联梁19，支护钢架20，注浆锚杆21，第二滑道22，土舱23，冷却液储箱24，底阶游动刀盘装置100，上阶游动刀盘装置200，第三破碎区a，第二破碎区b，第一破碎区c。
具体实施方式
23.实施例1：如图1~2中，一种非圆形隧道掘进装备，掘进机主体4主要由头部机架41和尾部机架42构成，在头部机架41与尾部机架42之间设有多个沿圆周布置的顶推油缸8，用于控制头部机架41的方向，以及为掘进提供反力。
24.头部机架41的前端面43设有多个游动刀盘装置2，游动刀盘装置2上设有可转动的切削刀盘201，切削刀盘201分布有多个切削头，，切削刀盘201为现有技术。切削刀盘201的工作面朝向隧道1的掌子面，切削刀盘201的转动用于使切削刀盘201切削掌子面，游动刀盘装置2还设有刀盘滑块214；在掘进机主体4的前端面设有多个沿着前端面43分布的滑道，刀盘滑块214由驱动装置驱动沿着滑道游动。如图1、2中所示，游动是指游动刀盘装置2在沿着滑道移动的同时，
切削刀盘201还在不断的转动，以切削岩石。本例中游动刀盘装置2中的切削刀盘201的直径在2~3.5米，由于切削刀盘201的直径较小，能够根据岩石的状况以较高的速度进行切削，例如200~600 r/min。
25.优选的方案如图1中，所述的前端面43为倒“u”形结构，前端面43的外缘与隧道1的内壁贴合，前端面43的内壁贴合芯岩5的外壁；由此结构，使切削出的空间足够便于支护操作即可，如图2中所示，大幅减少机械切割的工作量。
26.滑道的形状为相应的倒“u”形；多个游动刀盘装置2的移动轨迹覆盖整个前端面43。优选的，通过自动控制，使每个游动刀盘装置2覆盖一个区域，以进一步提高开挖效率。
27.优选的方案如图3中，所述的前端面43设有至少一个阶台17，在每个阶台对应的前端面均设有游动刀盘装置2。由此结构，可以先以底阶游动刀盘装置100开挖下部的阶台结构，并进行支护，然后再以上阶游动刀盘装置200开挖上部的阶台结构，对拱顶部分进行支护，使顶部支护具有支撑。
28.优选的方案如图6、7中，游动刀盘装置2的结构为，刀盘滑块214与滑道滑动连接，本例中包括直线滑道和曲线滑道，相应的刀盘滑块214也分为直线滑块和曲线滑块，也有采用弹力轮的方式，使刀盘滑块214能够同时适应直线滑道和曲线滑道。切削刀盘201与刀盘主轴203固定连接，刀盘主轴203通过轴承202安装在刀盘滑块214上，刀盘主轴203与用于驱动刀盘主轴203旋转的驱动装置连接；优选的，本例中的驱动装置采用刀盘马达209，由液压驱动旋转，刀盘马达209与齿轮轴208连接，齿轮轴208与主轴齿轮207啮合连接，齿轮轴208与主轴齿轮207组成一个减速机构，主轴齿轮207与刀盘主轴203固定连接。
29.在刀盘滑块214上还设有沿着滑道布置的行走主轴213，行走主轴213与刀盘主轴203的轴线在投影面大致互相垂直，在滑道的侧壁设有螺旋齿驱动槽301，螺旋齿驱动槽301为弧形内凹的槽，在槽的内壁设有内螺纹，即螺旋齿驱动槽301类似螺纹套筒的部分内壁。优选的，螺旋齿驱动槽301位于曲线的第一滑道3的大直径侧。以使螺旋齿驱动槽301尽可能的平直。优选的，螺旋齿驱动槽301采用拼接的结构，由多个独立的块通过镶嵌和连接成为一体的结构。在行走主轴213上设有螺旋齿轮，螺旋齿轮与螺旋齿驱动槽301啮合连接，以通过螺旋齿轮的旋转带动刀盘滑块214沿着滑道行走；螺旋齿轮表面设有螺纹，螺旋齿轮可以理解为很短，通常只有1圈以上螺纹的螺栓。
30.行走主轴213与用于驱动行走主轴213旋转的驱动装置连接。优选的，行走主轴213可转动的与刀盘滑块214连接，在行走主轴213上固设有第一锥齿轮204，第一锥齿轮204与第二锥齿轮205啮合连接，第二锥齿轮205与行走电机206的输出轴固定连接。
31.行走电机206和刀盘马达209都安装在与刀盘滑块214固定连接的支座上，通常支座位于滑道之外。
32.进一步优选的方案如图6、7中所示，所述的螺旋齿轮至少为两个，每个螺旋齿轮的螺纹圈数在1~2之间，其中一个螺旋齿轮与行走主轴213固定连接，另一个螺旋齿轮与行走主轴213以可调节位置的方式固定连接，以调节螺旋齿轮与螺旋齿驱动槽301之间的间隙。本例中，一个螺旋齿轮以调隙螺母211限定在行走主轴213上的轴向位置。相应的，在行走主轴213上设有轴向的凹槽，并在外壁设有螺纹，而在螺旋齿轮的内壁设有凸起，凸起位于行走主轴213的凹槽内。
33.优选的方案如图2、3中，在掘进机主体4内还设有柱塞压力机15，柱塞压力机15优
选采用撬装的多缸柱塞泵，本例中优选采用5缸柱塞泵，输出的压力介质优选采用由切削冷却液回收的膨润土泥浆，最高输出压力达到140mpa，根据围岩强度，通常工作压力为20~60 mpa，柱塞压力机15的输出管汇14与压力介质分配器13连接，压力介质分配器13通过管路与芯岩5上的各个注浆孔51连接，柱塞压力机15用于输出压力介质使芯岩5破碎。
34.优选的方案如图2、3中，在压力介质分配器13上设有多个自控阀12，自控阀12优选采用气动控制阀，用于控制每个管路的进液，在每个管路上设有压力传感器。优选的方案中，在每个注浆孔51内，通过压力检测控制自控阀12的动作，通过调节自控阀12的开度使注浆孔51内的压力缓慢上升，直至以静压力的方式，使注浆孔51裂开。当压力突然下降，则控制自控阀12自动关闭，以节省压力介质。
35.优选的方案如图2、3、5中，在掘进机主体4内还设有铣平装置11，铣平装置11上设有水平布置的滑道，滑道内设有游动刀盘装置2，游动刀盘装置2的刀盘滑块214由驱动装置驱动沿着滑道游动。优选的，游动刀盘装置2的切削刀盘201指向隧道1的掌子面。
36.实施例2：如图2中，一种采用上述的非圆形隧道掘进装备的开挖方法，包括以下步骤：s1、以具有倒“u”形前端面43的掘进机主体4，利用游动刀盘装置2在隧道1中开挖倒“u”环形的隧道；如图4中所示，倒“u”环形的宽度为1.5~3.5米。挖出的土和冷却液形成的泥浆存储在土舱23内，通过位于两侧的渣土绞龙6提升至输送装置7。已进行后续的处理，例如制砂喷浆。在头部机架41上设有冷却液储箱24，用于给各个游动刀盘装置2供应冷却液。通过检测装置检测掘进机主体4的掘进方位，出现误差时，利用顶推油缸8进行调整。
37.s2、如图4中所示，在开挖形成的芯岩5端面设置多个注浆孔51，注浆孔51的轴线与隧道1的轴线平行，用管路将柱塞压力机15与注浆孔51连接，在注浆孔51注入压力介质，使芯岩5破碎；优选的，在注浆孔51按照由外层到内层的顺序注入压力介质，使芯岩5依次在无侧限的状态下破碎；掘进机主体4在芯岩5两侧的机架上设有落料滑槽10，破碎的岩石落入到落料滑槽10内，并输送至输送装置7，或者送至破碎机进一步破碎后制砂或者输送至洞外。
38.s3、如图5中所示，在破碎的芯岩5之后设置铣平装置11，驱动游动刀盘装置2沿水平的第二滑道22移动，对地面进行切削使隧道1地面平整；通过以上步骤实现非圆形隧道的快速掘进。
39.实施例3：如图3中，一种采用上述的非圆形隧道掘进装备的开挖方法，包括以下步骤：s01、以具有倒“u”形前端面43的带有阶台17的掘进机主体4，驱动游动刀盘装置2在隧道1中开挖阶台状的倒“u”环形的隧道；通过控制游动刀盘装置2沿着滑道移动，切削形成整个倒“u”环形隧道；其中靠近底部的阶台状的倒“u”环形的隧道首先开挖；s02、在先挖部分隧道内两侧底部安装装配式地联梁19，装配式地联梁19为预制结构，两端保留外露的纵筋，装配式地联梁19上还设有孔，用于与锚索18固定连接，以装配式地联梁19为基础，安装支护钢架20，支护钢架20与注浆锚杆21连接，并挂网湿喷支护；s03、掘进机主体4持续向前运行，在顶部的后挖部分隧道内继续安装支护钢架20的上部拱形部分，并挂网湿喷支护；
在有必要的位置，即软弱岩层的位置进行超前导管注浆支护；s04、在开挖形成的芯岩5端面设置多个注浆孔51，注浆孔51的轴线与隧道1的轴线平行，用管路将柱塞压力机15与注浆孔51连接，在注浆孔51按照由外层到内层的顺序注入压力介质，使芯岩5依次在无侧限的状态下破碎；s05、在破碎的芯岩5之后设置铣平装置11，驱动游动刀盘装置2沿水平的第二滑道22移动，对地面进行切削使隧道1地面平整；通过以上步骤实现破碎围岩条件下非圆形隧道的快速掘进。
40.上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本技术中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。