隧道掘进机的制作方法

1.本发明涉及掘进设备技术领域，特别涉及一种隧道掘进机。


背景技术：

2.在隧道施工过程中，会遇到很多斜井及小半径竖直曲线隧道的问题，目前国内通常采用钻爆法施工，该方法会面临安全问题突出、质量难以控制、进度慢、人工成本高等一系列问题。如果采用隧道掘进机(tbm，tunnel boring machine)进行施工，就要解决tbm由水平隧道向斜向隧道转变过程中遇到的小转弯半径问题，斜向隧道指的是相对于水平面倾斜的隧道。目前tbm通常采用推进系统或者铰接油缸进行转弯，若要实现tbm向上或者向下转弯，需要推进油缸具有足够大的推力改变刀盘角度，对推进油缸的推力要求较高。
3.因此，如何降低由水平隧道向斜向隧道转弯过程中对推进油缸的推力要求，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的是提供一种隧道掘进机，能够降低由水平隧道向斜向隧道转弯过程中对推进油缸的推力要求。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种隧道掘进机，包括由前至后依次设置的前基体、推进油缸和撑紧盾，所述推进油缸包括上推进油缸和设于所述上推进油缸下侧的下推进油缸；所述前基体包括下伸缩护盾、刀盘和设于所述刀盘后侧的前盾，所述推进油缸的前后两端分别铰接于所述前盾和所述撑紧盾，所述下伸缩护盾包括下伸缩油缸和连接于所述下伸缩油缸底端的下护盾壳体，所述下伸缩油缸的上端连接于所述前盾，在所述下伸缩油缸的带动下，所述下护盾壳体能够向下移动且运动至所述前盾的底面后侧，且能够回缩至所述前盾的底面之上；所述下护盾壳体回缩至所述前盾的底面之上的状态下，所述前基体具有相对于水平面摆动的趋势。
7.优选地，所述前基体还包括设于所述前盾中的主驱动装置，所述刀盘连接于所述主驱动装置的输出端，所述主驱动装置用于为所述刀盘提供扭转力。
8.优选地，所述前基体还包括上伸缩护盾，所述上伸缩护盾包括上伸缩油缸和连接于所述上伸缩油缸顶端的上护盾壳体，所述上伸缩油缸的下端连接于所述前盾，所述上护盾壳体能够在所述上伸缩油缸的带动上伸出所述前盾之外或回缩至所述前盾内。
9.优选地，所述上推进油缸并列设置至少两个，所述下推进油缸并列设置至少两个。
10.优选地，还包括扭矩油缸，所述扭矩油缸的上下两端分别铰接于所述撑紧盾与所述前盾。
11.优选地，所述扭矩油缸为两个，两个所述扭矩油缸的上端均铰接于所述撑紧盾上的同一上铰接轴上，两个所述扭矩油缸的下端分别铰接于所述前盾上沿前后方向依次设置的两个下铰接轴上。
12.优选地，所述前基体还包括水平护盾，所述水平护盾包括能够沿着所述前盾的径
向且垂直于上下方向伸缩的水平油缸和连接于所述水平油缸的径向外端的水平护盾壳体，所述水平油缸的径向内端连接于所述前盾，两个所述水平护盾相对设于所述前盾的两侧。
13.优选地，所述前基体还包括稳定器，所述稳定器能够沿着所述前盾的径向伸出于所述前盾之外或回缩于所述前盾中，至少三个所述稳定器沿着所述前盾的周向依次设置。
14.优选地，各所述稳定器沿周向均匀排布于所述前盾上。
15.本发明提供的隧道掘进机包括由前至后依次设置的前基体、推进油缸和撑紧盾，推进油缸包括上推进油缸和设于上推进油缸下侧的下推进油缸；前基体包括下伸缩护盾、刀盘和设于刀盘后侧的前盾，推进油缸的前后两端分别铰接于前盾和撑紧盾，下伸缩护盾包括下伸缩油缸和连接于下伸缩油缸底端的下护盾壳体，下伸缩油缸的上端连接于前盾，在下伸缩油缸的带动下，下护盾壳体能够向下移动且运动至前盾的底面后侧，且能够回缩至前盾的底面之上；下护盾壳体回缩至前盾的底面之上的状态下，前基体具有相对于水平面摆动的趋势。
16.下伸缩护盾的伸缩运动，能够改变前基体的底部支撑点的位置，从而改变底部支撑点与前基体重心在前后方向上的位置关系，使得前基体能够以该底部支撑点产生倾斜的趋势，借助前基体的自动摆动，再利用推进油缸的伸缩调整前基体的具体角度，即可使刀盘的适应性转向，完成水平隧道向斜向隧道转弯过程，该隧道掘进机相比于完全利用推进油缸进行转向的技术方案，能够降低对推进油缸的推力要求，有利于实现小转弯半径的转向。
附图说明
17.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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
18.图1为本发明所提供tbm的纵剖面结构示意图；
19.图2为本发明所提供tbm的横剖面结构示意图；
20.图3为本发明所提供tbm的竖直曲线转弯示意图；
21.图4为本发明所提供tbm的大坡度爬升示意图。
22.附图标记：
23.刀盘1、前盾2、第一油缸座板201、推进油缸3、撑紧盾4、第二油缸座板401、扭矩油缸5、主驱动装置6、稳定器7、上伸缩护盾8、上护盾壳体801、上伸缩油缸802、下伸缩护盾9、下护盾壳体901、下伸缩油缸902，爬升角α。
具体实施方式
24.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做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。
25.本发明的核心是提供一种隧道掘进机，能够降低由水平隧道向斜向隧道转弯过程中对推进油缸的推力要求。
26.需要说明的是，当元件被称为“固定”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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元件必须具有特定的方位、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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
27.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
28.本发明所提供隧道掘进机的一种具体实施例中，包括由前至后依次设置的前基体、推进油缸3和撑紧盾4。该隧道掘进机具体可以为反斜井tbm。
29.前基体包括下伸缩护盾9、刀盘1、设于刀盘1后侧的前盾2和设于前盾2中的主驱动装置6。刀盘1连接于主驱动装置6的输出端，主驱动装置6用于支撑刀盘1、为刀盘1提供扭转力，主驱动装置6设置在前盾2中，能够被有效保护。刀盘1位于tbm的最前方，是掘进破岩的关键部件。前盾2位于刀盘1的后方，其能够支撑围岩。
30.推进油缸3包括上推进油缸和设于上推进油缸下侧的下推进油缸。推进油缸3的前后两端分别铰接于前盾2和撑紧盾4。推进油缸3的作用是为前盾2和刀盘1提供推进力并辅助转弯，其转弯原理是通过控制推进油缸3的伸出长度，以实现对前盾2和刀盘1的方向控制，例如，下侧的推进油缸3伸出长度大于上侧的推进油缸3，则前盾2和刀盘1会向上抬头，从而实现上曲线转弯。
31.撑紧盾4位于推进油缸3的后方，其作用是为推进油缸3提供反力。
32.下伸缩护盾9包括下伸缩油缸902和连接于下伸缩油缸902底端的下护盾壳体901，下伸缩油缸902的上端连接于前盾2，下护盾油缸为下护盾壳体901的伸出和收回提供动力。在下伸缩油缸902的带动下，下护盾壳体901能够向下移动且运动至前盾2的底面后侧，且能够回缩至前盾2的底面之上。下护盾壳体901回缩至前盾2的底面之上的状态下，前基体具有相对于水平面摆动的趋势。可选地，下护盾油缸有两个，且相对前盾2纵剖面对称布置。
33.具体如图2所示，本实施例中，前基体的重心位于前盾2底面的后侧。在下伸缩护盾9伸出状态下，前盾2的底面与下伸缩护盾9共同支撑在洞壁上，此时，围岩对前基体的支撑合力作用点位于点b；在tbm上转弯掘进时，下伸缩护盾9收回，围岩对前盾2的支撑合力作用点就会前移至点a，此时，前基体的重心g位于该支撑合力作用点a的后方，前基体就会有前上后下的倾斜趋势，也就是说刀盘1会向上抬起，可实现tbm竖直曲线转弯，另外，斜井换步过程中，下伸缩护盾9也可以适应性地调整其上下位置以给前盾2提供附加撑紧力，保证斜井换步过程中的安全性和稳定性。当然，在其他实施例中，前基体的重心位于前盾2底面的前侧，则下伸缩护盾9收回后，围岩对前盾2的支撑合力作用点就会后移，相应地，前基体的重心位于该支撑合力作用点的前方，前基体就会有前下后上的倾斜趋势。
34.本实施例中，下伸缩护盾9的伸缩运动，能够改变前基体的底部支撑点的位置，从而改变底部支撑点与前基体重心在前后方向上的位置关系，使得前基体能够以该底部支撑点产生倾斜的趋势，借助前基体的自动摆动，再利用推进油缸3的伸缩调整前基体的具体角
度，即可使刀盘1的适应性转向，完成水平隧道向斜向隧道转弯过程，该隧道掘进机相比于完全利用推进油缸3进行转向的技术方案，能够降低对推进油缸3的推力要求。
35.进一步地，前基体还包括上伸缩护盾8，上伸缩护盾8包括上伸缩油缸802和连接于上伸缩油缸802顶端的上护盾壳体801，上伸缩油缸802的下端连接于前盾2。上护盾油缸为上护盾壳体801的伸出和收回提供动力，上护盾壳体801能够在上伸缩油缸802的带动上伸出前盾2之外或回缩至前盾2内。上伸缩护盾8可以调整前盾2外圆大小以适应小转弯要求，同时也可以在斜井换步过程中，给前盾2提供附加撑紧力，进一步保证斜井换步过程的安全性和稳定性。此外，上伸缩护盾8和下伸缩护盾9收回后，可以减小前盾2上上伸缩护盾8和下伸缩护盾9贯穿部分的外周半径，使前盾2适应竖直曲线小半径转弯的要求。可选地，上护盾油缸有两个，相对前盾2纵剖面对称布置。
36.进一步地，上推进油缸沿水平方向并列设置至少两个，具体可以设置两个，下推进油缸沿水平方向并列设置至少两个，具体可以设置两个，此时，推进油缸3分成上下左右四组，通过左右推进油缸3的伸出长度不同，可以实现前基体的左转和右转。
37.进一步地，请参考图3，该隧道掘进机还包括扭矩油缸5，扭矩油缸5的上下两端分别铰接于撑紧盾4与前盾2。扭矩油缸5可以配合推进油缸3调节tbm的竖直曲线转弯半径，进一步提高转弯半径的可控性。
38.其中，优选地，扭矩油缸5设置两个，此两个扭矩油缸5的上端均铰接于撑紧盾4上的同一上铰接轴上，两个扭矩油缸5的下端分别铰接于前盾2上沿前后方向依次设置的两个下铰接轴上。此两个扭矩油缸5与前盾2之间构成三点支撑，能够提高扭矩油缸5对前基体支撑的稳定性。
39.其中，优选地，前盾2的中下方固定设置第一油缸座板201，撑紧盾4的前上方固定设置第二油缸座板401，扭矩油缸5的上下两端分别铰接于第一油缸座板201和第二油缸座板401。具体地，扭矩油缸5伸出或者缩回会对第一油缸座板201施加一个作用力，使前盾2和刀盘1有向上或者向下的运动趋势，从而调节tbm竖直曲线转弯半径。
40.进一步地，前基体还包括水平护盾，水平护盾包括能够沿着前盾2的径向且垂直于上下方向伸缩的水平油缸和连接于水平油缸的径向外端的水平护盾壳体，水平油缸的径向内端连接于前盾2，两个水平护盾相对设于前盾2的两侧。通过调整水平护盾的伸出长度，可以辅助前基体进行左右转向。
41.进一步地，前基体还包括稳定器7，稳定器7能够沿着前盾2的径向伸出于前盾2之外或回缩于前盾2中，稳定器7的作用是可以撑紧围岩，保证tbm在斜井掘进换步过程中前盾2及刀盘1的稳定性。至少三个稳定器7沿着前盾2的周向依次设置。优选地，各稳定器7沿周向均匀排布于前盾2上，例如，四个稳定器7沿着周向等间距设置。
42.本实施例提供隧道掘进机，向上转弯时工作原理如下：tbm由水平掘进向上转弯时，如图3所示，上伸缩护盾8和下伸缩护盾9收回，此时围岩对前盾2的支撑合力作用点前移，刀盘1、前盾2及主驱动装置6等部件所构成的前基体的重心位于该支撑合力作用点的后方，前盾2会在重力作用下呈前上后下倾斜，刀盘1会向上抬起，再根据需要，调整扭矩油缸5的伸出长度和推进油缸3上下侧油缸的不同伸出长度，就可实现反井tbm竖直曲线小半径转弯，并增大tbm的爬升角度，如图4所示；上伸缩护盾8和下伸缩护盾9收回后，可以减小前盾2上下外周半径，使前盾2适应小半径转弯的要求；tbm在向上转弯或大斜坡掘进时，前盾2四
周的稳定器7可以维持前盾2的稳定性。
43.该隧道掘进机利用刀盘1、前盾2和主驱动装置6的重心位置关系，能使刀盘1自动抬起一定角度，具体角度可达3
‑4°
，转弯半径能达到35
‑
45米，最大爬升角可达45
‑
60
°
，其可实现的较小的竖直曲线转弯半径，能够适应大坡度斜井反向施工的要求，具有良好的斜向掘进稳定性。
44.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
45.以上对本发明所提供的隧道掘进机进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

技术特征：
1.一种隧道掘进机，其特征在于，包括由前至后依次设置的前基体、推进油缸(3)和撑紧盾(4)，所述推进油缸(3)包括上推进油缸和设于所述上推进油缸下侧的下推进油缸；所述前基体包括下伸缩护盾(9)、刀盘(1)和设于所述刀盘(1)后侧的前盾(2)，所述推进油缸(3)的前后两端分别铰接于所述前盾(2)和所述撑紧盾(4)，所述下伸缩护盾(9)包括下伸缩油缸(902)和连接于所述下伸缩油缸(902)底端的下护盾壳体(901)，所述下伸缩油缸(902)的上端连接于所述前盾(2)，在所述下伸缩油缸(902)的带动下，所述下护盾壳体(901)能够向下移动且运动至所述前盾(2)的底面后侧，且能够回缩至所述前盾(2)的底面之上；所述下护盾壳体(901)回缩至所述前盾(2)的底面之上的状态下，所述前基体具有相对于水平面摆动的趋势。2.根据权利要求1所述的隧道掘进机，其特征在于，所述前基体还包括设于所述前盾(2)中的主驱动装置(6)，所述刀盘(1)连接于所述主驱动装置(6)的输出端，所述主驱动装置(6)用于为所述刀盘(1)提供扭转力。3.根据权利要求1所述的隧道掘进机，其特征在于，所述前基体还包括上伸缩护盾(8)，所述上伸缩护盾(8)包括上伸缩油缸(802)和连接于所述上伸缩油缸(802)顶端的上护盾壳体(801)，所述上伸缩油缸(802)的下端连接于所述前盾(2)，所述上护盾壳体(801)能够在所述上伸缩油缸(802)的带动上伸出所述前盾(2)之外或回缩至所述前盾(2)内。4.根据权利要求3所述的隧道掘进机，其特征在于，所述上推进油缸并列设置至少两个，所述下推进油缸并列设置至少两个。5.根据权利要求3所述的隧道掘进机，其特征在于，还包括扭矩油缸(5)，所述扭矩油缸(5)的上下两端分别铰接于所述撑紧盾(4)与所述前盾(2)。6.根据权利要求5所述的隧道掘进机，其特征在于，所述扭矩油缸(5)为两个，两个所述扭矩油缸(5)的上端均铰接于所述撑紧盾(4)上的同一上铰接轴上，两个所述扭矩油缸(5)的下端分别铰接于所述前盾(2)上沿前后方向依次设置的两个下铰接轴上。7.根据权利要求3所述的隧道掘进机，其特征在于，所述前基体还包括水平护盾，所述水平护盾包括能够沿着所述前盾(2)的径向且垂直于上下方向伸缩的水平油缸和连接于所述水平油缸的径向外端的水平护盾壳体，所述水平油缸的径向内端连接于所述前盾(2)，两个所述水平护盾相对设于所述前盾(2)的两侧。8.根据权利要求3所述的隧道掘进机，其特征在于，所述前基体还包括稳定器(7)，所述稳定器(7)能够沿着所述前盾(2)的径向伸出于所述前盾(2)之外或回缩于所述前盾(2)中，至少三个所述稳定器(7)沿着所述前盾(2)的周向依次设置。9.根据权利要求8所述的隧道掘进机，其特征在于，各所述稳定器(7)沿周向均匀排布于所述前盾(2)上。
技术总结
本发明公开了一种隧道掘进机，包括由前至后依次设置的前基体、推进油缸和撑紧盾，推进油缸包括上推进油缸和设于上推进油缸下侧的下推进油缸；前基体包括下伸缩护盾、刀盘和前盾，推进油缸的前后两端分别铰接于前盾和撑紧盾，下伸缩护盾包括下伸缩油缸和连接于下伸缩油缸底端的下护盾壳体，下伸缩油缸的上端连接于前盾，在下伸缩油缸的带动下，下护盾壳体能够向下移动且运动至前盾的底面后侧，且能够回缩至前盾的底面之上；下护盾壳体回缩至前盾的底面之上的状态下，前基体具有相对于水平面摆动的趋势。下伸缩护盾的伸缩运动使得前基体能够产生倾斜的趋势，由于可借助前基体的自动摆动，能够降低对推进油缸的推力要求，实现小转弯半径的转向。弯半径的转向。弯半径的转向。


技术研发人员：唐建国 刘飞香 童慧 彭正阳 苏军安 巫敏 任鑫 朱静萍 雷谷峰 左程 岳金文 耿必君 邵质中 刘龙 张强
受保护的技术使用者：湖南平江抽水蓄能有限公司 中国铁建重工集团股份有限公司 中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司
技术研发日：2021.04.23
技术公布日：2021/6/25