[发明专利]一种多级扩挖全断面自行进隧道连续掘进装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在较大断面的岩石隧道掘进中，采用多个自行进刀盘先行切削岩体，再后用多级刀盘补充连续切削剩余岩体形成全断面隧道工作面的装置和方法。

背景技术

目前，地下工程岩石隧道修建中使用较多的单护盾或双护盾岩石隧道掘进机（TBM-Tunnel Boring Method）采用的前行反力和前方刀盘切削工作面岩体所需的推力依赖于掘进机后方的外伸撑靴与周围岩体撑紧所产生的摩擦反力。缺点是：掘进机每进行一个循环，均需要刀盘的间歇停顿来实现掘进机向前的多步骤换步工作。在掘进机一般本来只有总工作的20%～50%用于掘进的纯作业时间情况下，还要从中必须保证占纯作业时间15%以上，甚至达到50%的换步时间。因此，降低了掘进机的利用率。

随着隧道开挖直径的增大，带来诸多不利影响：

（1）由于刀盘多数是单轴回转驱动式。

与直径有关的是刀头内周与外周的周差速增大，刀头受力及磨损的均匀性差，对刀头产生种种不良影响；

增大对刀盘扭矩要求；

对刀盘旋转切削的效率造成影响。

（2）随着开挖直径的增大

推力增大：要求支撑靴面积或数量增多，影响到机体内部布置；对洞壁承载力要求更高；

TBM拆解、运输、再组装费时长。

因此，目前尽管TBM公认的开挖隧道直径可以为1.2m～12m之间，而又以直径3～6m最为成熟的原因之一。

此外，现有岩石隧道掘进机采用向隧道洞壁撑紧撑靴产生摩擦力为掘进机前行提供反力的方式，对洞壁的岩石性质、撑紧力的数值合理性等因素要求较高，制约了掘进机的应用范围和掘进机前行施工的有效性。撑靴的对洞周的撑紧和释放也对周边岩体造成扰动，影响到周边敏感岩体的稳定性。

发明内容

为了解决现状岩石隧道掘进机大直径掘进机换步影响掘进、边刀磨损快、撑靴推力加大对开挖洞壁稳定性要求高、开挖效率影响问题，本发明提出了一种多级扩挖全断面自行进隧道连续掘进装置和方法。

一种多级扩挖全断面自行进隧道连续掘进装置，其包括有工作面前方布置的多个岩石钻丝旋扩器、掘进机筒壳16和位于所述岩石钻丝旋扩器搭接间隙后的二级切削刀盘17；

所述的岩石钻丝旋扩器包括有超前钻孔钻杆5，安装在超前钻孔钻杆5前端的超前钻孔钻头2、套装在超前钻孔钻杆5上的位于超前钻孔钻头2后的岩石攻丝钻头6，套装在超前钻孔钻杆5上的位于岩石攻丝钻头6后的螺旋管10、超前孔钻杆5的另一端安装在掘进机筒壳16的内部，在钻杆驱动扭矩20的作用下，钻成超前钻孔3。螺旋管10后部的无螺旋部位上套装有环形切削刀盘12，在螺旋管10的端部通过推力轴承14设置有用于提供推力的螺旋管端部推力盘16；岩石攻丝钻头6与螺旋管10之间设置有用于攻丝所残生的碎岩石排出的岩石攻丝钻头与螺旋管过渡段7，攻丝钻头与螺旋管过渡段7为管状，攻丝钻头与螺旋管过渡段7的直径小于等于攻丝后的孔径，超前钻孔钻杆5中设置有与钻孔冲洗液入口23相通并且连通至超前钻孔钻头2的超前钻孔钻杆中心孔4；在超前钻孔钻杆5和螺旋管10之间设置有与岩屑混合液出口22相连的超前钻杆外与螺旋管内环形空间，超前钻杆外与螺旋管内环形空间连接至岩屑混合液出口22；岩石攻丝钻头与螺旋管过渡段7上设置有连通所述超前钻杆外与螺旋管内环形空间与螺旋管10外空间的螺旋管出渣孔8。在螺旋管10套装有一级切削刀盘11。

所述环形切削刀盘12安装在掘进机筒壳16上。

所述的二级切削刀盘17在掘进方向上位于一级切削刀盘11与环形切削刀盘12之间。

所述的环形切削刀盘12为整体式。

所述的岩石钻丝旋扩器的数目为M，M≥1。

所述的二级切削刀盘17的数目为N,N≥1。

在所述的一级切削刀盘11与环形切削刀盘12之间设置有用于存放岩渣的岩渣仓21。

所述的岩石钻丝旋扩器中的螺旋管10和一级切削刀盘11均通过推力轴承14与位于掘进机筒壳16内的掘进机内固定架13固定相连。

所述的一级切削刀盘11、螺旋管10、超前钻孔钻头2分别由一级切削刀盘扭矩驱动源18，螺旋管扭矩驱动源19，超前钻孔动力源20驱动。