一种悬臂掘进机及其开挖方法
技术领域
本发明涉及隧道施工技术领域，特别是指一种悬臂掘进机及其开挖方法。
背景技术
岩石隧道掘进机（TBM）是一种集机械、电子、液压、激光等技术于一体的大型隧道开挖装备，在山岭隧道及城市地铁工程建设中发挥着重要作用。目前该种掘进机的开挖断面基本为圆形，虽然也有少部分可以完成矩形、马蹄形等异形断面的案例，但是这些异形断面全部应用于软土隧道开挖，在岩石隧道工程中还未见，并且该种掘进机开挖断面一旦确定，在应用过程中就无法再次改变，其开挖形状单一，应用范围受限，无法做到任意断面开挖。目前在岩石隧道中，成形断面采用马蹄形等异形断面的工程越来越多，如果采用传统的圆形掘进机开挖，势必增大了工程开挖量，同时多挖的一部分还要回填，不仅增大了工程成本，还延长了工期。
传统全断面隧道掘进机开挖通过刀盘垂直挤压掌子面进行掘进，刀具磨损严重，开挖速度慢。而现有的悬臂掘进机如申请号为201821324346.7的一种搭载悬切刀破岩的多臂式悬臂掘进机，仅能通过悬切刀开挖，开挖阻力大，开挖断面受限，且掘进效率低，因此需要研制一种能变径开挖任意断面且开挖效率高的悬臂掘进机，以适应多样断面隧道开挖。
发明内容
针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种悬臂掘进机及其开挖方法，以解决上述技术问题。
本发明的技术方案是这样实现的：一种悬臂掘进机，包括主机结构，所述主机结构上设有主驱动和组合式开挖装置，组合式开挖装置与主驱动相连接，主驱动的下方设有清渣装置，清渣装置与设置在后配套系统上的出渣系统相连接。
所述组合式开挖装置包括支撑盘、中心开挖机构和悬臂式开挖机构，支撑盘与主驱动相连接，主驱动带动支撑盘转动，所述中心开挖机构设置在支撑盘的中心处，悬臂式开挖机构设置在支撑盘的外沿处。
所述中心开挖机构包括连接轴和中心刀盘，连接轴的一端与支撑盘固定连接、另一端与中心刀盘相连接，中心刀盘上设有开挖刀具，中心刀盘的直径不小于支撑盘的直径。
所述中心刀盘为锥台型刀盘，开挖刀具设置在锥台型刀盘的前端面和锥型侧面上，中心刀盘通过连接法兰与连接轴固定连接，所述悬臂式开挖机构与连接法兰可开合设置。
所述悬臂式开挖机构包括至少两个伸缩悬切臂，伸缩悬切臂等角度铰接在支撑盘上，且通过驱动油缸与中心开挖机构相连接。
所述伸缩悬切臂包括固定外臂、伸缩內臂和悬切滚刀，伸缩內臂套设在固定外臂内，且通过伸缩油缸与固定外臂滑动连接，所述伸缩內臂的外端部设有旋转刀盘，悬切滚刀沿轴向设置在旋转刀盘上。
所述固定外臂的外壁上设有连接耳座，驱动油缸的一端与连接耳座铰接、另一端与中心开挖机构的连接法兰铰接。
所述清渣装置包括清渣铲斗和螺旋输送机，所述清渣铲斗连接在主驱动下部的外壳上，螺旋输送机设置在主机结构上，螺旋输送机的进渣端与清渣铲斗相对应，螺旋输送机的出渣端与出渣系统相对应。
所述出渣系统为皮带输送机，皮带输送机设置在后配套系统上，所述主机结构上设有管片拼装机和撑靴机构。
一种悬臂掘进机的开挖方法，步骤如下：
S1：通过中心开挖机构的中心刀盘对掌子面进行开挖，形成开挖洞，开挖洞内壁面和掌子面为临空面；
S2：中心刀盘完全掘入开挖洞内后，悬臂式开挖机构的伸缩悬切臂伸出，在主动驱动的作用下，伸缩悬切臂上的悬切滚刀对临空面进行悬切开挖；
S3：在悬切滚刀对临空面进行悬切开挖过程中，调节伸缩悬切臂的伸出长度，使悬切滚刀对开挖洞进行逐层扩挖；
S4：在悬切滚刀对临空面进行悬切开挖过程中，实时调节伸缩悬切臂在转动过程中的伸出长度，对开挖洞进行不同截面的扩挖。
步骤S1的具体步骤如下：
S1.1：将组合式开挖装置的四个伸缩悬切臂完全收缩至中心刀盘的后部；
S1.2：主驱动通过支撑盘带动组合式开挖装置沿开挖面进行掘进，直到中心刀盘完全掘入洞内，形成开挖洞；
步骤S3的具体步骤如下：
S3.1：组合式开挖装置的四个伸缩悬切臂在驱动油缸的作用下相对中心刀盘张开；
S3.2：伸缩悬切臂在伸缩油缸的控制下向外伸出，四个伸缩悬切臂的伸出长度沿旋转方向逐个增加，完成伸缩悬切臂长度调节和相对中心刀盘的向外展开；
S3.3：在主驱动的作用下，伸出长度最短的伸缩悬切臂上的悬切滚刀对掌子面形成的临空面进行悬切开挖形成第一开挖临空面；同时相邻伸缩悬切臂上的悬切滚刀对第一开挖临空面进行悬切开挖形成第二开挖临空面，按上述开挖方式，四个伸缩悬切臂同时进行四层临空面的逐层开挖；
S3.4：重复步骤S3.3向外展开的伸缩悬切臂上的悬切滚刀对中心刀盘开挖的洞壁进行悬切扩挖。
步骤S4的具体步骤如下：
S4.1：在掘进过程中，根据开挖轮廓设计，通过驱动油缸和伸缩油缸对伸缩悬切臂进行角度和伸出长度的调节，使伸缩悬切臂的悬切滚刀的开挖轨迹与开挖轮廓相匹配，对开挖洞的洞壁进行相应扩挖，进而实现异形断面隧道的开挖；
S4.2：伸缩悬切臂对洞壁扩挖完成以后，通过驱动油缸和伸缩油缸将伸缩悬切臂收合到中心刀盘后部，进入到下一个掘进循环。
本发明采用组合式开挖装置对开挖面进行开挖，组合式开挖装置的中心刀盘对隧道进行滚刀的挤压破岩在先开挖，伸缩悬切臂的悬切滚刀对中心刀盘开挖的洞壁进行在后悬切开挖，完成隧道的开挖、扩挖一次成型，提高开挖效率。通过对本发明缩悬切臂展开角度和伸出长度的调节，对洞壁进行实时可调的扩挖，能满足各种异形断面隧道的开挖，开挖灵活性和适用性较高，是隧道开挖的一大创新，具有较高的推广价值。
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为本发明整体结构示意图。
图2为本发明组合式开挖装置结构示意图。
图3为本发明伸缩悬切臂结构示意。
图4为本发明伸缩悬切臂内部结构示意。
图5为伸缩悬切臂处于收合掘进状态示意图。
图6为伸缩悬切臂处于张开掘进状态示意图。
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。
如图1所示，实施例1，一种悬臂掘进机，包括相连接的主机结构5和后配套系统3，后配套系统3连接在主机结构的后部，包括掘进机常用配套系统。所述主机结构5的前端设有主驱动2和组合式开挖装置1，主驱动2固定在主机结构上，组合式开挖装置1与主驱动2相连接，主驱动为组合式开挖装置的旋转提高动力。主驱动2的下方设有清渣装置4，清渣装置4与设置在后配套系统3上的出渣系统相连接，完成隧道开挖过程中产生的渣土。所述主机结构5的主梁上设有管片拼装机和撑靴机构，与现有掘进机结构设置相类似。
进一步，所述组合式开挖装置1包括支撑盘107、中心开挖机构和悬臂式开挖机构，支撑盘107与主驱动2相连接，主驱动2带动支撑盘107转动，所述中心开挖机构设置在支撑盘107的中心处，悬臂式开挖机构设置在支撑盘107的外沿处，中心开挖机构位于悬臂式开挖机构的中部，形成伞形结构，且悬臂式开挖机构能相对中心开挖机构开合和伸缩，用于异形断面隧道的开挖。
进一步，如图2所示，所述中心开挖机构包括连接轴104和中心刀盘102，连接轴104沿主机结构5轴向设置，连接轴104的一端与支撑盘107固定连接、另一端与中心刀盘102相连接，实现中心刀盘与支撑盘的同步转动，中心刀盘102上设有开挖刀具101，开挖刀具可采用现有的滚刀，中心刀盘102的直径不小于支撑盘107的直径，以实现悬臂式开挖机构处于收合状态时，能完全收合在中心刀盘后部，以不影响中心刀盘102的正常掘进。
优选地，所述中心刀盘102为锥台型刀盘，即前大后小的锥台，提高中心刀盘在开挖过程中的嵌入力，提高掘进效率。开挖刀具101均布设置在锥台型刀盘的前端面和锥型侧面上。中心刀盘102通过连接法兰103与连接轴104固定连接，所述悬臂式开挖机构与连接法兰103可开合设置，即悬臂式开挖机构能相对中心刀盘102的连接轴104展开和收合，与伞形结构收合方式相同。
如图3、4所示，实施例2，一种悬臂掘进机，所述悬臂式开挖机构包括两个或四个伸缩悬切臂106，伸缩悬切臂106等角度铰接在支撑盘107上，且通过驱动油缸105与中心开挖机构相连接，在驱动油缸的作用下，伸缩悬切臂106能相对与支撑盘的铰接点摆动，实现伸缩悬切臂的张开与否。
进一步，所述伸缩悬切臂106包括固定外臂1061、伸缩內臂1062和悬切滚刀1063，固定外臂铰接在支撑盘上，伸缩內臂1062套设在固定外臂1061内，且通过伸缩油缸1065与固定外臂1061滑动连接，固定外臂1061为中空结构，伸缩油缸1065内置在固定外臂内，且一端与固定外臂铰接、另一端与伸缩內臂铰接，在伸缩油缸的作用下，伸缩內臂能相对固定外臂伸缩，实现伸缩悬切臂整体长度的调节。所述伸缩內臂1062的外端部设有旋转刀盘1064，即旋转刀盘包括固定部和转动部，转动部与固定部之间设有轴承结构，固定部与伸缩內臂固定连接，悬切滚刀1063固定在转动部，即悬切滚刀1063沿轴向设置在旋转刀盘1064上，掘进过程中悬切滚刀受力，旋转刀盘能进行被动转动。所述固定外臂1061的外壁上设有连接耳座1066，驱动油缸105的一端与连接耳座1066铰接、另一端与中心开挖机构的连接法兰103铰接。在驱动油缸的作用下，固定外臂带动伸缩內臂、旋转刀盘绕与支撑盘的铰接点摆动。
进一步，所述清渣装置4包括清渣铲斗401和螺旋输送机402，所述清渣铲斗401连接在主驱动2下部的外壳上，清渣铲斗可通过调节油缸与主驱动外壳连接，用于其收料角度的调节。螺旋输送机402设置在主机结构5上，螺旋输送机402的进渣端与清渣铲斗401相对应，螺旋输送机402的出渣端与出渣系统相对应。所述出渣系统为皮带输送机，皮带输送机设置在后配套系统3上，在掘进过程中，组合式开挖装置开挖下的渣土汇集到清渣铲斗，然后经螺旋输送机运输至皮带输送机，完成渣土的连续运输。
如图5、6所示，实施例3：一种如实施例2所述的悬臂掘进机的开挖方法，步骤如下：
S1：通过中心开挖机构的中心刀盘102对掌子面进行开挖，形成开挖洞，开挖洞内壁面和掌子面为临空面。即将组合式开挖装置1的四个伸缩悬切臂106完全收缩至中心刀盘102的后部，此时收合后的伸缩悬切臂所在的直径不大于中心刀盘的最大刀盘直径；然后主驱动2通过支撑盘107带动组合式开挖装置1沿开挖面进行掘进，中心刀盘102对开挖面进行挤压破岩掘进，直到中心刀盘102完全掘入洞内，形成开挖洞，此时开挖洞内壁面和掌子面为临空面，为悬臂式开挖机构提供悬切面。
S2：中心刀盘102完全掘入开挖洞内后，悬臂式开挖机构的伸缩悬切臂106伸出，在主动驱动的作用下，伸缩悬切臂106上的悬切滚刀1063对临空面进行悬切开挖；
S3：在悬切滚刀1063对临空面进行悬切开挖过程中，调节伸缩悬切臂106的伸出长度，使悬切滚刀1063对开挖洞进行逐层扩挖；当不同伸缩悬切臂伸出不同长度时，伸出量小的（短的）先对接触的临空面进行悬切扩挖，伸出量大的（长的）对前一伸缩悬切臂106的悬切面进行悬切扩挖。具体如下：
S3.1：组合式开挖装置1的四个伸缩悬切臂106在驱动油缸105的作用下相对中心刀盘102张开；其展开角度和伸出长度，根据需要适时调节；
S3.2：伸缩悬切臂106在伸缩油缸1065的控制下向外伸出，四个伸缩悬切臂106的伸出长度沿旋转方向逐个依次增加，相邻两个伸缩悬切臂伸出量的差值为悬切厚度，调整好伸出量后，完成伸缩悬切臂106长度调节和相对中心刀盘102的向外展开；
S3.3：在主驱动的作用下，伸出长度最短的伸缩悬切臂106（设为0°伸缩悬切臂）上的悬切滚刀1063对掌子面形成的临空面进行悬切开挖形成第一开挖临空面；同时相邻伸缩悬切臂106（即90°伸缩悬切臂）上的悬切滚刀1063对第一开挖临空面进行悬切开挖形成第二开挖临空面；然后180°伸缩悬切臂上的悬切滚刀1063对第二开挖临空面进行悬切开挖形成第三开挖临空面；然后270°伸缩悬切臂上的悬切滚刀1063对第三开挖临空面进行悬切开挖形成第四开挖临空面，如上完成一个开挖段的四层扩挖，提高开挖效率。按上述开挖方式，选用N个伸缩悬切臂106可进行N层临空面的逐层开挖。
S3.4：重复步骤S3.3向外展开的伸缩悬切臂106上的悬切滚刀1063对中心刀盘102开挖的洞壁进行悬切扩挖。
S4：在悬切滚刀1063对临空面进行悬切开挖过程中，实时调节伸缩悬切臂106在转动过程中的伸出长度，对开挖洞进行不同截面的扩挖。具体步骤如下：S4.1：在掘进过程中，根据开挖轮廓设计，通过驱动油缸105和伸缩油缸1065对伸缩悬切臂106进行角度和伸出长度的调节，使伸缩悬切臂106的悬切滚刀1063的开挖轨迹与开挖轮廓相匹配，对开挖洞的洞壁进行相应扩挖，进而实现异形断面隧道的开挖；
S4.2：伸缩悬切臂106对洞壁扩挖完成以后，通过驱动油缸105和伸缩油缸1065将伸缩悬切臂106收合到中心刀盘102后部，进入到下一个掘进循环。
在掘进过程中，根据设计需要通过驱动油缸105和伸缩油缸1065对伸缩悬切臂106进行展开角度和伸出长度的调节，对洞壁进行相应扩挖，进而实现异形断面隧道的开挖，适用性和灵活性较高，且能实现实时调节；开挖过程中，产生的渣石经清渣装置和出渣系统运输至隧洞外，完成清渣。
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。
