CN109611112B - 一种隧道开挖掘进用多头凿岩钻机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道开挖掘进用多头凿岩钻机，包括具有多层作业平台的隧道开挖台车，隧道开挖台车通过作业平台设有多台能够自动进给的凿岩机。优选，通过作业平台设置的凿岩机由桁架机械手或悬吊装置悬吊在对应的所述作业平台下方，凿岩机呈可升降调节地连接在所述吊臂上；隧道开挖台车上设有仿洞壁的弧形轨道；隧道开挖台车还通过弧形轨道设有数台凿岩机；弧形轨道由固定轨道和活动轨道组成仿隧道洞壁弧形结构；固定轨道通过顶层作业平台设置，活动轨道通过顶层作业平台下方的下层作业平台设置。本发明的有益效果是，通过多层台车设置众多能够自动进给的凿岩机，从而简化结构，降低制造成本和隧道施工成本。

Description

一种隧道开挖掘进用多头凿岩钻机

技术领域

本发明涉及隧道施工设施，特别涉及一种隧道开挖掘进用多头凿岩钻机。

背景技术

随着国内高铁建设速度的加快，高铁隧道施工设施技术也在不断进步。隧道开挖是隧道施工的一部分，开挖隧道需要根据隧道围岩等级等条件来设计开挖方式。现有隧道开挖方式主要有全断面开挖、二台阶开挖和三台阶开挖等。现有开挖作业台车通常为固定结构形式，只能适应一种开挖方式，这使得现有开挖作业台车使用范围受到限制，不能适应开挖方式的改变进行结构变化，更难以重复利用。另外，在硬岩隧道掘进的施工中，需要施工炮孔进行爆破作业。目前主要采用凿岩钻机进行钻孔作业，钻孔作业设备包括大型凿岩钻机和伸缩支腿式凿岩钻机等。伸缩支腿式凿岩钻机属于轻便型单机作业设备，包括凿岩钻机主机和铰接的伸缩支腿，支腿的支撑端抵靠在岩体上，凿岩钻机主机通过气压或液压伸缩支腿铰接支撑，人工扶持作业。其造价低，在实际的隧道施工中得到广泛应用。但由于必须由人力扶持，其劳动强度大，且同一作业面上能够同时进行凿岩作业的作业点数量受到极大限制，其施工效率低。大型凿岩钻机由多个凿岩臂组成，凿岩臂上设有液压或气动滑台，凿岩钻机主机固定连接在滑台上，通过液压缸或气缸推动滑台移动实现凿岩掘进。其由于具有多个凿岩臂同时作业。因此，其凿岩效率高，劳动强度低。但现有大型凿岩钻机结构复杂，造价昂贵，普及度极低。同时，这两种凿岩设备的钻杆长度受液压缸或气缸行程或支腿伸缩长度限制，在需要增加钻进深度时，需要回退滑台或收缩支腿后追加钻杆，才能加大钻进深度，其操作繁琐。为此，需要一种结构简单的多头凿岩钻机。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术中多头凿岩钻机结构复杂、造价昂贵的不足，提供一种隧道开挖掘进用多头凿岩钻机，该钻机通过在多层作业台车上设置自动进给的凿岩机，从而简化结构，降低制造成本和隧道施工成本。

为实现前述目的，本发明采用如下技术方案。

一种隧道开挖掘进用多头凿岩钻机，包括具有多层作业平台的隧道开挖台车，隧道开挖台车通过作业平台设有多台能够自动进给的凿岩机。

采用前述方案的本发明，多台自动进给凿岩机通过多层作业平台的隧道开挖台车设置，多台凿岩机按隧道掘进施工方式分布，包括全断面掘进和台阶法掘进的对应分布方式；凿岩机可根据钻进位置和角度固定设在台车上，或者，钻进位置和角度可调节的设在台车上；对于平顶小断面隧道，通常采用全断面掘进方式开挖，炮孔沿隧道掘进方向直线钻进的情况下，凿岩机通常采用钻进位置和角度固定的方式固定连接在开挖台车上；当隧道断面具有拱形结构时，通常需要设置仿洞壁的弧形拱架设置凿岩机；当采用全断面法施工时，凿岩机通常采用钻进位置和角度固定的方式固定连接在开挖台车上；为减少凿岩机数量，部分凿岩机也可采用钻进位置和角度可调整的设置方式设在开挖台车上；当采用台阶法施工时，开挖台车可做成上下层组合的组合结构，并采用上层台车能够相对于下层台车自行走的台车结构，相应层的台车呈左右对称的设置至少两台凿岩机。相应凿岩机可采用单头液压凿岩机，或者采用伸缩支腿式凿岩钻机，通过设置轨道和控制系统构成的步进式自行走凿岩机。本发明通过凿岩机形成多头凿岩钻机，各凿岩机各自形成独立的作业单元，单独控制并独立作业，相对于现有的多头凿岩钻机而言，结构简单，造价低廉，隧道施工成本低；相对于采用伸缩支腿凿岩钻机进行人工作业而言，台车上的凿岩钻机可多台同时作业，仅在必要时由人工进行钻机角度和位置的适当调整即可，相对于人工操作伸缩支腿凿岩钻机的人工作业而言，施工效率显著提升。相应台车采用至少两层的且具有独立行走动力的台车结构时，可很好的适应于全断面施工、双台阶施工或三台阶施工方式。在上层台车位于底层台车上时，适用于全断面施工，在双台阶施工时，上层台车作为一个整体驶离底层台车进行上台阶作业，底层台车对应进行下层台阶作业。当上层台车为双层台车结构时，即上层台车由两层具有独立动力的双台车结构时，在上层的双层台车分离状态，就可实现上台阶和中间台阶作业施工，与底层台车作业配合实现三台阶法施工。从而通过上层台车驶离或驶回停靠，达到同一台车用于多种开挖方式的目的，可有效提高台车的利用价值和利用率，节省施工准备时间，提高施工效率，降低施工成本。其中，台车行走的动力最好来源于电动或液压。

优选的，通过作业平台设置的所述凿岩机由桁架机械手或悬吊装置悬吊在对应的所述作业平台下方。以方便钻进角度和位置的调整，并方便维护和保养；采用桁架机械手的方案时，可进行市场采购，以减少自制件和加工量，提高制造效率，相应桁架机械手也可采用机器人替代；采用悬吊装置悬吊的技术方案时，可降低制造成本，其中，悬吊装置应当通过至少两个吊点悬吊凿岩机，最好悬吊装置在凿岩机上形成的吊点位置呈可调整的结构。

进一步优选的，所述悬吊装置包括轨道、滑块和吊臂；轨道呈水平设置，并与对应作业平台固定，且位于该作业平台下方；滑块呈位置可调节的悬吊在轨道上；所述吊臂悬吊在所述滑块上；所述凿岩机通过沿凿岩机长度方向分布的至少两根所述吊臂设置。悬吊装置在凿岩机上形成至少两个位置可调节的吊点，以方便调整凿岩机与台车的相对位置，从而实现同一平面内的钻进位置和钻进角度的调整。

更进一步优选的，所述凿岩机呈可升降调节地连接在所述吊臂上。从而实现在高度方向上的钻机位置调整，以及俯仰角度的调整。

更进一步优选的，所述轨道由第一轨道和第二轨道组成，第一轨道和第二轨道呈非共线设置。以通过两条轨道设置至少两个吊点，便于多个吊点在凿岩机上形成位置的合理分布，确保凿岩机不变形，提高运行可靠性和使用寿命。两根导轨的非共线设置，是指两根导轨不布置在同一直线上，包括平行布置和非平行的交叉布置；当然，两根导轨可以布置在同一平面内，也可呈高低错位布置；以满足位置可调节和在凿岩机上分布合理的吊点设置原则。

再进一步优选的，所述第一轨道和第二轨道布设成角尺状；第一轨道和第二轨道中之一沿台车纵向布置，另一轨道沿台车横向布置，并由台车边缘向中间延伸。以满足吊点位置较大的调节幅度要求。

优选的，所述步进式自行走的凿岩机包括凿岩主机、伸缩支腿、第一锁止机构和第二锁止机构；所述凿岩主机和伸缩支腿分别固定在主机滑台和支腿滑台上，主机滑台和支腿滑台可移动的设在凿岩机轨道上；所述伸缩支腿一端连接在主机滑台，另一端连接在支腿滑台上；所述第一锁止机构形成在所述主机滑台与所述凿岩机轨道之间；所述第二锁止机构形成在所述支腿滑台与所述凿岩机轨道之间；且第一锁止机构和第二锁止机构具有相同的结构；凿岩机轨道通过凿岩机安装座安装固定，凿岩机安装座呈纵向位置可调节地连接在凿岩机轨道上。通过第一锁止机构处于锁止状态，第二锁止机构处于解锁状态时，支腿滑台与凿岩机轨道固定，凿岩主机在伸缩支腿推动下实施凿岩作业，无需人力扶持和推进，可有效降低劳动强度，显著提高施工效率。在支腿行程达到设定值后，单次凿岩作业完成后，第一锁止机构解锁，第二锁止机构锁止；利用伸缩支腿收缩从而拉动支腿滑台朝凿岩进给方向移动设定值，之后，第一锁止机构锁止，第二锁止机构解锁，进行凿岩机二次钻进。如此循环，在钻杆为数倍支腿的伸缩行程时，可实现多次钻进，无需更换钻杆。以有效提高生产效率，或者，显著提高支腿刚性和使用寿命。凿岩主机后退时，第一锁止机构锁止，第二锁止机构解锁，伸缩支腿回缩；或者，第一锁止机构解锁，第二锁止机构锁止，伸缩支腿伸出，即可实现凿岩主机的逐步回退。其结构简单、操作方便、节省人力、劳动强度低，施工效率高；并可方便实现自动化控制。本方案中的两个锁止机构包括由机械结构件构成的锁紧装置，也包括通过电磁力耦合的固定装置。其中，机械结构件构成的锁紧装置中的活动锁紧构件可采用电驱动、液压驱动或气压驱动。如电磁铁、液压缸或气缸等。其中，凿岩机轨道可弯折成两段的一体结构，适用于操作空间相对狭小的情形，而不便布设长导轨的施工环境。

优选的，所述隧道开挖台车上设有仿洞壁的弧形轨道；隧道开挖台车还通过弧形轨道设有数台步能够自动进给的所述凿岩机。以适应于弧拱形隧道施工，通过弧形轨道设置的凿岩机主要钻凿靠近洞壁的周边孔和辅助孔。

进一步优选的，所述弧形轨道由固定轨道和活动轨道组成仿隧道洞壁弧形结构；固定轨道通过顶层作业平台设置，活动轨道通过顶层作业平台下方的下层作业平台设置，活动轨道与下层作业平台固定连接，下层作业平台可径向伸缩的设在台车骨架上，下层作业平台与台车骨架之间连接有驱动油缸。以实现周边孔和辅助孔钻孔位置调整，满足钻孔位置要求。

本发明的有益效果是，通过多层台车设置众多能够自动进给的凿岩机，从而简化结构，降低制造成本和隧道施工成本。

附图说明

图1是本发明的结构示意主视图。

图2是本发明的结构示意侧视图。

图3是本发明中凿岩机的结构示意主视图。

图4是本发明中图3的仰视图。

图5是本发明的凿岩机中锁止机构的结构示意图。

图6是本发明中隧道开挖台车的结构示意轴测图。

图7是本发明中凿岩机采用悬吊方式设置的结构示意图。

图8是本发明图7的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

参见图1、图2、图3、图5、图6、图7、图8，一种隧道开挖掘进用多头凿岩钻机，包括具有多层作业平台的隧道开挖台车100，隧道开挖台车100通过作业平台设有多台能够自动进给的凿岩机300；通过作业平台设置的凿岩机300由悬吊装置悬吊在对应的所述作业平台下方。其中，隧道开挖台车100包括底层台车1和设在底层台车1上的上层台车；上层台车由中间层台车3和顶层台车4组成，中间层台车3能够相对于底层台车1纵向行走；顶层台车能够相对于中间层台车3纵向行走，且中间层台车3和顶层台车4均具有独立的行走动力；行走动力由电机提供，驱动和行走方式包括与纯电驱动的轮式车辆的驱动和行走方式相同，或者以轨道车辆的驱动和行走方式相同；凿岩机300主要由伸缩支腿式凿岩钻机构成的步进式自行走的凿岩机结构。

其中，隧道开挖台车100上设有仿洞壁的弧形轨道200；隧道开挖台车100还通过弧形轨道200设有数台凿岩机300，凿岩机300沿长度方向分布有两条所述弧形轨道200。弧形轨道200由固定轨道210和活动轨道220组成仿隧道洞壁弧形结构；固定轨道210通过顶层台车4的作业平台设置，活动轨道220通过顶层作业平台下方的中间层台车3和底层台车1的相应作业平台设置，活动轨道220与对应作业平台固定连接，中间层台车3和底层台车1的对应作业平台可径向伸缩的设在对应的台车骨架上，相应的作业平台与台车骨架之间连接有驱动油缸400。具体是弧形轨道200固定连接在弧形拱架上，弧形拱架由多段构成仿洞壁弧形结构，对应段弧形拱架与相应的作业平台固定连接，以确保弧形轨道200的强度和刚性，钻机的长寿命提供保障。

所述悬吊装置包括轨道401、滑块402和吊臂403；轨道401呈水平设置，并与对应作业平台固定，且位于该作业平台下方；滑块402呈位置可调节的悬吊在轨道401上；所述吊臂403悬吊在所述滑块402上，且吊臂403通过竖向设置的铰接销轴与滑块402铰接，以通过吊臂403绕铰接销轴转动实现水平面内的角度位置调节，从而满足凿岩机300钻进位置和角度调节时吊臂403位置变化需求；所述凿岩机300通过沿凿岩机300长度方向分布的两根所述吊臂403设置，悬吊装置在凿岩机300上形成至少两个位置可调节的吊点。凿岩机300呈可升降调节地连接在所述吊臂403上。其中，轨道401由第一轨道401a和第二轨道401b组成，第一轨道401a和第二轨道401b呈非共线设置。具体是第一轨道401a和第二轨道401b布设成角尺状；第一轨道401a和第二轨道401b中之一沿台车纵向布置，另一轨道沿台车横向布置，并由台车边缘向中间延伸。本实施中的第二轨道401b沿台车纵向布置；第一轨道401a沿台车横向布置。

其中，步进式自行走的凿岩机包括凿岩主机301、伸缩支腿302、第一锁止机构和第二锁止机构；凿岩主机301和伸缩支腿302分别固定在主机滑台303和支腿滑台304上，主机滑台303和支腿滑台304可移动的设在凿岩机轨道305上；伸缩支腿302一端连接在主机滑台303，另一端连接在支腿滑台304上；第一锁止机构形成在所述主机滑台303与所述凿岩机轨道305之间；所述第二锁止机构形成在所述支腿滑台304与所述凿岩机轨道305之间；且第一锁止机构和第二锁止机构具有相同的结构；凿岩机轨道305通过凿岩机安装座306安装固定，凿岩机安装座306呈纵向位置可调节地连接在凿岩机轨道305上，且凿岩机安装座306还可升降的连接在吊臂403上；设在弧形轨道200上的凿岩机300通过凿岩机安装座306设置，对应凿岩机安装座306呈位置可调节地连接在弧形轨道200上，并通过对应凿岩机安装座306安装位置的调节实现凿岩机300钻机位置调节；该凿岩机安装座306呈左右组合结构，左侧部分凿岩机轨道305连接，右侧部分与吊臂403连接；左右两部分之间通过转轴连接，以实现凿岩机300的俯仰角度调节，从而适应辅助孔钻孔位置和角度要求。设在弧形轨道200的活动轨道220上的凿岩机300，通过对应平台的伸缩和俯仰角度的调整，可用于钻凿周边孔和辅助孔；通过悬吊装置设置的凿岩机300主要用于钻凿周边孔和掏心孔。

第一锁止机构和第二锁止机构均包括活动锁舌311和固定锁紧座，活动锁舌311由锁止气缸307的活塞杆构成；两个锁止机构的固定锁紧座均由凿岩机轨道305构成；凿岩机轨道305上设有与所述活动锁舌311配合的锁止孔314。锁止孔314设在连接构件305b上，连接构件305b固定在两根平行的导轨构件305a之间；连接构件305b和两根平行的导轨构件305a共同构成凿岩机轨道305。

所述主机滑台303和所述支腿滑台304均包括滑台主体，滑台主体两侧设有滚轮308，滚轮308与对应侧的导轨构件305a外侧形成滚动连接。其中，主机滑台303上设有左右对称分布的至少4个，每个滚轮308通过对应的一轮轴309设置，轮轴309可拆卸的固定在对应滑台上，滚轮308与轮轴309之间设有轴承310；轴承310可采用滚动轴承、滑动轴承或滚针轴承；采用滑动轴承或滚针轴承利于滑台结构紧凑化。其中，导轨构件305a采用圆管制成，滚轮308呈弧形槽轮结构；连接构件305b可由矩形管制成，也可由一块连接板或两块连接板构成；采用矩形管或时两块连接板，在其靠近锁止气缸307的一侧壁或连接板上形成所述锁止孔314；当然，锁止孔最好贯穿两侧壁或两块连接板，以避免在导轨内部堆积粉尘。其中，锁止孔314为均匀分布在连接板长度方向的数个长条孔，采用长条孔，可以方便锁舌插入；并可利用锁止孔的分布位置实现钻孔深度控制，并通过长条形的锁止孔结构形式可以控制钻孔深度的精度。

凿岩机的导轨构件305a也可采用工字钢、矩形管、圆钢、方钢等型钢制造。

其中，凿岩机轨道305通过弯折形成折线形，其弯折方向为轨道305的上方朝向靠近的方向。伸缩支腿302与凿岩主机301的连接方式也可直接采用气腿凿岩机出厂状态的连接方式，伸缩支腿302与支腿滑台304的连接也可采用简单的一字轴铰接。

所述底层台车1装载在轮式车架2上；固定轨道210固定连接在顶层台车4上。底层台车1的人字形骨架中部采用前述的悬吊装置吊装有所述凿岩机300，该处的凿岩机300用于隧道掌子面掏心炮孔司钻。

本实施例中，隧道开挖台车100中的中间层台车3和顶层台车4可通过吊桥、施工栈桥或伸缩钢轨桥驶离紧邻的下层台车。栈桥与本领域时常使用的现有技术中施工栈桥结构相同，属于简易桥梁类临时设施，在此无需赘述。

本实施例中的悬吊装置可以采用现有技术中成熟的桁架机械手替代；相应地本实施例的凿岩机300通过现有技术中成熟的工业控制技术可以方便的实现自动控制。采用桁架机械手设置凿岩机300时，钻进位置和钻机角度调整相应也可以实现智能化的自动控制。

本实施例中的凿岩机300也可采用液压进给的液压凿岩机替代。

本实施例中，悬吊凿岩机的两个轨道401也可采用平行布置，或非直尺形的其他夹角式交叉布置。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种隧道开挖掘进用多头凿岩钻机，其特征在于，包括具有多层作业平台的隧道开挖台车（100），隧道开挖台车（100）通过作业平台设有多台能够自动进给的凿岩机（300）；所述凿岩机（300）由步进式自行走的凿岩机构成，步进式自行走的凿岩机包括凿岩主机（301）、伸缩支腿（302）、第一锁止机构和第二锁止机构；所述凿岩主机（301）和伸缩支腿（302）分别固定在主机滑台（303）和支腿滑台（304）上，主机滑台（303）和支腿滑台（304）可移动的设在凿岩机轨道（305）上；所述伸缩支腿（302）一端连接在主机滑台（303），另一端连接在支腿滑台（304）上；所述第一锁止机构形成在所述主机滑台（303）与所述凿岩机轨道（305）之间；所述第二锁止机构形成在所述支腿滑台（304）与所述凿岩机轨道（305）之间；且第一锁止机构和第二锁止机构具有相同的结构；凿岩机轨道（305）通过凿岩机安装座（306）安装固定，凿岩机安装座（306）呈纵向位置可调节地连接在凿岩机轨道（305）上；凿岩机安装座（306）还可升降的连接在吊臂（403）上，该凿岩机安装座（306）呈左右组合结构，左侧部分与凿岩机轨道（305）连接，右侧部分与吊臂（403）连接；左右两部分之间通过转轴连接，以实现凿岩机（300）的俯仰角度调节，从而适应辅助孔钻孔位置和角度要求。

2.根据权利要求1所述的隧道开挖掘进用多头凿岩钻机，其特征在于，通过作业平台设置的所述凿岩机（300）由悬吊装置悬吊在对应的所述作业平台下方。

3.根据权利要求2所述的隧道开挖掘进用多头凿岩钻机，其特征在于，所述悬吊装置由桁架机械手构成；或者，悬吊装置包括轨道（401）、滑块（402）和吊臂（403）；轨道（401）呈水平设置，并与对应作业平台固定，且位于该作业平台下方；滑块（402）呈位置可调节的悬吊在轨道（401）上；所述吊臂（403）悬吊在所述滑块（402）上；所述凿岩机（300）通过沿凿岩机（300）长度方向分布的至少两根所述吊臂（403）设置。

4.根据权利要求3所述的隧道开挖掘进用多头凿岩钻机，其特征在于，在悬吊装置包括轨道（401）、滑块（402）和吊臂（403）的结构中，所述凿岩机（300）呈可升降调节地连接在所述吊臂（403）上。

5.根据权利要求3所述的隧道开挖掘进用多头凿岩钻机，其特征在于，在悬吊装置包括轨道（401）、滑块（402）和吊臂（403）的结构中，所述轨道（401）由第一轨道（401a）和第二轨道（401b）组成，第一轨道（401a）和第二轨道（401b）呈非共线设置。

6.根据权利要求5所述的隧道开挖掘进用多头凿岩钻机，其特征在于，所述第一轨道（401a）和第二轨道（401b）布设成角尺状；第一轨道（401a）和第二轨道（401b）中之一沿台车纵向布置，另一轨道沿台车横向布置，并由台车边缘向中间延伸。

7.根据权利要求1～6中任意一项所述的隧道开挖掘进用多头凿岩钻机，其特征在于，所述隧道开挖台车（100）上设有仿洞壁的弧形轨道（200）；隧道开挖台车（100）还通过弧形轨道（200）设有数台能够自动进给的所述凿岩机（300）。

8.根据权利要求7所述的隧道开挖掘进用多头凿岩钻机，其特征在于，所述弧形轨道（200）由固定轨道（210）和活动轨道（220）组成仿隧道洞壁弧形结构；固定轨道（210）通过顶层作业平台设置，活动轨道（220）通过顶层作业平台下方的下层作业平台设置，活动轨道（220）与下层作业平台固定连接，下层作业平台可径向伸缩的设在台车骨架上，下层作业平台与台车骨架之间连接有驱动油缸（400）。