斜井隧道全断面掘进装置的制作方法

1.本实用新型涉及斜井隧道施工领域，特别是一种斜井隧道全断面掘进装置。


背景技术：

2.水电工程发电引水洞，一些长距离交通隧洞的通风洞设计均为斜井结构。特别是抽水蓄能电站都是选择在高差较大的山区，为缩短输水管洞的长度，一般都是设置大倾角的地下输水隧洞。对于斜井隧道施工，现阶段都是采用反井钻机打设溜渣井。而打设溜渣井的反井钻机一般钻进长度约为300-400米，考虑经济因素现阶段长斜洞扩挖都是采用人工钻爆的方法，例如专利文献cn105156120a中记载的一种傍山类洞库斜井反向开挖施工方法，即存在作业环境恶劣，安全隐患大，效率不高的技术问题。虽然现阶段长度较大的圆形平洞已推广采用隧道全断面机械掘进机即tbm施工，例如cn102704945a中记载的一种长距离大坡度斜井全断面岩石掘进机，即存在向后出渣困难的技术难题。cn103850684a记载了一种竖井掘进机扩大反井钻机导井的凿井工艺，但是该竖井掘进机的结构过于复杂，自重过重，纠偏难度大，不适合用于斜井开挖。


技术实现要素：

3.本实用新型所要解决的技术问题是提供一种斜井隧道全断面掘进装置，能够解决现有技术中隧道全断面机械掘进机后部排渣不能满足斜井隧道掘进需求的技术问题，便于排渣，且结构简单，能够实现长斜井高质高效、安全掘进。并能够在线纠偏，确保斜井掘进长度不受施工偏离的影响。
4.为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：一种斜井隧道全断面掘进装置，包括支撑环，支撑环与钻头活动套接，钻头的尾部设有传动套管，在支撑环内设有液压马达，液压马达与传动套管连接，用于驱动传动套管旋转；
5.在支撑环的侧壁还设有多个纠偏油缸，纠偏油缸的轴线沿着支撑环的径向方向；
6.在支撑环内设有内支座，内支座与钻头之间设有进给油缸，进给油缸用于顶推钻头进给。
7.优选的方案中，支撑环与钻头之间设有密封件，钻头的外径大于支撑环的外径；
8.液压马达与传动套管之间以可传递扭矩且相对滑动的方式连接。
9.优选的方案中，进给油缸一端顶在内支座上，另一端通过推力轴承与钻头连接。
10.优选的方案中，所述的进给油缸为穿心油缸，传动套管穿过进给油缸与液压马达连接。
11.或者另一可选的方案中，所述的进给油缸为多个油缸的组合，多个油缸沿着圆周分布在传动套管的周围。
12.优选的方案中，所述的液压马达为穿心式液压马达，液压马达的外圈与支撑环固定连接，液压马达的内圈与传动套管之间以可传递扭矩且相对滑动的方式连接；
13.或者另一可选的方案中，所述的液压马达为多个，多个液压马达的固定部与支撑
环固定连接，液压马达的活动部通过传动机构与传动套管之间以可传递扭矩且相对滑动的方式连接，多个液压马达布置在传动套管的周围。
14.优选的方案中，所述的纠偏油缸底部通过轴承与传动套管连接，轴承内圈与传动套管之间为滑动连接结构，纠偏油缸通过内支座固设在支撑环上。
15.优选的方案中，所述的纠偏油缸沿轴向设置为两层，每层有多个纠偏油缸。
16.优选的方案中，钻头的表面设有多个滚刀和刮刀；
17.全断面机械掘进装置设有倾角传感器，在纠偏油缸设有行程传感器。
18.一种采用上述的斜井隧道全断面掘进装置的施工方法，包括以下步骤：
19.s1、在斜井隧道断面打设直径大于1m以上的溜渣井；
20.s2、将斜井隧道顶部扩挖，直至足够容纳全断面机械掘进装置；
21.s3、安装全断面机械掘进装置；
22.s4、启动纠偏油缸，将全断面机械掘进装置固定在斜井隧道内，启动全断面机械掘进装置钻进；
23.钻渣通过溜渣井排出；
24.s5、待掘进深度达到进给油缸的一个进给行程后，回缩纠偏油缸，回缩进给油缸，使整个全断面机械掘进装置随重力前移；
25.在掘进过程中，随时进行测量纠偏；
26.通过以上步骤实现斜井隧道全断面施工。
27.优选的方案中，在斜井隧道底部开挖水平导洞，从水平导洞以反井钻机向上沿斜井隧道轴线开挖溜渣井，在反井钻机下方设置顶推油缸，钻进一个进尺，锁住反井钻机后，顶推油缸缩回，在反井钻机的尾部安装新的顶升节钢管，然后顶推油缸继续顶升，重复以上步骤，完成溜渣井施工；
28.当全断面机械掘进装置掘进到接近水平导洞，停止排出钻渣，让水平导洞内基本被钻渣充满，全断面机械掘进装置再掘进出洞；
29.如全断面机械掘进装置纠偏难以控制，则停止掘进，回缩纠偏油缸，启动进给油缸让全断面机械掘进装置后退，再将纠偏油缸伸出重新定位并固定全断面机械掘进装置，然后缩回进给油缸和钻头重新掘进；
30.在全断面机械掘进装置设有倾角传感器，倾角传感器采用陀螺仪和磁惯导传感器的组合，经过联合解算，获得角度和位移偏移参数，以指导钻进和纠偏操作；在纠偏油缸设有行程传感器，以便于根据倾角传感器的检测参数控制纠偏油缸的活塞杆行程。
31.本实用新型提供了一种斜井隧道全断面掘进装置，对现有的全断面岩石掘进机的结构加以简化，减轻了自重，便于实现斜井隧道的掘进，优选的方案中，设置的多层纠偏油缸结构，且各层纠偏油缸之间为刚性连接结构，钻头的传动套管穿透了纠偏油缸所在的位置才与液压马达连接，因此，纠偏油缸能够实现在线纠偏，而且纠偏操作能够很好的传递到钻头的位置，纠偏误差小。设置的倾角传感器和行程传感器能够实现智能化的在线纠偏。本实用新型的施工方法通过采用先打设直径大于1m以上的溜渣井，然后以改进的全断面机械掘进装置进行掘进的方案，解决了现有技术中隧道全断面机械掘进机后部排渣不能满足斜井隧道掘进需求的技术问题，排渣便利。实时纠偏的操作便利，掘进精度高，实现长斜井高精度一次性贯通施工。
附图说明
32.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：
33.图1为本实用新型的结构示意图。
34.图2为本实用新型的整体施工结构示意图。
35.图3为本实用新型的反井钻机斜向顶升钻进时的剖视示意图。
36.图4为本实用新型的顶升节钢管的主视图。
37.图5为本实用新型的顶升节钢管的俯视图。
38.图6为图3的a-a剖视示意图。
39.图7为图3的b-b剖视示意图。
40.图8为钻头系统的局部放大示意图。
41.图中：钻头1，集渣斗2，密封件3，支撑环4，内支座5，溜渣通道6，泵站7，锁口装置8，顶升节钢管9，推力轴承10，进给油缸11，纠偏油缸12，轴承13，过渡节钢管14，顶推油缸15，球头16，球座17，底座18，倾角调节座19，倾角调节杆20，工作站21，钻渣22，液压马达23，键24，锁紧座25，倾角传感器26，溜渣通道27，倾角传感器28，水平导洞29，溜渣井30，斜井隧道31，外部泵站32，传动套管33，全断面机械掘进装置100，反井钻机200。
具体实施方式
42.实施例1：
43.如图1中，一种斜井隧道全断面掘进装置，包括支撑环4，支撑环4与钻头1活动套接，钻头1的尾部设有传动套管33，在支撑环4内设有液压马达23，液压马达23与传动套管33连接，用于驱动传动套管33旋转；
44.在支撑环4的侧壁还设有多个纠偏油缸12，纠偏油缸12的轴线沿着支撑环4的径向方向；即纠偏油缸12沿着支撑环4的径向方向伸缩。
45.在支撑环4内设有内支座5，内支座5与钻头1之间设有进给油缸11，进给油缸11用于顶推钻头1进给。由此结构，在全断面机械掘进装置100掘进的同时，还能够根据斜井隧道31的设计角度在线调节全断面机械掘进装置100的掘进倾角。
46.优选的方案如图1中，支撑环4与钻头1之间设有密封件3，钻头1的外径大于支撑环4的外径；由此结构，避免钻渣进入到支撑环4内，影响活动部件的工作。
47.液压马达23与传动套管33之间以可传递扭矩且相对滑动的方式连接。例如以花键结构连接，或者以多边形的结构互相滑动套接。以使在钻头1进给时也能够驱动钻头1转动。
48.优选的方案中，进给油缸11一端顶在内支座5上，内支座5为环形的阶台结构，进给油缸11另一端通过推力轴承10与钻头1连接，进给油缸11相对于支撑环4固定不动，进给油缸11的进给不影响钻头1的旋转。
49.优选的方案如图1中，所述的进给油缸11为穿心油缸，传动套管33穿过进给油缸11与液压马达23连接；
50.或者，所述的进给油缸11为多个油缸的组合，多个油缸沿着圆周分布在传动套管33的周围。该例在图中未示出。
51.优选的方案如图1中，所述的液压马达23为穿心式液压马达，液压马达23的外圈与支撑环4固定连接，液压马达23的内圈与传动套管33之间以可传递扭矩且相对滑动的方式
连接；由此结构，以实现大扭矩的传递。
52.或者所述的液压马达23为多个，多个液压马达23的固定部与支撑环4固定连接，液压马达23的活动部通过传动机构与传动套管33之间以可传递扭矩且相对滑动的方式连接，例如在传动套管33外壁固设有齿轮环，多个液压马达23的轴设有齿轮，其中齿轮的厚度大于齿轮环的厚度，以使齿轮环与齿轮之间沿轴向相对滑动，从而在钻头1进给时液压马达23也能够驱动钻头1转动。多个液压马达23布置在传动套管33的周围，共同驱动钻头1转动。该例在图中未示出。
53.优选的方案如图1中，所述的纠偏油缸12底部通过轴承13与传动套管33连接，轴承13内圈与传动套管33之间为滑动连接结构，即轴承13内圈与传动套管33能够相对轴向移动，也能够相对转动，纠偏油缸12的缸体通过内支座5固设在支撑环4上。
54.优选的方案如图1中，所述的纠偏油缸12沿轴向设置为两层，每层有多个纠偏油缸12。各层的纠偏油缸12的缸体均固设在支撑环4上，各层的纠偏油缸12之间为刚性连接结构。由此结构，通过控制各层的纠偏油缸12的活塞杆伸出不同的长度，即能够在线精确的调节支撑环4的倾角，从而调节钻头1钻进角度，便于实现掘进角度的在线调节。
55.优选的方案如图1中，钻头1的表面设有多个滚刀和刮刀；
56.如图1中，全断面机械掘进装置100设有倾角传感器26，在纠偏油缸12设有行程传感器。倾角传感器26采用陀螺仪和磁惯导传感器的组合，经过联合解算，获得角度和位移偏移参数，以指导钻进和纠偏操作；行程传感器，以便于根据倾角传感器26的检测参数控制纠偏油缸12的活塞杆行程。
57.实施例2：
58.如图1、2中，一种采用上述的斜井隧道全断面掘进装置的施工方法，包括以下步骤：
59.s1、在斜井隧道31断面打设直径大于1m以上的溜渣井30；优选的方案如图2中，在斜井隧道31底部开挖水平导洞29，从水平导洞29以反井钻机200向上沿斜井隧道31的设计轴线开挖溜渣井30，在反井钻机200下方设置顶推油缸15，以倾角调节座19和倾角调节杆20控制反井钻机200的倾角，钻进一个进尺，锁住反井钻机200后，顶推油缸15缩回，在反井钻机200的尾部安装新的顶升节钢管9，然后顶推油缸15继续顶升，重复以上步骤，完成溜渣井30施工；
60.如图3中，反井钻机200是实现本实用新型方案的重要结构，反井钻机200的结构为：包括钻头系统、支撑环4和顶升油缸15；钻头系统包括钻头1，钻头1由驱动装置驱动旋转，钻头系统还设有用于纠偏的纠偏装置；钻头1上设有中空的通道，其中靠近钻头1顶部的位置构成漏斗状的集渣斗2，远离钻头1顶部的位置为缩径的中空管体结构，中空管体结构构成溜渣通道6用于排出钻渣。优选的，钻头结构为纺锤形，其前部布置有滚刀钻头，下部为“漏斗型”结构，钻进切削的石渣通过“漏斗”中部大直径空心钻杆排出。反井钻机200部分采用了与全断面机械掘进装置100中相同的部件，为便于理解，也采用了相同的名称和标记。
61.支撑环4与钻头系统连接，支撑环4包括可增减的顶升节钢管9，用于调节支撑环4的长度；顶升节钢管9与支撑环4之间通过法兰和螺栓连接。钻头1的外径大于支撑环4的外径。优选的，钻头1的外径大于支撑环4的连接法兰外径约2cm。顶推油缸15用于顶推支撑环4，并将顶推力传递到钻头系统。进一步优选的方案如图3、8中，钻头系统的结构为：钻头1与
支撑环4之间滑动密封连接，在连接的位置设有密封件3，以避免钻屑进入到支撑环4内，钻头1尾部设有缩径的管体，管体与液压马达23以可传递扭矩且相对滑动的方式连接；例如钻头1尾部的管体通过花键结构与液压马达23滑动连接，液压马达23为穿心马达。在支撑环4上设有内支座5，在钻头1与内支座5之间设有进给油缸11，进给油缸11与钻头1之间设有推力轴承10，进给油缸11的进给方向为钻头1的轴向。通过进给油缸11的活塞杆伸出，驱动钻头1沿着轴向进给，所述的进给油缸11为穿心油缸，钻头1尾部的中空管体穿过进给油缸11后再与液压马达23连接。优选的，钻头1的直径大于1m，支撑环4、顶升节钢管9和过渡节钢管14的内径不小于90cm。以满足人员进入测量及检修需要。在支撑环4的内设有倾角传感器26，用于反馈支撑环4的倾角。本例中的倾角传感器26优选采用陀螺仪，由此获得三个向量的角度偏移，进一步优选的，倾角传感器26采用陀螺仪和磁惯导传感器的组合，经过联合解算，获得角度和位移偏移参数，以指导钻进和纠偏操作。由于本实用新型的反井钻机一直处于运动工况下，采用加速度传感器很难获得较为准确的检测数据，因此，不采用加速度传感器。进一步优选的，在纠偏油缸12设有行程传感器，由此结构，以便于根据倾角传感器26的检测参数控制纠偏油缸12的活塞杆行程。优选的，纠偏油缸12设有行程传感器采用磁致伸缩行程传感器。优选的方案如图3、8中，在钻头1中间设有集渣斗2和溜渣通道6，溜渣通道6与支撑环4的内腔连通；优选的，在支撑环4的尾部，顶推油缸15通过过渡节钢管14与支撑环4连接，此处的支撑环4包括顶升节钢管9，顶推油缸15为穿心油缸。支撑环4、过渡节钢管14和顶推油缸15的中空部分都构成溜渣通道6。在支撑环4内还设有泵站7，用于为各个液压缸和驱动装置提供液压油。优选的方案如图3中，在支撑环4的尾部设有多节可拆卸的顶升节钢管9。顶升节钢管9的具体结构如图4、5中所示，在顶升节钢管9的外壁设有多个突起的键24，所述的键24沿着顶升节钢管9的轴向布置，多个突起的键24沿着圆周设置，键24用于防止顶升节钢管9转动。优选的，键24采用槽钢，同时作为反井钻机200的供水、供风、供电管槽，同时也是钻进过程中作为与井孔口锁口装置8的咬合抗扭键。优选的方案如图3中，顶推油缸15与支撑环4连接；优选的，顶推油缸15通过过渡节钢管14与支撑环4底部的顶升节钢管9连接。在顶推油缸15的底部设有球头16，球头16与球座17活动连接，球座17与底座18固定连接；优选的，球头16、球座17和底座18都留有中空通道，从而便于排出钻渣22。
62.如图3中，在顶推油缸15的一侧设有倾角调节机构，倾角调节机构包括与顶推油缸15或支撑环4连接的倾角调节座19，还包括与倾角调节座19连接的倾角调节杆20，倾角调节机构用于调节支撑环4的倾角。优选的，倾角调节座19的结构能够将反井钻机的轴线与水平线的夹角控制在不小于50
°
。
63.如图3、7中，在孔口的位置还固设有锁口装置8，锁口装置8用于锁定支撑环4。锁口装置8被浇筑固定在溜渣井30井孔孔口的位置。锁口装置8为可松开和锁紧的抱箍结构，用于将支撑环4上的顶升节钢管9抱紧。
64.s2、如图1中，将斜井隧道顶部扩挖，构成安装井，在安装井的侧壁安装导轨，用于引导全断面机械掘进装置100就位，直至足够容纳全断面机械掘进装置100；
65.s3、安装如实施例1中的全断面机械掘进装置100；
66.s4、启动纠偏油缸12，将全断面机械掘进装置100固定在斜井隧道内，即纠偏油缸12的活塞杆伸出顶住斜井隧道的内壁，启动全断面机械掘进装置100钻进；具体的，工作站21驱动外部泵站32给液压马达23和进给油缸11提供高压液压油，液压马达23通过传动套管
33驱动钻头1旋转，进给油缸11的活塞杆伸出，驱动钻头1进给。钻渣通过溜渣井30排出；
67.s5、待掘进深度达到进给油缸11的一个进给行程后，回缩纠偏油缸12，回缩进给油缸11，使整个全断面机械掘进装置100随重力前移；重复步骤s4和s5进行掘进，在掘进过程中，随时进行测量纠偏；
68.如全断面机械掘进装置100纠偏难以控制，则停止掘进，回缩纠偏油缸12，启动进给油缸11让全断面机械掘进装置100后退，再将纠偏油缸12伸出重新定位并固定全断面机械掘进装置100，然后缩回进给油缸11和钻头1重新掘进；
69.在全断面机械掘进装置100设有倾角传感器26，倾角传感器26采用陀螺仪和磁惯导传感器的组合，经过联合解算，获得角度和位移偏移参数，以指导钻进和纠偏操作；在纠偏油缸12设有行程传感器，以便于根据倾角传感器26的检测参数控制纠偏油缸12的活塞杆行程。
70.优选的方案中，当全断面机械掘进装置100掘进到接近水平导洞29，停止排出钻渣，让水平导洞29内基本被钻渣充满，全断面机械掘进装置100再掘进出洞；
71.通过以上步骤实现斜井隧道全断面施工。
72.上述的实施例仅为本实用新型的优选技术方案，而不应视为对于本实用新型的限制，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。本实用新型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，也在本实用新型的保护范围之内。