一种用于隧道排水系统的大管径自动疏通设备及工作方法

本发明属于交通隧道排水系统疏通，具体涉及一种用于隧道排水系统的大管径自动疏通设备及工作方法。

背景技术：

1、随着我国公路及铁路隧道不断向崇山峻岭和离岸深水区延伸，在施工、运营过程中出现了一系列复杂的病害，尤其是近年来出现的排水系统结晶堵塞问题，导致隧道排水系统失效、衬砌水压力增大、渗漏水加剧以及衬砌结构劣化等，给隧道管养部门带来了较大压力。

2、目前我国铁路隧道排水系统是由“环向排水管-纵向排水管-横向排水管-中央排水沟”所组成的一个系统工程，其中中央排水沟处于咽喉位置，其排水能力决定了整个排水系统的性能，至关重要。一旦中央排水沟发生堵塞或排水能力严重下降，整套排水系统将处于瘫痪状态。按截面结构分类，我国高铁隧道中央排水沟可分为矩形排水沟和圆形排水沟，其中圆形排水沟占绝对比例，尤其是早期修建的高铁，一般由直径600mm的大型圆形盲管构造而成，隧道长度方向每隔35m设置一个用于维修的检测井。但是，地下水中往往含有一定浓度的可溶性岩石，如碳酸盐岩、石膏、岩盐。这些物质在中央排水沟中不可避免地出现沉积，形成絮状结晶体，降低管道排水性能。随着时间推移，絮状结晶体进一步硬化，形成硬度较大的堵塞物，严重时导致管道失去排水能力。现场调查发现，无论是铁路隧道还是公路隧道，运营1-5年后，中央排水沟均存在不同程度堵塞，有些运营3-5年的隧道中央排水沟已经失去了排水能力，云南、贵州、广西等岩溶地区尤为严重。排水系统被堵塞以后，地下水无法顺利排出，聚集于衬砌与围岩之间的地下水对衬砌产生一定压力，引起多种次生灾害发生，不仅会进入隧道内部形成渗漏水现象，影响交通安全；而且威胁隧道结构安全，降低使用寿命，严重时发生衬砌垮塌现象；同时，强大压力也会使公路路面或铁路道面上拱，严重影响行车安全。

3、由于隧道排水系统堵塞而导致的次生灾害已经严重影响我国公路、铁路交通安全，是一个普遍发生而且亟待解决的问题，疏通排水盲管是解决该问题的根本措施。目前常用疏通排水盲管的方式可分为化学方法和物理方法，其中化学方法应用较多，但由于存在破环当地环境的问题，应用前景不容乐观；物理方法中目前大都采用高压水冲洗，这种方法可以疏通比较松散杂物，难以疏通长时间结晶以及排水盲管中在施工中遭到局部破环而渗入水泥混凝土等高强度杂物。虽然目前已经具有众多物理疏通方法，如气体负压疏通和弹簧钢丝疏通，但现有技术手段均无法满足隧道中央排水沟的疏通要求。这与其问题特征有关。首先，隧道中央排水沟的管径较大，一般为600mm，有些更大，需要大尺寸的疏通设备。其次，管道长度较大，高铁隧道常常35m间隔设置一个检测井，结晶堵塞物体量巨大，需要能够在管道内自行行进作业的疏通设备。另外，管道倾斜度较小，水压较低，无法采用常规的打通小孔或裂隙，在强大水压下即可疏通的常用方法，需要进行全断面疏通。再则，结晶沉积物密度大，在水中易于沉淀，打碎的结晶体不易随水流运动，需要将打碎的结晶体及时收集。还有，隧道中央排水沟疏通属于水下作业，管道中充满了水，这就既需要疏通设备有良好密封要求，又需要进行快速的固液分离。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题和隧道中央排水沟疏通问题的特殊性，本发明提供了一种用于隧道排水系统的大管径自动疏通设备及工作方法，能够应用机械切削与步进式移动配合的方式快速方便地解决排水盲管的堵塞问题。

2、为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

3、一种用于隧道排水系统的大管径自动疏通设备，包括切削组件，用于实现对排水盲管内的堵塞物体进行切削打碎，还包括与所述切削组件同轴连接设置的旋转驱动组件、行走组件和伸缩驱动组件，所述旋转驱动组件一端与所述切削组件连接，另一端与所述伸缩驱动组件连接，所述行走组件包括第一行走单元和第二行走单元；旋转驱动组件与切削组件之间连接设置第一行走单元，旋转驱动组件与伸缩驱动组件之间连接设置第二行走单元；

4、所述旋转驱动组件用于给切削组件提供转动力，所述行走组件结合伸缩驱动组件提供的驱动力实现疏通设备沿轴向的位移功能；

5、还包括安装辅助组件和固液分离装置，所述安装辅助组件用于所述疏通设备在使用时的安装，固液分离装置用于将切削疏通后形成的固液混合物排出。

6、具体的，所述切削组件包括钻盘座和固定在钻盘座上的安装板，所述安装板包括沿所述钻盘座圆周方向设置的多个安装支腿，安装板上设置多个切削刀片，所述钻盘座与旋转驱动组件连接。

7、进一步的，所述安装支腿的数量为三个，三个安装支腿在钻盘座圆周方向上间隔120°角均匀分布；

8、所述安装板的中心均设三个切削刀片，每个安装支腿上至少设置五个切削刀片，所述切削刀片倾斜设置。

9、进一步的，所述刀片倾斜15°设置。

10、进一步的，所述旋转驱动组件包括与所述钻盘座连接的钻杆轴和减速电机，所述减速电机的动力输出轴与所述钻杆轴连接，减速电机外设置密封缸筒，所述密封缸筒后端连接有花键轴，所述花键轴安装在花键轴套内，所述花键轴套与第二行走单元连接。

11、进一步的，所述第一行走单元套设在所述钻杆轴上，减速电机的动力输出轴与所述钻杆轴连接后穿过所述第一行走单元与所述切削组件连接，所述伸缩驱动组件的伸缩部与所述花键轴连接后穿过所述第二行走单元与旋转驱动组件的后端连接，所述伸缩驱动组件控制所述花键轴的伸出与缩回，进而带动所述旋转驱动组件和所述切削组件向前移动和后退。

12、进一步的，所述第一行走单元包括第一支撑基座，沿所述第一支撑基座的周向设置多个第一支撑体，所述第一支撑体上可移动套设置第一行走支腿，所述第一支撑体能够控制对应的第一行走支腿靠近和远离所述第一支撑基座；

13、所述第二行走单元包括第二支撑基座，沿所述第二支撑基座的周向设置多个第二支撑体，所述第二支撑体上可移动套设第二行走支腿，所述第二支撑体能够控制对应的第二行走支腿靠近和远离所述第二支撑基座；

14、所述第一支撑体和第二支撑体上均套设弹性元件，所述第一行走支腿和第二行走支腿的端面均设置接触块，所述接触块与管壁接触的表面设置多个凹槽，接触块沿轴向的两个端面设置锥面。

15、进一步的，所述第一支撑体和第二支撑体和伸缩驱动组件均为液压缸。

16、进一步的，所述安装辅助组件包括外框架和放置在外框架中的内框架，所述内框架中设置多孔圆筒，用于放置所述疏通设备，所述多孔圆筒前端设置用于定位的圆弧板。

17、本发明还公开一种用于隧道排水系统的大管径自动疏通设备的工作方法，包括：首先控制所述第一支撑体和第二支撑体全部处于收回状态，再将所述疏通设备放入待疏通排水盲管中，然后控制第一支撑体和第二支撑体伸出，使对应的行走支腿抵在待疏通排水盲管管壁上；

18、控制所述旋转驱动组件驱动所述动力输出轴转动，所述动力输出轴转动时驱动与所述动力输出轴连接的钻杆轴转动，所述钻杆轴转动时驱动所述钻盘座转动，从而实现所述钻盘座上的切削刀片对堵塞物进行切削；

19、当所述切削组件切削范围内的堵塞物被切削完成后，控制所述第一支撑基座上的第一支撑体对应的第一行走支腿脱离待疏通排水盲管管壁，同时，控制所述第二支撑基座上的第二支撑体对应的第二行走支腿抵在待疏通排水盲管管壁，并控制所述伸缩驱动组件的伸缩部伸出，推动所述花键轴向前移动，花键轴依次推动旋转驱动组件和切削组件向前移动，移动到切削位置后，继续切削；

20、当切削完成后，控制所述第二支撑基座上的第二支撑体对应的第二行走支腿脱离待疏通排水盲管管壁，同时，控制第一支撑基座上的第一支撑体对应的第一行走支腿抵在待疏通排水盲管管壁，控制所述伸缩驱动组件的伸缩部缩回，拉动花键轴向后移动，所述花键轴依次拉动所述旋转驱动组件和所述切削组件向后移动，如此交替控制第一支撑体和第二支撑体，直至所述疏通设备退出排水盲管。

21、本发明与现有技术相比具有以下技术效果：

22、(1)本发明的用于隧道排水系统的大管径自动疏通设备，切削组件的切削钻头安装刀盘通过螺栓连接在钻盘座上，拆卸方便，可根据排水盲管的管径不同，可以灵活方便的调节切削组件的大小，适用于不同管径的需求，pdc刀片强度高，切削效果好，适用于盲管内有结晶、水泥混凝土等硬质杂物的情况，经过验证，该疏通效果极佳。满足600mm及以上大型管径的隧道中央排水沟疏通作业要求。

23、(2)本发明疏通设备的前进方式采用步进式的自动前进或后退，使用方便，且稳定性好，通过液压油缸作为行走支腿支撑体，结构简单，成本低，控制方便易操作。满足隧道中央排水沟的检测井间隔达到30-50m的长距离疏通要求。

24、(3)本发明的旋转驱动组件为减速电机，伸缩驱动组件为液压缸。减速电机的扭矩大，液压装置的推动力足，动力强劲，适用盲管内有结晶、水泥混凝土等密实型杂物堆积的情况。

25、(4)本发明设计的安装在疏通设备上的结晶体收集结构(固液分离设备和容积箱体)，及时收集疏通设备打碎的结晶体，并通过负压传输到固液分离设备中，将分离出来的固态结晶体放入容积箱体，液体排入中央排水沟中进行循环利用。满足隧道中央排水沟结晶堵塞处置的特殊性要求。

26、(5)本发明设计的安装辅助组件，在检测井被絮状结晶混合物和水充满的情况下，也能快速、方便地将疏通设备置入中央排水沟中，既节省人力，又提高作业效率，既适应疏通作业的特殊性环境特征要求，也适应高铁隧道夜间天窗点施工时对提高作业效率、降低作业强度、减少施工人员的要求。