一种自行式隧道衬砌拆除设备及使用方法与流程

本发明涉及一种隧道衬砌的拆除设备，具体涉及一种自行式隧道衬砌拆除设备及使用方法。

背景技术：

随着交通基础设施的不断发展，隧道建设规模日益增加，但受环境条件、施工质量等因素的影响，隧道衬砌病害问题逐步显现，部分裂损、腐蚀严重的衬砌需要拆换。目前，衬砌拆除缺乏成熟的理论体系、完善的技术方案、专业的施工设备，易导致结构失稳、隧道坍塌等风险事故。现有衬砌拆除方法主要有人工凿除、爆破拆除、无声破碎和机械拆除，其主要缺点和改进措施如下：

(1)人工凿除——工人手持便携设备对衬砌进行破碎。

主要缺点：工人站立于台架上施工，存在高空作业风险；工人长期处于粉尘多、噪声大的环境中，身体健康受到严重威害；衬砌局部拆除后，存在作业面坍塌风险，危及人身安全；手持便携设备功效非常低，台架容纳工人有限，衬砌拆除效率很低。

(2)爆破拆除——利用炸药爆炸对衬砌进行破碎。

主要缺点：爆破拆除对围岩及结构的稳定性要求较高，且主要应用于大范围连续作业，因此该方法的适用范围存在一定局限性；爆破振动对围岩及既有衬砌扰动强烈，拆除边界难以控制；爆破效果受控因素复杂，拆除质量难以保证。

(3)无声破碎——利用无声破碎剂膨胀对衬砌进行破碎。

主要缺点：无声破碎剂反应时间可控性差，拱墙衬砌破碎时，其下空间严禁人车通行，施工组织难度大、潜在风险高、作业效率低；破碎效果受控因素众多，破碎程度难以控制。

(4)机械拆除——利用机械设备对衬砌进行切割、破碎。

主要缺点：切割机和破碎锤是相互独立的两种设备，施工时需要频繁更换，组织难度较大、作业效率较低；工序要求严格，局部切割或破碎时，存在作业面的坍塌风险；切割机多由其它设备改装而来，可靠性低、专业性差。

因此，开发一种自行式隧道衬砌拆除设备及使用方法，不但具有迫切的研究价值，而且具有良好的经济效益和工业应用潜力，这也正是本发明得以完成的动力和基础所在。

技术实现要素：

为了克服上述所指出的现有技术的缺陷，本发明人对此进行了深入研究，在付出了大量创造性劳动后，从而完成了本发明。

具体而言，本发明所要解决的技术问题是：提供一种自行式隧道衬砌拆除设备及使用方法，可同时实现隧道衬砌置换作业的防护、切割、劈裂、移除，其具有作业效率高、拆除效果好等特点。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种自行式隧道衬砌拆除设备，其特征在于，包含有：

拆除系统，所述拆除系统将所述隧道待置换衬砌分割为若干个拆除单元，并使若干个拆除单元与所述隧道主体分离；

行走系统，将所述拆除系统输送至隧道待置换衬砌对应的工作区域；

动力系统，为所述拆除系统、行走系统完成动作提供动力；

控制系统，向所述拆除系统、行走系统、动力系统发出动作指令。

在本发明中，作为一种改进，所述拆除系统中至少包含有：

切割机构，所述切割机构将隧道待置换衬砌分割为若干个拆除单元；

劈裂机构，所述劈裂机构将所述若干个拆除单元从隧道主体剥离；

支撑与移除机构，在切割机构切割前支撑到所述拆除单元上，并在所述拆除单元被剥离后取下所述拆除单元。

在本发明中，作为一种改进，所述行走系统包括安装于车架下部的行走装置及搭载于车架上部的回转平台，所述动力系统及拆除系统安装在所述回转平台上，并由所述回转平台带动旋转。

在本发明中，作为一种改进，所述回转平台上设有外凸的弧形安装塔，所述切割机构、劈裂机构、支撑与移除机构均各自沿安装塔的圆周方向呈发散状排列安装。

在本发明中，作为一种改进，所述切割机构包括：

第二机械臂，多关节设置，关节处由驱动油缸带动；

第二回转盘，将所述第二机械臂的内端通过回转盘连接于所述安装塔上；

链锯，安装在第二机械臂的外端，经由所述第二机械臂与所述第二回转盘共同作用带动至任意切割位置，并调整切割方向。

在本发明中，作为一种改进，所述劈裂机构包括：

第三机械臂，多关节设置，关节处由驱动油缸带动；

第三回转盘，将所述第三机械臂的内端通过回转盘连接于所述安装塔上；

钻具与劈裂器，安装在第三机械臂的外端，经由所述第三机械臂与所述第三回转盘带动至任意劈裂位置，作业时所述钻具首先对指定位置进行钻孔，随后所述劈裂器的劈裂杆伸入孔内进行劈裂。

在本发明中，作为一种改进，所述支撑与移除机构包括：

第一机械臂，多关节设置，关节处由驱动油缸带动；

第一回转盘，将所述第一机械臂的内端通过回转盘连接于所述安装塔上；

机械爪，安装在所述第一机械臂的外端，经由所述第一机械臂与所述第一回转盘共同作用带动至任意夹持位，夹取所述拆除单元；

钻头及卡座，工作前隐藏于机械爪内，工作时所述钻头首先对所述拆除单元进行钻孔，随后所述卡座延伸到孔内将所述拆除单元锁死固定。

在本发明中，作为一种改进，所述车架上还安装有平衡架，所述平衡架向下延伸且支撑于车架下方。

在本发明中，作为一种改进，所述控制系统包括：

操作平台与信号发生器，所述操作平台发出所述自行式衬砌拆除设备的动作指令，经由所述信号发生器将动作指令转变为信号发出；

信号接收器与指令分配器，安装于所述自行式衬砌拆除设备主体上，所述信号接收器通过有线或无线接收所述信号发生器发出的信号，并经所述指令分配器将指令信号传递给所述动力系统，进而控制所述动力系统各部件的运转及停止。

一种应用前述的自行式隧道衬砌拆除设备的使用方法，包括如下步骤：

(1)移机就位

由所述控制系统发出指令，控制所述动力系统驱动所述行走系统带动所述拆除系统进入隧道，并在指定作业位置对正、停稳、调平；

(2)衬砌支撑

由所述控制系统发出指令，控制所述动力系统驱动所述第一回转盘旋转及所述第一机械臂运动，将所述机械爪抵靠并固定到衬砌内壁上；

(3)衬砌切割

由所述控制系统发出指令，控制所述动力系统驱动所述第二回转盘回转及所述第二机械臂运动，使所述链锯沿衬砌环向及纵向切割，将衬砌分割为若干个拆除单元；

(4)衬砌劈裂

由所述控制系统发出指令，控制所述动力系统驱动所述第三回转盘回转及所述第三机械臂运动，将所述钻具移动至衬砌与围岩连接处的指定位置进行钻孔，之后将所述劈裂器的劈裂杆伸入孔内进行劈裂，剥离所述拆除单元；

(5)衬砌移除

由所述控制系统发出指令，控制所述动力系统驱动所述第二回转盘回转及所述第二机械臂运动，带动所述机械爪移除剥离后的所述拆除单元。

进一步地讲，当行走地面平整时，按照步骤(1)到步骤(2)进行；当行走地面不平整时，则在步骤(1)与步骤(2)之间增加次级步骤(1′)，所述步骤(1′)为行走装置停留到位后，平衡架伸出直至地面，支撑在车架下方。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)同时实现了隧道衬砌置换时的防护、切割与拆除，无需在施工期间频繁更换设备，提高了作业效率，降低了组织难度。

(2)减少了临时支护的材料消耗，节省了临时支护架设与拆除的作业时间，避免了局部拆除导致的结构失稳。

(3)实现了衬砌不同需求的分块切割，且该设备作业基本无振动影响，降低了病害衬砌拆除施工对围岩和既有衬砌的扰动或损伤。

(4)切割机构、劈裂机构可多个同时工作，且劈裂机构可同时满足钻孔与劈裂，进一步提高了作业效率。

(5)设备通过遥控操作，技术人员在作业面之外，保证了人员安全。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明劈裂机构展开后的结构示意图；

图3为本发明切割机构展开后的结构示意图；

图4为本发明支撑与移除机构展开后的结构示意图；

图5为本发明切割机构的结构示意图；

图6为本发明支撑与移除机构的结构示意图；

图7为本发明劈裂机构的结构示意图；

图8为本发明链锯的结构示意图；

图9为本发明机械爪的结构剖视图；

图10为本发明工作状态的结构示意图；

图11为本发明支撑与移除机构的结构示意图；

图12为本发明劈裂器另一种实施方式的结构示意图；

图13为本发明动力系统传递的示意框图；

图中：1、车架，2、回转平台，5、驱动轮，6、支重轮，7、履带，8、安装塔，9、驱动油缸，11、第一机械臂，12、液压马达，13、钻头座，14、钻头，15、爪托，16、卡爪，17、销块，18、压簧，19、钻头油缸，20、卡爪油缸，22、第二回转盘，23、第二机械臂，24、链锯，26、第三机械臂，28、劈裂器，29、转换器，30、液压钻，31、劈裂杆，32、劈裂钻杆，33、支腿油缸，38、第一回转盘，39、第三回转盘。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种自行式隧道衬砌拆除设备，包括车架1、安装在车架1上端的回转平台2及安装在车架1下侧的行走装置，所述行走装置在图示中为履带式行走机构，所述行走装置包含但不限于履带式行走机构一种方式，还可根据实际需求选用轮胎式(例如，有路面保护需求的公路隧道)、轮轨式(例如，不停运的铁路隧道、地铁隧道)，无论是履带式行走机构、轮胎式行走机构或轮轨式行走机构，其具体结构及动力组成均为现有技术中具有的成熟技术，不再具体描述每个行走机构的详细结构，只针对图示中的履带式做简单描述，所述履带式行走机构包含有驱动轮5、导向轮、托链轮、支重轮6、履带7及张紧缓冲器，这些部件均为现有履带行走机构中具有的基础部件，其中，与驱动轮5相连的转轴分别与行走马达及通过减速箱输出动力的发动机相连，由发动机提供履带行走机构的行走动力，同时，驱动轮5通过轴承安装于车架1上，所述导向轮、托链轮、支重轮6、履带7及张紧缓冲器的连接结构及方式在现有的履带行走机构中已经是成熟技术，在此不做详述。

所述回转平台2通过设置在下侧的转轴及配套设置在车架1上的轴套转动安装于车架1的上侧，所述回转平台2动力来源于设置在车架1上的回转马达，回转马达带动与回转平台2相连的转轴，所述回转平台2上安装有拆除系统及动力系统。

所述动力系统包括安装于回转平台2上的主要动力输出部件柴油机、柴油箱、液压泵和液压油箱，所述柴油机通过油路与柴油箱相连，所述柴油机的动力输出端通过联轴器与液压泵的泵端相连，通过柴油机驱动液压泵运转，所述液压泵通过其上带有分配阀的液压油管与液压油箱相连，所述车架1上还设有指令分配器，所述指令分配器通过线缆分别与柴油机的主控系统及分配阀中的控制器相连，指令分配器分别向柴油机的主控系统及分配阀中的控制器发送信号，驱动柴油机及分配阀动作。

所述动力系统的动力传输由控制系统控制，控制系统包含有操作平台、与操作平台相连的信号发生器、与信号发生器相配套的信号接收器及前述中提到的指令分配器，所述操作平台即主机，所述操作平台发出所述自行式衬砌拆除设备的动作指令或动力传输指令，经由所述信号发生器将动作指令或动力传输指令转变为信号发出，发送至信号接收器，所述信号接收器与指令分配器均安装于所述自行式衬砌拆除设备主体上，所述信号接收器通过有线或无线接收所述信号发生器发出的信号，并经所述指令分配器将指令信号传递给所述动力系统，进而控制动力系统各部件的运转及停止。

所述拆除系统中包含有切割机构、劈裂机构及支撑与移除机构，所述支撑与移除机构在动力系统驱动下展开并支撑在衬砌内壁，所述切割机构沿衬砌环向及纵向切割，经环向及纵向切割后的衬砌形成若干个拆除单元，所述拆除单元经由劈裂机构破裂后与隧道主体分离，并由支撑与移除机构中的移除装置取下。

如图2、3、4所示，所述切割机构、劈裂机构及支撑与移除机构均安装于设置在回转平台2上的安装塔8上，所述安装塔8包含有外凸的圆弧状安装板，所述切割机构、劈裂机构及支撑与移除机构均沿安装塔8的圆周方向呈发散状排列设置若干个，所述切割机构、劈裂机构及支撑与移除机构环绕设置对应于隧道内衬砌的环面，如图10所示，所述支撑与移除机构支撑于衬砌内壁，所述切割机构将衬砌沿环向及纵向切割后形成多个块体，所述劈裂机构将这些块体与隧道内壁分离后，由所述支撑与移除机构取下，其中，由于切割面与支撑点在环面的位置不同，所述切割机构与所述支撑与移除机构的设置角度相交错，所述劈裂机构同所述支撑与移除机构在环面中的设置角度相匹配。

如图6所示，所述支撑与移除机构包括由多关节铰接组成的第一机械臂11及安装在第一机械臂11外端的机械爪，所述第一机械臂11的关节处安装有驱动油缸9，驱动油缸9驱动关节处两臂之间的角度改变，所述第一机械臂11的内端通过第一回转盘38转动安装在安装塔8上，机械爪的卡爪16铰接于爪托15上，卡爪16与爪托15之间通过连接的卡爪油缸20带动卡爪16动作，如图9所示，所述卡爪16环绕爪托15设置多个，所述爪托15中空，另有其内安装有液压马达12的驱动壳体滑动安装在爪托15的中空内腔中，所述液压马达12的输出端由驱动壳体的前端伸出，伸出的液压马达12的输出端与位于卡爪16环绕中心处的钻头座13相连，所述驱动壳体后方的爪托15内腔为填充液压油的钻头油缸19，驱动壳体密封安装，所述钻头油缸19通过相连的液压油管连接到液压油路中，钻头14安装于钻头座13上，钻头座13内腔中设有穿过钻头座13侧壁孔洞并延伸到所述钻头座13外侧的销块17，所述销块17对称设置，两销块17之间连接压簧18，压簧18连接处的两移动块17之间的腔室为密封腔室，密封腔室通过贯穿于钻头座13内的液压油管与钻头油缸19相连，所述钻头油缸19通过液压油路连接到分配阀中，由分配阀分配进入钻头油缸19及密封腔室的液压油，液压油量增大，将液压马达12连通钻头14及钻头座13一同向外推出，钻头伸出，并在液压马达12的驱动下旋转钻孔，同时，当钻头油缸19充满后，钻头14到达极限位置，停止转动，此时，密封腔室内充入液压油，密封腔室内的液压油向外推动销块17，销块17的外端伸出钻头座13，顶靠在钻头14钻好的孔洞内壁上，完成锁死动作，液压油量减小后，在压簧18弹力作用下销块17内缩，脱离锁死位置，钻头14可缩回。

如图5所示，所述切割机构通过第二机械臂23驱动，所述第二机械臂23同样由多关节铰接组成，关节处同样设有驱动油缸9驱动，所述第二机械臂23的内端通过第二回转盘22转动安装在安装塔8上，如图11所示，所述第二机械臂23与第一机械臂11的不同之处在于：第一机械臂11为支撑用臂，其截面尺寸及材料强度均大于第二机械臂23，为保持稳定，所述支撑与移除机构设置于整个车体的中部，所述支撑与移除机构伸出后支撑于隧道衬砌内部。

所述劈裂机构通过第三机械臂26驱动，所述第三机械臂26同样由多关节铰接组成，关节处同样设有驱动油缸9驱动，所述第三机械臂26的内端通过第三回转盘39转动安装在安装塔8上，所述第三机械臂26与第二机械臂23均不是支撑用机械臂，因此，相较于第一机械臂11截面尺寸均较小。

所述第一机械臂11、第二机械臂23和第三机械臂26同样由回转盘连接于安装塔上，适用于不同角度及方向的支撑、切割、劈裂、移除。

如图5或8所示，所述切割机构还包含有设置在第二机械臂23外端的链锯24，所述链锯24的驱动油缸同样连接到液压管路中，与链锯24连接的第二机械臂23的内端通过回转盘22设置在安装塔8上，所述回转盘22同轴线连接的转轴穿过安装塔8的安装座与设置在安装塔内侧的驱动油缸相连，并由驱动油缸带动回转盘22转动，回转盘22转动使链锯24的切割方向改变，所述第一机械臂11及第三机械臂26所连的回转盘同样通过该连接方式动作，在此不再赘述。

如图7和12所示，所述劈裂机构包含设置在第三机械臂26外端的钻孔装置和劈裂器，所述钻孔装置对指定位置进行钻孔，所述劈裂器的劈裂杆伸入所述钻孔内，进行劈裂。

所述钻孔装置和劈裂器有多种安装实施方式，其中一种为所述钻孔装置与所述劈裂器分开设置，在第三机械臂26的外端加装通过转轴铰接在机械臂上的转换器29，所述转换器29的外沿间隔安装液压钻30和劈裂器28，所述液压钻30的钻杆长度及所述劈裂器28的劈裂杆长度均可以根据需要进行调整，所述转换器29转轴通过液压油缸驱动，使所需装置转动至作业位置。

所述劈裂机构的第二种实施方式为所述钻孔装置内置于所述劈裂器中，所述劈裂钻杆32插装在中空的劈裂杆31内，所述劈裂钻杆32由设置在劈裂器壳体内的液压马达带动旋转，液压马达通过密封后座延伸到劈裂钻杆底座内的液压腔处，并密封在液压腔的上端，通过向劈裂钻杆底座内的液压腔中注入液压油，推动劈裂钻杆32及后座前移，劈裂钻杆32伸出中空劈裂杆31，钻好孔后外部的劈裂杆31进行劈裂，劈裂钻杆32的伸缩原理同支撑与移除机构中的钻头伸缩原理类似。

当隧道地面不平整时，设备行驶到指定位置，将车停稳，为保证施工的精度及设备的稳定性，在车架上设置平衡架，平衡架设置在车辆的四角处，且平衡架位于车架下侧并向下延伸，平衡架包括与车架相连的支腿油缸33及安装在支腿油缸33下端的支腿，所述支腿油缸和支腿并不限于安装在车架的四角处，可在车架上设置多个，实际作业时根据需求选择使用，支腿油缸33通过液压油管连接到液压油路中。

若采用轮胎式行走装置，为避免设备作业时的轮胎(柔性材料)承载稳定性不足；若采用轮轨式行走装置，为避免设备作业引起的既有轨道变形，所述平衡架需要在车体停稳后放下，以起到支撑作用。

整个拆除设备运转过程中的动力系统按照以下方式分配：

与操作平台的主机相连的信号发生器将控制信号发出，信号接收器将指令信号发送给指令分配器，指令分配器接收到运转信号后控制柴油机动作，液压泵运转，将液压油箱内的液压油经由分配阀分配到各机构，根据拆除的工序控制各机构先后动作，拆除衬砌。

拆除设备的工作过程为：

(1)设备行走：控制系统将控制信号发送给信号分配器，信号分配器将收到的驱动信号发送至柴油机，柴油机的输出轴通过联轴器带动液压泵动作，经由分配阀将液压动力传递给行走马达，经减速箱传递动力给驱动轮，驱动履带行走；

(2)设备旋转：控制系统将控制信号发送给信号分配器，信号分配器将收到的驱动信号发送至柴油机，柴油机的输出轴通过联轴器带动液压泵动作，经由分配阀将液压动力传递给回转马达，回转马达经由减速箱带动与回转盘相连的旋转轴承转动，回转盘带动设备旋转。

(3)设备平衡：控制系统将控制信号发送给信号分配器，信号分配器将收到的驱动信号发送至柴油机，柴油机的输出轴通过联轴器带动液压泵动作，经由分配阀将液压动力传递给平衡架油缸，平衡架伸出；

(4)衬砌支撑：控制系统将控制信号发送给信号分配器，信号分配器将收到的驱动信号发送至柴油机，柴油机的输出轴通过联轴器带动液压泵动作，经由分配阀将液压动力传递给第一机械臂关节处的机械臂油缸及机械爪中的卡爪油缸、钻头油缸，机械臂带动钻头、机械爪到达指定位置钻孔、固定；

(5)衬砌切割：控制系统将控制信号发送给信号分配器，信号分配器将收到的驱动信号发送至柴油机，柴油机的输出轴通过联轴器带动液压泵动作，经由分配阀将液压动力传递给带动链锯的第二机械臂关节处的机械臂油缸及链锯的动作油缸，机械臂带动链锯到达指定位置切割；

(6)衬砌劈裂：控制系统将控制信号发送给信号分配器，信号分配器将收到的驱动信号发送至柴油机，柴油机的输出轴通过联轴器带动液压泵动作，经由分配阀将液压动力传递给带动劈裂器的第三机械臂关节处的机械臂油缸及劈裂器的动作油缸，机械臂带动劈裂器到指定位置钻孔、劈裂；

(7)衬砌移除：控制系统将控制信号发送给信号分配器，信号分配器将收到的驱动信号发送至柴油机，柴油机的输出轴通过联轴器带动液压泵动作，经由分配阀将液压动力传递给第一机械臂关节处的机械臂油缸、机械爪中的卡爪油缸，机械臂带动机械爪将劈裂的衬砌移除。

一种应用前述自行式隧道衬砌拆除设备的衬砌拆除方法，包括如下步骤：

(1)移机就位

由所述控制系统发出指令，控制所述动力系统驱动所述行走系统带动所述拆除系统进入隧道，并在指定作业位置对正、停稳、调平；

(2)衬砌支撑

由所述控制系统发出指令，控制所述动力系统驱动所述第一回转盘旋转及所述第一机械臂运动，将所述机械爪抵靠并固定到衬砌内壁上；

(3)衬砌切割

由所述控制系统发出指令，控制所述动力系统驱动所述第二回转盘回转及所述第二机械臂运动，使所述链锯沿衬砌环向及纵向切割，将衬砌分割为若干个拆除单元；

(4)衬砌劈裂

由所述控制系统发出指令，控制所述动力系统驱动所述第三回转盘回转及所述第三机械臂运动，将所述钻具移动至衬砌与围岩连接处的指定位置进行钻孔，之后将所述劈裂器的劈裂杆伸入孔内，剥离衬砌；

(5)衬砌移除

由所述控制系统发出指令，控制所述动力系统驱动所述第二回转盘回转及所述第二机械臂运动，带动所述机械爪移除剥离后的衬砌。

进一步讲，若行走地面平整，则按照步骤(1)到步骤(2)进行；若行走地面不平整，在步骤(1)与步骤(2)之间增加次级步骤(1′)，所述步骤(1′)为行走装置停留到位后，平衡架伸出直至地面，支撑在车架下方。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。