隧道施工用全断面多功能非爆开挖设备的制作方法

本实用新型涉及隧道施工设备技术领域，具体涉及一种能进行隧道全断面开挖的设备。

背景技术：

近年铁路、公路的大量兴建，出现了各种条件下的隧道，同时施工过程中对生产生活的影响也与日剧增，导致传统的隧道施工技术(爆破法)满足不了隧道特殊施工的要求。传统施工中，较硬质围岩隧道施工多采用爆破法，若周边环境复杂，尤其经过城区时，多临近居民密集区，建筑物密集，需要严密控制施工过程中的振动，以防止产生扰民、上覆地表建筑物振动开裂等影响。尤其是目前炸药管制的严格，环保要求的提高，很多工程受制于火工品管理及环保要求，施工时间无法得到保证。

非爆破开挖法是避免以上问题的方法之一，非爆破开挖法是指由于周边环境、管理要求、围岩条件等因素影响，不能通过爆破方式而可以采取相应设备进行的施工办法。

在目前隧道工程中，因为施工环境及地理位置等因素影响，非爆开挖面临有效开挖面小、进度缓慢、适应性差、断面超欠挖控制难的难题，比较传统的非爆开挖设备有挖掘机、切割机、炮机(啄木鸟)、综掘机等，但都存在各自的局限性，比如：开挖角度、尺寸有一定局限性，无法实现全断面开挖；适应的开挖围岩范围小，开挖过程中需要二次换装，影响了施工效率；开挖过程中能耗高，粉尘大；在隧道施工中，既存在进度、安全等诸多不利因素，也存在成本投入、工程量增大的风险。如果仅靠以上的方案不仅会增大施工工程量、严重影响施工进度,而且工作人员的人身安全得不到相应的保障。

技术实现要素：

本实用新型旨在提供一种适应围岩范围广，开挖能耗低、粉尘少，开挖效率高且开挖过程中不需要换装的隧道施工用全断面多功能非爆开挖设备。

为此，本实用新型所采用的技术方案为：一种隧道施工用全断面多功能非爆开挖设备，包括底座、行走机构和悬臂组件，所述悬臂组件包括大臂支座、大臂、大臂油缸、小臂和小臂油缸，所述大臂的下端铰接安装在大臂支座上，大臂的上端与小臂的下端铰接安装，大臂油缸的下端安装在大臂支座上，大臂油缸的上端安装在大臂的外壁上，小臂油缸的下端安装在大臂的外壁上，小臂油缸的上端安装在小臂的外壁上；还包括主回转工作台、液压冲击破岩机构和稳定支撑伸缩腿；

所述大臂支座倾斜安装在主回转工作台的前倾斜面上，并能绕垂直于前倾斜面的第一回转中心作回转运动，所述主回转工作台竖直安装在底座上，并能绕竖直设置的第二回转中心作回转运动；

所述液压冲击破岩机构包括冲击器、冲击油缸和安装在冲击器前端的挖掘刀具，所述冲击器的中部铰接安装在小臂的上端，冲击油缸的上端安装在冲击器的后端，冲击油缸的下端安装在小臂的外壁上；

所述隧道施工用全断面多功能非爆开挖设备能在水平工作状态、最大仰角工作状态、最大俯角最大仰角工作状态之间连续变换，且最大仰角工作状态与最大俯角工作状态之间的夹角不得小于180°。

作为上述方案的优选，当大臂油缸处于设定的最大伸长状态、小臂油缸处于设定的最大伸长状态、冲击油缸处于设定的最小伸长状态时，小臂位于大臂的延长线上，液压冲击破岩机构处于水平工作状态；当大臂油缸处于设定的最大伸长状态、小臂油缸处于设定的后侧最小伸长状态、冲击油缸处于设定的最小伸长状态时，小臂的上端相对下端朝后侧转动至最大设定角度，液压冲击破岩机构处于最大仰角工作状态；当大臂油缸处于设定的最小伸长状态、小臂油缸处于设定的前侧最小伸长状态、冲击油缸处于设定的最大伸长状态时，小臂的上端相对下端朝前侧转动至最大设定角度，液压冲击破岩机构处于最大俯角工作状态。

进一步优选为，所述底座的后方固设有横梁，所述稳定支撑伸缩腿的一端铰接在横梁的尾端，另一端通过转动实现支撑在隧道地面或隧道侧壁上。

进一步优选为，所述行走机构采用履带式行走机构，所述横梁架设在两条履带之间，在行走机构与底座之间还设置有刮板式输送机，刮板式输送机的前、后两端均延伸至行走机构外用于输送开挖渣土。挖掘过程中产生的渣土正好落在刮板式输送机的前端，刮板式输送机能及时完成渣土的外运，以节省空间。

进一步优选为，所述大臂油缸共一个，位于大臂的下方，小臂油缸共两个，对称设置在小臂的左右两侧，冲击油缸共两个，对称设置在冲击器的左右两侧，且两个小臂油缸与两个冲击油缸内外错开设置。优化布置，避免干涉，且结构紧凑占用空间小。

进一步优选为，所述主回转工作台绕第二回转中心的回转运动角度为220±20°，所述小臂朝后侧转动至最大设定角度与朝前侧转动至最大设定角度之间的夹角为60±5°；对于设备后方的空间已经开挖完成，优化回转角度，进一步提高效率并便于控制。

本实用新型的有益效果：

(1)本实用新型主要针对岩石单轴抗压强度≤150mpa以内的地层施工，实现隧道的非爆破开挖，适应开挖围岩范围大。

(2)本挖掘设备应用于施工中，围岩条件适合挖掘时，不启动冲击器，直接利用挖掘刀具进行挖掘并结合自带的刮板输送机输出渣土，围岩不适合直接挖掘时，启动冲击器冲击破岩，使围岩松动的同时利用挖掘刀具挖掘，利用点破面的原理进行破岩，冲击破岩和挖掘施工不需要进行二次换装，极大地节约了施工效率；

(3)本挖掘设备结合冲击器和挖掘刀具的共同作用，在冲击破岩过程中以及挖掘过程中只是将掌子面岩性分裂，所以能量消耗低，粉尘小，施工效率高，环保、经济；

(4)本挖掘设备结合一个竖直、一个倾斜的回转中心作回转运动，并通过优化油缸的布置和控制，增加了开挖过程中的灵活性，实现大自由度的开挖角度，具有开挖面广、整体尺寸适中的特点，相比现有的挖掘设备在挖掘高度范围内有显著的优势，能进行隧道全断面开挖；

(5)增设稳定支撑伸缩腿，转动实现支撑在隧道地面或隧道侧壁上，在破碎强度高的围岩和弧面作业时用于稳定机身，能承受来自冲击端的冲击力，确保开挖过程中设备的自稳性，并且铰接安装的方式便于折叠后运输；稳定支撑伸缩腿不仅起到支撑作用，也是作为调整作业空间的装置；

(6)设备具有冲击破岩随着设备姿态的变化而变化的能力，利用多重机构进行配合工作，最终实现全断面的开挖，该装机装置能通过边旋转边开挖实现前方隧道的全断面开挖。

附图说明

图1为本实用新型处于水平工作的状态。

图2为本实用新型处于最大仰角工作的状态。

图3为本实用新型处于最大俯角工作的状态。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图，对本实用新型作进一步说明：

如图1所示，一种隧道施工用全断面多功能非爆开挖设备，主要由底座1、行走机构2、大臂支座3、大臂4、大臂油缸5、小臂6、小臂油缸7、主回转工作台8、冲击器9、冲击油缸10、挖掘刀具11、稳定支撑伸缩腿12、横梁13、刮板式输送机14组成。

大臂支座3、大臂4、大臂油缸5、小臂6和小臂油缸7构成悬臂组件。大臂4的下端铰接安装在大臂支座3上，大臂4的上端与小臂6的下端铰接安装。大臂油缸5的下端安装在大臂支座3上，大臂油缸5的上端安装在大臂4的外壁上，小臂油缸7的下端安装在大臂4的外壁上，小臂油缸7的上端安装在小臂6的外壁上。

主回转工作台8带有前倾斜面用于安装大臂支座3，大臂支座3倾斜安装在主回转工作台8的前倾斜面上，并能绕垂直于前倾斜面的第一回转中心a作回转运动。主回转工作台8竖直安装在底座1上，并能绕竖直设置的第二回转中心b作回转运动。即第一回转中心a与第二回转中心b呈夹角设置。主回转工作台8绕第二回转中心b的回转运动角度最好为220±20°，能完成左右旋转110±10°。小臂6朝后侧转动至最大设定角度与朝前侧转动至最大设定角度之间的夹角为60±5°。

冲击器9、冲击油缸10和挖掘刀具11构成液压冲击破岩机构。挖掘刀具11安装在冲击器9的前端，作为开挖岩石的主要工具，优选为钎刀，但不限于此。冲击器9的中部铰接安装在小臂6的上端，冲击油缸10的上端安装在冲击器9的后端，冲击油缸10的下端安装在小臂6的外壁上。

该隧道施工用全断面多功能非爆开挖设备能在水平工作状态、最大仰角工作状态、最大俯角最大仰角工作状态之间连续变换，且最大仰角工作状态与最大俯角工作状态之间的夹角不得小于180°。

底座1的后方固设有横梁13，稳定支撑伸缩腿12的一端铰接在横梁13的尾端，另一端通过转动实现支撑在隧道地面或隧道侧壁上。

该非爆开挖装置共有三个极限工作位置：(1)当大臂油缸5处于设定的最大伸长状态、小臂油缸7处于设定的最大伸长状态、冲击油缸10处于设定的最小伸长状态时，小臂6位于大臂4的延长线上，液压冲击破岩机构处于水平工作状态，如图1所示的状态。(2)当大臂油缸5处于设定的最大伸长状态、小臂油缸7处于设定的后侧最小伸长状态、冲击油缸10处于设定的最小伸长状态时，小臂6的上端相对下端朝后侧转动至最大设定角度，液压冲击破岩机构处于最大仰角工作状态，如图2所示的状态。(3)当大臂油缸5处于设定的最小伸长状态、小臂油缸7处于设定的前侧最小伸长状态、冲击油缸10处于设定的最大伸长状态时，小臂6的上端相对下端朝前侧转动至最大设定角度，液压冲击破岩机构处于最大俯角工作状态，如图3所示的状态。

行走机构2是实现隧道施工用全断面多功能非爆开挖设备平移的主要部件，行走机构放置在地面上，最好是，行走机构2采用履带式行走机构。横梁13架设在两条履带之间，在行走机构2与底座1之间还设置有刮板式输送机14，刮板式输送机14的前、后两端均延伸至行走机构2外用于输送开挖渣土。

另外，大臂油缸5共一个，位于大臂4的下方，小臂油缸7共两个，对称设置在小臂6的左右两侧，冲击油缸10共两个，对称设置在冲击器9的左右两侧，且两个小臂油缸7与两个冲击油缸10内外错开设置。

稳定支撑伸缩腿12左右配备有两套，每套包含顶升立柱、高度传感器、液压控制阀。其功能为装机专用设备支撑稳定的装置。在设备就位后，将稳定支撑伸缩腿伸出，再通过液压泵控制稳定支撑伸缩腿进行设备的支撑动作，在支撑油缸的驱动下，撑靴稳定地支承于地面。高度传感器用于检测顶升高度以及支撑压力，电控系统根据高度传感器检测数据闭环控制液压比例阀，保证左右两套稳定支撑伸缩腿的同步性以及可靠性。支撑油缸配备液压锁，确保支撑系统的安全性。采用液压比例阀与距离传感器配合调节液压油流量及压力，完成展臂与破岩的同步性，在进行以上动作的同时整台设备通过动力模块提供能源从而使除尘、出渣、破岩为一体式运作，通过plc模块编码器保证机构运动的同步性和协调性，从而完成非爆开挖工作。

本开挖设备自带行走机构，可以快速转换工作面；自带刮板式输送机，能将挖掘过程中产生的渣土及时输送出去；最好是，还自带有除尘降尘系统(图中未示出)能有效控制施工环境质量。对较硬围岩采取冲击破碎原理，对软弱围岩直接勾挖。当勾挖无法满足施工时启动冲击装置，当冲击功较大时，采用稳定支撑伸缩腿12保障机身稳固。全断面非爆开挖装备能在开挖时进行行走，转向，快速实现开挖作业，不仅能够有效的实现隧道非爆开挖、旋转、行走、除尘等功能，并安装急停装置确保作业安全，能很好的控制开挖质量和人员远程操作功能。通过远程控制、行走、旋转、除尘等能够实现安全快速施工，从而大幅度降低施工工期，控制作业环境，而且本设备适用于各种不同结构的隧道开挖断面。

为实现整个系统的运行，还需要配备动力电机、旋转马达、旋转减速机构、plc控制模块、泵站、破岩冲击系统、液压控制系统、电气控制系统等。plc控制模块可采用操作一个动作的多点集成控制系统，一键完成一个既定动作(根据需要开挖深度控制)，属一种集成控制技术。设备上还配有视觉监控系统，可实现远程操作。各油缸均设置有液压锁，保证油缸的可靠定位，是设备进行作业及运输的主要承力部件。

控制系统主要分为液压系统和电控系统，整台全断面多功能非爆开挖装备配置液压锁、传感器、比例阀、编码器、多级油缸及管路，通过外界提供液压动力源进行完成各部件的动作。为了保证设备同步行走的安全稳定，电控系统的电机为同型号功率的电机，减速机的选型完全一致，配置编码器，保证行走机构两侧的同步性。

整套装备设备机构尺寸为12000mm×3500mm×2680mm，冲击破岩能力为100t,作业半径为7000mm，破岩速度为80m³/h(冲击频率为102)，大车行走速度为120m/min，能有效破除岩石单轴抗压强度≤150mpa以内的各类围岩。

本开挖设备是集机械、电气、液压一体的综合性隧道全断面开挖设备，能进行智能控制检测，非常适合非爆开挖工作，进而可以缩短工期，降低总费用，既可以提高施工过程中的安全可靠性，又减少工序适应难题，并节约人力资源。