一种小直径全断面隧道掘进机锚杆钻机系统

摘要

本发明公开了一种小直径全断面隧道掘进机(TBM)锚杆钻机系统。该锚杆钻机系统包括固定在全断面隧道掘进机内凯或主梁上的滑动轨道，可滑动底座，两个结构相同且沿所述小直径全断面隧道掘进机中心轴线左右对称设置的锚杆钻机，以及将锚杆钻机铰接到底座上的连杆结构，该连杆结构由大臂总成、大臂油缸、小臂总成和小臂油缸组成。利用该锚杆钻机系统可以与小直径全断面隧道掘进机工作流程紧密契合，在其作业范围内实现多种角度、不同距离上灵活精准锚杆钻孔作业，也适用于其他小空间的工程机构，并具有成本低、稳定可靠等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种锚杆钻机系统，特别是涉及一种小直径全断面 隧道掘进机(TBM)锚杆钻机系统。

背景技术

全断面隧道掘进机(TBM)是一种集机械、电子、液压、激光 等技术于一体的大型隧道掘进装备，在山岭隧道及城市地铁的建设 中发挥着重要作用。从发展趋势来看，小型化的TBM是一个重要发 展方向，特别是直径在3～5米范围内的小直径TBM在地下引水工程 或地下排污系统建设中有广泛应用。

目前，小直径TBM面临的主要问题是：作业空间有限，可移动 部件的运动范围、空间布置、运动形式都需要进行整体优化设计。 特别是小直径TBM的锚杆钻机系统，属于小直径TBM上的关键部 件，在TBM掘进过程中起到支护作用。

现有技术中，用于小直径TBM的锚杆钻机主要存在的问题是： 一是灵活性，在小直径TBM上，由于空间较小无法按照大直径TBM 的方法安装锚杆钻机。即使经改进安装以后，由于锚杆钻机安装位 置距离隧道中心较远，钻机长度较长，在轨道内无法回转，不能满 足锚杆支护覆盖范围的要求；二是精准性，由于小直径TBM在有限 的空间内作业，在锚杆钻机打孔作业之前，应该对相应的作业部位 进行准确定位测量，然后再启动后续工序，减少或避免出现误打 孔、打偏孔、打孔不深、固定不牢等问题；三是契合度，现有技术 中存在把用于其它工程领域中的锚杆钻机用于掘进机或盾构机的实 际应用，但这些应用不能完全适应掘进机的结构特点和工作流程， 在结构安装、电气调配、人员操控等方面尚未形成有机整体。

基于上述原因，有必要提供一种用于小直径TBM适用的锚杆钻 机系统，能够在使用的灵活度、精准性以及与掘进机实际应用紧密 契合方面具有创新性，同时具有成本低、稳定可靠等技术优势。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种小直径TBM锚杆钻机系 统，能够应用于直径小于5米的敞开式TBM，解决小直径TBM施工 过程中锚杆钻机体积过大、转动不灵活、精度不高等问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一 种小直径全断面隧道掘进机(TBM)锚杆钻机系统，所述锚杆钻机 系统固定的底座可沿设置在所述全断面隧道掘进机内凯或主梁的轨 道上滑动，所述锚杆钻机装置包括两个结构相同，且沿所述小直径 全断面隧道掘进机中心轴线左右对称设置的锚杆钻机，所述锚杆钻 机通过由大臂总成、大臂油缸、小臂总成和小臂油缸组成的连杆结 构铰接到所述底座上。

在本发明小直径全断面隧道掘进机锚杆钻机系统的另一个实施 例中，所述连杆结构的大臂总成与所述底座的铰接点位于所述底座 的顶端，所述大臂油缸与所述底座的铰接点位于所述底座的底端， 大臂油缸的活塞杆与所述小臂油缸的活塞杆也是活动连接。

在本发明小直径全断面隧道掘进机锚杆钻机系统的另一个实施 例中，所述连杆结构的大臂油缸的缸径为Φ80mm，杆径为 Φ50mm，行程为220mm-280mm；所述小臂油缸缸径为Φ80mm，杆 径为Φ50mm，行程为60mm-100mm。

在本发明小直径全断面隧道掘进机锚杆钻机系统的另一个实施 例中，所述连杆结构控制为全液压控制，手动控制液压阀组，实现 对大臂油缸和小臂油缸的伸缩操作。

在本发明小直径全断面隧道掘进机锚杆钻机系统的另一个实施 例中，所述连杆结构控制为电路控制，采用电磁阀组，实现对大臂 油缸和小臂油缸的伸缩操作。

在本发明小直径全断面隧道掘进机锚杆钻机系统的另一个实施 例中，所述轨道通过铆钉或焊接固定到所述内凯外壁上，所述底座 安装到所述轨道上，并与所述轨道的上表面和外表面对应结合。

在本发明小直径全断面隧道掘进机锚杆钻机系统的另一个实施 例中，在所述小直径全断面隧道掘进机的外凯和所述轨道之间设置 有用于推动所述锚杆钻机底座沿所述轨道移动的轴向移动油缸。

在本发明小直径全断面隧道掘进机锚杆钻机系统的另一个实施 例中，所述锚杆钻机系统设置有推进补偿油缸，所述推进补偿油缸 的中间为缸筒，所述缸筒两端均设有可伸出的活塞杆，所述活塞杆 的另一端固定设置在推进梁上，在所述缸筒的两端还各设置有一个 齿轮，两个齿轮分别安装有链条，所述链条的一端固定连接在所述 小臂总成上，所述链条的另一端连接在所述推进梁的底部。

本发明的有益效果是：该锚杆钻机系统包括固定在全断面隧道 掘进机内凯或主梁上的滑动轨道，可滑动底座，两个结构相同且沿 所述小直径全断面隧道掘进机中心轴线左右对称设置的锚杆钻机， 以及将锚杆钻机铰接到底座上的连杆结构，该连杆结构由大臂总 成、大臂油缸、小臂总成和小臂油缸组成。利用该锚杆钻机系统可 以与小直径全断面隧道掘进机工作流程紧密契合，在其作业范围内 实现多种角度、不同距离上灵活精准锚杆钻孔作业，也适用于其他 小空间的工程机构，并具有成本低、稳定可靠等优点。

附图说明

图1是本发明小直径全断面隧道掘进机锚杆钻机系统一实施例 的组成图；

图2是图1所示本发明小直径全断面隧道掘进机锚杆钻机系统 实施例的截面图。

图3是图2所示本发明小直径全断面隧道掘进机锚杆钻机系统 实施例的一个工作状态图。

图4是图2所示本发明小直径全断面隧道掘进机锚杆钻机系统 实施例的另一个工作状态图。

图5是本发明小直径全断面隧道掘进机锚杆钻机系统另一实施 例中底座与轨道剖面示意图。

图6是本发明小直径全断面隧道掘进机锚杆钻机系统另一实施 例中底座与轨道剖面示意图。

图7是本发明小直径全断面隧道掘进机锚杆钻机系统另一实施 例中推进补偿油缸的剖面示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明 进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是， 本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的 实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容 的理解更加透彻全面。

需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术 和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相 同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例 的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括 一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

下面结合附图，对本发明的各实施例进行详细说明。

图1是本发明小直径全断面隧道掘进机锚杆钻机系统一实施例 的正视图。在图1中，该锚杆钻机系统12设置在小直径全断面隧道 掘进机11的前端，在该小直径全断面隧道掘进机11内凯112的前 端通过焊接等方式设置有轨道121。该锚杆钻机系统12固定的底座 可沿轨道121移动。

优选的，在该小直径全断面隧道掘进机11的外凯111和轨道 121之间设置有用于推动锚杆钻机底座沿轨道121移动的轴向移动 油缸122。优选的，该轴向移动油缸122的行程为1800mm。

图2是图1所示本发明小直径全断面隧道掘进机锚杆钻机系统 实施例的截面图。可以看出，该锚杆钻机系统包括结构相同，且沿 该小直径全断面隧道掘进机中心轴线左右对称设置的两个锚杆钻机 211。图2中圆环线210示意表示该掘进机锚杆钻机系统所在的作业 隧道的圆形空间截面。由此可见，在这种工作环境中，对锚杆钻机 的圆周运动有较大的局限性。

下面结合图3和图4，进一步说明图2中锚杆钻机211与底座 的结构关系。图3是图2所示本发明小直径全断面隧道掘进机锚杆 钻机系统实施例的一个工作状态图。可以看出，锚杆钻机211通过 由大臂总成313、大臂油缸312、小臂总成315和小臂油缸316组成 的连杆结构铰接到底座311上。

大臂总成313的一端与底座311的铰接点3111位于底座311的 顶端，大臂总成313的另一端通过铰链连接锚杆钻机211；大臂油 缸312与底座311的铰接点3112位于底座311的底端，大臂油缸 312的活塞杆与小臂油缸316的活塞杆也是活动连接，小臂油缸316 的一端通过铰链连接大臂总成313；小臂总成315的两端分别通过 铰链连接锚杆钻机211和小臂油缸316。这样，通过大臂油缸312 的伸缩控制大臂总成313和锚杆钻机211一起转动，通过小臂油缸 316的伸缩控制锚杆钻机211相对于大臂总成313的转动。

其中，大臂总成313通过铰接点3111绕底座311转动的角度范 围是由大臂油缸312的行程和工作的洞径大小而定。在不同直径的 TBM设计中，该转动角度范围也不尽相同。优选的，在图3中，左 侧的大臂油缸313控制大臂总成只能顺时针转动，转动角度最大为 30°。在设计时，可以根据工作的洞径大小来确定转动角度，当洞径 增大时，相应的转动角度也跟着增大。

基于上述连杆结构的技术特征，当小臂油缸的活塞杆完全伸出 并固定，大臂油缸收回，则该连杆结构将带动锚杆钻机处于竖直向 上的位置(如图2所示)；当大臂油缸312的活塞杆伸出，将带动 整个大臂总成313绕上部铰接点3111旋转，锚杆钻机覆盖靠近隧道 中轴线310(如图3所示)；当大臂油缸的活塞杆完全缩回固定， 小臂油缸的活塞杆伸出时，小臂总成带动钻机接近隧道中轴线，小 臂油缸的活塞杆缩回时，小臂总成带动锚杆钻机偏离隧道中轴线 310(如图4所示)。

为了在直径在3～5米范围内的环境中进行作业，优选的，连杆 结构的大臂油缸的缸径为Φ80mm，杆径为Φ50mm，行程为 220mm-280mm；小臂油缸的缸径为Φ80mm，杆径为Φ50mm，行程 为60mm-100mm。

由以上实施例可以看出，相对于现有技术，本发明采用的这种 由大臂总成、大臂油缸、小臂总成和小臂油缸组成的连杆结构，能 够使得锚杆钻机在其顶部作业面内可以连续调整位置角度，作业的 灵活度增强。并且，通过优化选择该连杆结构中大臂油缸和小臂油 缸的技术参数，大臂总成、大臂总成的结构关系和尺寸大小，更加 适用于作业空间直径在3～5米范围内的小直径范围内作业。

在对上述连杆结构实施例进行控制时，可以采用两种控制方 式。一种是全液压控制，通过手动控制液压阀组，实现对大臂油缸 和小臂油缸的伸缩操作。这种控制方式实现起来较为简单，主要是 以人工机械操作为主，对操作经验要求较高。另外一种是电路控 制，采用电磁阀控制大臂油缸和小臂油缸的伸缩操作。这种控制方 式较为复杂简单，主要是以电路控制操作为主，但可以通过编程设 置各种工作流程，选择使用相应的工作流程程序后，可以进行自动 化操作，这种方式还可以进一步扩展，例如通过无线遥控器进行操 作、远程程序下载操作等。

为了增强本发明小直径全断面隧道掘进机锚杆钻机系统使用过 程中对锚杆定位的准确性，在本发明的一个优选实施例中，在锚杆 钻机的顶端外侧设置有用于定位瞄准和测距的激光测距机。利用该 激光测距机，可以准确瞄准锚杆钻机需要固定的位置，并根据当前 锚杆钻机所处的状态，计算出连杆结构中大臂油缸和小臂油缸伸缩 调整的位置，有利于实现自动化操作。

图5是本发明小直径全断面隧道掘进机锚杆钻机系统另一实施 例中底座与轨道剖面示意图。图5中，轨道512通过铆钉或焊接固 定到掘进机的内凯510外壁上，底座511安装到轨道512上，并与 轨道512的上表面5121和外表面5122对应结合。优选的，在底座 511与上表面5121和外表面5122之间设置有耐磨块513，该耐磨板 能够减小底座511与滑道512的摩擦力，适应多频率的往复运动， 具有无油自润滑的特点。

另外，图5仅显示了底座511上部与轨道512的配合关系，图 6进一步显示在底座511下部还与另外一个轨道612配合，这两个 轨道平行设置。这种结构增强了底座与轨道的咬合度，同时具有较 高的强度。

图7是本发明小直径全断面隧道掘进机锚杆钻机系统另一实施 例中推进补偿油缸的剖面示意图。图7中，该锚杆钻机系统设置有 推进补偿油缸701，该推进补偿油缸701的中间为缸筒702，该缸筒 702两端均设有可伸出的活塞杆703，两个活塞杆703的另一端固定 设置在推进梁706上。这种推进补偿油缸701的结构使得活塞杆 703贯穿缸筒702的两端，通过在两端的断面开口以供液压油进 入。进一步，在缸筒702两端各设置有一个齿轮704，两个齿轮704 分别安装有链条705，链条705的一端固定连接在小臂总成上，另 一端连接在推进梁的底部。

图7所示的这种推进补偿油缸结构的技术效果是：在推进补偿 油缸701的缸筒702移动一定的距离后，活塞杆703将带动推进梁 706移动比缸筒702的行程多一倍的距离，由此可以解决推进补偿 距离较短的问题，使得油缸的缸筒的两端具有动滑轮的特点，实现 油缸行程的倍增，满足了推进梁需要较大补偿行程的要求。

这种设计结构适用于小直径全断面隧道掘进机，这是因为在小 直径全断面隧道掘进机支护系统中，要满足钻机在截面的范围内能 够摆动，需要对锚杆钻机的总长进行限制，但是在钻机摆动到指定 的位置后，必须要求钻机的推进梁能够顶紧洞壁以保证凿岩机在工 作中的稳定。在通常情况下，普通的油缸即能满足推进补偿的要 求，但是在小直径洞径情况下，推进梁较短，在有限的空间内正常 油缸无法满足补偿的行程。

当使用本发明小直径全断面隧道掘进机锚杆钻机系统实施例 时，当需要在指定位置进行钻孔作业时，首先操作轴向驱动油缸， 驱动底座和钻机到达轴向位置。然后，控制大臂油缸和小臂油缸的 伸缩，调节钻机的径向方向，使之接近指定位置，然后控制推进补 偿油缸伸出，在链条的带动下，钻机的推进梁会沿着小臂总成向前 平移。由于通过上述链条和齿轮传动结构，平移的距离将是推进补 偿油缸行程的两倍，当推进梁的顶端抵紧隧道壁时，就可以控制凿 岩机进行锚杆钻孔作业。钻孔作业结束后，控制推进补偿油缸反向 运动，通过链条带动推进梁缩回。推进梁退到合适位置后，可以进 行新的钻孔作业。

基于以上实施例，本发明提供的用于小直径全断面隧道掘进机 锚杆钻机系统包括固定在全断面隧道掘进机内凯或主梁上的滑动轨 道，可滑动底座，两个结构相同且沿所述小直径全断面隧道掘进机 中心轴线左右对称设置的锚杆钻机，以及将锚杆钻机铰接到底座上 的连杆结构，该连杆结构由大臂总成、大臂油缸、小臂总成和小臂 油缸组成。利用该锚杆钻机系统可以与小直径全断面隧道掘进机工 作流程紧密契合，在其作业范围内实现多种角度、不同距离上灵活 精准锚杆钻孔作业，也适用于其他小空间的工程机构，并具有成本 低、稳定可靠等优点。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范 围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直 接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护 范围内。