《一種長距離大坡度斜井全斷面岩石掘進機》是中國鐵建重工集團有限公司於2012年6月29日申請的專利，該專利的申請號為2012102206283，公布號為CN102704945A，授權公布日為2012年10月3日，發明人是劉飛香、程永亮、鄭大橋、彭正陽、龍斌、麻成標。
《一種長距離大坡度斜井全斷面岩石掘進機》包括盾體、設在盾體前端的由刀盤和主驅動系統構成的機頭、可雙向旋轉出碴的刀盤、位於刀盤後的開挖艙、設在開挖艙的可密閉的接碴斗和防涌門、安裝在盾體內頂部的穩定器、設在盾體內的與機頭鉸接的推進油缸、防爆型排水系統、防爆型通風除塵系統、主機皮帶機，還包括設在盾體後端的管片拼裝機、與主機皮帶機銜接的後配套皮帶機以及物料快速倒運系統。該發明可以有效解決長距離大坡度斜井中突發性大量湧水、大量有害氣體，掘進速度和效率，輔助物料運輸，主機栽頭及主機側向滾動等問題。
2016年12月7日，《一種長距離大坡度斜井全斷面岩石掘進機》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《一種長距離大坡度斜井全斷面岩石掘進機》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種長距離大坡度斜井全斷面岩石掘進機
- 公布號：CN102704945A
- 授權日：2012年10月3日
- 申請號：2012102206283
- 申請日：2012年6月29日
- 申請人：中國鐵建重工集團有限公司
- 地址：湖南省長沙市經濟技術開發區東七路88號
- 發明人：劉飛香、程永亮、鄭大橋、彭正陽、龍斌、麻成標
- Int.Cl.：E21D9/087(2006.01)I、E21D9/12(2006.01)I、E21D11/10(2006.01)I、E21D11/40(2006.01)I
- 代理機構：長沙新裕智慧財產權代理有限公司
- 代理人：劉熙
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,有益效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
截至2012年6月，中國國外採用掘進機法施工的隧道最大坡度為向上84%、向下58%，採用全斷面岩石掘進機（TBM）施工的大坡度隧道絕大部分為上坡，因為上坡掘進有利於處理大量湧水等不良地質問題。而向下掘進的大坡度隧道（坡度超過-10%）主要採用壓力平衡式盾構，這樣容易解決大量湧水、大量有害氣體等不良地質問題，但掘進速度慢效率低，地質適應範圍窄。
截至2012年6月，中國國內掘進機法施工的隧道最大坡度只有±5.5%，且均採用壓力平衡式盾構，掘進速度慢效率低，地質適應範圍窄。而專門針對長距離大坡度斜井的TBM（坡度超過-10%）的研發和使用，在中國國內未有先例。
特別是煤礦中用於運輸的長距離大坡度斜井，往往伴有大量湧水、大量有害氣體等風險。且在長距離大坡度斜井隧道（坡度超過-10%）內運輸施工用輔助物料（如管片、豆礫石、混凝土砂漿、水泥漿等）存在安全和效率問題。專門針對此類長距離大坡度斜井工程的TBM研發和使用在世界範圍內也未有先例。
在中國，煤礦中使用的運輸巷道絕大部分為長距離大坡度斜井，數量龐大，且對施工工期以及安全要求苛刻。而2012年6月前此類斜井均採用鑽爆法等施工，或者改為豎井施工，施工速度和效率低，安全性和文明施工程度低。設計專門針對此類長距離大坡度斜井的TBM前景廣闊。
發明內容
專利目的
《一種長距離大坡度斜井全斷面岩石掘進機》的目的是提供一種長距離大坡度斜井全斷面岩石掘進機（TBM），以解決長距離大坡度斜井中突發性大量湧水、大量有害氣體，掘進速度和效率，輔助物料運輸，主機栽頭及主機側向滾動等問題。
技術方案
《一種長距離大坡度斜井全斷面岩石掘進機》的長距離大坡度斜井全斷面岩石掘進機，包括盾體、設在盾體前端的由刀盤和主驅動系統構成的機頭、可雙向旋轉出碴的刀盤、位於刀盤後的開挖艙、設在開挖艙的可密閉的接碴斗和防涌門、安裝在盾體內頂部的穩定器、設在盾體內的與機頭鉸接的推進油缸、防爆型排水系統、防爆型通風除塵系統、主機皮帶機，還包括設在盾體後端的管片拼裝機、與主機皮帶機銜接的後配套皮帶機以及物料快速倒運系統。
所述刀盤的旋轉中心線向上偏離盾體中心線一定距離。
所述刀盤上設有刮碴板。
所述接碴斗進料口上設有與油缸連線的密封門。
所述推進油缸的側向設有偏轉油缸。
所述盾體外的底部焊接有防滾條。
所述主機皮帶機設定有除塵風管。
物料快速倒運系統包括後配套尾部卸載拖車及物料運輸車和罐。
有益效果
1、採用具有密閉功能的盾體、可密閉的接碴斗、防爆型排水系統以及防爆型通風除塵系統，可解決長距離大坡度斜井工程中大量湧水、大量有害氣體等突發問題，保證設備和施工人員安全。
2、採用可雙向旋轉出碴的刀盤1配合主機皮帶機以及後配套皮帶機8出碴，可提高掘進速度和出碴效率；採用預製混凝土管片襯砌支護，利用豆礫石和稀水泥漿填充管片與隧道之間的間隙，並在仰拱底部注入速凝混凝土防止管片沉降，可保證快速、有效、安全地襯砌支護隧道。
3、採用適應大坡度長距離斜井的物料快速倒運系統，可提高長距離大坡度斜井施工用輔助物料（如管片、豆礫石、混凝土砂漿、水泥漿等）的供給速度。
4、為解決在長距離大坡度斜井隧道掘進過程中TBM主機容易栽頭的問題，將刀盤的旋轉中心線向上偏離盾體中心線一定距離，此時隧道底部開挖量減少頂部開挖量增加，隨著刀盤邊滾刀磨損量增加，隧道底部逐漸形成一條向上的曲線，迫使整個主機向上抬頭。
5、為解決開挖後隧道壁對盾體包裹能力小、摩擦力不夠導致TBM主機與隧道發生相對側向滾動的問題，採用可雙向旋轉出碴的刀盤來抵消部分側向滾動扭矩，利用底部焊接有防滾條的盾體和安裝在盾體上部的穩定器增加隧道與盾體間摩擦力，並配合可調整角度的推進油缸提供與滾動方向相反的扭矩，共同防止TBM主機側向滾動。
附圖說明
圖1是《一種長距離大坡度斜井全斷面岩石掘進機》正常掘進時的結構示意圖。
圖2是該發明遭遇大量湧水時剖視圖。
圖3是該發明中接碴斗的示意圖。
圖4是該發明中推進油缸的主視圖。
圖5是圖4中推進油缸的A向視圖。
圖6是圖4的俯視圖。
圖7是推進油缸偏轉狀態示意圖。
圖8是該發明中的主機皮帶機示意圖。
圖9是該發明中刀盤旋轉中心與盾體中心的示意圖。
圖10是該發明中的刀盤示意圖。
圖11是該發明施工時管片在卸載拖車區域卸載示意圖。
圖12是該發明施工時管片在後配套前部卸載和吊裝示意圖。
圖13是該發明施工時豆礫石罐卸載示意圖。
技術領域
《一種長距離大坡度斜井全斷面岩石掘進機》屬於全斷面岩石掘進機（TBM），具體涉及一種長距離大坡度斜井全斷面岩石掘進機。
權利要求
1.《一種長距離大坡度斜井全斷面岩石掘進機》特徵在於包括盾體、設在盾體前端的由刀盤和主驅動系統構成的機頭、可雙向旋轉出碴的刀盤、位於刀盤後的開挖艙、設在開挖艙的可密閉的接碴斗和防涌門、安裝在盾體內頂部的穩定器、設在盾體內的與機頭鉸接的推進油缸、防爆型排水系統、防爆型通風除塵系統、主機皮帶機，還包括設在盾體後端的管片拼裝機、與主機皮帶機銜接的後配套皮帶機以及物料快速倒運系統；所述刀盤的旋轉中心線向上偏離盾體中心線一定距離。
2.根據權利要求1所述的長距離大坡度斜井全斷面岩石掘進機，其特徵在於所述刀盤上設有刮碴板。
3.根據權利要求2所述的長距離大坡度斜井全斷面岩石掘進機，其特徵在於所述接碴斗進料口上設有與油缸連線的密封門。
4.根據權利要求3所述的長距離大坡度斜井全斷面岩石掘進機，其特徵在於所述推進油缸的側向設有偏轉油缸。
5.根據權利要求4所述的長距離大坡度斜井全斷面岩石掘進機，其特徵在於所述盾體外的底部焊接有防滾條。
6.根據權利要求5所述的長距離大坡度斜井全斷面岩石掘進機，其特徵在於所述主機皮帶機設定有除塵風管。
7.根據權利要求6所述的長距離大坡度斜井全斷面岩石掘進機，其特徵在於物料快速倒運系統包括後配套尾部卸載拖車及物料運輸車和罐。
實施方式
見圖1、圖2，長距離大坡度斜井全斷面岩石掘進機，包括具有密閉功能和防滾動的盾體2、設在盾體2前端的由刀盤1和主驅動系統5構成的機頭、可雙向旋轉出碴的刀盤1、位於刀盤1後的開挖艙a、設在開挖艙a的可密閉的接碴斗4和防涌門12、安裝在盾體內頂部的穩定器3、設在盾體2內的與機頭鉸接的推進油缸10、防爆型排水系統11、防爆型通風除塵系統15、主機皮帶機6，還包括設在盾體2後端的管片拼裝機7、與主機皮帶機6銜接的後配套皮帶機8以及物料快速倒運系統；接碴斗4進料口401上設有與油缸連線的密封門14，如圖3所示；推進油缸10如圖4—6所示，在其底部側向設有偏轉油缸16與支架101連線，當偏轉油缸16工作時帶動推進油缸10發生偏轉（參見圖7）；主機皮帶機6上設定有除塵風管15，如圖8所示；刀盤1的旋轉中心線b向上偏離盾體2的中心線c一定距離，如圖9所示；刀盤1上設有刮渣板101，如圖10所示；盾體2外的底部焊接有防滾條（未示出）；見圖11—13，物料快速倒運系統包括後配套尾部卸載拖車18及物料運輸車和罐，如隧道內膠輪車20運輸編組、後配套物料卸載吊機17、後配套內部的物料倒運卷揚小車22、管片卸載器21、管片吊機24以及豆礫石吊機25、砂漿罐吊機以及砂漿泵送系統。
工作原理：
圖1中為《一種長距離大坡度斜井全斷面岩石掘進機》正常掘進模式，此時通過主機皮帶機6和後配套皮帶機8出碴，通過管片拼裝機7拼裝預製的混凝土管片9來襯砌支護開挖成型的隧道。刀盤1設定為正向旋轉和反向旋轉交叉的旋轉出碴模式，從而起到防止主機側向滾動的作用。盾體頂部的穩定器3向外伸出撐靴頭作用在洞壁上產生的反力，增加了盾體底部與隧道壁之間的摩擦力，而盾體外底部焊接有防滾條也可增加與隧道壁間的摩擦力，從而起到防止主機滾動的作用。推進油缸10亦可通過自身的偏轉油缸16調整偏轉角度，提供與主機滾動扭矩方向相反的扭矩，阻止主機滾動。
圖2中為斜井開挖面遭遇大量湧水或者大量有害氣體13時的處理示意圖。當掌支面突然出現大量湧水13時停止掘進，關閉接碴斗4的密封門14和防涌門12，將湧水暫時密封在開挖艙a內。然後調節防涌門12開口大小，限制性地讓部分湧水流進盾體2內，再通過盾體2內的防爆型排水系統11將湧水抽排到後配套污水箱內。污水箱內污水通過簡單的分離處理後，通過後配套內排污泵以及隧道內排污泵分級抽排至洞外。
當斜井開挖面出現大量有害氣體13時停止掘進，立即關閉接碴斗4的密封門14和防涌門12，暫時將大量有害氣體密閉在開挖艙a內。在保證主機內通風除塵系統工作良好的情況下再打開接碴斗4的密封門14，此時具有防爆功能的除塵系統通過主機皮帶機6內部的除塵風管15迅速將有害氣體抽排至後配套區域以外，再依靠隧道內迴風作用將有害氣體攜帶至洞外。
可密閉的接碴斗4在緊急情況下，密封門14可通過油缸實現自動開閉。
推進油缸10，通過偏轉油缸16可實現推進油缸10整體偏轉一定角度，在推進過程中提供一定防主機側滾的扭矩。
可雙向旋轉出碴的刀盤1由於有刮渣板，刀盤正轉和反轉均可實現掘進出碴，並可防止和糾正主機的側向滾動。
物料快速倒運系統可快速運輸施工所需的管片、豆礫石及混凝土砂漿、水泥漿等輔助物料。
管片運輸方案如圖11和圖12所示。首先，洞外的管片23通過膠輪車20編組整環運送至TBM後配套尾部卸載拖車18區域；其次，在卸載拖車18區域通過物料卸載吊機17將管片23卸載到物料倒運卷揚小車22上；然後，通過卷揚小車22將管片23運送至後配套前部；再通過管片卸載器21將管片23卸載後堆放在拖車內，並通過管片吊機24將管片23分塊吊至管片存儲小車19上，最後管片拼裝機7抓取由管片存儲小車19運送來的管片23並依次拼裝。
豆礫石運輸方案如圖11—圖13所示。首先，洞外豆礫石裝載至豆礫石罐26中，通過膠輪車20將豆礫石罐26運送至TBM後配套尾部卸載拖車18區域；其次，在卸載拖車18區域通過物料卸載吊機17將礫石罐26卸載到物料倒運卷揚小車22上；然後，通過卷揚小車22將礫石罐26運送至後配套豆礫石罐指定存放拖車區域；再通過豆礫石罐吊機25將豆礫石罐26卸載後放置於指定位置。
混凝土砂漿、水泥漿等輔助物料運輸方案。此類非固態輔助物料罐裝後用膠輪車20運輸至TBM後配套尾部卸載拖車18區域，並通過吊機卸載到後配套尾部拖車內，再泵送至拖車前部指定的存儲罐內。
榮譽表彰
2016年12月7日，《一種長距離大坡度斜井全斷面岩石掘進機》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
