隧道挖掘机及隧道挖掘方法

摘要

本发明的目的是提供一种隧道挖掘机和隧道挖掘方法，解决挖掘机因基岩膨胀而不能前进的问题。本发明的挖掘机的钻体11的前部安装着可驱动旋转的刀盘，该钻体11由沿周方向分割成4个的顶支护体12、侧支护体13、14和下支护体15构成，并且，通过液压缸18、19、25使顶支护体12及侧支护体13、14在径向移动，可使钻体11的外径扩缩。

说明书

本发明涉及隧道挖掘机及隧道挖掘方法，特别涉及挖掘基岩等来构筑隧道的隧道钻机(TBM)。

一般的隧道钻机(以下称为TBM)是在圆筒形面板前部安装可驱动旋转的刀盘，在该刀盘上，安装着多个挖掘基岩用的辊筒式切刀(ロ-ラカッタ)。在该面板上，安装着与已挖掘形成的隧道内壁面压接以保持该面板位置的一对前撑靴。另外，在面板的隔壁中，固定着中空的并向后方延伸的导筒，在该导筒的后部，安装着可沿掘进方向移动的后部支护体。在该后部支护体上，安装着与已挖掘形成的隧道内壁面压接以保持该后部支护体位置的一对后撑靴。在面板与后部支护体之间，架设着若干个推进液压缸。

因此，在由后撑靴保持着后部支护体位置，前撑靴解除了对面板位置保持的状态下，如果一边使刀盘旋转驱动，一边使上述若干个推进液压缸伸长，则多个辊筒式切刀一边挖掘前方的基岩，面板一边前进。当推进液压缸伸长至全冲程时，由前撑靴保持着面板的位置，后撑靴解除对后部支护体的位置保持。在此状态下，当缩回该多个的推进液压缸时，则后部支护体相对于面板拉近而前进。然后，如前所述，由后撑靴保持着后部支护体的位置，前撑靴解除对面板的位置保持，通过边旋转驱动刀盘边伸长该若干个推进液压缸，由多个辊筒式切刀挖掘基岩并前进，通过反复进行该作业构筑隧道。

但是，用上述现有TBM挖掘基岩形成隧道时，有时因装置的维修、更换切刀、故障等原因需长时间中断挖掘，或者因休息日等要停止使用TBM2～3天。而基岩通常是呈压缩状态处于岩床中的，由于形成了隧道，该基岩会膨胀，而使由TBM挖掘的隧道的内径变小。在此状态下，如上所述，基岩膨胀时，应力作用在面板的外周面，再次用TBM挖掘基岩形成隧道时，面板即TBM本体不能再前进。

因基岩膨胀而使已挖掘的隧道内径变小，面板(TBM)不能再前进时，在现有技术中，作业者要走出TBM，用人工挖掘面板的外周边，将隧道的内径扩大后再开始挖掘。因此，加重了作业者的负担，作业效率降低，构筑隧道的时间加长。

本发明是为了解决上述问题而作出的，其目的在于提供一种能提高挖掘作业效率的隧道挖掘机和隧道挖掘方法。

为了实现上述目的，本发明的隧道挖掘机的特征是它具有：由沿周方向分割成若干个的支护体构成的筒状钻体；通过使上述若干个支护体沿钻体的径向移动而使钻体的外径扩大和缩小的支护体移动机构；安装在钻体前部的可驱动旋转的刀盘；配设在钻体后方的一对后部支护体；使该一对后部支护体压接在已挖掘隧道内壁面上的后部支护体压接机构；架设在钻体与后部支护体之间的若干个推进机构。

因此，用该隧道挖掘机挖掘基岩时，在由后支护体压接机构将一对后部支护体压接在已挖掘的隧道内壁面上的状态下，一边驱动安装在钻体前部的刀盘旋转，一边由若干个推进机构使钻体相对于后部支护体前进，由刀盘挖掘前方的基岩，则形成隧道。当长时间停止挖掘机的挖掘作业，因基岩膨胀等使已挖掘的隧道的内径变小时，通过支护体移动机构使构成钻体的若干个支护体向该钻体内方移动，以缩小钻体的外径，消除隧道内壁面对钻体外周面的干扰，钻体便可前进。

另外，本发明的隧道挖掘方法是一边使安装在前部的刀盘驱动旋转，一边使沿周方向分割成若干部分的筒状钻体前进，挖掘前方的基岩而形成隧道，其特征在于，当因所挖掘的基岩膨胀而引起在钻体周边形成的隧道的内径变小时，缩小上述筒状钻体的外径后再进行挖掘。

因此，用该隧道挖掘方法挖掘基岩时，一边使前部的刀盘驱动旋转一边使筒状的钻体前进，挖掘前方的基岩可形成隧道，因挖掘的基岩膨张使形成在钻体周边的隧道内径变小时，通过缩小该筒状钻体的外径便能进行掘进。

图1是作为本发明一实施例隧道挖掘机的隧道钻机的断面图。

图2是图1中II-II线断面图，表示本实施例隧道钻机的主要部分的断面。

图3是图1中III-III线断面图，表示本实施例隧道钻机的主要部分的断面。

图4是图1中IV-IV线断面图，表示本实施例隧道钻机的主要部分的断面。

在附图中：

11-钻体；

12-顶支护体；

13、14-侧支护体；

15-下支护体；

18、19-侧支护体返回液压缸；

25-顶支护体液压缸；

26-切削刀头；

29-切刀驱动电机；

31-导筒；

32-后支护体(后部支承体)；

42、43-后撑靴；

45-推进液压缸(推进装置)；

下面，参照附图详细说明本发明的实施例。

图1是作为本发明一实施例隧道挖掘机的隧道钻机的断面略图，图2至图4是该实施例隧道钻机的主要部分断面图，图2表示图1的II-II断面，图3表示图1的III-III断面，图4表示图1的IV-IV断面。

如图1至图4所示，本实施例的隧道钻机(以下称为TBM)中，呈圆筒形的钻体11由在圆周方向分割成的若干个(本发明中是4个)支护体构成，即由顶支护体12、一对侧支护体13、14和下支护体15构成。即，在支承圆盘16的外周部，一体地固定着刀盘支架17。在该刀盘支架17的下部，固定着外周面为圆弧形的上述下支护体15。外周面为圆弧形的上述一对侧支护体13、14位于刀盘支架17的两侧部，刀盘支架17的下端部枢接在上述下支护体15上。外周面为圆弧形的上述顶支护体12位于刀盘支架17的上部，该顶支护体12的两侧部与各侧支护体13、14相连接。

在刀盘支架17的两侧部，分别安装着侧支护体返回液压缸18、19和侧支护体楔紧液压缸20、21，各侧支护体返回液压缸18、19的活塞杆前端部与各侧支护体13、14连接，在各侧支护体楔紧液压缸20、21的活塞杆前端部，安装着把各侧支护体13、14向外方推压的楔部件22、23。顶支护体12由支护本体12a和可转动地连接在其两端的支护体连接部12b、12c构成。该支护体连接部12b、12c的各端通过连接销24可在周方向移动地连接在各侧支护体13、14的上端部。在刀盘支架17的上部，安装着顶支护体液压缸25，该顶支护体液压缸25的活塞杆前端与顶支护体12的支护本体12a连接。

因此，当驱动各侧支护体液压缸18、19、20、21使液压缸活塞杆缩回时，侧支护体13、14以其与下支护体15的连接部为支点，向内方转动。当驱动顶支护体液压缸25使其活塞杆缩回时，顶支护体12的支护本体12a向内方移动。这时，顶支护体12的支护体连接部12b、12c通过连接销24可在周方向移动地与侧支护体13、14连接，随着顶支护体12(支护本体12a)和侧支护体13、14的向内方移动，各侧支护体连接部12b、12c一边缩小与侧支护体13、14的距离一边向内方移动。这样，通过顶支护体12和侧支护体13、14的向内方或向外方移动，可以扩缩钻体11的外径。

在钻体11的前部，通过刀盘支架17安装着刀盘26，在该刀盘26前部，安装着多个挖掘基岩用的辊筒式切刀27。在该刀盘26上固定着齿圈28，在刀盘支架17上，安装着多个(本实施例中是12个)切刀驱动电机29，该切刀驱动电机29的驱动齿轮30与齿圈28啮合。因此，驱动该电机29，通过驱动齿轮30及齿圈28可驱动刀盘26旋转。

呈四角形筒状的导筒31的一端固定在刀盘支架17的后部，该导筒31的后部在隧道内延伸至后方。在该导筒31的后端部，固定着后支护体32，在该后支护体32上，安装着支承导筒31后部的2个支脚33，该支脚可通过支承液压缸34伸缩。在导筒31的后部，安装着作为后部支护体的、可沿该导筒31长度方向移动的上撑靴支座35，相对于上撑靴支座35还安装着左右一对可上下移动的下撑靴支座36，通过一对垂直液压缸37可使下撑靴支座36上下移动。在上撑靴支座35上安装着左右一对上撑靴液压缸38，在下撑靴支座36上安装着左右一对下撑靴液压缸39。该撑靴液压缸38、39的本体通过支承销40、41枢接在撑靴支座35、36上。在驱动杆的前端部，安装着左右一对与隧道内壁面压接的圆弧形后撑靴42、43。

因此，驱动支承液压缸34，将2个撑脚33伸长，使其前端部与隧道内壁面接触，就可以在隧道内支承导筒31的后部。另外，驱动撑靴液压缸38、39，使驱动杆伸长，使各后撑靴42、43与隧道内壁面压接，就可以由隧道内壁支承可移动的导筒31。

连接杆44的一端连接在上述支承圆盘16上，后支护体32的后撑靴42、43与推进液压缸45的本体连接，该连接杆44的另一端与推进液压缸45的驱动杆前端通过连接销46连接，并通过支承连杆47与导筒31连接。由该连接杆44和推进液压缸45构成的掘进机构在本实施例中设有6个。因此，通过驱动该推进液压缸45，可使钻体11与后支护体32接近或离开，改变两者的相对位置。

在刀盘26内的中央部，配设着料斗48，通过托架49固定在支承圆盘16上。在导筒31内，配设着用于将挖掘下的岩石运出去皮带输送机50，其一端部连接在料斗48的下部，另一端延伸至隧道后方。

在通过挖掘基岩而形成的隧道的下部依次地组装成道床T，在该道床T上铺设着轨道R，台车C可在该轨道R上行走，新组装成的道床T由该台车C运入隧道内。在导筒31的下面也固定着轨道51，沿该轨道51可移动地安装着牵引钩52，由台车C运入的道床T借助该牵引钩52而组装到预定的位置。在钻体11的下支护体15上，安装着3个推压液压缸53，通过驱动(伸长)该推压液压缸53，可以无间隙地配置道床T。另外，对于重心在钻体11前部的TBM，通过驱动(伸长)该推压液压缸53，可抑制钻体11的倾斜。

在导筒31的中间部，设有TBM的操作室54，在其上部，沿着导筒31的长度方向设有作业台55。在该作业台55的前部，设有用于组装环形梁B的环形梁安装架56，并设有柱顶销57。

下面，说明采用上述本实施例隧道钻机的隧道挖掘方法。

先驱动撑靴液压缸38、39，使驱动杆伸长，各后撑靴42、43压接在隧道内壁面上，将导筒31可移动地保持在隧道内。另外，驱动支承液压缸34，使2个撑脚33缩回，使其前端部离开隧道内壁面，解除隧道内壁对导筒31的支承。在此状态下，驱动切刀驱动电机29，通过驱动齿轮30和齿圈28使刀盘26旋转驱动，同时，驱动(伸长)推进液压缸45，把钻体11和刀盘26向前方推进。这样，旋转驱动的刀盘26推压在前方的基岩上，通过辊筒式切刀27进行挖掘。

当钻体11及刀盘26前进而形成隧道时，由台车C运入的道床T通过牵引钩52组装在预定位置，驱动(伸长)推压液压缸53，无间隙地配设道床T。当推进液压缸45伸长到全冲程时，停止该推进液压缸45的驱动。然后驱动支承液压缸34，伸长2个撑脚33，将其前端部接触隧道内壁面，由隧道内壁支承导筒31的后部。另一方面，驱动撑靴液压缸38、39，使驱动杆缩回，将各后撑靴42、43从隧道内壁面上离开，解除隧道内壁对导筒31的保持。在此状态下，驱动(缩回)推进液压缸45，相对于钻体11(刀盘26)拉近各后撑靴42、43，使其往前方移动。

然后，再驱动撑靴液压缸38、39，使各后撑靴42、43压接在隧道内壁面上，可移动地保持着导筒31，并且，驱动支承液压缸34，使2个撑脚33离开隧道内壁面，解除对导筒31的支承。在此状态下，与上述同样地，驱动切刀驱动电机29，使刀盘26旋转驱动，同时，驱动推进液压缸45，把刀盘推压在前方的基岩上，通过辊筒式切刀27进行挖掘而形成隧道。

这样地挖掘形成隧道时，有时因装置的维修、更换切刀、故障等原因，要长时间地中断挖掘，或因休息日要使TBM停止2～3天。因此，基岩有时会膨胀，用TBM挖掘的隧道的内径会变小，该膨张力作用在钻体11的外周面，使TBM不能前进。这种情况下，通过缩小钻体11的外径，使钻体11的外周面和隧道内壁面互不干涉后再开始挖掘作业。

即，驱动各侧支护体液压缸18、19、20、21，缩回活塞杆，使侧支护体13、14以其与下支护体15的连接部为支点向内方转动。另外，驱动顶支护体液压缸25，缩回活塞杆，使顶支护体12的支护本体12a向内方移动。这时，顶支护体12的各支护体连接部12b、12c一边向内方移动一边向侧支护体13、14侧移动，以吸收(随钻体11外径缩小而产生的)外周长的缩小。这样，通过使顶支护体12及侧支护体13、14向内方移动，可缩小钻体11的外径。

通过使钻体11的外径缩小，当钻体11与隧道内壁面无干扰时，如上所述，驱动切刀驱动电机29，使刀盘26旋转驱动，同时，驱动推进液压缸45，使刀盘26推压在前方的基岩上，由辊筒式切刀27进行挖掘。当钻体11前进到某程度时，驱动各支护体液压缸18、19、20、21、25，分别伸长其活塞杆，使侧支护体13、14及顶支护体12向外方移动，扩大钻体11的外径，回到原来的外径。

反复上述作业，将隧道挖掘至所需长度。

在上述实施例中，是由沿周方向分割成4个的顶支护体12、侧支护体13、14和下支护体15构成钻体11的，但该分割数不限于4个，也可以是2个，也可以是5个以上。另外，下支护体15也可以做成可移动的构造。

根据以上所举实施例例详述的本发明的隧道挖掘机，由于前部安装着可旋转驱动刀盘的筒状钻体11是由沿周方向分割的若干个支护体构成，并且通过支护体移动机构使这些支护体沿径向移动而能扩大和缩小该钻体的外径，所以，当长时间地停止使用隧道挖掘机、隧道内径因基岩的膨胀而变小时，通过支护体移动机构使构成钻体的若干个支护体向该钻体内方向移动，使隧道内壁面与钻体外周面之间不发生干扰，可使钻体前进，无需作业者用人工挖掘，减轻了作业者的负担，也减少了挖掘的中断时间，能提高挖掘作业的效率。

根据本发明的隧道挖掘方法，通过一边驱动旋转安装在前部的刀盘，一边使沿周方向分割的筒状钻体前进，可挖掘前方的基岩形成隧道，当因所挖掘基岩的膨胀使形成在钻体周边的隧道外径变小时，使筒状钻体的外径缩小后再进行挖掘，所以，能减少挖掘的中断时间，提高挖掘作业的效率。