悬臂掘进机及其施工方法

权利要求书： 1.一种悬臂掘进机，包括掘进机本体（3），其特征在于：所述掘进机本体（3）的前部设有多自由度悬臂（6）和清渣机构（7），多自由度悬臂（6）位于清渣机构（7）的上方，多自由度悬臂（6）的前部设有扩挖截割装置（1）；所述扩挖截割装置（1）包括支撑盘（107）、中心开挖机构和悬臂式开挖机构，支撑盘（107）与主驱动（2）相连接，主驱动（2）带动支撑盘（107）转动，所述中心开挖机构设置在支撑盘（107）的中心处，悬臂式开挖机构设置在支撑盘（107）的外沿处，悬臂式开挖机构与中心开挖机构组成伞式收合机构；

所述悬臂式开挖机构包括至少两个伸缩悬切臂（106），伸缩悬切臂（106）铰接在支撑盘（107）上，且通过驱动油缸（105）与中心开挖机构相连接；在驱动油缸（105）的作用下，伸缩悬切臂（106）能相对与支撑盘的铰接点摆动，实现伸缩悬切臂的开合。

2.根据权利要求1所述的悬臂掘进机，其特征在于：所述多自由度悬臂（6）包括回转支撑（601），回转支撑（601）转动设置在掘进机本体（3）上，回转支撑（601）上设有铰接座（602），铰接座（602）上设有摆臂（603），摆臂（603）的一端与铰接座（602）铰接、另一端设有扩挖截割装置（1），摆臂（603）通过摆动油缸（604）与铰接座（602）相连接。

3.根据权利要求2所述的悬臂掘进机，其特征在于：所述摆臂（603）的前端设有伸缩臂（605），伸缩臂（605）通过伸缩控制油缸（606）与摆臂（603）相连接，扩挖截割装置（1）固定在伸缩臂（605）上。

4.根据权利要求1 3任一项所述的悬臂掘进机，其特征在于：所述中心开挖机构包括连~

接轴（104）和中心刀盘（102），连接轴（104）的一端与支撑盘（107）固定连接、另一端与中心刀盘（102）相连接，中心刀盘（102）上设有开挖刀具（101），中心刀盘（102）的直径不小于支撑盘（107）的直径。

5.根据权利要求4所述的悬臂掘进机，其特征在于：所述中心刀盘（102）为锥台型刀盘，开挖刀具（101）设置在锥台型刀盘的前端面和锥型侧面上，中心刀盘（102）通过连接法兰（103）与连接轴（104）固定连接，所述悬臂式开挖机构与连接法兰（103）可开合设置。

6.根据权利要求1或5所述的悬臂掘进机，其特征在于：所述伸缩悬切臂（106）包括固定外臂（1061）、伸缩內臂（1062）和悬切滚刀（1063），伸缩內臂（1062）套设在固定外臂（1061）内，且通过伸缩油缸（1065）与固定外臂（1061）滑动连接，所述伸缩內臂（1062）的外端部设有旋转刀盘（1064），悬切滚刀（1063）沿轴向设置在旋转刀盘（1064）上。

7.根据权利要求6所述的悬臂掘进机，其特征在于：所述固定外臂（1061）的外壁上设有连接耳座（1066），驱动油缸（105）的一端与连接耳座（1066）铰接、另一端与中心开挖机构的连接法兰（103）铰接。

8.根据权利要求7所述的悬臂掘进机，其特征在于：所述旋转刀盘（1064）包括固定部（64?1）和转动部（64?2），转动部与固定部之间设有轴承结构（64?3），固定部（64?1）与伸缩內臂（1062）固定连接，悬切滚刀（1063）固定在转动部（64?2）上。

9.根据权利要求1或5或8所述的悬臂掘进机，其特征在于：所述掘进机本体（3）的下部设有履带式行走机构（5），掘进机本体（3）的后部设有输送机（4），输送机（4）与清渣机构（7）相对应。

10.一种如权利要求1 9任一项所述的悬臂掘进机的施工方法，其特征在于：步骤如下：~

S1：调整悬臂掘进机的位置，使悬臂掘进机与掌子面处于合适距离，并将扩挖截割装置（1）的伸缩悬切臂（106）完全收缩至扩挖截割装置（1）的中心刀盘（102）后部；

S2：多自由度悬臂（6）的伸缩控制油缸（606）带动多自由度悬臂（6）的伸缩臂（605）以及扩挖截割装置（1）沿掌子面进行掘进，直到扩挖截割装置（1）的中心刀盘（102）完全掘入掌子面内；

S3：在驱动油缸（105）和伸缩悬切臂（106）的伸缩油缸（1065）的控制下将伸缩悬切臂（106）展开，对中心刀盘（102）开挖的洞壁进行扩挖；

S4：然后通过伸缩控制油缸（606）和多自由度悬臂（6）的摆动油缸（604）调节伸缩臂（605）的位置，使扩挖截割装置（1）对下一工位进行开挖；

S5：在步骤S2 S4中，清渣机构（7）收集破岩过程中形成的岩石及渣土，并由输送机（4）~

将岩石及渣土排出，完成出渣。

11.根据权利要求10所述的悬臂掘进机的施工方法，其特征在于：步骤S3的具体步骤如下：

S3.1：悬臂式开挖机构包括四个伸缩悬切臂（106），的四个伸缩悬切臂（106）在驱动油缸（105）的作用下相对中心刀盘（102）张开；

S3.2：伸缩悬切臂（106）在伸缩油缸（1065）的控制下向外伸出，四个伸缩悬切臂（106）的伸出长度沿旋转方向逐个增加，完成伸缩悬切臂（106）长度调节和相对中心刀盘（102）的向外展开；

S3.3：在主驱动的作用下，伸出长度最短的伸缩悬切臂（106）上的悬切滚刀（1063）对掌子面形成的临空面进行悬切开挖形成第一开挖临空面；同时相邻伸缩悬切臂（106）上的悬切滚刀（1063）对第一开挖临空面进行悬切开挖形成第二开挖临空面，按上述开挖方式，四个伸缩悬切臂（106）同时进行四层临空面的逐层开挖；

S3.4：重复步骤S3.3向外展开的伸缩悬切臂（106）上的悬切滚刀（1063）对中心刀盘（102）开挖的洞壁进行悬切扩挖。

说明书： 一种悬臂掘进机及其施工方法技术领域[0001] 本发明涉及掘进机技术领域，特别是指一种悬臂掘进机及其施工方法。背景技术[0002] 悬臂掘进机是一种大型隧道开挖装备，在山岭隧道及城市地铁工程建设中发挥着重要作用。现有的悬臂掘进机掘进施工时悬臂开挖结构贴紧掌子面，悬臂左右、上下摆动，

从一侧到另一侧顺序切割岩石，开挖效率比较低下。且现有掘进机如申请号为

CN201220295118.8的一种复合式悬臂掘进机主要用于硬岩地层，一定截面的开挖。开挖面

积不可调，适用性不佳进而影响开挖效率。

发明内容[0003] 针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种悬臂掘进机及其施工方法，解决了现有技术中悬臂掘进机不能变径开挖的问题。

[0004] 本发明的技术方案是这样实现的：一种悬臂掘进机，包括掘进机本体，所述掘进机本体的前部设有多自由度悬臂和清渣机构，多自由度悬臂位于清渣机构的上方，多自由度

悬臂的前部设有扩挖截割装置。

[0005] 所述多自由度悬臂包括回转支撑，回转支撑转动设置在掘进机本体上，回转支撑上设有铰接座，铰接座上设有摆臂，摆臂的一端与铰接座铰接、另一端设有扩挖截割装置，

摆臂通过摆动油缸与铰接座相连接。

[0006] 所述摆臂的前端设有伸缩臂，伸缩臂通过伸缩控制油缸与摆臂相连接，扩挖截割装置固定在伸缩臂上。

[0007] 所述扩挖截割装置包括支撑盘、中心开挖机构和悬臂式开挖机构，支撑盘与主驱动相连接，主驱动带动支撑盘转动，所述中心开挖机构设置在支撑盘的中心处，悬臂式开挖

机构设置在支撑盘的外沿处，悬臂式开挖机构与中心开挖机构组成伞式收合机构。

[0008] 所述中心开挖机构包括连接轴和中心刀盘，连接轴的一端与支撑盘固定连接、另一端与中心刀盘相连接，中心刀盘上设有开挖刀具，中心刀盘的直径不小于支撑盘的直径。

[0009] 所述中心刀盘为锥台型刀盘，开挖刀具设置在锥台型刀盘的前端面和锥型侧面上，中心刀盘通过连接法兰与连接轴固定连接，所述悬臂式开挖机构与连接法兰可开合设

置。

[0010] 所述悬臂式开挖机构包括至少两个伸缩悬切臂，伸缩悬切臂等角度铰接在支撑盘上，且通过驱动油缸与中心开挖机构相连接。

[0011] 所述伸缩悬切臂包括固定外臂、伸缩內臂和悬切滚刀，伸缩內臂套设在固定外臂内，且通过伸缩油缸与固定外臂滑动连接，所述伸缩內臂的外端部设有旋转刀盘，悬切滚刀

沿轴向设置在旋转刀盘上。

[0012] 所述固定外臂的外壁上设有连接耳座，驱动油缸的一端与连接耳座铰接、另一端与中心开挖机构的连接法兰铰接。

[0013] 所述旋转刀盘包括固定部和转动部，转动部与固定部之间设有轴承结构，固定部与伸缩內臂固定连接，悬切滚刀固定在转动部上。

[0014] 所述掘进机本体的下部设有履带式行走机构，掘进机本体的后部设有输送机，输送机与清渣机构相对应。

[0015] 一种所述的悬臂掘进机的施工方法，步骤如下：[0016] S1：调整悬臂掘进机的位置，使悬臂掘进机与掌子面处于合适距离，并将扩挖截割装置的伸缩悬切臂完全收缩至中心刀盘后部；

[0017] S2：伸缩控制油缸带动伸缩臂以及扩挖截割装置沿掌子面进行掘进，直到扩挖截割装置的中心刀盘完全掘入掌子面内；

[0018] S3：在驱动油缸和伸缩油缸的控制下将伸缩悬切臂展开，对中心刀盘开挖的洞壁进行扩挖；

[0019] S4：然后通过伸缩控制油缸和摆动油缸调节伸缩臂的位置，使扩挖截割装置对下一工位进行开挖；

[0020] S5：在步骤S2S4中，清渣机构收集破岩过程中形成的岩石及渣土，并由输送机~

将岩石及渣土排出，完成出渣。

[0021] 步骤S3的具体步骤如下：S3.1：悬臂式开挖机构包括四个伸缩悬切臂，的四个伸缩悬切臂在驱动油缸的作用下相对中心刀盘张开；

[0022] S3.2：伸缩悬切臂在伸缩油缸的控制下向外伸出，四个伸缩悬切臂的伸出长度沿旋转方向逐个增加，完成伸缩悬切臂长度调节和相对中心刀盘的向外展开；

[0023] S3.3：在主驱动的作用下，伸出长度最短的伸缩悬切臂上的悬切滚刀对掌子面形成的临空面进行悬切开挖形成第一开挖临空面；同时相邻伸缩悬切臂上的悬切滚刀对第一

开挖临空面进行悬切开挖形成第二开挖临空面，按上述开挖方式，四个伸缩悬切臂同时进

行四层临空面的逐层开挖；

[0024] S3.4：重复步骤S3.3向外展开的伸缩悬切臂上的悬切滚刀对中心刀盘开挖的洞壁进行悬切扩挖。

[0025] 本发明悬臂掘进机的多自由度悬臂配合扩挖截割装置对开挖面进行多自由度灵活开挖，开挖位置和开挖角度便于调节，保证开挖精度。扩挖截割装置的中心刀盘对开挖面

进行滚刀的挤压破岩在先开挖，伸缩悬切臂的悬切滚刀对中心刀盘开挖的洞壁进行在后悬

切开挖，完成隧道的开挖、扩挖一次成型，提高开挖效率。通过对本发明缩悬切臂展开角度

和伸出长度的调节，对洞壁进行实时可调的扩挖，能满足各种异形断面隧道的开挖，开挖灵

活性和适用性较高，具有较高的推广价值。

附图说明[0026] 为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技

术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0027] 图1为本发明整体结构示意图。[0028] 图2为本发明多自由度悬臂结构示意图。[0029] 图3为扩挖截割装置结构示意图。[0030] 图4为伸缩悬切臂结构示意。[0031] 图5为伸缩悬切臂内部结构示意。[0032] 图6为伸缩悬切臂处于收合掘进状态示意图。[0033] 图7为伸缩悬切臂处于张开掘进状态示意图。具体实施方式[0034] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于

本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他

实施例，都属于本发明保护的范围。

[0035] 如图1所示，实施例1，一种悬臂掘进机，包括掘进机本体3，所述掘进机本体3的前部设有多自由度悬臂6和清渣机构7，多自由度悬臂6具有转动、伸缩和摆动的功能，实现扩

挖截割装置1的灵活开挖。多自由度悬臂6位于清渣机构7的上方，清渣机构可采用现有的清

渣装置，用于收集扩挖截割装置1开挖下的渣石。多自由度悬臂6的前部设有扩挖截割装置

1，扩挖截割装置1随多自由度悬臂6进行同步运动，用于对掌子面的开挖。所述掘进机本体3

的下部设有履带式行走机构5，履带式行走机构5为履带式行走装置，带动掘进机本体的整

体运动。掘进机本体3的后部设有输送机4，输送机4与清渣机构7相对应，用于将清渣机构收

集的渣土向后运输。

[0036] 进一步，如图2所示，所述多自由度悬臂6包括回转支撑601，回转支撑601转动设置在掘进机本体3上，回转支撑能相对掘进机本体1转动，回转支撑采用现有的回转机构，然后

通过驱动电机带动其相对掘进机本体转动，进而实现多自由度悬臂的转动。回转支撑601上

设有铰接座602，铰接座602上设有摆臂603，摆臂603的一端与铰接座602铰接、另一端设有

扩挖截割装置1，摆臂603通过摆动油缸604与铰接座602相连接，在摆动油缸的作用下，摆臂

带动扩挖截割装置1左右摆动，实现扩挖截割装置1的灵活开挖。优选地，所述摆臂603的前

端设有伸缩臂605，伸缩臂能进行伸缩，实现其整体长度的改变，伸缩臂605通过伸缩控制油

缸606与摆臂603相连接，扩挖截割装置1固定在伸缩臂605上。通过伸缩臂的伸缩实现扩挖

截割装置1前后运动。

[0037] 如图3所示，实施例2，一种悬臂掘进机，所述扩挖截割装置1包括支撑盘107、中心开挖机构和悬臂式开挖机构，支撑盘107与主驱动2相连接，主驱动2带动支撑盘107转动，所

述中心开挖机构设置在支撑盘107的中心处，悬臂式开挖机构设置在支撑盘107的外沿处，

中心开挖机构位于悬臂式开挖机构的中部，形成伞形结构，且悬臂式开挖机构能相对中心

开挖机构开合和伸缩，用于异形断面隧道的开挖。

[0038] 进一步，如图4所示，所述中心开挖机构包括连接轴104和中心刀盘102，连接轴104沿主机结构5轴向设置，连接轴104的一端与支撑盘107固定连接、另一端与中心刀盘102相

连接，实现中心刀盘与支撑盘的同步转动，中心刀盘102上设有开挖刀具101，开挖刀具可采

用现有的滚刀，中心刀盘102的直径不小于支撑盘107的直径，以实现悬臂式开挖机构处于

收合状态时，能完全收合在中心刀盘后部，以不影响中心刀盘102的正常掘进。

[0039] 优选地，所述中心刀盘102为锥台型刀盘，即前大后小的锥台，提高中心刀盘在开挖过程中的嵌入力，提高掘进效率。开挖刀具101均布设置在锥台型刀盘的前端面和锥型侧

面上。中心刀盘102通过连接法兰103与连接轴104固定连接，所述悬臂式开挖机构与连接法

兰103可开合设置，即悬臂式开挖机构能相对中心刀盘102的连接轴104展开和收合，与伞形

结构收合方式相同。其他结构与实施例1相同。

[0040] 如图5所示，实施例3，一种隧道开挖装置，所述悬臂式开挖机构包括两个或四个伸缩悬切臂106，伸缩悬切臂106等角度铰接在支撑盘107上，且通过驱动油缸105与中心开挖

机构相连接，在驱动油缸的作用下，伸缩悬切臂106能相对与支撑盘的铰接点摆动，实现伸

缩悬切臂的张开与否。

[0041] 进一步，所述伸缩悬切臂106包括固定外臂1061、伸缩內臂1062和悬切滚刀1063，固定外臂铰接在支撑盘上，伸缩內臂1062套设在固定外臂1061内，且通过伸缩油缸1065与

固定外臂1061滑动连接，固定外臂1061为中空结构，伸缩油缸1065内置在固定外臂内，且一

端与固定外臂铰接、另一端与伸缩內臂铰接，在伸缩油缸的作用下，伸缩內臂能相对固定外

臂伸缩，实现伸缩悬切臂整体长度的调节。所述伸缩內臂1062的外端部设有旋转刀盘1064，

即所述旋转刀盘1064包括固定部64?1和转动部64?2，转动部与固定部之间设有轴承结构

64?3，固定部64?1与伸缩內臂1062固定连接，悬切滚刀1063固定在转动部64?2上。即悬切滚

刀1063沿轴向设置在旋转刀盘1064上，掘进过程中悬切滚刀受力，旋转刀盘能进行被动转

动。所述固定外臂1061的外壁上设有连接耳座1066，驱动油缸105的一端与连接耳座1066铰

接、另一端与中心开挖机构的连接法兰103铰接。在驱动油缸的作用下，固定外臂带动伸缩

內臂、旋转刀盘绕与支撑盘的铰接点摆动。其他结构与实施例2相同。

[0042] 实施例4：如图6、7所示，一种如实施例3所述的悬臂掘进机的施工方法，步骤如下：[0043] S1：调整悬臂掘进机的位置，使悬臂掘进机与掌子面处于合适距离，并将扩挖截割装置1的伸缩悬切臂106完全收缩至中心刀盘102后部；此时收合后的伸缩悬切臂所在的直

径不大于中心刀盘的最大刀盘直径，

[0044] S2：伸缩控制油缸606带动伸缩臂605以及扩挖截割装置1沿掌子面进行掘进，直到扩挖截割装置1的中心刀盘102完全掘入掌子面内；即主驱动2通过支撑盘107带动组合式开

挖装置1沿开挖面进行掘进，中心刀盘102对开挖面进行挤压破岩掘进，直到中心刀盘102完

全掘入洞内。

[0045] S3：在驱动油缸105和伸缩油缸1065的控制下将伸缩悬切臂106展开，对中心刀盘102开挖的洞壁进行扩挖。根据需要，伸缩悬切臂106在驱动油缸105的作用下相对中心刀盘

102张开，且伸缩悬切臂106在伸缩油缸1065的控制下向外伸出，完成伸缩悬切臂106相对中

心刀盘102的向外展开，其展开角度和伸出长度，根据需要适时调节；向外展开的伸缩悬切

臂106上的悬切滚刀1063对中心刀盘102开挖的洞壁进行扩挖，悬切滚刀1063对洞壁接触面

进行悬切开挖，完成隧道的开挖、扩挖一次成型，提高开挖效率。在掘进过程中，根据设计需

要通过驱动油缸105和伸缩油缸1065对伸缩悬切臂106进行展开角度和伸出长度的调节，对

洞壁进行相应扩挖，进而实现异形断面隧道的开挖，适用性和灵活性较高，且能实现实时调

节。

[0046] 步骤S3的具体步骤如下：S3.1：悬臂式开挖机构包括四个伸缩悬切臂106，四个伸缩悬切臂106在驱动油缸105的作用下相对中心刀盘102张开；其展开角度和伸出长度，根据

需要适时调节；

[0047] S3.2：伸缩悬切臂106在伸缩油缸1065的控制下向外伸出，四个伸缩悬切臂106的伸出长度沿旋转方向逐个依次增加，相邻两个伸缩悬切臂伸出量的差值为悬切厚度，调整

好伸出量后，完成伸缩悬切臂106长度调节和相对中心刀盘102的向外展开；

[0048] S3.3：在主驱动的作用下，伸出长度最短的伸缩悬切臂106（设为0°伸缩悬切臂）上的悬切滚刀1063对掌子面形成的临空面进行悬切开挖形成第一开挖临空面；同时相邻伸缩

悬切臂106（即90°伸缩悬切臂）上的悬切滚刀1063对第一开挖临空面进行悬切开挖形成第

二开挖临空面；然后180°伸缩悬切臂上的悬切滚刀1063对第二开挖临空面进行悬切开挖形

成第三开挖临空面；然后270°伸缩悬切臂上的悬切滚刀1063对第三开挖临空面进行悬切开

挖形成第四开挖临空面，如上完成一个开挖段的四层扩挖，提高开挖效率。按上述开挖方

式，选用N个伸缩悬切臂106可进行N层临空面的逐层开挖。

[0049] S3.4：重复步骤S3.3向外展开的伸缩悬切臂106上的悬切滚刀1063对中心刀盘102开挖的洞壁进行悬切扩挖。

[0050] S4：伸缩悬切臂106对洞壁扩挖完成以后，通过驱动油缸105和伸缩油缸1065将伸缩悬切臂106收合到中心刀盘102后部，然后通过伸缩控制油缸606和摆动油缸604调节伸缩

臂605的位置，使扩挖截割装置1对下一工位进行开挖；

[0051] S5：在步骤S2S4中，清渣机构7收集破岩过程中形成的岩石及渣土，并由输送机~

4将岩石及渣土排出，完成出渣。

[0052] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。