一种冲击式地下管廊隧道开挖装置及方法技术领域
本发明涉及一种挖掘装置，具体涉及一种冲击式地下管廊隧道开挖装置及方法。
背景技术
目前国家正在大力发展地下综合管廊，地下综合管廊的建设将进入一个高峰期，
现有的地下管廊隧道开挖，一般条件允许的情况下可以采用明挖，或是盖挖法，可是大部分
区域都不满足明挖施工的条件。
暗挖法成为地下管廊隧道开挖方法的主要方法。现有的暗挖法有多种，半机械，全
机械化，目前应用最多的就是地铁隧道的盾构机，如果采用现有的盾构机，投入比较大，施
工期限比较长，而且管廊隧道的尺寸不统一，干线和支线的管廊隧道大小不一致。
发明内容
本发明要解决的技术问题是传统的地下管廊隧道开挖方法投资成本高，施工进度
慢，提供一种冲击式地下管廊隧道开挖装置及方法。
为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：一种冲击式地下管廊隧道开挖
装置，包括环形开挖装置、顶支护盾主体和中心打碎装置，所述的环形开挖装置设置在顶支
护盾主体外侧，中心打碎装置设置在顶支护盾主体内部，环形开挖装置包括切刀支架，切刀
支架前端设有圆弧切刀，后端设有切刀传动杆；所述的顶支护盾主体包括主体纵梁和与主
体纵梁垂直设置的主体环架，主体纵梁后部的主体环架上设有主体传动杆。
所述的中心打碎装置为旋转钻头。
所述的圆弧切刀有四个，四个/圆弧切刀，相互独立。
所述的主体环架的外部轮廓与环形切刀的内轮廓相配合。
所述的圆弧切刀外侧设有圆管形护盾。
所述的切刀支架上设有凹槽I，主体纵梁上设有与凹槽I相配合的滑竿，凹槽I上方
设有推泥挡板，推泥挡板通过支撑杆安装在主体环架上。
所述的切刀刀架上设有凸起，主体纵梁上设有与凸起相配合的凹槽II，凸起上方
设有推泥挡板，推泥挡板通过支撑杆安装在主体环架上。
一种冲击式地下管廊隧道开挖方法，其特征在于：包括以下步骤：①稳定土体：环
管廊隧道的环形周围开挖前用顶支护盾主体的主体环架支顶要开挖的土体；②开挖环管廊
隧道的环形周围：采用环形开挖装置的圆弧切刀开挖，圆弧切刀在刀架上在切刀传动杆的
带动下做往返运动，向前切入土体中，退后把切屑的土体带出来，如此反复开挖出隧道的环
形周围，完成一个进尺；③管片支护：环管廊隧道的环形周围完成一个进尺后，对环管廊隧
道的内壁进行管片支护，管片支护闭合成环；④开挖中间土体：支护管片闭合拼装后，采用
旋转钻头将中间土体打碎，打碎的土体会落到传送带上运出，完成中间土体的开挖；⑤重复
上述步骤，进行冲击式地下管廊隧道开挖的下一个循环。
步骤③所述的支护管片为1/4圆弧管片，4片支护管片组成一个闭合环，管片之间
由螺栓连接，支护管片连接后，通过管片的注浆孔完成管片后侧注浆加固。
步骤②切屑出来的土体由挡泥推板退出，落到下侧的传送带上并运出。
采用上述结构的本发明适合小尺寸的软岩或是土质地层开挖使用。本发明的开挖
断面尺寸可以调整刀架的尺寸即可完成，不需要对主体结构进行大变动，需要的管片尺寸
可以根据需要在预制厂完成预制，结构简单，操作方便，开挖速度快，成本低。
附图说明
图1是实施例1带圆管形护盾的本发明使用状态纵断面结构示意图；
图2是图1的A-A剖视结构示意图；
图3是实施例1圆弧切刀的刀头平面结构示意图；
图4是实施例1圆弧切刀与主体结构相配合的纵剖面结构示意图；
图5是实施例1圆弧切刀与主体结构相配合的立体结构示意图；
图6是实施例2不带圆管形护盾的本发明使用状态纵断面结构示意图；
图7是图6的A-A剖视结构示意图；
图8是实施例2的圆弧切刀的刀头平面结构示意图；
图9是实施例2的圆弧切刀与主体结构相配合的纵剖面结构示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1至图5所示，一种冲击式地下管廊隧道开挖装置，包括环形开挖装置1、顶支护盾
主体2和中心打碎装置4，所述的环形开挖装置1设置在顶支护盾主体2外侧，中心打碎装置4
设置在顶支护盾主体2内部，环形开挖装置1包括切刀支架11，切刀支架11前端设有圆弧切
刀14，后端设有切刀传动杆12；所述的顶支护盾主体2包括主体纵梁22和与主体纵梁22垂直
设置的主体环架21，主体纵梁22后部的主体环架21上设有主体传动杆26。环形开挖装置1、
顶支护盾主体2和中心打碎装置4均和动力控制系统3相连接，圆弧切刀14通过切刀传动杆
12与动力控制系统3连接，顶支护盾主体2通过主体传动杆26与动力控制系统3连接。
所述的中心打碎装置4为旋转钻头。
所述的圆弧切刀14有四个，四个圆弧切刀14两两相接组成环形切刀。每个圆弧切
刀都是独立的，为了便于支护，首先开挖管廊隧道下侧圆弧切刀对应的1/4土体，完成开挖
一个进尺后，将下部的支护管片51安装上，再同时开挖其他圆弧切刀对应的土体，完成后进
行支护管片的拼装，闭合成环。圆弧切刀的刀头根据地质情况选择更替，主要针对软岩、砂
土、粘土等软质地层的刀头。
所述的主体环架21的外部轮廓与环形切刀的内轮廓相配合。
所述的圆弧切刀14外侧设有圆管形护盾9。如果土体稳定性差，在顶支护盾主体2
的前侧，要加一个圆管形护盾，保护其前侧结构安全，防治土体坍塌，圆弧切刀开挖到哪里，
圆管形护盾就前进到哪里，圆管形护盾后侧进行管片的拼装，完成管片支护，圆管形护盾后
侧通过千斤顶29与管廊隧道5内表面的支护管片51相连接，千斤顶29与动力控制系统3连
接，千斤顶29设置在圆管形护盾与支护管片51之间，为支护管片51提供反力。土体的自稳能
力强、稳定好的情况下，可以不用圆管形护盾，先开挖下侧土体，支护上1个支护管片，然后
在开挖其它3侧土体，开挖达到一个进尺后，进行支护管片的拼装，千斤顶29设置在支护管
片51和主体环架21之间，为支护管片51提供反力。
所述的切刀支架11上设有凹槽I13，主体纵梁22上设有与凹槽I13相配合的滑竿
24，凹槽I13上方设有推泥挡板25，推泥挡板25通过支撑杆39安装在主体环架21上。推泥挡
板25的外轮廓与圆弧切刀14形状相配合。圆弧切刀14在切刀传动杆12的带动下做往返运
动，凹槽I13与滑竿24相配合，向前切入土体中，退后把切屑的土体带出来，带出来的土体被
推泥挡板25挡下落到传送带上。
实施例2
如图6至图9所示，一种冲击式地下管廊隧道开挖装置，包括环形开挖装置1、顶支护盾
主体2和中心打碎装置4，所述的环形开挖装置1设置在顶支护盾主体2外侧，中心打碎装置4
设置在顶支护盾主体2内部，环形开挖装置1包括切刀支架11，切刀支架11前端设有圆弧切
刀14，后端设有切刀传动杆12；所述的顶支护盾主体2包括主体纵梁22和与主体纵梁22垂直
设置的主体环架21，主体纵梁22后部的主体环架21上设有主体传动杆26。环形开挖装置1、
顶支护盾主体2和中心打碎装置4均和动力控制系统3相连接，圆弧切刀14通过切刀传动杆
12与动力控制系统3连接，顶支护盾主体2通过主体传动杆26与动力控制系统3连接。
所述的中心打碎装置4为旋转钻头。
所述的圆弧切刀14有四个，四个圆弧切刀14两两相接组成环形切刀。
所述的主体环架21的外部轮廓与环形切刀的内轮廓相配合。
所述的切刀刀架11上设有凸起16，主体纵梁22上设有与凸起16相配合的凹槽
II28，凸起16上方设有推泥挡板25，推泥挡板25通过支撑杆39安装在主体环架21上。推泥挡
板25的外轮廓与圆弧切刀14形状相配合。凸起16与凹槽II28相配合使圆弧切刀14做往返运
动。
实施例3
如图1至图5所示，一种冲击式地下管廊隧道开挖方法，包括以下步骤：①稳定土体：环
管廊隧道的环形周围开挖前用顶支护盾主体2的主体环架21支顶要开挖的土体；②开挖环
管廊隧道的环形周围：采用环形开挖装置1的圆弧切刀14开挖，圆弧切刀14在刀架11上在切
刀传动杆12的带动下做往返运动，向前切入土体中，退后把切屑的土体带出来，如此反复开
挖出隧道的环形周围，完成一个进尺；③管片支护：环管廊隧道的环形周围完成一个进尺
后，对环管廊隧道的内壁进行管片支护，管片支护闭合成环；④开挖中间土体：支护管片闭
合拼装后，采用旋转钻头将中间土体打碎，打碎的土体会落到传送带上运出，完成中间土体
的开挖；⑤重复上述步骤，进行冲击式地下管廊隧道开挖的下一个循环。步骤②为了开挖隧
道的环形周围快速闭合，先开挖隧道下侧土体，开挖土体前先将2层支撑保护锚杆打入下侧
的土体中，固定下侧土体，防治开挖出现坍塌。步骤③中为了便于支护，先安装下侧的支护
管片，然后再开挖其它三侧土体，达到一个进尺后再拼装管片，闭合成环，管片的拼装采用
机械手臂完成。
实施例4
如图1至图5所示，一种冲击式地下管廊隧道开挖方法，包括以下步骤：①稳定土体：环
管廊隧道的环形周围开挖前用顶支护盾主体2的主体环架21支顶要开挖的土体；②开挖环
管廊隧道的环形周围：采用环形开挖装置1的圆弧切刀14开挖，圆弧切刀14在刀架11上在切
刀传动杆12的带动下做往返运动，向前切入土体中，退后把切屑的土体带出来，如此反复开
挖出隧道的环形周围，完成一个进尺；③管片支护：环管廊隧道的环形周围完成一个进尺
后，对环管廊隧道的内壁进行管片支护，管片支护闭合成环；④开挖中间土体：支护管片闭
合拼装后，采用旋转钻头将中间土体打碎，打碎的土体会落到传送带上运出，完成中间土体
的开挖；⑤重复上述步骤，进行冲击式地下管廊隧道开挖的下一个循环。
步骤③所述的支护管片为1/4圆弧管片，4片支护管片组成一个闭合环，管片之间
由螺栓连接，支护管片连接后，通过管片的注浆孔完成管片后侧注浆加固。
步骤②切屑出来的土体由挡泥推板退出，落到下侧的传送带上并运出。由传送带
运到装置后侧的电瓶车上，输送到洞外。圆弧切刀和旋转钻头的动力都是由动力控制系统3
提供。随着隧道的开挖进尺，下侧铺设轨道，冲击式地下管廊隧道开挖装置在轨道上前行。