[0001] 本申请涉及隧道施工技术领域，尤其涉及一种隧道掘进装置。

[0002] 盾构机，又叫盾构隧道掘进机，是一种隧道掘进的专用工程机械，具有开挖切削土体、输送土渣、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能。利用盾构机进行隧道施工具有自动化
程度高、节省人力、施工速度快等特点，在隧道洞线较长、埋深较大的情况下，用盾构机施工
更为经济合理。

[0003] 敞开式TBM(Tunnel Boring Machine全断面隧道掘进机)和泥水平衡盾构机是两种比较常见的隧道掘进装置。TBM由皮带机出渣，施工效率较高，可应对长距离硬岩工况，但
在富水、含砂泥等地质中，掘进困难。泥水平衡盾构机主机部分与地层隔离，可以很好的阻
隔水土压力，并且通过泵送出渣，能更好的适应富水、高水压等地层，但施工效率较低，连续
长距离掘进成本较高。相关技术中，通常情况下，仅选用TBM掘进机或泥水平衡盾构机中的
其中一种掘进机进行施工。

[0004] 然而，采用TBM掘进机在掘进的过程中，不能实现同步推拼，施工效率相对较低。

[0046] 随着国民经济的发展，隧道建设进程的加快，盾构法因其经济高效得到了广泛使用。盾构法是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法，它是将盾构机械在地中推进，通过盾
构外壳和管片支承四周围岩防止发生往隧道内的坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行
土体开挖，通过出土机械运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形
成隧道结构的一种机械化施工方法。

[0047] 敞开式TBM(Tunnel Boring Machine全断面隧道掘进机)和泥水平衡盾构机是两种比较常见的隧道掘进装置。敞开式TBM由皮带机出碴，施工效率较高，可应对长距离硬岩
工况，但在富水、含砂泥等地质中，掘进困难。泥水平衡盾构机主机部分与地层隔离，可以很
好的阻隔水土压力，并且通过泵送出渣，能更好的适应富水、高水压等地层，但施工效率较
低，连续长距离掘进时成本较高。

[0048] 实际工程应用中，以上两种隧道掘进机施工方式只可能为敞开式TBM或泥水平衡盾构机的其中一种。因此，适应地层变化的能力受到了很大限制，工程适应性较为局限，而
现阶段我国的铁路隧道、公路隧道、引水隧道及海底隧道等大力发展，隧道掘进距离越来越
长，地层地质变化复杂，单一掘进方式的掘进机很难满足工程实际需求。

[0049] 因此，在长距离、富水、含砂土与全断面硬岩交错的复杂地层中施工时，如何提升掘进机地层适应性，解决高效、安全施工等问题，是本领域技术人员目前需要解决的技术难
题。

[0050] 针对上述技术现状存在的不足，本领域技术人员进行了相关研究，例如在一些实现方式中，在主驱动中部设置可拆装的皮带输送机和中心密封装置，通过设置伸缩皮带机
和密封装置、以及拆装刀盘刮渣板等，进行两种掘进模式离线切换。但在该实现方式中，仅
配置一套推进系统，未涉及撑紧盾和支撑装置的设计，无法实现敞开式TBM模式下的同步推
拼作业，施工效率相对较低。

[0051] 又例如在一些实现方式中，虽然具备泥水式TBM和泥水平衡盾构机两种控制模式，但是实际上仅配置TBM刀盘，依靠一套环流系统泵送出渣，效率相对较低，工作模式单一，难
以满足复杂工况下敞开式TBM快速掘进需求。

[0052] 基于上述的技术问题，本申请实施例提供一种隧道掘进装置，包括护盾组件、推进组件、支撑组件和拼装组件，推进组件包括第一推进件和第二推进件，隧道掘进装置启动
TBM施工模式时，第二推进件形成第一套推进装置，支撑组件和第一推进件共同形成第二套
推进装置，从而通过配置两套推进装置，能够在掘进的过程中实现掘进和拼装管片同步进
行，不需要停机，在最大程度上提高施工效率，并有助于节省因停机所产生的施工成本，避
免了相关技术中在TBM施工模式下，仅配置一套推进系统，无法同步实现同步推拼，进而导
致施工效率相对较低等问题。

[0053] 为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的实施例中的附图，对本发明的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
施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通
技术人员在没有做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。

[0054] 图1为本申请实施例提供的隧道掘进装置的结构示意图，图2为图1中I部分的局部放大示意图，图3为图1中沿A‑A方向的剖面图，图4为图1中沿B‑B方向剖面、且支撑组件处于
伸出状态的结构示意图，图5为图1中沿B‑B方向剖面、且支撑组件处于缩回状态的结构示意
图，图6为本申请实施例提供的隧道掘进装置处于TBM施工模式下的排渣流程示意图，图7为
本申请实施例提供的隧道掘进装置处于泥水盾构施工模式下、且拼装组件未对管片进行拼
装的排渣流程示意图，图8为本申请实施例提供的隧道掘进装置处于泥水盾构施工模式下、
且拼装组件对管片进行拼装的排渣流程示意图。

[0055] 请参照图1至图8所示，本申请实施例提供一种隧道掘进装置100，该隧道掘进装置100主要应用于隧道中，并对隧道地层进行开挖。

[0056] 隧道掘进装置100包括敞开式TBM掘进机和泥水平衡盾构机两种。本申请实施例中，主要以对敞开式TBM掘进机的掘进方式进行改进为例进行说明。

[0057] 请参照图1所示，隧道掘进装置100包括护盾组件110、推进组件120、开挖组件150、支撑组件130、排渣组件160和拼装组件140，护盾组件110具有安装腔111，推进组件120、支
撑组件130、排渣组件160和拼装组件140均位于安装腔111中。

[0058] 隧道掘进装置100具有掘进端113，开挖组件150设置在掘进端113，开挖组件150用于对隧道地层进行开挖。护盾组件110与掘进端113相连，排渣组件160前部位于靠近掘进端
113的一侧，并与开挖组件150相连，拼装组件140位于靠近推进组件120的一侧，并用于在掘
进过程中对隧道中的管片112进行拼装。

[0059] 可以理解的是，掘进端113也称为隧道掘进装置100的开挖端，它位于隧道掘进装置100的最前端。

[0060] 另外，需要说明的是，管片112本身是安装在隧道内的，只有在需要对管片112进行拼装的时候，是在隧道掘进装置100中完成拼装。即，拼装组件140在隧道掘进装置100中将
管片112拼装为整环。

[0061] 以下对护盾组件110的结构说明如下：

[0062] 请参照图1和图2所示，护盾组件110包括：依次相连的前盾114、伸缩盾115、撑紧盾116和盾尾117。

[0063] 装配时，前盾114位于护盾组件110靠近掘进端113的一侧，盾尾117位于护盾组件110远离掘进端113的一侧，伸缩盾115和撑紧盾116位于前盾114和盾尾117之间。

[0064] 请继续参照图2所示，伸缩盾115包括伸缩外盾1151和伸缩内盾1152，伸缩外盾1151套设在伸缩内盾1152的外部。装配时，伸缩外盾1151的一端与前盾114相连，伸缩外盾
1151的另一端与撑紧盾116相连。

[0065] 请继续参照图2所示，伸缩外盾1151和伸缩内盾1152之间设置有伸缩限位件118，伸缩限位件118包括第一限位部1181和第二限位部1182。其中，第一限位部1181设置在伸缩
外盾1151的中部内侧，第一限位部1181上开设有螺栓孔，第二限位部1182设置在伸缩内盾
1152的中部，第二限位部1182上对应开设有螺栓孔，第一限位部1181和第二限位部1182之
间通过伸缩螺栓部1183栓接紧固。

[0066] 为了增强伸缩外盾1151和伸缩内盾1152装配后的强度，本申请实施例中，请继续参照图2所示，伸缩内盾1152中部内侧还可以设置有铰接部1184，铰接部1184和第二限位部
1182之间可以设置有加强筋板1185。

[0067] 请继续参照图2所示，为了提高伸缩外盾1151和伸缩内盾1152之间的密封性能。本申请实施例中，伸缩外盾1151和伸缩内盾1152之间还可以设置伸缩密封件119和端部密封
件1186。

[0068] 具体在装配时，伸缩密封件119主要密封在伸缩外盾1151的内壁面和伸缩内盾1152的外壁面之间，端部密封件1186主要密封在第一限位部1181后端与第二限位部1182后
端的端面。

[0069] 以下对开挖组件150的结构说明如下：

[0070] 请参照图1所示，开挖组件150包括：刀盘151、刮渣板152、开挖仓153和驱动件154，开挖仓153靠近刮渣板152的一侧设置有泥浆门163。

[0071] 装配时，开挖仓153开设在前盾114的内部，驱动件154固定在前盾114的中部位置处，其内部中心区域固连有中心密封件155，中心密封件155可以沿驱动件154的轴线方向上
前后伸缩，当向后回缩时，能够对驱动件154的中心区域进行有效密封。

[0072] 刀盘151通过螺栓同轴固连在驱动件154的前端，驱动件154用于驱动刀盘151旋转，刀盘151的背部均匀分布有若干刮渣板152，刮渣板152的落渣口端均指向刀盘151的中
心区域，开挖仓153用于储存刀盘151开挖下的渣土。

[0073] 需要说明的是，对于刮渣板152的数量不做进一步限定。

[0074] 以下对推进组件120的结构说明如下：

[0075] 请参照图1所示，推进组件120包括沿隧道掘进装置100长度方向设置的第一推进件121和第二推进件122，第一推进件121位于靠近掘进端113的一侧，并设置于前盾114和伸
缩盾115之间，第二推进件122位于第一推进件121的远离掘进端113的一侧，第二推进件122
设置于撑紧盾116中。

[0076] 需要说明的是，本申请实施例中的第一推进件121和第二推进件122均为推进气缸。

[0077] 可以理解的是，为了避免伸缩外盾1151和伸缩内盾1152在轴向上出现脱离的风险。本申请实施例中，第一推进件121的设定单次伸出行程L1，需要小于伸缩外盾1151与伸
缩内盾1152之间的轴向套设长度。第二推进件122的单次伸出行程L2大于第一推进件121的
单次伸出行程L1，且第二推进件122的单次伸出行程大于单块管片112的轴向宽度。

[0078] 第一推进件121的设定单次伸出行程L1、以及第二推进件122的单次伸出行程L2请参照图6和图7所示。

[0079] 另外，第一推进件121可以包括若干组，沿护盾组件110的周向均匀分布、且避开防扭组件170的安装部位。第二推进件122可以包括若干组，沿撑紧盾116的周向均匀设置，且
每组均设置双推进气缸。

[0080] 其中，为了避免第二推进件122与撑靴件133在装配时出现干涉，第二推进件122可以设计为偏心油缸，从而确保与撑靴件133无干涉的情况下，可有效抵推在管片的前端面
上。

[0081] 以下对排渣组件160的结构说明如下：

[0082] 请参照图6至图8所示，排渣组件160包括沿隧道掘进装置100高度方向设置的中心排渣件161和环流排渣件162，中心排渣件161位于靠近隧道掘进装置100的中心位置，环流
排渣件162位于靠近隧道掘进装置100的边缘位置。

[0083] 请继续参照图8所示，环流排渣件162包括进浆环流管1621和排浆环流管1622，进浆环流管1621靠近掘进端113的端部与开挖仓153的上部连通，排浆环流管1622靠近掘进端
113的端部与开挖仓153的下部连通，进浆环流管1621远离掘进端113的端部、以及排浆环流
管1622远离掘进端113的端部与外部的渣浆处理站均与外部的渣浆处理站连通。

[0084] 进浆环流管1621用于将外部的新鲜浆液输送至开挖仓153中，排浆环流管1622用于将混合后的混合浆液排出至隧道外部。

[0085] 以下对支撑组件130的结构说明如下：

[0086] 请参照图1、图4和图5所示，支撑组件130包括支撑油缸件131、伸缩件132和撑靴件133，支撑油缸件131设置在支撑组件130的内部，撑靴件133设置在支撑油缸件131的外周，
并与撑紧盾116滑动相连。

[0087] 伸缩件132位于支撑油缸件131和撑靴件133之间，伸缩件132的一端与支撑油缸件131相连，伸缩件132的另一端采用螺栓组固连在撑靴件133内侧。

[0088] 需要说明的是，支撑油缸件131设置有机械锁死功能，且本申请实施例中的所有油缸均需要具备同步伸缩功能。

[0089] 另外，可以理解的是，撑靴件133的外径与撑紧盾116的外径保持一致，即，当支撑油缸件131伸出设定距离后，撑靴件133的外壁支撑在已开挖的隧道壁面上，当支撑油缸件
131缩回至设定距离后，撑靴件133的外壁与撑紧盾116的外壁能够在横截面上保持重合。

[0090] 具体在应用时，支撑组件130包括沿垂直于掘进方向设置的第一支撑油缸1311和第二支撑油缸1312，第一支撑油缸1311和第二支撑油缸1312处于平行状态。

[0091] 伸缩件132包括沿垂直于掘进方向设置的第一伸缩部1321和第二伸缩部1322，撑靴件133包括沿垂直于掘进方向设置的第一撑靴部1331和第二撑靴部1332，第一撑靴部
1331和第二撑靴部1332左右对称设置在支撑组件130上。第一撑靴部1331和第二撑靴部
1332分别与撑紧盾116滑动相连，第一伸缩部1321连接第一支撑油缸1311和第一撑靴部
1331，第二伸缩部1322第二支撑油缸1312和第二撑靴部1332。

[0092] 在一种可能的实现方式中，请参照图1和图3所示，还可以包括防扭组件170，防扭组件170包括沿隧道掘进装置100高度方向的第一防扭件171和第二防扭件172，第一防扭件
171和第二防扭件172滑动连接在前盾114和撑紧盾116之间。

[0093] 可以理解的是，当隧道掘进装置100处于不断掘进、刀盘151不断转动的过程中，如果出现刀盘151处于转不动的状况下，为了避免刀盘151带动前盾114转动的风险。本申请实
施例中，通过包括防扭组件170，可以避免刀盘151带动前盾114转动的风险，进一步保证在
掘进过程中的安全性能。

[0094] 在一种可能的实现方式中，请参照图1所示，还包括钻探180和连接架190。钻探180连接在拼装组件140上，连接架190连接在撑紧盾116上，拼装组件140通过连接架190与撑紧
盾116相连，钻探180用于对待开挖的隧道地层进行超前钻探和注浆加固。

[0095] 通过包括钻探180，能够对拟开挖面地质进行实时超前探测，反馈开挖地层特性，根据探测的地层特性，从而选择不同的施工模式进行隧道施工。通过包括连接架190，可以
将拼装组件140与撑紧盾116相连。

[0096] 需要说明的是，本申请实施例中的连接架190可以为H架。

[0097] 以下对隧道掘进装置100处于TBM施工模式下的工作过程说明如下：

[0098] 步骤一：当隧道掘进装置100处于开挖状态、且探测到隧道地层处于第一类型地层时，隧道掘进装置100启动TBM施工模式。

[0099] 其中，第一类型地层包括围岩特性较好、或长距离硬岩等地层。

[0100] 需要说明的是，在该步骤一中，包括需关闭环流排渣件162，关闭泥浆门163，拆除伸缩外盾1151和伸缩内盾1152之间的伸缩限位件118，以使伸缩外盾1151和伸缩内盾1152
之间可以相对移动，进而确保第二推进件122可以带动隧道掘进装置100移动。

[0101] 步骤二：检查其余系统接入正常，启动驱动件154以及拼装组件140，拼装组件140对管片112进行拼装，当整环管片完成拼装后，启动第二推进件122，第二推进件122的油缸
杠杆以设定速度伸出，并抵推在已完成拼装的整环管片的端面上。

[0102] 此时，第二推进件122依次提供向前的支反力，随着第二推进件122的不断伸出，第二推进件122推动隧道掘进装置100沿掘进方向移动。

[0103] 当隧道掘进装置100移动完成一个步进距离(即单块管片112的周向宽度)后，根据拼装需求，第二推进件122缓慢回缩至起始位置，同时，拼装组件140继续对待拼装的管片
112进行拼装。

[0104] 步骤三：此时，为了提高TBM掘进效率、以及为了保证在拼装管片112的同时，TBM还能够继续掘进，启动第一支撑油缸1311和第二支撑油缸1312，第一支撑油缸1311和第二支
撑油缸1312分别沿垂直于掘进方向的方向伸出。

[0105] 当第一支撑油缸1311和第二支撑油缸1312的端部伸出，且第一撑靴部1331和第二撑靴部1332分别支撑在已开挖的隧道壁面上后，启动第一推进件121，第一推进件121靠近
支撑组件130的端部抵推支撑组件130，第一推进件121靠近掘进端113的端部沿掘进方向移
动。此时，第一推进件121为刀盘151开挖继续提供支反力，从而推动隧道掘进装置100继续
沿掘进方向移动。

[0106] 其中，在该步骤三中，第一支撑油缸1311和第二支撑油缸1312的伸出示意图如图4，第一支撑油缸1311和第二支撑油缸1312的缩回示意图如图5所示。

[0107] 步骤四：当拼装组件140拼装完成所有的管片112、且第二推进件122全部抵推在管片112端面上后，第一支撑油缸1311和第二支撑油缸1312缓慢回缩，并确保第一撑靴部1331
和第二撑靴部1332回到起始位置，第二推进件122再次以设定速度缓慢伸出。与此同时，第
一推进件121以设定速度缓慢回缩，当第二推进件122伸出设定步距时，第一推进件121刚好
回缩至初始位置，启动拼装组件140继续管片112拼装。

[0108] 步骤五：重复上述步骤三至步骤四，直至完成TBM施工段施工。

[0109] 步骤六：上述步骤二至步骤五的施工时，需关闭环流排渣件162，启动中心排渣件161，中心排渣件161用于将开挖组件150开挖下的渣石排出至隧道外部。

[0110] 其中，开挖组件150开挖下的渣石排出至隧道外部的流动过程如图6中箭头a方向、以及如图7中箭头b方向所示。

[0111] 需要说明的是，在该步骤六中，由于中心排渣件161是设置于前盾114的中心位置处，因此需要启动刮渣板152。这样，刀盘151开挖下的渣土，在刮渣板152的旋转作用下，能
够顺利被带入并刮落至中心排渣件161中。

[0112] 因此，与相关技术相比，本申请的隧道掘进装置100在处于TBM施工模式下时，第二推进件122形成第一套推进装置，支撑组件130和第一推进件121共同形成第二套推进装置。
从而通过配置两套推进装置，能够在掘进的过程中实现掘进和拼装管片112同步进行，不需
要停机，在最大程度上提高施工效率，并且有助于节省因停机所产生的施工成本，避免了相
关技术中在TBM施工模式下，仅配置一套推进系统，无法同步实现同步推拼，效率相对较低
等问题。

[0113] 请继续参照图6和图7所示，为了进一步提升隧道掘进装置100的施工效率，解决相关技术中施工模式单一、地层适应性较弱等问题，本申请还提供一种隧道掘进装置100在处
于泥水盾构施工模式的工作过程。

[0114] 以下对隧道掘进装置100处于泥水盾构施工模式下的工作过程说明如下：

[0115] 步骤一：当隧道掘进装置100处于开挖状态、且探测到隧道地层处于第二类型地层时，隧道掘进装置100启动泥水盾构施工模式。

[0116] 其中，第二类型地层包括软土或高水压等地层。

[0117] 需要说明的是，在本步骤一中，在进入泥水盾构施工模式之前，首先需要进行第一次模式切换，此时需将隧道掘进装置100暂停在围岩特性相对较好区间，且确保第二推进件
122伸出设定距离并完全抵推在最后一环管片端面上，第一推进件121完全回缩至初始设定
位置，栓接好伸缩外盾1151和伸缩内盾1152之间的伸缩限位件118(此时伸缩外盾1151和伸
缩内盾1152为固定不动的状态)，启动支撑组件130回缩至设定位置，确保中心密封件155、
伸缩密封件119等密封良好。

[0118] 步骤二：暂停驱动件154，并停止刀盘151旋转，拆除中心排渣件161，并向后拉回设定距离，拆除刀盘151背部的刮渣板152，同时启动中心密封件155，向后回缩至设定位置，随
后安装固定好中回转接头，并对驱动件154的中心区域进行有效密封。

[0119] 步骤三：检查其余系统接入正常，打开泥浆门163，启动环流排渣件162及相应保压等辅助系统，并完成建仓保压，随后启动驱动件154、第二推进件122和拼装组件140等。

[0120] 步骤四：第二推动件靠近掘进端113的端部继续沿掘进方向移动，为刀盘151开挖提供支反力，随着第二推进件122的油缸杠杆的不断伸出，第二推动件推动隧道掘进装置
100沿掘进方向移动。当隧道掘进装置100移动完成一个步进距离(即单块管片112的周向宽
度)后。

[0121] 需要说明的是，在该步骤四中，为确保当第二推进件122伸出设定步距时，第一推进件121能够刚好回缩至初始设定位置，第一推进件121的伸出设定距离与回缩速度的比
值、隧道掘进装置100完成一个步进距离与第二推进件122的伸出速度的比值，可以设置这
两个比值相同，即，能够保证第一推进件121的回缩和第二推进件122的伸出设定距离为同
时完成。

[0122] 步骤五：根据拼装需求，第二推进件122缓慢回缩至起始位置，同时，拼装组件140继续对待拼装的管片112进行拼装，直至完成整环管片112衬砌，并确保第二推进件122完全
作用在已拼装完成的管环上。

[0123] 步骤六：重复上述步骤四至步骤五，直至完成泥水盾构施工段施工。

[0124] 步骤七：上述步骤三至步骤六的施工时，需关闭中心排渣件161，启动环流排渣件162，环流排渣件162用于将开挖组件150开挖下的渣土与隧道外部补给的新鲜浆液进行混
合，并将混合后的混合浆液排出至隧道外部。

[0125] 其中，在步骤七中，请参照图8所示，新鲜浆液进入环流排渣件162中的流动过程如图8中c1方向所示，混合后的混合浆液排出至隧道外部的流动过程如图8中c2方向所示。

[0126] 当再次探测到适宜敞开式TBM施工时，随后进行第二次模式切换，步骤与第一次模式切换相反，再重复TBM施工模式下的步骤一至步骤六，直至完成整个区间施工。

[0127] 在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，
因此不能理解为对本申请的限制。

[0128] 在本申请的描述中，需要理解的是，本文中使用的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系
统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或
对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

[0129] 除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等应做广义理解，例如可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成为一体；可以是直接相连，也可以通过
中间媒介间接相连，可以使两个元件内部的相连或两个元件的相互作用关系。对于本领域
的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。此外，术语
“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所
指示的技术特征的数量。

[0130] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依
然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进
行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术
方案的范围。