1.本发明涉及隧道施工设备技术领域；尤其涉及对平行隧道间开挖联络通道的专门性施工装备及施工方法的改进。
背景技术：
2.地铁联络通道是两条地铁盾构隧道之间，每间隔一定距离开挖的横向通道，其既作为安全疏散、紧急救援的生命通道，又兼顾隧道的集水与排水减灾。近年来 ，随着国内地下交通的蓬勃发展，围绕地下隧道主体施工、联络通道施工应运而生了大量先进的施工方法和施工装备。如：“cn113669075a、联络通道施工设备以及联络通道施工系统”、“cn 113622929 a、管片破除装置、联络通道施工系统以及方法”等。现有技术的动力装置设置在前端，存在以下的弊端：一、在进行隧道壁破挖时，由于对混凝土的隧道管壁进行全断面破挖，切削量大，挖掘难度极大；二、在隧道内设定联络通道位置和挖掘角度时，位置设定有较大难度，很难实现高精度施工。
3.为此，本技术人围绕此课题进行了相关研发，并取得初步性研发成果，如“cn 114876473 a、一种基于水平全回转的地铁联络通道掘进设备及施工方法”。该项初步性研发成果，针对破除既有平行的一对主隧道相邻内表面的管片难度大、工艺复杂等现状，提出了在保留中心土的情况下，进行环形切削掘进的发明思路。旋转动力驱动机构及推进系统后置，切削机构沿套管壁环形布置使得切削岩土体贯入力大幅度降低。在机头管和钢管节形成护壁的情况下，中心土得以保留，环形切削掘进完成后，通过外围设备再将钢管节(套管)内土体取出，解决了传统机械法城市地铁联络通道施工时空间狭窄、设备难以布设、全断面切削范围大对主隧道破坏大、接收时机头与主隧道管片反弧面接触容易姿态偏向、接收姿态不可控、质量难以保证、设备制造价格昂贵等问题。
4.前述专利成果的整个作业过程是：切削单元由始发隧道内壁环形切削掘进，然后，环形切削单元对始发隧道内壁进行管壁磨削切割、开挖，再进行隧道之间的切削掘进，最后从接收隧道外侧壁环形切削管片，进入接收主隧道，直至贯通。但在整个运行过程中，由于拟建联络通道直径较大，使得需环形切削的直径较大，而隧道壁一般为钢筋混凝土结构，会导致切削机构在始发、接收两端切削时所需扭矩较大，作用于整机设备的反扭矩也特别大。所形成的反扭矩，一是会导致设备安置不稳定，二是在设备不稳定的情况下，设备自身会对开挖点的主隧道结构造成损伤性的影响，还会影响联络通道的开挖精度。此外，在该专利成果中需通过“级进-回退-接管”的动作循环，实现联络通道整体长度的挖掘，级进（一次连续推进距离）长度只能依赖于推进油缸的设计行程，但在主隧道径向狭小的空间内，在挖掘轴线方向（y方向）直线布置的推进油缸和送进管尺寸受限，难以提高级进的效率。
技术实现要素：
5.本发明针对以上技术问题，提供了一种安置稳定性高，操作友好，实现联络通道高效、精准开挖成型的水平全回旋套管顶进设备。
6.为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种水平全回旋套管顶进设备，包括主机架2和回旋推进装置4，所述回旋推进装置4包括切削单元和过渡套441；所述主机架2为框架结构，包括由上支撑油缸11和底支撑油缸51的缸套同轴连接构成的z方向的四组立柱，设于底部的底板21、设于顶部的顶板22；在所述主机架2朝向联络通道ⅲ开挖方向的立柱表面设有前支撑油缸31；在所述主机架2的背面设有后支撑油缸61；所述上支撑油缸11连接有截面呈劣弧形的上支撑1，所述上支撑1的底部设有套管悬吊导轨12，所述底支撑油缸51连接有底支撑5，所述后支撑油缸61连接有后支撑6，所述前支撑油缸31连接有前支撑3，所述前支撑3中部具有大于联络通道ⅲ截面轮廓的空间；所述上支撑1、底支撑5、后支撑6和前支撑3撑起后与主隧道内表面实现抵撑连接；在所述主机架2的底板21和顶板22上设有y向导轨211 和x向送管轨道212，所述x向送管轨道212上设有一个待送位2120；所述回旋推进装置4包括推进架41、驱动装置42、推进油缸可换位承接口43、大齿圈44、小齿轮47和推进油缸8；所述推进架41呈立板状、开设有中孔，所述推进架41的四个角部分别设有角部导轨面46，所述角部导轨面46与所述y向导轨211滑动连接；实现推进架4相对于主机架2在y方向可进行往复运动。所述大齿圈44通过大齿圈回转支承45活动连接在所述推进架4的正面；所述驱动装置42包括至少二组驱动电机、减速装置和小齿轮47，所述小齿轮47与所述大齿圈44相啮合，所述驱动电机和减速装置固定在所述推进架41上，并驱动所述小齿轮47同步转动；所述推进油缸8设于所述后支撑6与所述推进架41之间，驱动所述推进架41做往复运动，所述推进油缸8的缸筒与所述推进架41通过推进油缸可换位承接口43连接。
7.进一步地，在所述推进油缸8的缸筒外表面的中部开设有中部槽811、在前部开设有前部槽812；所述推进油缸可换位承接口43具有贯穿所述推进架41的滑孔，所述推进油缸可换位承接口43朝向所述后支撑6的开口处设有插槽431，往所述插槽431内插入插板后实现推进架41与推进油缸8的连接。
8.进一步地，在所述主机架2朝向联络通道ⅲ方向的前缘设有x形布设的套管支撑结构23，用以支撑套管。
9.进一步地，对应联络通道ⅲ口缘处设有密封板，在密封板的外表面设有防涌土回转支承盘7，在所述防涌土回转支承盘7的后部还设有抵撑板，在所述抵撑板和后支撑6之间设有十字布设的四个防涌土支撑油缸71。
10.呈十字布设的四个所述防涌土支撑油缸71，所述十字相对于z轴向偏转15-20
°
，其中最远端的防涌土支撑油缸71的布设半径为其他三只油缸布设半径的1-1.5倍。
11.进一步地，在所述后支撑6上开设有与所述后支撑油缸61位置相适配的后支撑油缸连接位62，用于连接后支撑油缸连接位62的活塞杆杆端；在所述后支撑6上还开设有与所述驱动装置42位置相适配的驱动装置容置槽63，用于容置所述驱动装置42的电机或马达；在所述后支撑6上还开设有与所述推进油缸8位置相适配的推进油缸安置位64，用于承接所述推进油缸8的活塞杆外端；在所述后支撑6上还开设有与所述防涌土支撑油缸71位置相适配的防涌土支撑油
缸安置位65，用于固定所述防涌土支撑油缸71的缸体。
12.进一步地，框架结构的所述主机架2，设为主机架下部201和主机架上部202，所述主机架下部201包括固定直立状态连接于所述底板21四角的八只底支撑油缸51，所述底支撑油缸51的运动活塞杆朝向下部方向；所述主机架上部202包括固定直立状态连接于所述顶板22四角的八只顶支撑油缸11，所述顶支撑油缸11的运动活塞杆朝向上部方向；所述主机架上部202的顶支撑油缸11的底部和所述主机架下部201底支撑油缸51的顶部通过连接板固定连接。
13.本发明的一种水平全回旋套管顶进设备的施工方法，包括以下步骤：1）、将设备整机运行至主隧道中联络通道ⅲ开挖位置；2）、调节设备上、底、前、后支撑，保障回旋推进装置中切削单元的驱动机构轴线与联络通道ⅲ同轴；锁定设备位置；将切削单元通过首级接续管连接在回旋推进装置的过渡套上；3）、启动回旋推进装置，使回旋推进装置朝向联络通道ⅲ方向直线运行；同时，切削单元通过首级接续管和/或接续管在驱动机构作用下做360
°
回旋转动运动；4）、回旋推进装置达到推进行程时，停机，将首级接续管与过渡套拆卸分离，随即将回旋推进装置回退至初始位置；此时，切削单元与首级接续管会嵌入并停留在联络通道ⅲ预开挖的土体中；5）、在首级接续管的尾端与过渡套之间从待送位2120送进二级接续管，并将二级接续管的前端连接首级接续管的尾端、后端连接过渡套；6）、循环步骤1）-5）；所述步骤3）中具有二级级进，在一级级进中将推进油缸8缸套81上的中部槽811与推进架4上推进油缸可换位承接口43的插槽431通过插板连接，推进油缸8工作至全行程；接着，停机，卸除插板，让推进油缸8回退复位，将推进油缸8缸套81上的前部槽812与推进架4上推进油缸可换位承接口43的插槽431通过插板连接，开机，二次将推进油缸8工作至全行程。
14.进一步地，步骤3）中，切削单元在切割主隧道（ⅰ）管壁后，联络通道（ⅲ）端口成形，以切割分离的圆形瓦片状管壁残片为基础，对其内部的土体进行密封防护；具体为：在残留的管片前端贴附密封板和抵撑板，在所述密封板和抵撑板之间设防涌土回转支承盘（7），所述抵撑板由防涌土支撑油缸（71）实现抵撑。
15.与现有技术相比，本发明的水平全回旋套管顶进设备更加适应对隧道t型联络通道的开挖施工，有以下三个特点：一是设备整体设置了上、下（底）、前、后四面弧形支撑，使得设备整机与主隧道内壁形成面接触，有效地实现了对y轴向、z轴向，y旋转、z旋转四个自由度的约束。当然，可以利用上、下、前、后支撑实现对中心高以及切入角度的调节，使其符合设计要求。与首级接续管（机头管）直接连接的切削单元（圆环状）一旦伸入主隧道侧壁，整机的x轴向、x旋转二个自由度则被具有一定刚度和直径的接续管组约束，实现在挖掘时对整机六个自由度的全面约束。这样，即便在挖掘过程中存在较大的反向扭矩，也不会造成设备与主隧道之间的反向作用力和振动性的破坏。提升了设备整机的安置稳定性和安置精度，避免设备整机对主隧
道结构影响、提升联络通道施工精度。
16.二是本发明中主机架利用上、下支撑油缸自身作为主机架“立柱”，实现了狭小空间内设备的集约化设计。
17.三是在本发明对回旋推进装置的改进，着重有以下两点，a是推进架减薄，设为板状，使得y向方向避让出更大的空间给接续管，b是在本发明中独创性提出了“增程”推进油缸的具体构造，利用有限尺寸的油缸，实现了驱动行程的倍增，即在一个驱动行程中油缸做两次往复运动，增加了一个h的行程。使得在有限的空间内，实现了一个级进的行程，可以增加接续管的长度，减少更换接续管的频次，提升了作业效率。
附图说明
18.图1是本发明的工作任务的示意图，图2是本发明设备整机的立体结构图，图3是本发明中主机架的立体结构图，图4是本发明中主机架上部的立体结构图，图5是本发明中回旋推进装置的立体结构图一（前视角），图6是本发明中回旋推进装置的立体结构图二（后视角），图7是本发明中回旋推进装置的结构示意图，图8是图7的左视图，图9是图7中a-a剖视图，图10是本发明推进工作原理图一（初始位），图11是本发明推进工作原理图二（中间位a），图12是本发明推进工作原理图三（中间位b，换插板接续行程），图13是本发明推进工作原理图四（送进终点），图14是本发明中主机架 推进架前视角的立体结构示意图，图15是本发明中主机架 推进架后视角的立体结构示意图，图16是本发明中主机架和回旋推进装置工作状态的立体示意图，（图中去除了上、下、前、后支撑，体现了防涌土回转支承盘在工作状态的位置）图17是本发明设备整机的结构示意图，图18是本发明在送进接续管时的工作状态图一，图19是本发明在送进接续管时的工作状态图二，图20是本发明在送进接续管时的工作状态图三，图21是本发明在送进接续管时的工作状态图四，图22是本发明中底支撑的立体示意图，图23是本发明中后支撑的结构示意图，图24是图23的左视图，图25是本发明中推进油缸进行二级级进的工作原理图一，图26是本发明中推进油缸进行二级级进的工作原理图二。
19.图中：ⅰ是主隧道，ⅱ是平行隧道，ⅲ是联络通道；1是上支撑，11是上支撑油缸，12是套管悬吊导轨，
2是主机架，21是底板，211是y向轨道，212是x向送管轨道，2120是待送位，22是顶板， 23是套管支撑结构，201是主机架下部，202是主机架上部，3是前支撑，31是前支撑油缸，4是回旋推进装置，41是推进架，42是驱动装置，43是推进油缸可换位承接口，431是插槽，44是大齿圈，441是过渡套，45是大齿圈回转支承，46是角部轨道面，47是小齿轮，471是小齿轮盖，5是底支撑，51是底支撑油缸，6是后支撑，61是后支撑油缸，62是后支撑油缸连接位，63是驱动装置容置槽，64是推进油缸安置位，65是防涌土支撑油缸安置位，7是防涌土回转支承盘，71是防涌土支撑油缸，8是推进油缸，81是缸套，811是中部槽，812是前部槽，82是插板，9是接续管， 91是接管位。
20.为清楚地说明本发明的工作原理，在图中设立了x、y、z三维参考坐标系，其中x轴表示主隧道轴向方向，y轴表示联络通道轴向方向，z轴表示高度方向。
具体实施方式
21.下面结合附图详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的部件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
22.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”“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发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或部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发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征，用于区别描述特征，无顺序之分，无轻重之分。
23.在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
24.如图1-9所示：本发明采用的技术方案为：包括主机架2和回旋推进装置4，回旋推进装置4包括切削单元和过渡套441（切削单元在附图中未示出），本发明中过渡套441的前端通过首级接续管（机头管）连接切削单元，然后，随着切削进给到位，拆卸首级接续管和过渡套441的连接件，将切削单元、首级接续管留在联络通道ⅲ挖掘的土层内，回旋推进装置4再回位，在过渡套441和首级接续管后端之间再连接次级接续管（接续管9），再循环上述动作。当然，实现本发明设备的工作不能缺少电气控制和液压供给，在本案中对电气、液压部分不再赘述。
25.需强调本发明的以下一些创新之处。
26.主机架2为框架结构，包括由上支撑油缸11和底支撑油缸51的缸套同轴连接构成的z方向的四组立柱，设于底部的底板21、设于顶部的顶板22；在主机架2朝向联络通道ⅲ开挖方向的立柱表面设有前支撑油缸31；在主机架2的背面设有后支撑油缸61。
27.上支撑油缸11连接有截面呈劣弧形的上支撑1，上支撑1的底部设有套管悬吊导轨12底支撑油缸51连接有底支撑5，后支撑油缸61连接有后支撑6，前支撑油缸31连接有前支
撑3，前支撑3中部具有大于联络通道ⅲ截面轮廓的空间，主要目的是保留前部的掘进空间以及为洞口防水结构的布设预留空间。此外，对于前支撑油缸31在设计时可以将其改进为可回缩的结构形式，使得整机的y向宽度变小，便于整机在隧道内运输就位，以及作业完成后退出。避免整机在x向运动过程中与联络通道的洞口墙（图10-13中各图右侧打阴影线的部分）发生干涉。
28.上支撑1、底支撑5、后支撑6和前支撑3撑起后与主隧道ⅰ内表面实现抵撑连接；通过调节底支撑和上支撑的进给量，可实现设备中心高的调节；完全撑抵后，实现设备在主隧道内y、z，y旋转、z旋转四个自由度的约束。各油缸连接液压站和电气控制站。本发明中主机架2综合利用了上支撑和底支撑的油缸缸套来兼做立柱，形成了一个集约化设计，适合狭小空间内的应用，当然，本发明中主机架底部还需设置滚轮，以便于在主隧道中沿布设的轨道行走。
29.在主机架2的底板21和顶板22上设有y向导轨211和 x向送管轨道212，x向送管轨道212上设有一个待送位2120；主要是为方便连续送进接续管9，直至送到接管位91。
30.回旋推进装置4包括推进架41、驱动装置42、推进油缸可换位承接口43、大齿圈44、小齿轮47和推进油缸8；推进架41呈立板状、开设有中孔，推进架41的四个角部分别设有角部导轨面46，角部导轨面46与y向导轨211滑动连接；实现推进架4相对于主机架2在y方向可进行往复运动。大齿圈44通过大齿圈回转支承45活动连接在推进架4的正面，即朝向联络通道ⅲ的一面；驱动装置42包括至少二组驱动电机、减速装置和小齿轮47，小齿轮47与大齿圈44相啮合，小齿轮47外部还设有小齿轮套471，用于遮蔽小齿轮47。驱动电机和减速装置固定在推进架41上，并驱动小齿轮47同步转动；推进油缸8设于后支撑6与推进架41之间，驱动推进架41做往复运动，推进油缸8的缸筒与推进架41通过推进油缸可换位承接口43连接。
31.本发明中回旋推进装置4的可聚焦亮点在于推进油缸的二级级进，即通过一个油缸实现对推进架41行程的倍增。具体如图10-13、25-26所示：在推进油缸8的缸筒外表面的中部开设有中部槽811、在前部开设有前部槽812；推进油缸可换位承接口43具有贯穿推进架41的滑孔，推进油缸可换位承接口43朝向后支撑6的开口处设有插槽431。推进油缸8的缸筒贯穿滑孔并可沿轴向自由滑动。设前部槽812于中部槽811之间的距离为h。在初始状态，中部槽811与前述插槽431对位，往插槽431中插入插板82后，实现推进架41与推进油缸8的连接，如图10。此时，做一级级进，推进油缸8做一个全行程推进，达到极限位置后，如图11，停机，卸除插板，推进油缸8复位，如图12，使得前部槽812与插槽431对位，再往插槽431中插入插板，进行二次级进，如图13。前述技术措施通过对缸套81的连接位置的改变，实现了“增程”的效果，使得本发明在有限的空间内提高了一次掘进行程的长度，这样就增加了接续管9的长度，减少了更换接续管9的安装频次，大幅度降低了操作人员的工作强度，提高了工作效率。
32.如图14-22所示：主机架2朝向联络通道ⅲ方向的前缘设有x形布设的套管支撑结构23，用以支撑、约束套管（即接续管9）。防止套管整体在工作中出现摆动、晃动，或尾端翘起，或停机时发生回退，确保套管顶进姿态，以提高环形掘削的精度。
33.在挖掘过程中，尤其对于地下水较丰富的地区，对土体进行密封是必要的。因此，本发明在对应联络通道ⅲ口缘处设有密封板，在密封板的外表面设有防涌土回转支承盘7，在防涌土回转支承盘7的后部还设有抵撑板，在抵撑板和后支撑6之间设有十字布设的四个
防涌土支撑油缸71。作用是：土体在环形切削单元的作用下，会形成扭转，如不设防涌土回转支承盘7，土体出现的扭矩会影响防涌土支撑油缸71的支撑结构，导致支撑失效。
34.需要说明的是防涌土回转支承盘7，与本设备之间并无直接连接关系，是带着首级接续管的切削单元环形切削隧道管壁、进入原状土体，沿顶进方向的水土压力释放，特别是富含水的地层条件下，对隧道内的安全会产生较大的威胁。因此，需对中心土体以及已被环形切削并保留在原位的隧道管片进行密封防护。通过设置密封套筒（即前文的密封板）及与之协同作用的防涌土回转支撑盘7、抵撑板、防涌土支撑油缸71，可以很好的抵抗前方水土压力，确保施工过程中始发隧道内的安全。
35.呈十字布设的四个防涌土支撑油缸71，十字相对于z轴向偏转15-20
°
，其中最远端的防涌土支撑油缸71的布设半径为其他三支油缸布设半径的1-1.5倍。好处是在从侧面送进接续管9时，由于要“穿越”设在内缘轮廓的四支油缸，也就是该四支油缸会干涉接接续管9从侧面进入中心位置，因此，四支油缸需交替动作，进行让位，采用前述技术手段，能够始终保持其中的三支油缸处于对抵撑板的有效支撑状态，最大限度保障密封的可靠性。
36.此外，需要说明的是，防涌土支撑油缸不局限于四支进行十字布设，本领域技术人员也可以根据本发明的设计思想，将其改变为多支（如三、五、六、八等）布设的形式，这种改变属于对本发明中该技术措施的等同替代。
37.在后支撑6上开设有与后支撑油缸61位置相适配的后支撑油缸连接位62，用于连接后支撑油缸连接位62的活塞杆杆端；如图23-24，在后支撑6上还开设有与驱动装置42位置相适配的驱动装置容置槽63，用于容置驱动装置42的电机或马达；在后支撑6上还开设有与推进油缸8位置相适配的推进油缸安置位64，用于承接推进油缸8的活塞杆外端；在后支撑6上还开设有与所述防涌土支撑油缸71位置相适配的防涌土支撑油缸安置位65，用于固定防涌土支撑油缸71的缸体。
38.框架结构的主机架2，设为主机架下部201和主机架上部202，主机架下部201包括固定直立状态连接于底板21四角的八支底支撑油缸51，底支撑油缸51的运动活塞杆朝向下部方向；主机架上部202包括固定直立状态连接于顶板22四角的八支顶支撑油缸11，顶支撑油缸11的运动活塞杆朝向上部方向；主机架上部202的顶支撑油缸11的底部和主机架下部201底支撑油缸51的顶部通过连接板固定连接。顶支撑油缸和底支撑油缸设于同一z方向轴线上。
39.本发明的一种水平全回旋套管顶进设备的施工方法，包括以下步骤：1）、将设备整机运行至主隧道ⅰ中联络通道ⅲ开挖位置；2）、调节设备上、底、前、后支撑，保障回旋推进装置中切削单元的驱动机构轴线与联络通道ⅲ同轴；锁定设备位置；将切削单元通过首级接续管连接在回旋推进装置的过渡套上；3）、启动回旋推进装置，使回旋推进装置朝向联络通道ⅲ方向直线运行；同时，切削单元通过首级接续管和/或接续管在驱动机构作用下做360
°
回旋转动运动；4）、回旋推进装置达到推进行程时，停机，将首级接续管与过渡套拆卸分离，随即将回旋推进装置回退至初始位置；此时，切削单元与首级接续管会嵌入并停留在联络通道
ⅲ
预开挖的土体中；5）、在首级接续管的尾端与过渡套之间从待送位2120送进二级接续管，并将二级接续管的前端连接首级接续管的尾端、后端连接过渡套441；6）、循环步骤1）-5）；通过持续推进接续管9直至平行隧道ⅱ完成联络通道ⅲ隧道中岩土体的切削；其中，步骤3）中具有二级级进，在一级级进中将推进油缸8缸套81上的中部槽811与推进架4上推进油缸可换位承接口43的插槽431通过插板连接，推进油缸8工作至全行程；接着，停机，卸除插板，让推进油缸8回退复位，将推进油缸8缸套81上的前部槽812与推进架4上推进油缸可换位承接口43的插槽431通过插板连接，开机，二次将推进油缸8工作至全行程。
40.步骤3）中，切削单元在切割主隧道ⅰ管壁后，联络通道ⅲ端口成形，以切割分离的圆形瓦片状管壁残片为基础，对其内部的土体进行密封防护；具体为：在残留的管片前端贴附密封板和抵撑板，在密封板和抵撑板之间设防涌土回转支承盘7，所述抵撑板由防涌土支撑油缸71实现抵撑。当然，密封板朝向残留管片的形状一是需要与弧形的残留管片相适配，二是其外径尺寸需与接续管9的内径相适配，保证相对运动，不会对后续的接续管9的转动造成干涉。
41.提出该技术手段的出发点是：在环形切削单元作业时会对接续管9构成的套管组内的土体形成扭矩，导致圆柱形土体（即中心土）有整体扭转的趋势，增加防涌土回转支承盘7可以有效“吸收”中心土的扭转力，避免防涌土支撑油缸71的支撑点被破坏。
42.本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。