CN104695865A - 微型隧道掘进系统和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型隧道掘进设备和系统，其包括外部驱动系统和钻头部分(20)，其中外部驱动系统包括旋转和线性推进的驱动装置，钻头部分(20)包括钻孔转子(21)和钻杆(22)，并连接着中间钻杆(41)，该中间钻杆(41)能够延伸由驱动系统驱动的钻头部分所形成的钻孔。钻头(20)包括模块式结构，该结构包括多个类圆盘元件，轴承模块M1、转向模块M2、间隔件模块M3和固定模块M4，用于在柱形转向壳M6内轴向对准、邻接和固定。钻头(20)的方向转向包括在转向模块M2内的多个大体上径向延伸的通道，每个通道都具有可通过控制装置进行液压移动的突起，以改变外转向壳M6的方向，从而改变固定在钻杆远端上的钻头部分的方向。

Description

微型隧道掘进系统和设备

本申请为专利申请案(申请日2008年12月16日，申请号201210384295.8，发明名称为“微型隧道掘进系统和设备”)的分案申请。

发明领域

本发明涉及地下钻进，更具体地，本发明涉及一种改进的微型隧道掘进系统和设备。

本发明中，“微型隧道掘进”是指包括对约600毫米或更小量级的孔进行非开挖水平钻进。

背景技术

现代安装技术可用于公共基础设施所需服务的地下安装。为了提高安全性，并且在视觉上产生与开放式服务不相干扰的更满意的环境，越来越多地把污水、自来水、电力、煤气和通讯服务安放在地下。

目前，地下作业中使用最多的方法是挖出一个明挖沟。该沟是从顶面开挖的，其后插入管子或者光缆，然后在该处回填。这种方法在新建筑区比较实用，因为在该区域内，缺乏建筑、道路和地下结构，不会对这种方法造成障碍。然而，在支承着现有建筑的区域中，明挖沟具有明显的不利之处，其会对路面造成较大的破坏，并且非常可能会对现有的地下结构(也就是以前填埋的公用设施)造成破坏。此外，由于挖沟的位置经常会下沉，所以当完成且回填了明挖沟后，地上结构的最终变动很少导致令人满意的结果。

地下作业所使用的另一个概念就是钻个水平的地下孔洞。由于它克服了上述明挖沟对道路和地下结构造成破坏的问题，有几种方法已采用了这种原理，但是这些方法仍有其固有的问题。

一种方法是水平定向钻孔(HDD)。在这种方法中，钻孔设备位于地表面上，然后相对于地表面以一斜角在地上钻个孔。钻井泥浆通常流经钻杆柱，从钻具流出，并且从井筒上返，以便清除挖屑和泥土。当钻探工具达到理想的深度后，工具就沿着大体水平的路线导向，以产生水平的钻孔。在获得理想长度的钻孔后，工具然后直接向上突破地面。然后，扩孔器与钻杆柱相连，该钻杆柱是通过钻孔退回的，因此，将钻孔扩成较大的直径。通常将公共设施管线或者其他管道与扩孔器连接，这样，这些管道与扩孔器一起被拖过钻孔。使用这种方法的较大问题就是转向机构非常不精确，并且不适于在斜坡上应用。操作者使用的停止和开始动作导致钻孔不完全笔直。操作者没有办法精确地知道孔钻到哪里能导致对现有的公用设施造成破坏。这可能造成安全威胁，特别是如果该区域内的设施具有易挥发特性的时候，威胁较大。

另一种方法是导向位移方法。该法将钻杆柱推入地中并且由顶进式框架将其旋转。经纬仪沿着钻杆柱聚焦成一参考点，以在斜坡上保持直线。这个系统不能精确地操作。在预计转向的方向上，指出精确的斜度。头部的位置是通过具有坡度和直线设定的全站仪监测的，并对固定在导杆头部的靶子测量该点。如果地面条件均匀，并且环境绝对理想，它将产生令人满意的孔。但是很不幸，这种情况非常少。地面条件通常都是易变的，所以不管你要转到哪个方向，导管往往会趋向转到地面具有最小阻力的地方。由于钻杆柱通常很短，钻孔的时间经常很慢，且重复连接使得过程很冗长。一旦钻孔达到接收轴，螺旋钻就沿着孔的方向连接和退回，以将挖出物移到接收轴内。然后，不得不手动去除这些挖出物，而这是非常耗费时间的。

泥浆类型的微型隧道掘进利用网状泥浆传送在整个安装过程中去除的挖出物。通过起动轴沿着钻孔送入两条管线。通过液压顶进式框架将这些管子顶入孔中。沿着进水管将水压至开挖面，在这里挖出的岩浆和泥浆被迫沿着回水管返回。在享有良好精确度的同时，该体系需要结构轴，而该轴需要巨大的力量以推动这些管子。这导致了大量的、昂贵的浅井坑(jacking shaft pit)，而这需要大量时间建造。部件的绝对重量和尺寸使其连接很慢，并且用起来很笨重。如果单元受损或者卡在孔中，取回设备的唯一可用方法就是向下挖到钻头位置上。

在Davies申请的美国专利申请US 2004/0108139专利中显示了一种类型的钻孔机，而相应的澳大利亚专利2003262292公开了一种微型隧道掘进机，该微型隧道掘进机具有挖掘头，在挖掘头上配有钻头，通过液压推进器在水平方向上进行钻孔。钻头的方向是通过激光导向的。光束照到在钻头内的目标，然后照相机为隧道入口处的操作者转播出目标的图像。操作者通过从钻头内的一对柱塞导入水和排除水来调节方向，其中这对柱塞向上和向下，或者向左和向右移动钻头。专利公开了半自动的形式，其中微处理器调节方向，直至操作者自己控制。特别地，该发明提出了用于这种类型的微型隧道掘进机的钻孔头的导向系统的权利要求，其中钻孔头通过使用激光束导向在选定方向上钻孔和倾斜，该激光束导向系统具有驱动的最末端零件，可使钻头在90°处在两个方向上可调，其中，驱动的最末端零件有一个用于激光束的靶子，用来将目标图像和在其上的激光照射位置传送给远离钻头的操作者和输入装置，使操作者可以调节驱动的最末端零件的方向。

在Davies申请的美国专利申请US 2004/0108139的专利中公开的设备的方向控制的主要方法是具有驱动轴，在其末端以一种方式连接着刃口，这种方式使得驱动轴按照需要移动，并且使挖掘元件能够根据激光控制方向系统的测定转向到正确位置。然而，这种类型的设备将所有的应力放在细长的可移动驱动轴上，该轴是由汽缸保持的，因此很容易增大断裂的危险。很明显，需要提供一种改进的系统以降低破坏钻头组件的可能性。

从以上可知，现有的地下隧道掘进方法都比较繁琐、不够精确，而且由于要去除废物以及热效应，需要重复地停止钻孔操作。此外，因为传统的钻孔系统通常需要在现场回收钻探工具，并且送回到装配工厂，因此传统的钻孔系统的零件更换会产生固有延迟。回收本身可能很麻烦，而且花费较大，特别是如果需要新的垂直检查孔来回收工具，就会更麻烦和更昂贵。这可能破坏道路或者公共服务，在其下面钻好的隧道正在延伸。此外，现有系统都不能精确地保持在固定的钻探方向上，当检测到填埋的障碍物或者遇到变化的土壤条件时，经常需要使系统精确地保持在固定的钻探方向上。

发明内容

根据本发明，提供了一种用于在斜坡上进行地下钻探的设备和方法，更具体地，提供一种改进的微型隧道掘进系统和设备。

本发明中，“微型隧道掘进”是指包括对在600毫米或更小量级的孔进行非开挖水平钻进，其与300毫米左右量级的管道的冲击(insurgence)特别相关。

现有的微型隧道掘进技术有很大缺点，与在说明书中将要介绍的一样，本发明通过包括一个或多个下列改进或者其他改进，已经克服这些缺点或者至少得以改善。

第一个主要改进就是使用外壳，该外壳中具有液流通路，并且在外壳上固定了驱动杆，使得所有电缆和软管可固定在外腔内，从而使得在多个封闭的中间的钻杆上具有连续的电缆。

第二个主要改进就是在真空室内与动力系统结合。在真空室内结合转动达到了多重目的。首先，可以显著提高真空范围，并且使得机器能力最大化，以去除挖出物，并且提高生产力。其次，钻杆的旋转组件产生热量。从激光区去除这种热量对激光准确度是非常关键的。通过在真空区结合旋转，可以立刻去除任何产生的热量，从而使得激光不受影响。

第三个主要改进是密封的钻杆的转向机构，其使用与转向壳啮合的放射状的突出物来指引钻头，并防止中心固定在外壳内的钻头上有任何不当压力。

第四个主要改进是钻头的模块结构，该结构是由多个像盘子形状的模块形成的，其中这些模块可以通过直接的外部蚀刻、钻孔或者铸造等方法制造的，并且与柱形壳相结合以形成容易装配的钻头。

第五个主要改进是驱动装置的模块部件，这使其能用插入单元来使用不同的旋转单元，其中的插入单元提供了线性的拉力以及推力。这使得旋转单元能与所钻探的材料以及所插入的管子的尺寸相匹配，此外还使得在已经精确地钻好初始钻孔之后，能反向铰至更大的直径。

附图说明

为了使本发明更容易理解，下面将参考附图举例说明一个实施例。

图1是根据本发明的微型隧道掘进系统和设备的驱动装置的透视图，其包括固定在齿条系统上的旋转模块和推进模块，此外还包括用来帮助送回泥浆的真空装置；

图2是用于根据本发明的微型隧道掘进系统和设备的、能用图1中的驱动装置驱动的钻头的分解透视图；

图3是用于根据本发明的微型隧道掘进系统和设备的、能用图1中的驱动装置驱动的、具有前挖掘装置的封闭式钻头的主视图；

图4是通过截面A-A的、图3中的具有前挖掘装置的封闭式钻头的横截面视图；

图5是通过截面B-B的、图3中的具有前挖掘装置的封闭式钻头的横截面视图；

图6是通过截面C-C的、图3中的具有前挖掘装置的封闭式钻头的横截面视图；

图7是图2中的钻头的转向模块的前透视图和后透视图；

图8是图7中的转向模块的侧视图和通过截面B-B的横截面视图；

图9显示了图2中的钻头的轴承模块的前透视图和后透视图；

图10是钻杆的侧视图和横截面视图；

图11显示了图2中的钻头的前轴承衬的前透视图和后透视图；

图12是图11中的前轴承衬的侧视图和通过截面A-A的横截面视图；

图13是封闭式钻头的横截面视图，显示了压流路线穿过该模块到轴承模块和支撑着前挖掘臂的前轴承衬；

图14是在图1中的驱动装置与图2中的钻头之间延伸的驱动杆的透视图；

图15是图6中的驱动杆的透视反向视图；

图16是图14和图15中的驱动杆的端部视图，显示了匹配的阴阳端；

图17是图14和图15中的钻杆的透视详图，显示了肘节锁定机构；

图18是真空辅助的精密扩孔器的后透视图，显示了与钻杆和面向后的挖掘面相连接的装置；

图19是图18中的真空辅助的精密扩孔器的前透视图，显示了与将要安装的产品管相连接的装置；

图20是图18中的真空辅助的精密扩孔器的后透视图；

图21是图18中的真空辅助的精密扩孔器通过图20中的截面A-A的横截面视图，显示了内部压流通道、真空腔、通风道、输入驱动轴、行星齿轮组、挖掘轮毂与轴承。

具体实施方式

参考附图，附图中显示了微型隧道掘进设备和系统，其包括驱动系统(11)、钻头部(20)和中间的钻杆(41)，其中钻杆(41)使得由驱动系统驱动的钻头部所产生的钻孔能够延伸。

图1中所示的驱动系统(11)包括动力源和导轨系统，其中导轨系统使动力源能够在一定限度内线性驱动。导轨系统包括齿条和齿轮传动系统(12)，以沿着所述导轨的长度保持线性的推进压力。所述动力源包括液压推进模块(13)，它使旋转模块(14)往复运动，其中旋转模块(14)容装在发射轴内的止推轴承箱中。产品管可以被推进或者拉进位置中以装填管线。

在旋转模块(14)的前面连接着封闭的中间钻杆(41)，例如如图14和15所示。

在最后的中间钻杆(41)的远端连接着钻头(20)，如图2中的分解图和图4、5和图6中的横截面视图所示。同样地，钻孔转子组件(21)连接着钻轴或钻杆(22)的末端，并且与中间钻杆(23)相连形成连续的钻杆柱，钻杆柱是由外部驱动装置(11)来驱动的，其中，外部驱动装置(11)包括液压推进模块(13)，它使旋转模块(14)往复运动，并在齿条和齿轮传动系统(12)上可以线性移动。

由转向壳体(M6)和后壳体(M5)构成的钻头(20)的外壳和中间钻杆(41)的外壳(42)对连续的钻杆柱形成了连续覆盖，其中具有内部限定的连续孔或通道。特别地，如图16中特别显示的真空通道(51)可通过许多沿着中间钻杆(41)的长度延伸到钻头(20)的连续空腔构成。这个真空通道(51)在用于连接的阴端(46)处具有真空密封，以在纵向啮合与排列的中间钻杆之间保持真空。在真空通道(51)中具有用于连接的中间钻杆(41)。单独的空气通道(52)是由另外许多沿着中间钻杆(41)的长度延伸到钻头(20)的连续空腔构成。这形成了控制激光可在其内部穿透到钻头(20)的线性通道。通过将产生热量的钻杆(22)与线性激光通道隔开，以及沿着真空通道(51)回送泥浆的冷却效应，产生了高效且精确的转向机构。

微型隧道掘进系统和设备还包括：

a)具有液压轴承衬和模块结构的钻头

b)具有内部冷却系统的封闭式钻杆

c)回拉抽取式扩孔器

d)具有旋转单元的齿条和齿轮推进模块

e)钻杆加载系统

f)微处理器控制系统

当使用发射轴进行挖掘时，将为该轴准备底座以安装钻孔机。典型的情况是，该轴具有已标记的管子转换起始点和测量的线。在直线和斜坡上的最后面的轴内设立激光。典型的情况是，沿着斜坡上轴的底座水平放置厚板。将包括推进模块(13)和旋转模块(14)的微型隧道掘进驱动设备(11)降到所述轴内，然后在直线和斜坡上竖立起来。

将钻头(20)降至轴内，并且数据、液压流体和压力流体管线(44)都连接着钻头(20)。将钻头大小和地面条件输入到控制面板中，该控制面板对钻孔推进速度和推力、钻孔旋转速度和扭矩、真空流动和压力以及压力流体流动选出合适参数。钻头连接着真空推进接头，该接头固定在旋转单元上。一旦设定成发射模式，就起动了真空单元，并且驱动加压的钻削流体在钻面喷射。钻头进入泥土面中。

通过挖掘工具的旋转并辅以喷射压力流体，就挖出了孔洞。图13中用加粗线显示了这种加压的流体流动，它也起到了液压轴承的作用。在进行钻孔的时候，将钻头(20)推进地下，同时利用真空将泥浆/挖出物送回到真空管(15)中进入废物槽内以进行去除。一旦钻头完全进入地面，就停止了推进、旋转、真空和压力流体。钻头与真空推进接头分离，然后具有旋转单元的推进台车回到起始位置。

在起始位置时，或者使用起重机对中间钻杆(41)进行手动装载，或者使用自动的杆装载机进行装载。一旦钻杆位于推进模块的底架上，推进台车和旋转单元都分别以较低的速度、较低的推力和较低的扭矩起动，以与钻杆相啮合。由于钻杆具有自对准销(48)，该自对准销(48)精确地把杆与钻头和钻孔机对准，所以杆的啮合是自动的。当完全对准并进一步向前行进时，自锁定肘节(在图17中已详细显示)在锁定销后啮合，以影响刚性连接。将控制软管和电缆(44)插到封闭了钻杆(23)的外盖或外壳(42)的凹腔(43)中。真空和压力流体回复到预定的钻孔速度、推力和扭矩，重新开始钻孔过程。继续该过程直至达到最终的钻孔终点。

微型隧道掘进机是通过控制箱远程操作的，该控制箱显示了所有当前的压力和速度设定。控制箱是用计算机处理的，而且使转向、推进模块、旋转单元、真空单元和压力流体的控制相集成。操作者可以调节任何参数设定以完全适合当前的地面条件。钻孔过程和转向过程可以通过使用集成的计算机软件自动操作，也可以通过手动控制。整个钻孔期间，通过激光冲击位于钻头(20)内的目标，可以监测钻孔位置，并通过使用闭路电视(CCTV)可以看到钻孔位置，从而操作者或者软件包经常调整钻头，以把激光保持在目标中心。

一旦完成了钻孔，就可以有三种选择：钻杆前进到接受轴内，同时插入顶管；拉回到发射轴，同时拖动直接在后面的管子；或者在插入管子之前去除钻杆。

目前，微型隧道掘进工业仅允许向前挖掘。本发明是唯一一种结合了后精密铰孔的微型隧道掘进系统。如图18～21所示，图中准备了将要被后扩孔器(60)取代的钻头(20)，其中，后扩孔器(60)同样连接着中间钻杆(41)，并且由钻杆柱和外部驱动装置驱动。然而，与跟钻头(20)直径相近的钻孔转子组件(21)面朝前所不同，直径比中间壳(42)更大的铰孔组件(61)面向后。通过后铰孔以及将管子连接到开敞式圆柱形端盖(65)，可以对管子进行安装，其中，开敞式圆柱形端盖(65)固定在后扩孔器(60)的末端。因此，随着驱动装置(11)在使用面向后的较大直径的铰孔组件(61)进行旋转钻孔的同时将后扩孔器(60)向后拉回，沿着扩大的钻孔将直径相同或更小的管子拉进并放在其中。

后铰孔允许使用低成本的扩孔器，以挖开不同管子尺寸安装的孔洞。后铰孔还对每个推进模块使用一种尺寸的钻头和钻杆，这反过来简化了杆的装载过程并降低了整个设备成本。

更详细地考虑设备，系统包括：

导向系统，使用激光冲击目标，该系统受到监控以恒定保持正确位置。

真空装置：使用真空装置可以进行清除操作、使重磨最小化的快速抽出，并且真空装置还降低了由抽取单元占用的真空区。

压力流体：提高刀具寿命，同时在处理不同的钻孔条件时，通过使用钻井液，创造更多的选择。

钻杆：提供了推动或者拉动装置的能力，这使我们可以在两个方向上挖掘。这使得机器能在向前推进的直线上精确地钻出一个导向孔，然后当你拉回时，向后切开或者挖开孔洞。由于已测定好孔洞的划线和斜度，且所需的工具简单、便宜，这使得机器能够以最小的成本，在很大的孔洞尺寸范围内更加通用。在微型隧道掘进中，向后拉是独特的。通过对每一单元仅使用一种尺寸的钻杆，就可以对顶进式框架进行定制，以自动装载和卸载钻杆。通过自动装载和卸载钻杆，系统降低了操作时对人工输入的要求。这提高了工地上的安全性。

安装在发射轴内的推进模块可以提供300kN的力，用于在3.0米的纵距内推进和拉回2.5米的行程。推进模块使用齿条和齿轮传动系统以提高行程与收缩长度之比。它通过正向力提供了高的装载能力。压力、力和速度完全可调，以适合于推进和拉回，并具有可编程的行程，且台车组件具有可调的极限限位器。所有的推进模块能够快速落到旋转单元的箱内。

根据需要，可以通过一个推进模块选择性地利用多种旋转模块。通过使可用的液压动力最大化、通过保持最佳切削面表面速度(m/min)以理想的速度(rpm)旋转，以最大限度地利用钨和硬质合金挖掘嵌件的工作范围，并且通过保持最理想的切削面/真空区比率，比较理想地，旋转模块满足一种钻孔直径的要求。还可以使用其他尺寸的旋转模块，但是效率较低。

每个旋转模块包括其自身的液压马达(低速/高扭矩、高速/低扭矩、两速自动选择单元或其它)，该液压马达通过传动轮系组件(链条和链轮、简单的齿轮箱、行星齿轮箱或其它)与其连接，以使具有六角形端部的驱动轴旋转，其中驱动轴与钻杆内的钻杆柱相连。

每个旋转模块还包括一个用来连接钻杆的真空推进适配器。这个真空推进适配器结合了适合于每个钻杆的特征：真空密封方法、钻杆对准、钻杆柱扭矩传送连接、推面和拉回连接。真空推进适配器还装有一些用于钻杆的液压夹紧和分离机构。

微型隧道掘进机把小直径的非开挖管子，特别是<600mm的管子，更特别地是<300mm的管子进行非常精确地安装作为目标。通过跟踪照射在钻头内的靶子的激光，可以实现上述目标，其是通过钻头内的CCTV进行监控的，然后相应地操纵激光以保持路线和斜度。独特的流体衬套组件把水和推力传送到旋转的切削面，在该切削面，加压水和随后挖出的泥土混成泥浆，通过真空抽提去除这些泥浆。

钻头利用独特的径向转向系统连续且精确地挖掘钻孔，其中径向转向系统能直接转变可变的方向。通过连接在钻头和推进模块之间的随后的钻杆，钻头穿过地面前进，直至达到最终的钻孔长度。这些钻杆或者是封闭的，或者是敞开的，并且与提供了机械和控制工作的旋转轴/钻杆柱、真空、空气与控制通道相结合。在远程控制面板上操作者可遥控控制和使用水力学、水和数据，并通过电缆和压力胶管进行传送。

前切割转子组件包括钨、硬质合金或者其他烧结的硬金属嵌件，在多种表面方式上轴向地和径向地装入这些嵌件。前切削面的形状随地面条件明显不同，可以是扁平的、带先导阀的或者锥形形状，并且构造成与地面条件相匹配。

所有的前切割转子都进行了设计，使得切块足够大，以潜在地阻碍钻头真空腔，该真空腔保持在切刀前面，以进行进一步的加工(混合、切割、研磨或者粉碎)。一旦切块足够小，它们就可以越过切刀表面进行真空抽提。

粘土切削面将有多个轮辐(3～6个)，它们可能一起重新连接到外轮缘上。由于考虑到用穿过切削面的开孔来限制切刀前的挖出物，直至其足够小能够适合穿过钻头的真空室，所以主要的考虑因素是粘土的硬度。当粘土很软时，容易开挖，但如果没有选好正确的切刀，也容易其自身上集结，并且可能造成阻塞。

虽然页岩切削面将与粘土形式相似，但是端面开孔被改变了以便允许在真空抽提之前对大块的碎片进行正面再次研磨。

岩石切削面通常包括切刀面，该切刀面具有三个、六个或者九个锥形滚子组件，这些组件具有外围开孔(通常三个)用来抽提挖出物。利用多个直径较小的锥形滚子，每套三个滚子与前切削面呈一定距离和角度地交错。里面的一套三个锥形滚子最向前，中间套与内套成60度径向歪斜，并缩进25～100％的挖掘直径，而最后的一套也与中间套成60度径向歪斜，以把内套锥形部分带回来与内套锥形滚子的径向中心线一致，并从中间面再回退挖掘直径的25～100％。因而，滚刀面具有以下优点：连续转向能力、在非匀质地面条件下的稳定性提高、切屑速率提高导致在真空抽提挖出物之前的重磨时间缩短。

井下钻探技术几十年来一直使用“三锥”滚子来切割岩石。它们可用于多种等级：软的、中等的和硬的构造。三锥滚子利用以120度平均分布的三个锥形滚子，这些滚子配有硬金属嵌件，每个嵌件绕着它们自己的轴承轴旋转。每个滚子的锥形形状逐渐变尖以至于成为切削面的中心，这些滚子绕着朝向切刀中心向前歪斜60度的轴旋转，这导致完整平面的切割直径。所形成的较大的平切削面很难保持在非匀质地面中的稳定性，并且由于需要三个滚子的尺寸以获得完整的挖掘直径，在任何转向响应之前的轴向行进距离经常是挖掘直径的一半。

所有的前切割转子具有压力流体部分。径向钻探孔洞到切刀中心以与钻轴上的端口相符。另外的孔洞是从切刀的前面和后面进行轴向钻探的。这些孔的尺寸为直径约2mm，使得在表面处的极端压力能用来以最少的压力流体用量获得最佳的切削和混合质量。前端口上的内斜面用于增大开孔处的表面积，仅允许喷出阻塞物。后端口转向后朝着钻头，以帮助清除来自空气通道和真空腔的任何残留物。

所有前切割转子具有中心腔用来与钻头内的钻轴连接。该腔或者与向上穿到轴上的轴肩上的梯形或爱克米(acme)的螺纹进行螺纹联接，或者该腔是用于快速连接布置的中空的六角形，其与前螺纹锥和锁闭闩结合使用。这两种形式都适合于通轴和切刀压力流体传送。

钻头通过钻轴驱动前切割转子。轴的前面是阳六角驱动机构，其长度是六角形对边宽度尺寸的75～100％，该机构具有前螺纹延长部分，其直径通常为六角形对边宽度直径的50～75％，长度为螺纹直径的75～100％。

钻杆径向钻通(例如在120度的3×5mm直径的孔洞)六角形终驱动表面，直到中央的较大的轴向端口(例如直径8mm-12mm)。该轴向端口作为盲孔钻入钻轴，钻入长度与前流体衬套的位置相符的位置。在这里，钻通另一系列较小的径向孔以碰到轴向端口(例如在120度上的3×5mm直径的孔洞)。这些孔被敲击(例如8～10mm的凹面直径)以消除来自旋转轴的任何密封劣化。

前流体轴承衬密封了这种钻杆的中前部分，并提供了集中轴承位置，该位置能高度结合径向力和推力。钻杆的经过敲击的径向孔与流体轴承衬的内部径向压力流体分配槽纵向对准。

压力流体反过来从径向钻孔(以60度平均分布的6×5mm直径的孔洞)流入凹槽。由于励磁U杯密封件放置在M1轴承模块的后面，所以流体不能漏到流体衬套的后部。压力流体按比例分布到钻轴轴向端口，直到前切割转子，这产生背压以分配给在钻杆的外径与流体衬套的内径之间的环带区。这可通过大螺旋角、深度低的多线槽完成，其中这些槽通过机加工形成在流体衬套的内部上，从分配槽的前边缘到流体衬套的前表面(例如三线的、螺距20mm、深0.5m的槽、其凹面半径为1.5mm)。因此，这种压力流体流到衬套前表面上的螺旋形的螺旋槽(例如，单一的10mm螺距连续减少的右旋0.5mm深的表面槽，其凹面半径为1.5mm)。这种通道效应主要将轴与衬套在径向和轴向上流体静力学地分离，以抵消转向和推面力。由于负载得越多，彼此靠着的表面越硬，因此关系为线性成比例的，这提供了更好的流体静力学密封，而这反过来用于排斥两个部件。因此，我们具有机械地转移负载的轴承，这提供了压力流体回旋，并连续地润滑和冷却自身。这种方法能够实现具有最小的应力冒口点的非常强的轴结构以及极好的压力流体运输。

钻头通过钻杆起作用以驱动前切割转子。通过安在发射轴上的激光监测钻头内的钻孔位置，其中激光指示固定在钻头上的靶子上的位置。钻头内的照相机指向靶子，并将视频图象传送输给机器操作者所观看的视频屏幕。操作者控制任何所需的转向方向转变。通过改变切削面相对于钻孔的位置，可完成转向。

现有技术就是制造圆柱形的钻头，并移动切削面。一种转向方法是使钻头的前部垂直地和水平地转动。尽管这种方法对转向是有效的，但该法需要激光靶离切削面具有相当大的距离。激光靶位置越向后，在当前钻面位置更新之前需要钻进的距离越大。

另一种转向方法就是在钻头内移动钻轴。这种方法的优点是能在钻头内进一步向前固定激光靶，因此为钻面位置提供了更精确的靶子。然而，枢轴固定这些转向机构所提供的转向很差，其故障速率较高并且维修增加。

这些以前的转向方法都非常大且笨重，并且由于每个液压缸都需要管道，使得该法不适合小直径的钻头设计。本发明需要构造模块式钻头以提高强度并减小尺寸。

钻头是分段模块式设计以将总尺寸降至最小，同时达到最大的强度和耐久性。通过相配合的分段套管，每个模块都被集中并由下一个模块保持。每个模块的夹紧达到角度对准和轴向夹紧。每个模块都是为其在钻头内的特殊目的而设计，并且所有的液压、流体、空气和真空通道都通过分段的表面密封而相互连接。这种构造方法能够使用集成的压力端口、可靠的轴承设计、最大的真空区、良好的空气通道管道、激光靶区最大的向前位置以及用来目视头部倾斜指示的铅垂指示器。

微型隧道掘进系统中使用的钻头和转向模块具有转向壳M2，该壳M2以一定方式轴向固定在钻杆(22)上，以使其能径向运动，并且具有多个径向固定的活塞，能与转向壳M6的内表面啮合，从而，多个径向固定的活塞的突起控制对转向壳的方向进行控制。

如图8所示，多个径向固定的活塞被包含在圆形的转向模块中，该模块是绕着钻杆安装的，并且具有径向孔，径向固定的活塞从这里伸出。圆形转向模块包括有辐条的轮，该轮与径向孔一起作用，其中径向孔至少部分沿着径向延伸的辐条而延伸。优选的情况是，腔体位于辐条之间以容许轴向路径。圆形转向模块包括靠近径向中心的端口，并且能够容纳水或者液压流体以驱动活塞从径向孔伸出并与转向壳的内表面啮合。

如图2所示，钻头包括模块式结构，该结构包括多个类圆盘元件，用于在柱形壳内轴向对准、邻接和固定，其中，每个类圆盘元件都是通过直接孔结构制造的，并且轴向对准和邻接产生连续的轴向和径向通道，这通道容许流体流动、真空废料返回通道和控制流动。

一个类圆盘元件在具有流动路径的钻头前面形成了轴承模块M1，以提供轴向延伸的流体射流来帮助切割，并且可提供径向延伸的流动路径以帮助滑动旋转切割装置的轴承。

一个类圆盘元件在具有流动路径的钻头前面形成了转向模块M2，以提供轴向延伸的流体射流来控制活塞伸出，以与外部汽缸啮合，并改变钻头的方向。

一个类圆盘元件在具有流动路径的钻头内形成了间隔件模块M3，以为相邻的模块提供轴向延伸的流动路径。

一个类圆盘元件在具有流动路径的钻头后面形成了固定模块M4，以提供轴向延伸的流动路径，并能够对外部汽缸的底座形成非刚性固定。

钻杆(22)和相连的中间钻杆(23)都是钢杆驱动轴，具有相配合的六角形末端，以实现连接和抵抗扭力。钻杆和相连的中间钻杆通过前杆衬套轴承和后杆衬套轴承保持在钻杆末端板的任一末端中。钻杆和相连的中间钻杆被装在轴向延伸的管状部分(51)中，以把轴承通过真空部与挖出物分离。轴向延伸的管状部钻杆柱罩完全位于真空室内，被真空通道和真空腔所环绕。这种真空完全环绕能吸收由旋转钻杆柱所产生的热量，将其直接转移到泥浆中，并且从钻头处将流体和挖出物送回到真空废料箱中。

用于钻头导向的激光束穿过防护的顶部空气通道(52)行进。有效地去除热量并创造稳定的激光环境可以使在每个钻杆连接处的其他不可避免的热-冷转变最小。在以前的钻杆中，这些热-冷转变造成连续的和终极的激光折射，导致钻孔不精确。

在连接过程中，将钻杆(23、23)推在一起。真空推进适配器在阳钻杆末端板(47)内有两个锥形的组合销(48)，所述两个锥形的组合销(48)围绕杆的纵向轴，并且相对于驱动装置在垂直方向上位于中心，并且在水平面附近等距偏置。这些组合销在前面具有锥形的锥度，并且与阴钻杆末端板(46)内的、围绕杆的纵向轴的两个钻孔(49)对齐。当再往前插入销子时，钻杆对准水平面；钻杆和相连的六角形中间钻杆对齐，并且再往前插入直到两个末端板面相匹配。

在这种对准过程期间，连续进行以下步骤：使固定在阴末端板上的肘节绕着枢轴衬套轴转动，从末端板直径径向向外移动，允许组合销的大直径通过肘节。一旦组合销通过了大直径，允许肘节跳回其原始位置，在组合销与阴末端板之间移动，从而锁闭了连接，并且在负载条件下允许推入或者拉回。一旦钻杆末端板面对面地相匹配，由于在阴板的铣槽内插入弹性密封件，从而密封了真空区和激光区。

参考图2、图4和图5，M1轴承模块包括具有中心分段钻孔的圆盘，用来定位前流体轴承衬。外罩被交叉钻孔，以使钻杆侧面出现的轴向压力流体端口转向，该端口与径向钻探的端口相连，而径向钻探的端口反过来与中心钻孔内部的径向槽连接。两个附加的小的径向槽——一个在通道槽的后面，而另一个在通道槽的前面，这两个径向槽提供了O环密封件的外罩，它使该腔完整并引导所有的压力流体通过穿过流体衬套钻得的径向孔。径向压力腔还连接着装有喷射塞的垂直径向孔，该孔将一些流体引导到转向环与转向壳M6之间的环面。在M1轴承模块的后面是自励磁U杯密封件，该密封件是由软金属衬套保持的，以使前密封腔完整。

如图2、图6、图7和图8所示，M2转向模块包括带有中心孔的圆盘，其中钻杆穿过该中心孔。在顶部和侧面是空气通道。在底部是真空腔。这里有四个径向钻孔，钻孔和埋头孔绕着盘的圆周平均分布。四个独立的石油端口是从外罩和具有表面密封的埋头孔的后面轴向钻探的，这四个石油端口进入四个钻孔的每个孔中的径向钻削的下部。这些钻孔容纳了具有高压密封件的转向活塞。随着加压的液压油进入这些腔体中的任何腔，相关联的活塞被迫径向向外，这提供了力量以移动转向壳M6。活塞是通过分级的密封环由从外壳的喷射保持的，其中分级的密封环结合了活塞杆刮垢器和辅助密封件，而它反过来由分段孔内的内部弹性挡圈保持。

M6转向壳包括中空的管状部分，该管状部分具有前末端分段返回部分，这部分的内侧直径减小，因而朝前的内部和外部逐渐变细。这种前部分级返回逆着M1轴承模块的前部面向上，并且主要的内孔在转向环组件圆周周围具有全环间隙，该全环间隙使外壳能在任何方向上径向移动。当开动了M2转向模块中的一个活塞时，M6转向壳受到径向推动，并与延伸的活塞一起运动。当M6转向壳的相对侧向转向环组件移动时，与开动的活塞径向相对的活塞反过来缩回，使其能进行下一个转向操纵。同样操作应用在围绕与第一套活塞成90度的轴作用的另一套活塞。在两个圆筒运动轴上的这种促动或者是单独地进行或者是一起进行，这使得钻头能改变它的轴和切刀相对于已钻好的孔的位置，因而提供了转向控制。

液压转向钻头具有快速系统，用来改变切割加工。使用用于微型隧道掘进单元的岩石滚子系统的设计，已经提高了岩石的承受力。

钻头已进行了修改，以适应带盖的钻杆系统，并且设计了钻头，使其能够引入自动转向。钻头的部分设计考虑了强度和耐久性，同时通过在第二圆环内支撑着一个圆形件的位置的液压活塞，提高了保持钻头定位的能力，在最小的空间内提供了最大的强度。

在高负载下钻轴必须自由旋转，并且必须将压力流体转移到钻面。使用钻面外的高压流体增加了工具寿命，同时还能够冲刷粘土。

现有技术是将轴保持在钢制轴承内，钢制轴承或者是锥形的滚子，或者是带有滚针推力轴承的球形轴承。这种方法解决了机械旋转问题，但是引入了过多的相关联的问题，要解决密封切割废料和水的入口的轴承的问题，而切割废料和水都是对轴承致命的成分。当要经常更换密封件和轴承的时候，维修就增多了。如果使轴承停止工作，整个钻孔过程将停止，将不得不取出钻头进行检修，这就会导致了计划外的停工期以及工期延迟。

传送压力流体的现有技术是采用压力回转组件，该组件可绕着轴线转动。该回转结构是管状设计，具有两个压力密封件，这两个压力密封件轴向相对以在回转接头内保持中心压力室。螺纹式进口端口径向进入这个压力室，绕着腔体的轴流动，穿过在钻轴内钻出的径向孔，然后通过在钻轴内的轴向孔到达前表面。该设计需要外部保持回转罩，以停止它随钻轴转动，这就在一个内表面上造成径向侧负载，而这种侧负载反过来导致密封失效从而发生泄漏。密封件必须具有较高的预负载，以适应高压，并且将磨损钻轴内的凹槽，造成泄漏。所述回转接头将位于靶子位置之后，这样从裂隙中喷出的一些水将会扰乱靶子的可视视域。在具有弯管的回转罩处使用管子接头以在钻轴旁轴向地引入软管，其平均尺寸太大不能用于小直径的钻头、组件，并且管子和接头的维修将非常困难。

本发明提出了模块设计的钻头的构造，该钻头具有压力流体运送腔。此外，本发明包括使用流体轴承衬以起到前钻杆轴承的作用，并在一个组件内使用压力回转接头。流体轴承衬通过三个木螺丝(以120度平均分布)保持在M1轴承模块中。导入M1轴承模块内的分配槽中的压力流体呈密封形式，其通过分配槽的每侧上的两个O-环密封件穿透分级衬套孔内部和流体轴承衬的外径。这个M1轴承模块分配槽与绕着流体轴承衬周边的径向钻孔(例如以60度平均分布的直径6×5mm的孔)纵向对准。这些钻孔进入衬套的内径，并且与流体轴承衬内的内部径向分配槽互相连接。由于励磁U杯密封件放置在M1轴承模块的后面，所以流体不能漏到流体衬套的后部。

流体轴承衬密封了钻杆的中前部分，并提供了集中轴承位置，该位置能高度结合径向力和推力。钻杆的经过敲击的径向孔与流体轴承衬的内部径向压力流体分配槽纵向对准。

压力流体是按比例地分配的——穿过钻轴的径向孔，连接轴向端口，直到前切割转子，这产生背压以分配给在钻杆的外径与流体衬套的内径之间的环带区。这可通过大螺旋角、深度低的多线槽完成，其中这些槽通过机加工形成在流体衬套的内部上，从分配槽的前边缘到流体衬套的前表面(例如三线的、螺距20mm、深0.5m的槽、其凹面半径为1.5mm)。

然后，这种压力流体流到衬套前表面上的螺旋形的螺旋槽(例如，单一的10mm螺距连续减少的右旋0.5mm深的表面槽，其凹面半径为1.5mm)。这种通道效应主要将轴与衬套在径向和轴向上流体静力学地分离，以抵消转向和推面力。由于负载越大，彼此靠着的表面越硬，因此关系为线性成比例的，这提供了更好的流体静力学密封，而这反过来用于排斥两个部件。

因此，我们具有机械地传递负载的轴承，这提供了压力流体回转体，并连续地润滑和冷却自身。这种方法能够实现具有最小的应力冒口点的非常强的轴结构、极好的径向和轴向轴承负载、优良的冲击阻力、极好的压力流体运输、最小的组件和维修成本，并且可以置换场地。

在钻头最前面的靶子的位置最终提高了必须极度精确并与位置变化响应的钻孔能力。使用钻面外的高压流体增加了工具寿命，同时还能够冲刷粘土。使钻探流体在切削面流动的能力产生了更高的切割功效，并帮助我们掌握穿过不同的地面条件的能力。前轴承结合了高负载的轴向轴承和具有高压流体的推进轴承以及集成的润滑系统。

插入钻杆并与推进模块连续相连，以使钻孔前进，同时保持钻杆柱、真空、空气通道、液压、压力和数据线连接。钻杆将固定在推进模块上的旋转单元的扭矩经由钻杆和相连的中间钻杆传送给钻头。钻杆还将固定在推进模块上的旋转单元的推进作用经由真空管传送给钻头。

现有技术具有与钻杆柱纵向对准的真空管部分，其中真空管部分位于其下，通常停在钻孔仰拱上。这使得可以通过真空抽出切割废料。

真空管具有轴承衬和阴阳夹板，其中轴承衬沿着钻杆和相连的中间钻杆轴固定在每个末端处，以保持钻杆和相连的中间钻杆，而位于每个末端处的阴阳夹板通过插到垂直或水平对准的两个孔内的手动销来连接。钻杆柱是开式的，可能造成操作者受到旋转轴的伤害。用手动销插入的连接方法很缓慢，并且在完成钻孔后很难抽出销子。

手动连接方法需要空隙以进行手动连接。由于钻杆柱旋转的扭矩，连续的钻杆之间的这种空隙使得每个杆能绕着其轴线轻微旋转。这种旋转，可能每个杆只有1度，随着钻孔的深入使误差延伸。超过100m的孔的最终误差可能是50度的转动，这导致靶子相对于起始点的位置不准确。然后，该靶子位置可能超过100mm。

钻孔的周围没有受到支撑，在某些土地条件下造成地面塌陷，因此阻挡了激光和靶子图像，并停止了钻探操作。轴承直接位于激光位置下面，导致钻杆的每个末端处为热部分，而在轴承之间为较冷的部分。这些热-冷转变造成连续的和终极的激光折射，导致钻孔不精确。

微型隧道掘进系统使用了固定在钻杆上的外壳，所述钻杆包括至少两个轴向延伸的腔或孔，在其中液流在压力下沿着上述轴向延伸的腔或孔中的一个腔或孔轴向传送给钻头以帮助钻探，并且所得的泥浆沿着上述轴向延伸的腔或孔中的另一个腔或孔被真空带回。然而，由于钻杆完全封闭，并且比钻头直径略小，使得在塌陷的土地条件下、在地下水位之下、在软的或者硬的地面下，微型隧道掘进机都有效。钻杆内的真空或者泥浆废料抽出体积提供了最小的限制，以提高生产率和可达到的线路长度。所有的移动部件都是封闭式的，因此钻杆的使用更安全。

在真空或者泥浆废料中的旋转消除了轴承的热量，使得激光的失真以及对设备的磨损和撕裂最小。封闭的激光间隔开以稳定光束。提供空气流以使温度和湿度平衡，使操作更精确。自动对准系统加速且简化了操作。用于正连接的自动夹紧系统在向前及相反方向上都能承受全负载。夹紧系统保持牢固的真空密封。完全封闭的软管和数据线袋子保护敏感的数据线和压力线。

使用回拉抽取式扩孔器可以增加微型隧道掘进的钻孔的尺寸。由于在不同尺寸的钻孔中可使用一种尺寸的微型隧道掘进钻头和钻杆以及回拉抽取式绞刀时，这对于操作者是有利的，同时还保持了良好的生产率。一旦钻头达到接收轴，就从钻杆的末端去除钻头，并用回拉抽取式扩孔器替代。将要安装的产品管可与固定在后部的管子回拉适配器相连。此刻，钻探是在反向或者拉回模式下开始的。钻杆柱与正传动齿轮相连，该正传动齿轮转动了紧固地固定在真空推进板上的三个行星齿轮。正传动齿轮与固定在切刀轮轴的内环齿轮的内部啮合，使得切刀轮轴以较低速度旋转，但是扭矩比其输入驱动的扭矩要高。通过推进轴承和径向轴承把切刀轮轴固定在管子拉回适配器上。该实施例使得钻杆和拉回式管子保持旋转地固定，并且扩孔器切刀轮轴可以在较高的扭矩下绕着纵向轴旋转。典型地，切刀轮轴在其切削面中是凹形的，因此当穿过地面拉回它时，泥浆和废料被送到真空通道或者泥浆通道入口以进行抽取。

应当明白，上述说明仅是优选实施例并且被图示所包括，不会限制本发明。很明显，本领域的普通技术人员无需任何创造性劳动就可理解微型隧道掘进系统和设备的变化，并且这些变化都包括在如所附权利要求所限定的本发明的范围内。

Claims (7)

1.一种隧道掘进设备，其包括：

多个中间钻杆，其能够被连接在一起而形成一列中间钻杆，每个中间钻杆包括以可转动的方式固定在外壳内的驱动轴，当所述中间钻杆连接在一起时，所述中间钻杆的所述驱动轴相互连接，以允许扭矩通过所述一列中间钻杆被传递；

钻头，所述钻头包括切削元件，所述切削元件具有切削面，所述切削面位于所述一列中间钻杆的远端；

钻柱，所述钻柱用于将扭矩从最远端的中间钻杆的驱动轴传递给所述切削元件；

活塞架，所述活塞架具有中心区域和外环，所述活塞架包括多个径向元件，所述径向元件从所述中心区域延伸到所述外环，所述中心区域限定中心的第一轴向开口，所述钻柱延伸穿过所述第一轴向开口，所述活塞架将所述钻柱保持为与所述钻头的中心轴线对齐，所述活塞架还限定第二轴向开口，所述第二轴向开口偏离所述活塞架的中心轴线，并位于所述径向元件之间，所述活塞架被相对于所述中间钻杆的外壳固定；

多个径向活塞，所述径向活塞固定在所述活塞架的所述径向元件内；以及

转向壳，所述转向壳围绕所述活塞架的外环，其中所述活塞能够相对于所述活塞架沿径向延伸或回缩，以造成所述转向壳相对于所述活塞架的运动并且在钻柱上的任何不当的力。

2.根据权利要求1所述的隧道掘进设备，其中，由转向壳体和后壳体构成的钻头的外壳和中间钻杆的外壳对所述一列中间钻杆形成了连续覆盖，其中具有内部限定的连续孔或通道。

3.根据权利要求2所述的隧道掘进设备，其中，真空通道可通过许多沿着中间钻杆的长度延伸到钻头的连续空腔构成。

4.根据权利要求3所述的隧道掘进设备，其中，单独的空气通道是由另外许多沿着中间钻杆的长度延伸到钻头的连续空腔构成。

5.根据权利要求2所述的隧道掘进设备，其中，所述钻头包括模块式结构，所述模块式结构具有多个类圆盘元件，所述类圆盘元件用于在柱形壳内轴向对准、邻接和固定。

6.根据权利要求5所述的隧道掘进设备，其中，所述类圆盘元件中的一个形成了转向模块。

7.根据权利要求1所述的隧道掘进设备，其中，所述隧道掘进设备包括冲刷口，所述冲刷口用于冲刷所述转向壳内的液体来从所述转向壳内去除碎屑。