管片式分体硬岩掘进机

权利要求书： 1.一种管片式分体硬岩掘进机，其特征是：包括：刀盘，用于切割硬岩采掘管片；其中、取出岩芯：所述刀盘中心功能区设置若干台水磨钻机钻出若干岩芯取芯孔和岩芯劈裂孔，若干岩芯劈裂器进入岩芯劈裂孔做功劈开岩芯后，岩芯劈裂器进入岩芯取芯孔取出岩芯，取出的岩芯通过外排通道排出掘区域，取出岩芯作业完成；其中，环向切割硬岩岩筒：刀盘前端连接若干层弧形切刀和刀体之间设有排渣沟和集渣槽；所述刀盘在动力系统驱动下旋转前行环向切割硬岩，切割硬岩产生的切渣依靠自重落到刀体后端集渣槽，收集的岩渣在刀盘旋转至高点向下适当位置落入排渣系统排出掘进区，环向切割岩筒完成；其中，刀盘纵向切割管片：所述刀盘设置若干台岩筒纵向切锯在管片纵向切割系统做功下由硬岩切断面位置纵向切割，直至完成纵向切割若干管片；其中，横向分离管片：所述刀盘设置若干台管片横向截断切割岩筒，所述切割岩筒直至若干硬岩管片与硬岩母体分离，完成横向分离管片；其中，排出硬岩管片：所述与硬岩母体分离的管片岩芯外排系统做功下经过管片岩芯碎石外排系统排出掘进区，同时完成每一环硬岩掘进与硬岩管片提取；其中，掘进机换步前行：所述掘进机支撑防护系统液压油缸大腔压力降低小腔压力升高液压油缸杆回缩支撑防护面与岩壁分离，所述掘进机调向换步系统液压油缸大腔压力降低小腔压力升高拖动支撑防护系统前行，所述前行到达下一环位置支撑防护系统液压油缸小腔压力降低大腔压力升高推动支撑防护系统与岩壁结合，完成换步前行支撑防护；其中，中刀盘首次掘进定位：中刀盘由辅助设备推进已完成环段内，所述中刀盘前支撑换步系统液压缸小腔压力降低大腔压力升高推动前支撑换步系统与岩壁结合定位；所述前支撑结合定位好后支撑换步系统液压油缸小腔压力降低大腔压力升高推动后支撑换步系统与辅助装置定位，所述中刀盘若干环后支撑换步系统与岩壁连接定位后，中刀盘在刀盘运转驱动系统驱动下旋转直至环向切割硬岩岩筒完成；所述中刀盘设置若干台纵向切割锯在切割系统做功下完成硬岩管片纵向切割；所述中刀盘设置横向截断系统将硬岩管片与硬岩母体分离完成硬岩管片制备；所述中刀盘将与硬岩母体分离的若干管片在管片协排系统做功下经过管片碎石外排通道硬岩管片排出掘进区，共同完成中刀盘一环硬岩掘进与硬岩管片提取；其中，大刀盘(包括超大、特大刀盘)首次掘进定位：大刀盘由辅助设备推进刀盘已经完成环段内，所述大刀盘前支撑换步系统液压缸小腔压力降低大腔压力升高推动前支撑换步系统与岩壁结合定位；所述前支撑结合定位后后支撑换步系统液压油缸小腔压力降低大腔压力升高推动后支撑换步系统与辅助装置定位，所述大刀盘若干环后支撑换步系统能够与岩壁连接定位后大刀盘正常掘进；其中，大刀盘在动力系统驱动下旋转直至完成硬岩环向切割硬岩成为硬岩岩筒；所述大刀盘设置若干台纵向切割锯在切割系统做功下完成硬岩管片纵向切割；所述大刀盘设置横向截断系统将硬岩管片与硬岩母体分离完成硬岩管片制备；所述大刀盘将与硬岩母体分离的若干管片在管片协排系统做功下经过管片碎石外排通道硬岩管片排出掘进区，共同完成每一环硬岩掘进与取出硬岩管片。

2.根据权利要求1所述一种管片式分体硬岩掘进机其特征是：刀盘、中心独立功能区、中刀盘、大刀盘工作流程、动力控制等全部系统均适合独立作业，其中，中刀盘和大刀盘均为环壁定位空心型掘进模式，具体为中刀盘和大刀盘初次定位由该刀盘前端已完成小口径管廊隧道管壁环形护盾撑住定位，后端由大口径环形护盾顶紧待掘进空间硬岩环外岩体定位，共同完成首次硬岩掘进，后续掘进，前端小口径工作模式相同，后端大口径环形护盾改为顶紧中刀盘和大刀盘掘进完毕空间定位，其中，另加超大、特大刀盘，初次定位模式相同。

3.根据权利要求1所述一种管片式分体硬岩掘进机其特征是：掘进机采掘推进、防护支撑、开采防水、管片内外运输、增强复合安装、注浆防水、整体设备动力全部液压动力优先，掘进区域外采用电力与液压双驱动组合动力。

4.根据权利要求1所述一种管片式分体硬岩掘进机其特征是：所述管片包括硬岩掘进空间采出的全部硬岩管片；所述硬岩增强复合材料管片满足掘进空间衬砌后，剩余管片直接销售或者增强复合材料管片销售，将现有盾构技术硬岩资源切割成建筑垃圾排放支出，转变为本发明将硬岩资源制成管片销售收入。

5.根据权利要求1所述一种管片式分体硬岩掘进机其特征是：管片包括掘进空间全部硬岩管片、增强材料包括玄武岩纤维、碳纤维、玻璃纤维、竹纤维。

6.根据权利要求1所述一种管片式分体硬岩掘进机其特征是：分类系统确定管廊隧道掘进空间外环衬砌所需管片，所述管片均直接进入传送带通道运至设置在掘进区域后部模具制造天然硬岩增强管片；本发明技术建造千年管廊隧道，无外购管片成本、无管片地面运出运入成本。

7.根据权利要求1所述一种管片式分体硬岩掘进机其特征是：地质条件好的硬岩掘进空间采出硬岩管片多、切削量小，进度快，无建筑垃圾外排，工程进度提高一倍以上；特别适合地下停车场、地下商场、轨道交通、地铁水电、地下管廊、海底隧道建造。

8.根据权利要求1所述一种管片式分体硬岩掘进机其特征是：本发明技术建造一条直径20米硬岩管廊隧道衬砌自用后剩余巨量管片，直销或者增强硬岩复合管片销售后，可分别抵消工程主体投资10-50％；可销售给现有硬岩全断面粉碎掘进机、土压平衡盾构机、泥水平衡盾构机、明挖掘进机所需圆型天然硬岩增强管片，各种规格可挑可选，能够建造10条以上千年硬岩管廊隧道。

说明书： 一种管片式分体硬岩掘进机技术领域[0001] 本发明一种管片式分体硬岩掘进机，属于工程机械技术领域。背景技术[0002] 现有技术硬岩掘进机(TBM)，是集机械、电子、液压、激光、控制等技术于一体的高自动化设备，可以实现硬岩管廊隧道掘进空间全断面破碎、岩渣排出、移步掘进、安装管片

等作业施工不受外界气候影响一次完成，大大减少了对地面建筑物和交通的干扰，是城市

地下管廊、地铁隧道、铁路公交等硬岩掘进施工最有发展的机械。目前全球管廊隧道硬岩工

程平均占比约40％，中国滇中引水工程隧道占比92％，硬岩掘进机应用市场前景广阔。

[0003] 现有技术建造硬岩管廊隧道问题：(1)建造成本高：掘进空间硬岩全断面粉碎变成建筑垃圾掘进动力成本高、全断面粉碎设备压力大易损件成本高、排放建筑垃圾装运卸平

成本高、存放建筑垃圾占地、征地和污染环境成本高、购买和运输混凝土管片成本高、购买

掘进设备数千万上亿元人民币掘进十公里需大修或报废折旧成本高，浪费优质硬岩资源，

共同导致管廊隧道建造成本高。(2)掘进速度慢：掘进空间硬岩粉碎量大、刀具磨损快、更换

周期短、掘进推力上万吨容易造成地面隆起或塌陷、掘进姿态难控制、管片上浮、孤岩难处

理、卡住螺旋输送机、地质环境事故难以掌控等问题误工，共同构成掘进速度慢。(3)使用寿

命短：现有技术硬岩掘进管廊隧道采用购买钢筋混凝土管片衬砌，衬砌材料的性质导致管

廊隧道设计使用寿命100年，管廊隧道寿命到期隐患多：一不能超期使用，否则将产生城市

水、电、气、暖、讯不定时瘫痪灾难性风险；二不能原址拆除重建，原址拆除重建所需投资是

新建投资1.5倍，所需时间周期是新建时间1.5倍，拆除重建期间城市难以正常运转、人民难

以正常生产生活；三难以另选址再建替换，是否有合适地下空间、再建资金和物质来源，防

止塌陷报废管廊隧道回填资金物质来源，是现代人财物和环境成本难以承受的压力，后续

每百年一循环、永无止境的巨额投资，都是留给子孙后代难以解决的隐患。

[0004] 本发明要解决的问题：解决现有技术硬岩管廊隧道建造成本高、掘进速度慢、主体使用寿命短等问题；

[0005] 解决现有技术硬岩掘进问题办法：发明一种管片式分体硬岩掘进机。[0006] 一种管片式分体硬岩掘进机，将掘进空间硬岩以管片形状切割采出，掘进空间硬岩切割量不足10％，比现有技术硬岩掘进空间全断面粉碎消耗动力成本和易损件成本各减

少90％、比现有技术硬岩粉碎成建筑垃圾排放运输存放征地成本各减少90％，掘进空间采

出硬岩管片增强返回掘进空间外环衬砌比现有技术购买和运输管片投资各减少90％；本发

明建造10米直径硬岩千年管廊隧道衬砌后剩余管片销售抵顶投资、比现有技术建造百年管

廊隧道投资减少50％，建造50米直径硬岩千年管廊隧道比现有技术建造百年管廊隧道投资

减少90％，本发明掘进空间硬岩资源利用100％，解决了现有技术建造管廊隧道成本高问

题。

[0007] 一种管片式分体硬岩掘进机，掘进直径6-10米硬岩管廊隧道分2-5道工序，比现有技术掘进快1倍以上、采出3-10层硬岩管片。直径10-50米以上硬岩管廊隧道分6-20道工序，

比现有技术掘进快6-20倍，分别采出10-50层以上各规格尺寸硬岩管片，解决了现有技术硬

岩管廊隧道掘进速度慢问题。

[0008] 本发明已建造直径3米天然硬岩增强管廊示范段，已切割出直径6.2米硬岩标准管片，已制造一种管片式分体硬岩掘进机实验机，所述实验机已切割出3种规格硬岩管片，所

述硬岩管片已采用玄武岩纤维材料增强，已经完成一种管片式分体硬岩掘进机可以掘进岩

石圈任何深度的天然硬岩实验与论证。

[0009] 本发明天然硬岩建筑现实与历史代表性案例：中国江西赣州天然硬岩下水道千年后仍在使用；意大利古罗马硬岩下水道2500年后现代罗马依然在用；土耳其哥贝克力山寺

庙建造于11000年前硬岩雕刻动物场景清晰可见；岩石圈构成地壳46亿年至今运转；地理与

现实和历史案例能够说明，硬石增强管廊隧道主体使用寿命最低1000年以上，解决了现有

技术管廊隧道使用寿命短问题。

发明内容[0010] 为解决现有技术硬岩掘进问题，本发明一种管片式分体硬岩掘进机，其特征是：包括：刀盘，用于切割硬岩采掘管片；其中、取出岩芯：所述刀盘中心功能区设置若干台水磨钻

机钻出若干岩芯取芯孔和岩芯劈裂孔，若干岩芯劈裂器进入岩芯劈裂孔做功劈开岩芯后，

岩芯劈裂器进入岩芯取芯孔取出岩芯，取出的岩芯通过外排通道排出掘区域，取出岩芯作

业完成；其中，环向切割硬岩岩筒：刀盘前端连接若干层弧形切刀和刀体之间设有排渣沟和

集渣槽；所述刀盘在动力系统驱动下旋转前行环向切割硬岩，切割硬岩产生的切渣依靠自

重落到刀体后端集渣槽，收集的岩渣在刀盘旋转至高点向下适当位置落入排渣系统排出掘

进区，环向切割岩筒完成；其中，刀盘纵向切割管片：所述刀盘设置若干台岩筒纵向切锯在

管片纵向切割系统做功下由硬岩切断面位置纵向切割，直至完成纵向切割若干管片；其中，

横向分离管片：所述刀盘设置若干台管片横向截断切割岩筒，所述切割岩筒直至若干硬岩

管片与硬岩母体分离，完成横向分离管片；其中，排出硬岩管片：所述与硬岩母体分离的管

片岩芯外排系统做功下经过管片岩芯碎石外排系统排出掘进区，同时完成每一环硬岩掘进

与硬岩管片提取；其中，掘进机换步前行：所述掘进机支撑防护系统液压油缸大腔压力降低

小腔压力升高液压油缸杆回缩支撑防护面与岩壁分离，所述掘进机调向换步系统液压油缸

大腔压力降低小腔压力升高拖动支撑防护系统前行，所述前行到达下一环位置支撑防护系

统液压油缸小腔压力降低大腔压力升高推动支撑防护系统与岩壁结合，完成换步前行支撑

防护；其中，中刀盘首次掘进定位：中刀盘由辅助设备推进已完成环段内，所述中刀盘前支

撑换步系统液压缸小腔压力降低大腔压力升高推动前支撑换步系统与岩壁结合定位；所述

前支撑结合定位好后支撑换步系统液压油缸小腔压力降低大腔压力升高推动后支撑换步

系统与辅助装置定位，所述中刀盘若干环后支撑换步系统与岩壁连接定位后，中刀盘在刀

盘运转驱动系统驱动下旋转直至环向切割硬岩岩筒完成；所述中刀盘设置若干台纵向切割

锯在切割系统做功下完成硬岩管片纵向切割；所述中刀盘设置横向截断系统将硬岩管片与

硬岩母体分离完成硬岩管片制备；所述中刀盘将与硬岩母体分离的若干管片在管片协排系

统做功下经过管片碎石外排通道硬岩管片排出掘进区，共同完成中刀盘一环硬岩掘进与硬

岩管片提取；其中，大刀盘(包括超大、特大刀盘)首次掘进定位：大刀盘由辅助设备推进刀

盘已经完成环段内，所述大刀盘前支撑换步系统液压缸小腔压力降低大腔压力升高推动前

支撑换步系统与岩壁结合定位；所述前支撑结合定位后后支撑换步系统液压油缸小腔压力

降低大腔压力升高推动后支撑换步系统与辅助装置定位，所述大刀盘若干环后支撑换步系

统能够与岩壁连接定位后大刀盘正常掘进；其中，大刀盘在动力系统驱动下旋转直至完成

硬岩环向切割硬岩成为硬岩岩筒；所述大刀盘设置若干台纵向切割锯在切割系统做功下完

成硬岩管片纵向切割；所述大刀盘设置横向截断系统将硬岩管片与硬岩母体分离完成硬岩

管片制备；所述大刀盘将与硬岩母体分离的若干管片在管片协排系统做功下经过管片碎石

外排通道硬岩管片排出掘进区，共同完成每一环硬岩掘进与取出硬岩管片。

[0011] 一种管片式分体硬岩掘进机其特征是：刀盘、中心独立功能区、中刀盘、大刀盘工作流程、动力控制等全部系统均适合独立作业，其中，中刀盘和大刀盘均为环壁定位空心型

掘进模式，具体为中刀盘和大刀盘初次定位由该刀盘前端已完成小口径管廊隧道管壁环形

护盾撑住定位，后端由大口径环形护盾顶紧待掘进空间硬岩环外岩体定位，共同完成首次

硬岩掘进，后续掘进，前端小口径工作模式相同，后端大口径环形护盾改为顶紧中刀盘和大

刀盘掘进完毕空间定位，其中，另加超大、特大刀盘，初次定位模式相同。

[0012] 一种管片式分体硬岩掘进机其特征是：掘进机采掘推进、防护支撑、开采防水、管片内外运输、增强复合安装、注浆防水、整体设备动力全部液压动力优先，掘进区域外采用

电力与液压双驱动组合动力。

[0013] 一种管片式分体硬岩掘进机其特征是：所述管片包括硬岩掘进空间采出的全部硬岩管片；所述硬岩增强复合材料管片满足掘进空间衬砌后，剩余管片直接销售或者增强复

合材料管片销售，将现有盾构技术硬岩资源切割成建筑垃圾排放支出，转变为本发明将硬

岩资源制成管片销售收入。

[0014] 一种管片式分体硬岩掘进机其特征是：管片包括掘进空间全部硬岩管片、增强材料包括玄武岩纤维、碳纤维、玻璃纤维、竹纤维。

[0015] 一种管片式分体硬岩掘进机其特征是：分类系统确定管廊隧道掘进空间外环衬砌所需管片，所述管片均直接进入传送带通道运至设置在掘进区域后部模具制造天然硬岩增

强管片；本发明技术建造千年管廊隧道，无外购管片成本、无管片地面运出运入成本。

[0016] 一种管片式分体硬岩掘进机其特征是：地质条件好的硬岩掘进空间采出硬岩管片多、切削量小，进度快，无建筑垃圾外排，工程进度提高一倍以上；特别适合地下停车场、地

下商场、轨道交通、地铁水电、地下管廊、海底隧道建造。

[0017] 一种管片式分体硬岩掘进机其特征是：本发明技术建造一条直径20米硬岩管廊隧道衬砌自用后剩余巨量管片，直销或者增强硬岩复合管片销售后，可分别抵消工程主体投

资10-50％；可销售给现有硬岩全断面粉碎掘进机、土压平衡盾构机、泥水平衡盾构机、明挖

掘进机所需圆型天然硬岩增强管片，各种规格可挑可选，能够建造10条以上千年硬岩管廊

隧道。

[0018] 一种管片式分体硬岩掘进机，用于施工管廊隧道掘进空间采掘、增强、衬砌天然硬岩增强管片、建造硬岩管廊隧道，无外购混凝土管片成本。

[0019] 一种管片式分体硬岩掘进机，建造直径6-50米以上管廊隧道，硬岩增强管片除供本发明采掘空间管壁外层衬砌自用外，剩余大量、巨量硬岩管片，直销或者增强硬岩管片销

售后，能够分别抵消工程主体投资10-50％以上：

[0020] 一种管片式分体硬岩掘进机，刀盘、刀盘中心功能区、中刀盘、大刀盘、特大刀盘的动力、控制等系统，全部具有独立作业能力；

[0021] 一种管片式分体硬岩掘进机，工程掘进硬岩地质条件较好，大刀盘、特大刀盘、超大刀盘能够分段掘进时，工程速度最低提高一倍以上；

[0022] 一种管片式分体硬岩掘进机，特别适合大型、特大型、超大型硬岩轨道交通、地铁水电、地下管廊、地下军事设施、海底隧道建造；

[0023] 本发明一种管片式分体硬岩掘进机新颖性：建造硬岩管廊隧道掘进空间采出硬岩管片、增强后返回掘进外层衬砌、剩余多层管片销售，具有新颖性；建造硬岩管廊隧道直径

6-10米掘进空间分体2-5个工段同时掘进，具有新颖性；管片式分体硬岩掘进机小刀盘有中

心，中刀盘大刀盘均设计空心，具有新颖性，目前没有同样的发明创造。

[0024] 创造性：本发明一种管片式分体硬岩掘进机，将建造管廊隧道掘进空间硬岩采出管片、增强后返回掘进外层衬砌、剩余多层管片销售资源100％利用，对比现有技术建造管

廊隧道将掘进空间硬岩全断面粉碎浪费资源、排出存放建筑垃圾有运输和征占土地、推平

和覆盖环保成本对比，具有实质性特点和进步。本发明建造直径6-10米管廊隧道，将掘进空

间可分2-5个以上工段同时掘进，比现有技术掘进速度快1-5倍以上，工程切割量少、环境影

响小、资源利用率高、施工成本低、投资成本低、掘进速度快、工程使用寿命长、剩余管片销

售收入抵顶投资，与现有技术硬岩掘进将现有技术硬岩掘进全断面粉碎工程切割量多、环

境影响大、资源利用率低、施工成本高、投资成本高、掘进速度慢、工程使用寿命短对比，具

有实质性特点和进步。

[0025] 实用性：本发明一种管片式分体硬岩掘进机，管廊隧道掘进空间采掘天然硬岩管片抗压强度245兆帕、是混凝土管片抗压强度60兆帕四倍，增强材料玄武岩纤维抗拉强度达

到3.5GPa，是钢筋抗拉强度0.9GPa三倍以上、硬岩增强管片永不生锈、防腐绝缘、耐酸碱、抗

氧化，能够采用模具进行大批量制造；使用后产生有益效果：管廊隧道硬岩管片增强材料玄

武岩纤维透波隐身、防爆放核弹核辐射，降低了管廊隧道在未来可能发生战争中被损毁的

风险，提高了管廊隧道在各种复杂环境使用的安全性和可靠性，大幅度提升国家安全和有

效防击敌对势力能力；本发明掘进机掘进大型管廊隧道硬岩切割量少，掘进空间采出硬岩

增强管片衬砌管廊隧道外环，无外购管片支出、有剩余管片销售收入、硬岩掘进速度快、建

造管廊隧道使用寿命1000年以上，掘进空间采出管片除自用衬砌外，剩余巨量管片可供应

现有技术硬岩掘进管廊隧道，占比60％的软质地质管廊隧道、地下车库、地下水库、地下抽

水蓄能电站、地下精密制造等领域，可使任何地质地下深层基础设施投资不同程度降低、使

用寿命1000年以上。

附图说明[0026] 图1是一种管片式分体硬岩掘进机中心刀盘主视图；图2是图1所示硬岩管片掘进机示意图左视图；图3是图1和图2示意图剖面图；图1图2图3对本发明掘进机正面与侧面的

形状和结构进行了示意性标注；在图中，若干相同部位相同部件标注一个代表；不同部位单

个部件逐一进行示意性表述。

[0027] 图4是一种管片式分体硬岩掘进机掘进工程管片管向形状图；图5是图4所示组装管片纵向形状图，图4和图5对组装管片榫卯结构和管片衬砌的互压结构和形状进行了示意

性标注。

[0028] 图6是一种管片式分体硬岩掘进机水电和管片外运通道示意图；图7是图6所示硬岩管片掘进机硬岩管片增强复合材料管片流程示意图；图6和图7对管片式分体硬岩掘进机

进排系统与增强管片系统进行了示意性标注。

[0029] 图8是一种管片式分体硬岩掘进机空心中刀盘主视图，图9是图8左视图，图10是图8剖面图，所述三图对中刀盘的形状和结构进行了示意图标注。

[0030] 图11是一种管片式分体硬岩掘进机空心大刀盘左视图；图12是图11左视图，图13大刀盘全图，所述三图对大刀盘形状和结构进行了示意性标注。

[0031] 图14是直径3米硬岩地下管廊实物图，图15是直径6.2米地铁隧道标准硬岩管片实物图，图14对天然硬岩管片建造管廊内水电气暖讯管道管线设计、安装手动遥控一体巡检

检修轨道车、无需外部支援独立完成管廊内全部管道管线维修、更换进行了示范性展示，图

14图15说明天然硬岩增强管廊隧道本发明技术已经能够建造，目前全球未发现先例。

[0032] 图16是本发明一种管片式分体硬岩掘进机微型实验机，图17是所述试验机已成功采掘出的天然硬岩管片增强管片实物图，图16图17已对本发明管片式分体掘进机的采掘原

理和实物及形状结构和轮廓进行了示意性展示。

[0033] 图18是江西赣州宋朝采用天然硬岩修建1000年下水道图片，始建于北宋年间的工程至今仍被使用，佐证没增强天然硬岩使用寿命已能达到1000年。

[0034] 图19是意大利古罗马建造2500年下水道至今当代罗马仍然使用图片，佐证天然硬岩未增强建筑管廊隧道使用寿命能够达2500年以上。

[0035] 图20是土耳其哥贝克力寺庙图；图中寺庙硬岩建造已12000年历史，比古埃及金字塔还要早8000年，一万年前石雕上刻有的各种动物细节和场景清晰可见，佐证天然硬岩未

增强寿命远超10000年以上。

[0036] 图21是地球起源46亿年网图；图22是图21网图地壳结构补充图；图21图22说明在地球物理结构理论上，能够显示天然硬岩来自于地壳岩石圈，天然硬岩增强管片来自于地

壳硬岩岩石圈、理论上应当与地壳岩石圈同寿命。

具体实施方式[0037] 参照附图对具体实施方式进一步表述：[0038] 本发明一种管片式分体硬岩掘进机其特征是，包括：1刀盘，2弧形切刀，3硬岩管向切断面，4刀盘中心功能区，5芯岩取芯孔，6管片岩芯碎石通道，7芯岩劈裂孔，8管片横向截

断锯，9硬岩岩芯，10管片定位孔，11硬岩纵向切断面，12弧形切刀刀体，13刀体间排渣沟，14

硬岩切渣集渣槽，15管片岩芯外排系统，16水磨钻机，17芯岩劈裂器，18管片截断动力，19冷

却水管道，20排渣系统，21岩筒纵向切锯，22泥浆管道，23支撑防护系统，24调向换步系统，

25刀盘推进系统，26刀盘旋转系统，27管片纵向分割系统，28管片横向截断系统，29管片管

向切割系统，30硬岩管片，31管片岩芯协排机，32岩芯劈裂取芯系统，33动力中央接头，34刀

盘中心区进退动力，35管片岩芯碎石外排系统，36管片管向形状图，37管片榫卯结构图，38

管片纵向形状图，39管片衬砌结构图，40液压动力管线，42低压电缆，43动力电缆，43多余管

片外排通道，44润滑泥浆管道，45加固注浆管道，46冷却水管道，47石渣泥浆排出管道，48增

强管片模具，49硬岩增强复合管片，50复合材料进入通道，51备用通道，52检测复合材料管

片，53合格复合材料管片，54综合共用通道，55中刀盘，56弧形切刀，57硬岩岩筒，58管片碎

石排出通道，59管片纵向切割面，60弧形切刀刀体，61刀体间排渣沟，62硬岩切渣集渣槽，63

冷却水管道，64排渣管道，65岩筒纵向切锯，66备用泥浆管道，67岩筒环向切割系统，68前支

撑换步系统，69管片横向截断系统，70硬岩管片，71管片协排系统，72管片碎石外排通道，73

刀盘推进系统，74后支撑换步系统，75管片纵向切割系统，76刀盘运转驱动系统，77岩筒环

向切割系统，78大刀盘，79弧形切刀，80硬岩岩筒，81管片碎石排出通道，82管片纵向切断

面，83弧形切刀刀体，84刀体间排渣沟，85硬岩切渣集渣槽，86冷却水管道，87排渣通道，88

岩筒纵向切锯，89备用泥浆管道，90岩筒环向切割系统，91前支撑换步系统，92管片横向截

断系统，93硬岩管片，94管片协排系统，95管片碎石外排通道，96管片安装系统，97衬砌榫卯

管片，98整机推进系统，99后支撑换步系统，100刀盘推进系统，101管片纵向切割系统，102

刀盘驱动系统，共同完成硬岩管廊隧道掘进空间硬岩管片切割采掘、硬岩管片增强衬砌、硬

岩管廊隧道建造。

[0039] 小刀盘取出硬岩岩芯：1刀盘中心部位设有4刀盘中心功能区，所述中心功能区设置若干台16水磨钻机，所述水磨钻机在32岩芯劈裂取芯系统控制下钻出若干个5岩芯取芯

孔和若干个7岩芯劈裂孔，若干个7岩芯劈裂孔在17芯岩劈裂器做功下劈开9硬岩岩芯；所述

9硬岩岩心在32岩芯劈裂取芯系统做功下离开岩体退至外排位置，所述退至外排位置9硬岩

岩芯在15管片岩芯外排系统做功下经过6管片岩芯碎石通道由35管片岩芯碎石外排系统排

出掘进区，硬岩岩芯取芯完成。

[0040] 小刀盘环向切割岩筒：所述1刀盘前端连接若干层2弧形切刀，若干层2弧形切刀安装在12若干层弧形切刀刀体前部；若干层12弧形切刀与刀体之间设有13刀体间排渣沟，13

刀体间排渣沟后部设有若干14硬岩切渣集渣槽；1刀盘在26刀盘动力系统驱动下转动，转动

的1刀盘由25刀盘推进系统向采掘方向推进，旋转并推进的1刀盘在29管片管向切割系统控

制下带动若干层12弧型切刀刀体上的2弧形切刀旋转环向切割硬岩，若干层2弧形切刀切割

硬岩过程中产生的硬岩切渣由若干条13刀体间排渣沟排到刀体后端14硬岩切渣集渣槽，14

硬岩集渣槽收集的岩渣在1刀盘旋转至高点向下适当位置以自重的方式落入20排渣系统，

20排渣系统将岩渣排出掘进区直至硬岩岩筒环向切割完成。

[0041] 小刀盘纵向切割硬岩管片：若干台21岩筒纵向切锯在27管片纵向切割系统做功下由11硬岩切断面位置纵向切割，所述纵向切割直至若干片30硬岩管片切割工序完成。

[0042] 小刀盘横向分离硬岩管片：若干台8管片横向截断锯在18管片截断动力驱动下和28管片横向截断系统做功下横向切割硬岩岩筒，所述切割硬岩岩筒直至若干30硬岩管片与

硬岩母体分离，分离硬岩管片完成。

[0043] 小刀盘排出硬岩管片：30硬岩管片与硬岩母体分离后在15管片岩芯外排系统做功下经过31管片岩芯协排机做功下由35管片岩芯碎石外排系统排出掘进区，一环硬岩掘进与

一环硬岩管片采掘同时完成。

[0044] 小刀盘前行换步：所述掘进机23支撑防护系统液压油缸大腔压力降低小腔压力升高液压油缸杆回缩23支撑防护面与岩壁分离，所述掘进机24调向换步系统液压油缸大腔压

力降低小腔压力升高拖动23支撑防护系统前行，所述前行到达下一环适当位置23支撑防护

系统液压油缸小腔压力降低、大腔压力升高推动支撑防护系统与岩壁结合，前行换步支撑

防护完成。

[0045] 中刀盘进入硬岩掘进位置：55中刀盘安装完毕由辅助设备协助进入1刀盘已经完成环段，进入环段内55中刀盘前部68前支撑换步系统液压缸小腔压力降低大腔压力升高推

动68前支撑换步系统与岩壁结合定位；所述前支撑结合定位后74后支撑换步系统液压油缸

小腔压力降低大腔压力升高推动后支撑换步系统与辅助装置定位，所述55中刀盘掘进至后

支撑换步系统能够与岩壁连接定位后，55中刀盘进入正常掘进状态。

[0046] 中刀盘环向切割硬岩岩筒：所述55中刀盘前端连接若干层56弧形切刀，若干层56弧形切刀安装在60若干层弧形切刀刀体前部，所述若干层60弧形切刀刀体之间均设有若干

61刀体间排渣沟，所述若干61刀体间排渣沟后部设有若干62硬岩切渣集渣槽；所述55中刀

盘在76刀盘运转驱动系统驱动下旋转，旋转的55中刀盘由73刀盘推进系统向掘进前方推进

(首次推进需辅助设备协助至正常推进)，所述旋转推进的55刀盘带动若干层56弧形切刀环

向切割硬岩岩筒，若干层56弧形切刀切割硬岩过程中产生的硬岩切渣由若干条61刀体间排

渣沟排到刀体后端62硬岩切渣集渣槽，62硬岩集渣槽收集的岩渣在55中刀盘旋转至高点向

下适当位置自重落入64排渣系统，所述64排渣系统将岩渣排出掘进区，硬岩环向切割岩筒

完成。

[0047] 中刀盘纵向切割硬岩管片：若干台65岩筒纵向切割锯在75管片纵向切割系统做功下由59硬岩管片纵向切断面位置纵向切割硬岩岩筒，所述纵向切割57硬岩岩筒完成后若干

70硬岩管片纵向切割完成。

[0048] 中刀盘横向分离硬岩管片：若干台69管片横向截断系统做功将70硬岩管片与硬岩母体分离，硬岩管片制备提取全部完成。

[0049] 中刀盘排出硬岩管片：与硬岩母体分离的若干70硬岩管片在71管片协排系统做功下经过72管片碎石外排通道硬岩管片排出掘进区，中刀盘一环硬岩掘进与硬岩管片采掘同

时完成。

[0050] 大刀盘进入硬岩掘进位置：78大刀盘安装完毕由辅助设备协助进入55中刀盘已经完成环段内，进入环段内78大刀盘前部91前支撑换步系统液压缸小腔压力降低大腔压力升

高推动91前支撑换步系统与岩壁结合定位；所述前支撑结合定位后99后支撑换步系统液压

油缸小腔压力降低大腔压力升高推动后支撑换步系统与辅助装置定位，所述78大刀盘掘进

若干环后支撑换步系统能够与岩壁连接定位后，78大刀盘进入正常掘进位置。

[0501] 大刀盘环向切割硬岩岩筒：所述78大刀盘前端连接若干层79弧形切刀，若干层79弧形切刀安装在83若干层弧形切刀刀体前部；若干层83弧形切刀与刀体之间均设有84刀体

间排渣沟，84刀体间排渣沟后部设有若干85硬岩切渣集渣槽；所述78大刀盘在102刀盘驱动

系统驱动下旋转，旋转的78大刀盘由100刀盘推进系统和90岩筒环向切割系统做功下向掘

进前方推进(首次推进需辅助设备协助至正常推进)，旋转推进的78大刀盘带动若干层83弧

型切刀刀体和安装在切刀刀体上的79弧形切刀旋转环向切割硬岩岩筒，若干层79弧形切刀

切割硬岩过程中产生的硬岩切渣由若干条84刀体间排渣沟排到刀体后端85硬岩切渣集渣

槽，85硬岩集渣槽收集的岩渣在78大刀盘旋转至高点向下至适当位置自重落入87排渣系

统，87排渣系统做功将岩渣排出开采区，直至若干层80硬岩岩筒切割完成。

[0052] 大刀盘纵向切割硬岩管片：若干台88岩筒纵向切锯在100管片纵向切割系统做功下由82硬岩管片纵向切断面位置纵向切割硬岩岩筒，所述纵向切割硬岩岩筒完成若干片93

硬岩管片纵向分离完成。

[0053] 大刀盘横向分离硬岩管片：92管片横向截断系统做功下若干93硬岩管片与硬岩母体分离，提取硬岩管片完成。

[0054] 大刀盘排出硬岩管片：93硬岩管片在94管片协排系统做功下经过95管片碎石外排通道排出采掘区，大刀盘一环硬岩掘进与硬岩管片采掘同时完成。

[0055] 管片增强系统：硬岩增强管片由设置在掘进空间后部的诸多模具完成。[0056] 管片分类系统：自动确定自用衬砌外环管片进入硬岩增强通道增强后返回掘进空间衬砌，多余硬岩管片排出掘进区销售或者增强为硬岩管片后销售。

[0057] 控制系统：控制系统控制推进支撑开采防水等全部设备，平时自动控制人工监视，特殊情况人工干预双保险施工。

[0058] 动力系统：掘进机采掘推进、防护支撑、开采防水、管片内外运输、增强复合安装、注浆防水、包括整体设备提供全部动力。

[0059] 驱动系统：所述驱动系统驱动刀盘转动切割硬岩、分割管片、掘进机整体换步前进、支撑防护、注浆防水等全部系统做功；

[0060] 冷却系统：刀盘切割过程中，冷却系统控制冷却水全程向各工作部位喷淋冷却水，供全部刀盘刀具钻具作业冷却。

[0061] 泥浆岩渣进入与排出系统：所述刀盘后端设有冷却水泥浆岩渣通道用于进入冷却水高压注射泥浆、排出岩渣和废泥浆；

[0062] 掘进区域防水：所述刀盘与刀盘中心功能区、中刀盘之间均设有防水系统，用于防止掘进区地下涌水和掘进冷却用水外溢；

[0063] 管片岩芯外排通道防水：所述通道设有双层船坞式防水闸，所述防水闸在管片岩芯进入外排通道前防水前闸开后闸关，所述管片进入外排通道后防水前闸关后闸开管片排

出，涌水冷却水不外溢；

[0064] 管片检测系统：检测硬岩增强复合材料管片合格后返回掘进工作面，进入复合管片安装系统等待掘进空间管壁衬砌安装。

[0065] 硬岩管片回运系统：所述管片回运系统将制造完成的复合材料管片回运掘进区管片安装系统等待衬砌；

[0066] 管片安装系统：硬岩增强管片检测合格后，由管片安装系统在掘进空间管壁进行管片衬砌至一个整环完成，进入下一环管片安装衬砌循环。

[0067] 注浆防水系统：所述系统为安装后管片与管壁间高压注浆加固防水、管廊隧道内部全方位加固防水。

[0068] 剩余硬岩管片销售：掘进期间和掘进空间衬砌管壁后均有剩余管片，巨量剩余管片可随时直销或者增强成为硬岩管片后销售，收入可抵顶建设投资。

[0069] 工程防水：硬岩增强复合材料管片安装后对掘进管廊隧道工程外部进行高压注浆加固、内部整体全方位加固防水作业。

[0070] 工程阶段验收：隧道管廊工程外部注浆内部防水后对工程全方位质量检测，检测检验合格后进入下一步工作循环。

[0071] 所述增强材料包括玄武岩纤维、玻璃纤维、碳纤维、竹纤维。[0072] 所述硬岩管片包括掘进工程岩石圈内掘进空间采出的全部硬岩；[0073] 掘进空间衬砌自用后剩余管片，可供应现有技术全断面粉碎硬岩掘进机，土压平衡盾构机、泥水平衡盾构机的管廊隧道，无论何种地质条件，建造硬岩增强管廊隧道使用寿

命，都比现有技术混凝土管廊隧道使用寿命大大增加。