本发明涉及隧道施工技术领域，特别是指一种链锯网割掘进机及其施工方法。
背景技术：
在隧道施工技术领域，目前常用的机械化施工方式，如盾构机、tbm等，均是将所需开挖的岩土完全破碎，并排出，这种开挖和掘进方式成本高，能量利用率低。
本发明提出一种链锯网割掘进机及其施工方法，采用链式切割方式进行隧道开挖和掘进。类似的链式切割技术的应用有石材开采领域的“链臂锯”（如专利号为201310408793.6的一种自行式将煤层纵向切割成块煤的锯煤机及其切割方法）、隧道开挖领域的“预切槽机”（如专利号为201620108081.1的一种一次成型折叠无尘自动切槽机）等，链臂锯只能进行横平竖直切割，不能进行环形、仿形切割，不够灵活；预切槽机一般只能进行环形切割，无法进行横平竖直切割，而且其环形切割的轮廓大小比较受限，一台设备无法胜任不同断面形状和大小的隧道开挖。因此改变现有传统开挖设备，就需要设计一种适用多种开挖断面的新型掘进机，以降低成本、提高开挖效率。
技术实现要素：
针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种链锯网割掘进机及其施工方法，解决了现有技术中隧道开挖设备成本高、适用性不佳的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：一种链锯网割掘进机，包括行走装置、出渣装置和切割装置，所述切割装置包括变幅机构、三维运动机构和切割头，三维运动机构的一端通过变幅机构与行走装置相连接、另一端连接有切割头，切割头与出渣装置相对应。
所述变幅机构包括平行四边形机构和伸缩油缸，平行四边形机构的一端与行走装置铰接、另一端与三维运动机构铰接，伸缩油缸的一端与行走装置铰接、另一端与平行四边形机构铰接，平行四边形机构通过伸缩油缸带动三维运动机和切割头构上下平动。
所述三维运动机构包括依次连接的水平运动机构、竖直运动机构和轴向运动机构，切割头设置在轴向运动机构上；竖直运动机构与水平运动机构滑动连接，轴向运动机构与竖直运动机构滑动连接，轴向运动机构推动切割头进行轴向运动。竖直运动机构带动轴向运动机构沿水平运动机构进行水平运动，轴向运动机构带动切割头沿竖直运动机构进行竖直运动，轴向运动机构带动切割头进行掘进动作。
所述水平运动机构包括水平轨道和后端回转装置，水平轨道与变幅机构固定连接，后端回转装置与水平轨道滑动连接；所述竖直运动机构包括竖直轨道，竖直轨道与后端回转装置固定连接；所述轴向运动机构包括推动油缸和固定座，推动油缸的一端与固定座相连接、另一端设有切割头，固定座滑动连接在竖直轨道上。
所述切割头包括前端回转装置、链臂和链条式刀具，前端回转装置与三维运动机构相连接，前端回转装置上设有链臂驱动装置和链条驱动装置，链臂与链臂驱动装置相连接，链条式刀具设置在链臂上且与链条驱动装置相连接。
所述链条式刀具上设有用于将渣土排出到出渣装置的清渣器；所述链臂上连接有润滑系统和冷却系统。
所述行走装置包括履带式底盘，履带式底盘上设有主控室。
一种链锯网割掘进机的施工方法，步骤如下：
s1：链锯网割掘进机通过履带式底盘和变幅机构的驱动使链臂和链条式刀具运动到距离隧道掌子面合适的位置；
s2：链条式刀具在链条驱动装置的作用下，对掌子面先进行隧道外轮廓切割，隧道外轮廓大于隧道设计轮廓，然后对隧道外轮廓内的掌子面进行网格分切；
s3：链条式刀具在开挖过程中将渣土推送至出渣装置，然后利用机械出渣装置将渣土完全取出，并排出隧道；
s4：对开挖好的隧道进行衬砌工作，完成一环隧道施工。
步骤s2包括如下步骤：
s2.1：当开挖矩形断面隧道时：首先通过前端回转装置和链臂驱动装置使链臂和链条式刀具处于水平状态；然后链条式刀具在链条驱动装置的作用下配合链臂驱动装置驱动的链臂，在隧道掌子面上切割出若干条水平缝隙；然后前端回转装置驱动链臂、链条式刀具绕z轴旋转90°，在隧道掌子面上切割出若干条竖直缝隙，隧道掌子面被切割成矩形网格块；
s2.2：若开挖圆形断面隧道：先将链臂、链条式刀具运动到隧道开挖轮廓的其中一个象限点位置处，然后后端回转装置驱动三维运动机构的竖直运动机构、轴向运动机构及切割头整体回转，切割出一条圆形缝隙；然后按照步骤s2.1的方式，在隧道掌子面上继续切割出若干条水平、竖直缝隙，隧道掌子面被切割成网格块；
s2.3：若开挖马蹄形断面隧道：先将链臂、链条式刀具运动到隧道开挖轮廓的其中一个象限点位置处，然后通过联动控制变幅机构、三维运动机构和切割头的运动，切割出一条拟合马蹄形缝隙；然后按照步骤s2.1的方式，在隧道掌子面上继续切割出若干条水平、竖直缝隙，隧道掌子面被切割成网格块。
本发明采用链式切割进行隧道开挖和掘进，其采用了一种将隧道切割成块的开挖理念，能量利用率高、对周边土体扰动小、扬尘等污染少、总体成本低。而且本发明具备履带式底盘，工作灵活，通过控制链臂、链条的运动轨迹，能够进行圆形、矩形、马蹄形等各种截面形状隧道的开挖，适用范围广，提高设备利用率，降低了生产成本，是隧道开挖的新思路，具有较高的推广价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明整体结构示意图。
图2为本发明图1中a向视图。
图3为开挖矩形断面示意图。
图4为开挖圆形断面示意图。
图5为开挖马蹄形断面示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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付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。
如图1所示，实施例1，一种链锯网割掘进机，包括行走装置1、出渣装置和切割装置，行走装置为掘进机的主要移动装置，出渣装置用于将切割过程中产生的渣土排出，切割装置用于对隧道掌子面的切割。所述切割装置包括变幅机构3、三维运动机构2和切割头4，三维运动机构2的一端通过变幅机构3与行走装置1相连接、另一端连接有切割头4，三维运动机构2带动切割头进行x、y、z方向上的运动和绕z方向的转动；变幅机构3带动三维运动机构和切割头进行前后上下平动，保证其平稳移动。切割头4与出渣装置相对应，切割头在切割过程中产生的渣土经出渣装置排出。所述行走装置1包括履带式底盘101，履带式底盘101上设有主控室102。履带式底盘，工作灵活，操作人员既可以在控制室2内操作机器，也可以在任意位置通过遥控器操作机器完成隧道开挖工作。
进一步，所述变幅机构3包括平行四边形机构301和伸缩油缸303，平行四边形机构301的一端与行走装置1铰接、另一端与三维运动机构2铰接，变幅机构3采用平行四边形机构设计，可以实现整个开挖装置的上下平动，有效避免发生旋转错位。平行四边形机构301的一边设有固定座302，伸缩油缸303的一端与行走装置1铰接、另一端与固定座302铰接，三维运动机构2连接在固定座302上。通过伸缩油缸的伸缩带动平行四边形机构运动，实现对三维运动机构位置的调节。
进一步，所述三维运动机构2包括相互连接的水平运动机构、竖直运动机构和轴向运动机构，切割头4设置在轴向运动机构上；竖直运动机构与水平运动机构滑动连接，轴向运动机构与竖直运动机构滑动连接，轴向运动机构推动切割头4进行轴向运动。竖直运动机构带动轴向运动机构沿水平运动机构进行水平运动，轴向运动机构带动切割头4沿竖直运动机构进行竖直运动，轴向运动机构带动切割头4进行沿隧道轴向的掘进动作。
如图2所示，实施例2，一种链锯网割掘进机，所述水平运动机构包括水平轨道5和后端回转装置6，水平轨道5与变幅机构3的固定座302固定连接，后端回转装置6与水平轨道5滑动连接，即后端回转装置通过齿轮齿条机构或油缸实现沿水平轨道的滑动；后端回转装置带动竖直运动机构进行绕z轴的转动。所述竖直运动机构包括竖直轨道7，竖直轨道7与后端回转装置6固定连接，实现与后端回转装置的同步转动，后端回转装置可采用现有的回转支撑机构或蜗轮蜗杆机构。所述轴向运动机构包括推动油缸9和固定座8，推动油缸9的一端与固定座8相连接、另一端设有切割头4；推动油缸伸缩带动切割头沿z轴方向（隧道轴向）前后运动，实现切割头的掘进动作。固定座8滑动连接在竖直轨道7上，即固定座也可通过齿轮齿条机构或油缸实现沿竖直轨道的滑动。
进一步，所述切割头4包括前端回转装置10、链臂13和链条式刀具14，前端回转装置10与三维运动机构2的推动油缸9相连接，前端回转装置10沿z轴设置且能绕z轴转动。前端回转装置10上设有链臂驱动装置11和链条驱动装置12，链臂驱动装置11和链条驱动装置12与前端回转装置进行同步转动。链臂13与链臂驱动装置11相连接，链臂驱动装置11转动带动链臂摆动，链臂驱动装置11可采用电机或马达。链条式刀具14设置在链臂13上且与链条驱动装置12相连接。链条驱动装置转动带动链条式刀具转动，对隧道掌子面进行切割。优选地，所述链条式刀具14即刀具安装在链条上，链条式刀具上设有用于将渣土排出到出渣装置的清渣器（图中不显示），清渣器位于刀具的后部或相邻刀具之间，用于将渣土排出；所述链臂13上连接有润滑系统和冷却系统，即掘进机的润滑系统和冷却系统联通在链臂上，对工作状态的链臂进行润滑和冷却，提高切割质量，并保护切割头。
其他结构与实施例1相同。
实施例3：一种如实施例2中的链锯网割掘进机的施工方法，步骤如下：
s1：链锯网割掘进机通过履带式底盘和变幅机构的驱动使链臂和链条式刀具运动到距离隧道掌子面合适的位置；
s2：链条式刀具在链条驱动装置12的作用下，对掌子面先进行隧道外轮廓切割，隧道外轮廓大于隧道设计轮廓，然后对隧道外轮廓内的掌子面进行网格分切；
s3：链条式刀具在开挖过程中将渣土推送至出渣装置，然后利用机械出渣装置将渣土完全取出，并排出隧道；可以利用劈裂机、绳锯等机械将渣土完全取出，并排出隧道；
s4：对开挖好的隧道进行衬砌工作，完成一环隧道施工。即在完成隧道开挖后，接下来进行隧道的衬砌工作，方法和传统隧道的衬砌方式相同。上述工作完成后，就可以进行下一循环的隧道开挖与掘进，如此循环往复，完成隧道的施工。
步骤s2包括如下步骤：
s2.1：当开挖矩形断面隧道时：首先通过前端回转装置10、链臂驱动装置11使链臂和链条式刀具处于水平状态；然后链条式刀具在链条驱动装置12的作用下配合链臂驱动装置11驱动的链臂，在隧道掌子面上切割出若干条水平缝隙；然后前端回转装置10驱动链臂、链条式刀具绕z轴旋转90°，在隧道掌子面上切割出若干条竖直缝隙，隧道掌子面被切割成矩形网格块，如图3所示；
s2.2：若开挖圆形断面隧道：先将链臂、链条式刀具运动到隧道开挖轮廓的其中一个象限点位置处，然后后端回转装置驱动三维运动机构2的竖直运动机构、轴向运动机构及切割头整体回转，切割出一条圆形缝隙；然后按照步骤s2.1的方式，在隧道掌子面上继续切割出若干条水平、竖直缝隙，隧道掌子面被切割成网格块，如图4所示；
s2.3：若开挖马蹄形断面隧道：先将链臂、链条式刀具运动到隧道开挖轮廓的其中一个象限点位置处，然后通过联动控制变幅机构3、三维运动机构2和切割头4的运动，切割出一条拟合马蹄形缝隙；然后按照步骤s2.1的方式，在隧道掌子面上继续切割出若干条水平、竖直缝隙，隧道掌子面被切割成网格块，如图5所示。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种链锯网割掘进机，包括行走装置（1）、出渣装置和切割装置，其特征在于：所述切割装置包括变幅机构（3）、三维运动机构（2）和切割头（4），三维运动机构（2）的一端通过变幅机构（3）与行走装置（1）相连接、另一端连接有切割头（4），切割头（4）与出渣装置相对应。
2.根据权利要求1所述的链锯网割掘进机，其特征在于：所述变幅机构（3）包括平行四边形机构（301）和伸缩油缸（303），平行四边形机构（301）的一端与行走装置（1）铰接、另一端与三维运动机构（2）铰接，伸缩油缸（303）的一端与行走装置（1）铰接、另一端与平行四边形机构（301）铰接，平行四边形机构（301）通过伸缩油缸（303）带动三维运动机构（2）和切割头（4）上下平动。
3.根据权利要求1或2所述的链锯网割掘进机，其特征在于：所述三维运动机构（2）包括依次连接的水平运动机构、竖直运动机构和轴向运动机构，切割头（4）设置在轴向运动机构上；竖直运动机构与水平运动机构滑动连接，轴向运动机构与竖直运动机构滑动连接，轴向运动机构推动切割头（4）进行轴向运动。
4.根据权利要求3所述的链锯网割掘进机，其特征在于：所述水平运动机构包括水平轨道（5）和后端回转装置（6），水平轨道（5）与变幅机构（3）固定连接，后端回转装置（6）与水平轨道（5）滑动连接；所述竖直运动机构包括竖直轨道（7），竖直轨道（7）与后端回转装置（6）固定连接；所述轴向运动机构包括推动油缸（9）和固定座（8），推动油缸（9）的一端与固定座（8）相连接、另一端设有切割头（4），固定座（8）滑动连接在竖直轨道（7）上。
5.根据权利要求1或4所述的链锯网割掘进机，其特征在于：所述切割头（4）包括前端回转装置（10）、链臂（13）和链条式刀具（14），前端回转装置（10）与三维运动机构（2）相连接，前端回转装置（10）上设有链臂驱动装置（11）和链条驱动装置（12），链臂（13）与链臂驱动装置（11）相连接，链条式刀具（14）设置在链臂（13）上且与链条驱动装置（12）相连接。
6.根据权利要求5所述的链锯网割掘进机，其特征在于：所述链条式刀具（14）上设有用于将渣土排出到出渣装置的清渣器；所述链臂（13）上连接有润滑系统和冷却系统。
7.根据权利要求1或6所述的链锯网割掘进机，其特征在于：所述行走装置（1）包括履带式底盘（101），履带式底盘（101）上设有主控室（102）。
8.一种链锯网割掘进机的施工方法，其特征在于：步骤如下：
s1：链锯网割掘进机通过履带式底盘和变幅机构的驱动使链臂和链条式刀具运动到距离隧道掌子面合适的位置；
s2：链条式刀具在链条驱动装置（12）的作用下，对掌子面先进行隧道外轮廓切割，隧道外轮廓大于隧道设计轮廓，然后对隧道外轮廓内的掌子面进行网格分切；
s3：链条式刀具在开挖过程中将渣土推送至出渣装置，然后利用机械出渣装置将渣土完全取出，并排出隧道；
s4：对开挖好的隧道进行衬砌工作，完成一环隧道施工。
9.根据权利要求8所述的链锯网割掘进机的施工方法，其特征在于：步骤s2包括如下步骤：
s2.1：当开挖矩形断面隧道时：首先通过前端回转装置（10）和链臂驱动装置（11）使链臂和链条式刀具处于水平状态；然后链条式刀具在链条驱动装置（12）的作用下配合链臂驱动装置（11）驱动的链臂，在隧道掌子面上切割出若干条水平缝隙；然后前端回转装置（10）驱动链臂、链条式刀具绕z轴旋转90°，在隧道掌子面上切割出若干条竖直缝隙，隧道掌子面被切割成矩形网格块；
s2.2：若开挖圆形断面隧道：先将链臂、链条式刀具运动到隧道开挖轮廓的其中一个象限点位置处，然后后端回转装置驱动三维运动机构（2）的竖直运动机构、轴向运动机构及切割头整体回转，切割出一条圆形缝隙；然后按照步骤s2.1的方式，在隧道掌子面上继续切割出若干条水平、竖直缝隙，隧道掌子面被切割成网格块；
s2.3：若开挖马蹄形断面隧道：先将链臂、链条式刀具运动到隧道开挖轮廓的其中一个象限点位置处，然后通过联动控制变幅机构、三维运动机构和切割头的运动，切割出一条拟合马蹄形缝隙；然后按照步骤s2.1的方式，在隧道掌子面上继续切割出若干条水平、竖直缝隙，隧道掌子面被切割成网格块。
技术总结