一种硬岩非爆破开挖装置以及方法与流程

1.本发明涉及隧道开挖技术领域，尤其涉及一种硬岩非爆破开挖装置以及方法。


背景技术：

2.针对硬岩隧道或硬岩矿石开采一般采用钻爆法施工，但钻爆法施工会引起隧道围岩和临近的建筑物结构发生变化，对其结构力学产生不利影响。而且爆破施工时会发出爆破噪声，也会影响到隧道周围的人居环境。因此对于爆破振动和爆破噪声要求严格的隧道工程以及矿石开采工程，钻爆法施工难以满足工程要求，需要采用非爆破开挖施工技术。
3.常用的非爆破开挖方法一般有盾构(tbm)法、悬臂掘进机法、液压劈裂法、静态破碎剂法以及水磨钻掘进法。对于硬岩矿石开采盾构(tbm)法和悬臂掘进机法的掘进压剪破岩效率低下、刀具磨损严重，同时对于长度较短、断面变化的隧道工程，使用该方法价格昂贵。静态破碎剂法则存在环境污染问题，且对施工人员会造成人身伤害，同时膨胀剂作用时间长，受环境影响大，其施工效率较低。
4.针对硬岩采用较多的非爆破开挖法是采用钻劈台车或机载钻劈一体机进行作业，无论是钻劈台车还是钻劈一体机均是将钻机和劈裂机集中在一起，其工作原理是先钻孔，然后将钻机取出，再将劈裂机放入孔内进行劈裂动作，再用挖机或破碎锤进行开挖，整体施工效率低。


技术实现要素：

5.(一)要解决的技术问题
6.鉴于现有技术的上述缺点和不足，本发明提供一种硬岩非爆破开挖装置以及方法，其解决了硬岩开挖效率低的技术问题。
7.(二)技术方案
8.为了达到上述目的，本发明的硬岩非爆破开挖装置包括：
9.钻头、钻杆以及劈裂机构，所述钻头设置于钻杆的第一端；
10.所述劈裂机构包括第一驱动组件、第二驱动组件以及膨胀组件，所述第一驱动组件、所述第二驱动组件以及所述膨胀组件均转动套设于所述钻杆上，所述第一驱动组件和所述第二驱动组件均与所述膨胀组件连接，所述第一驱动组件能够驱动所述膨胀组件沿所述钻杆的径向膨胀或收缩，所述第二驱动组件能够驱动所述膨胀组件沿所述钻杆的轴向运动；
11.当所述膨胀组件处于膨胀状态时，所述钻杆的中轴线到所述膨胀组件的外侧面的最大垂直距离大于所述钻头的直径；
12.当所述膨胀组件处于收缩状态时，所述钻杆的中轴线到所述膨胀组件的外侧面的最大垂直距离小于或等于所述钻头的直径。
13.可选地，所述膨胀组件包括活动件和膨胀件；
14.所述活动件和所述膨胀件均套设于所述钻杆上，所述活动件和所述膨胀件与所述
钻杆之间均设置有间隙；
15.所述活动件部分套设于所述膨胀件中，所述活动件与所述第一驱动组件连接，所述第一驱动组件能够驱动所述活动件沿所述钻杆的轴向插入所述膨胀件中，以使所述膨胀件发生径向膨胀；
16.所述膨胀件与所述第二驱动组件连接，所述第二驱动组件能够驱动所述膨胀件沿所述钻杆的轴向运动。
17.可选地，所述膨胀件包括多个弹性臂，所述弹性臂的内侧面呈第一斜面；
18.所述活动件部分位于多个弹性臂之间，所述活动件位于多个所述弹性臂之间的部分的外侧面设置有多个第二斜面，所述活动件上的多个第二斜面与多个所述弹性臂上的第一斜面一一对应相互平行。
19.可选地，所述活动件包括同轴连接的第一端头和楔块，所述第一驱动组件与所述第一端头连接，多个第二斜面均设置于所述楔块上；
20.沿所述第一端头和所述楔块的中轴线开设有第一通孔，所述钻杆套设于所述第一通孔中。
21.可选地，所述膨胀件还包括第二端头，多个所述弹性臂均与所述第二端头连接，且多个所述弹性臂沿所述第二端头的长度方向延伸；
22.所述第二端头上开设有第二通孔，所述钻杆套设于所述第二通孔中，所述第二端头与所述第二驱动组件连接。
23.可选地，所述弹性臂的外侧面设置有耐磨层。
24.可选地，所述第一驱动组件和所述第二驱动组件均为液压缸，所述第一驱动组件和所述第二驱动组件沿中轴线开设有第三通孔，所述钻杆套设于所述第三通孔中，所述膨胀组件位于所述第一驱动组件和所述第二驱动组件之间；
25.所述第一驱动组件的缸体与所述钻杆通过轴承转动连接，所述第一驱动组件的活塞杆与所述膨胀组件连接；
26.所述第二驱动组件的活塞杆与所述钻杆通过轴承转动连接，所述第二驱动组件的缸体与所述膨胀组件连接。
27.可选地，所述第一驱动组件和所述第二驱动组件均为液压缸，所述第一驱动组件和所述第二驱动组件沿中轴线开设有第三通孔，所述钻杆套设于所述第三通孔中，所述第一驱动组件和所述第二驱动组件均位于所述钻杆的第二端；
28.所述第一驱动组件的缸体与所述钻杆通过轴承转动连接，所述第一驱动组件的活塞杆与所述膨胀组件连接；
29.所述第二驱动组件固定套设于所述第一驱动组件的活塞杆上，所述第二驱动组件的活塞杆与所述膨胀组件连接。
30.进一步地，本发明还提供了一种硬岩非爆破开挖方法，其包括：
31.s1、将隧道开挖掌子面的中心位置划定中心区域，沿所述中心区域的周边从内向外依次标定多个分裂点位，并沿隧道的横截面的轮廓均匀间隔标定一圈靠近隧道的横截面的轮廓的辅助点位；
32.s2、在所述中心区域开挖空腔，并清除掉落的岩碴；
33.s3、采用硬岩非爆破开挖装置按设定的开挖顺序对所述分裂点位和所述辅助点位
进行开挖，并清除掉落的岩碴；
34.其中，开挖顺序包括：先沿着所述空腔的周边从内向外依次对所述分裂点位进行开挖，所有的所述分裂点位开挖完成后再对所述辅助点位依次进行开挖；
35.s4、重复步骤s1至s3，直到隧道开挖完成。
36.可选地，步骤s3中所述的采用硬岩非爆破开挖装置按设定的开挖顺序对所述分裂点位和所述辅助点位进行开挖包括：
37.s31、钻杆受外力作用带动钻头在所述分裂点位或所述辅助点位中的其中一个点位进行钻孔作业，劈裂机构跟随所述钻杆一起进入开凿的孔内；
38.s32、钻孔完毕后，第一驱动组件驱动膨胀组件沿所述钻杆的径向膨胀至与孔壁接触；
39.s33、所述第一驱动组件继续驱动所述膨胀组件沿所述钻杆的径向膨胀，第二驱动组件驱动所述膨胀组件沿所述钻杆的轴向向孔口的方向运动，以使岩石朝着隧道开挖掌子面外侧发生拉剪破坏，开始破岩和落岩；
40.s34、落岩完成后，所述第一驱动组件驱动所述膨胀组件恢复至收缩状态，所述第二驱动组件驱动所述膨胀组件恢复至初始位置。
41.(三)有益效果
42.第一驱动组件和第二驱动组件均与膨胀组件连接，第一驱动组件驱动膨胀组件沿钻杆的径向膨胀或收缩，膨胀组件膨胀时，对孔壁产生径向的作用力；膨胀后的膨胀组件卡在孔中，第二驱动组件驱动膨胀组件沿钻杆的轴向运动，对孔壁产生朝向孔口的轴向拉力。先后产生径向力和轴向力，径向力产生膨胀效果，轴向力产生拉拔效果，由于岩石的抗拉抗剪应力远小于其抗压应力，因此在径向和轴向两个力的作用下，岩石朝着掌子面外侧发生拉剪破坏，落岩区域的岩石随着膨胀组件的运动而直接从岩体脱落，完成落岩。硬岩非爆破开挖装置开挖的整个过程将钻孔、破岩、落岩动作集中一起，钻孔后无需撤除钻杆，直接进行挤压破岩，节省了设备转换时间，提高了开挖效率。
附图说明
43.图1为本发明的硬岩非爆破开挖装置的剖视图；
44.图2为本发明的硬岩非爆破开挖装置的活动件的结构示意图；
45.图3为本发明的硬岩非爆破开挖装置的膨胀件的结构示意图；
46.图4为本发明的硬岩非爆破开挖装置的工作原理示意图；
47.图5为本发明的硬岩非爆破开挖装置的工作状态示意图；
48.图6为本发明的硬岩非爆破开挖方法的点位标记示意图；
49.图7为本发明的硬岩非爆破开挖方法的流程图。
50.【附图标记说明】
51.10：劈裂机构；
52.1：钻头；2：第一驱动组件；3：活动件；31：第一端头；32：第二斜面；33：第一通孔；4：膨胀件；41：第二端头；42：第二通孔；43：第一斜面；44：耐磨层；5：第二驱动组件；6：止挡；7：钻杆；
53.100：掌子面；101：中心区域；102：轮廓线；103：分裂点位；104：辅助点位；105：周边
点位；106：落岩区域。
具体实施方式
54.为了更好地解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。其中，本文所提及的“上”、“下”......等方位名词以图1的定向为参照。
55.虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
56.如图1至图5所示，本发明提供了一种硬岩非爆破开挖装置，其包括钻头1、钻杆7以及劈裂机构10，钻头1设置于钻杆7的第一端，通过钻杆7驱动钻头1旋转，用于对隧道开挖掌子面100的标定点位进行开孔。劈裂机构10包括第一驱动组件2、第二驱动组件5以及膨胀组件，第一驱动组件2、第二驱动组件5以及膨胀组件均转动套设于钻杆7上，钻杆7旋转驱动钻头1旋转钻进的过程中，第一驱动组件2和第二驱动组件5随钻杆7进入孔中，第一驱动组件2和第二驱动组件5不会随钻杆7旋转。第一驱动组件2和第二驱动组件5均与膨胀组件连接，第一驱动组件2驱动膨胀组件沿钻杆7的径向膨胀或收缩，膨胀组件膨胀时，对孔壁产生径向的作用力；膨胀后的膨胀组件卡在孔中，第二驱动组件5驱动膨胀组件沿钻杆7的轴向运动，对孔壁产生朝向孔口的轴向拉力。先后产生径向力和轴向力，径向力产生膨胀效果，轴向力产生拉拔效果，由于岩石的抗拉抗剪应力远小于其抗压应力，因此在径向和轴向两个力的作用下，岩石朝着掌子面100外侧发生拉剪破坏，落岩区域106的岩石随着膨胀组件的运动而直接从岩体脱落，完成落岩。当膨胀组件处于膨胀状态时，钻杆7的中轴线到膨胀组件的外侧面的最大垂直距离大于钻头1的直径，保证膨胀组件在膨胀状态下能够对孔壁产生径向的挤压力。当膨胀组件处于收缩状态时，钻杆7的中轴线到膨胀组件的外侧面的最大垂直距离小于或等于钻头1的直径，保证膨胀组件能够随钻杆7进入孔中。硬岩非爆破开挖装置开挖的整个过程将钻孔、破岩、落岩动作集中一起，钻孔后无需撤除钻杆7，直接进行挤压破岩，节省了设备转换时间，提高了开挖效率。同时可以将硬岩非爆破开挖装置与传统带有清渣功能的悬臂掘进机结合，集钻孔、破岩、落岩、清渣动作为一体，进一步提高施工效率，节省其他设备的使用。
57.如图1所示，膨胀组件包括活动件3和膨胀件4，其中，活动件3和膨胀件4均套设于钻杆7上，活动件3和膨胀件4与钻杆7之间均设置有间隙，钻杆7旋转过程中不会带动活动件3和膨胀件4旋转，避免活动件3和膨胀件4撞击孔壁而受损。活动件3部分套设于膨胀件4中，活动件3与第一驱动组件2连接，第一驱动组件2能够驱动活动件3沿钻杆7的轴向插入膨胀件4中，以使膨胀件4发生径向膨胀，对孔壁产生径向挤压力，压裂岩石块。膨胀件4与第二驱动组件5连接，第二驱动组件5能够驱动膨胀件4沿钻杆7的轴向运动，落岩区域106被压裂的岩石会随着膨胀件4的运动而直接从岩体脱落，完成落岩。其中，硬岩非爆破开挖装置还包括控制器，第一驱动组件2和第二驱动组件5均与控制器连接，在控制器的控制下，第一驱动组件2驱动活动件3轴向运动的速度大于第二驱动组件5驱动膨胀件4轴向运动的速度，且膨胀件轴向运动的距离小于活动件轴向运动的距离，以保证活动件和膨胀件相互靠拢且整体向孔口的方向轴向运动。
58.如图1至图3所示，膨胀件4包括多个弹性臂，弹性臂优选两个但不限于两个，弹性
臂的内侧面呈第一斜面43，多个弹性臂沿钻杆7的轴向均匀间隔设置成劈块，劈块的端部与第二驱动组件5连接。活动件3的部分结构位于多个弹性臂之间，活动件3位于多个弹性臂之间的部分的外侧面设置有多个第二斜面32，活动件3上的多个第二斜面32与多个弹性臂上的第一斜面43一一对应相互平行。具体地，活动件3包括相互连接的第一端头31和楔块，第一端头31和楔块同轴设置，沿第一端头31和楔块的中轴线开设有第一通孔33，钻杆7套设于第一通孔33中。第一驱动组件2与第一端头31连接，第一端头31通过第一驱动组件2进行定位安装，使钻杆7的外壁与第一通孔33壁之间形成有间隙，钻杆7能够在第一通孔33内自由旋转。楔块上设置有与弹性臂数量相等的第二斜面32，第一驱动组件2通过第一端头31驱动楔块沿钻杆7的轴向插入多个弹性臂中，第一斜面43和第二斜面32相互滑动，楔块同时挤压多个弹性臂，使多个弹性臂的自由端沿钻杆7的进行扩张成喇叭口状，挤压孔壁，楔块抽出后弹性臂弹性复原。第二驱动组件5同时驱动多个弹性臂沿钻杆7的轴向向孔口的方向运动，落岩区域106被压裂的岩石会随着弹性臂的运动而直接从岩体脱落，完成落岩。控制器通过控制第一驱动组件2和第二驱动组件5的液压油的压力和流速来控制弹性臂轴向运动的速度小于楔块轴向运动的速度，且弹性臂轴向运动的距离小于楔块轴向运动距离，以保证楔块和弹性臂相互靠拢且整体向孔口的方向轴向运动。
59.优选地，膨胀件4还可以包括第二端头41，多个弹性臂均与第二端头41连接，且多个弹性臂沿第二端头41的长度方向延伸。第二端头41上开设有第二通孔42，钻杆7套设于第二通孔42中，第二端头41与第二驱动组件5连接，第二端头41通过第二驱动组件5进行定位安装，使钻杆7的外壁与第二通孔42壁之间形成有间隙，钻杆7能够在第一通孔33内自由旋转。
60.如图3所示，弹性臂的外侧面设置有耐磨层44，耐磨层44采用耐磨焊条施焊来增加弹性臂外侧面的耐磨性能，减缓弹性臂与孔壁接触挤压时的磨损速度，提高弹性臂的耐用性。
61.如图5所示，实施例1，第一驱动组件2和第二驱动组件5均为液压缸，第一驱动组件2和第二驱动组件5沿中轴线开设有第三通孔，钻杆7套设于第三通孔中，膨胀组件位于第一驱动组件2和第二驱动组件5之间。第一驱动组件2的缸体与钻杆7通过轴承或轴套转动连接，缸体只能相对于钻杆7转动而不会沿钻杆7的轴向滑动，钻杆7在旋转作业时，缸体无需跟随钻杆7一起旋转。第一驱动组件2的活塞杆与膨胀组件的第一端头31通过螺栓等紧固件固定连接。第一驱动组件2的高压油管布置在弹性臂之间的间隔中。第二驱动组件5的活塞杆与止挡6连接，止挡6与钻杆7通过轴承或轴套转动连接，活塞杆只能相对于钻杆7转动而不会沿钻杆7的轴向滑动，钻杆7在旋转作业时，活塞杆无需跟随钻杆7一起旋转。第二驱动组件5的缸体与膨胀组件的第二端头41通过螺栓等紧固件固定连接。在破岩时通过钻杆7的两端支撑第一驱动组件2和第二驱动组件5，第一驱动组件2和第二驱动组件5的反作用力不会传至外接设备上，不会对外接设备产生影响。
62.实施例2，第一驱动组件2和第二驱动组件5均为液压缸，第一驱动组件2和第二驱动组件5沿中轴线开设有第三通孔，钻杆7套设于第三通孔中，第一驱动组件2和第二驱动组件5均位于钻杆7的第二端，膨胀组件靠近钻头1，以便于对更深处的孔壁产生挤压力。具体地，第一驱动组件2的缸体动过轴承或轴套转动连接钻杆7，第一驱动组件2的活塞杆连接楔块的小端，用以驱动楔块沿轴向运动。第二驱动组件5的缸体固定套设在第一驱动组件2的
活塞杆上，第二驱动组件5的活塞杆套设在第一驱动组件2的活塞杆上，两个驱动组件的活塞杆之间设置有间隙。工作过程中，第一驱动组件2的驱动楔块向孔口方向运动，第二驱动组件5驱动弹性臂向孔底的方向运动，用以抵消弹性臂向孔口方向的位移量，从而使楔块插入多个弹性臂中使弹性臂扩张；岩石被压裂后，第一驱动组件2的继续驱动楔块向靠近孔口的方向运动，第一驱动组件2的活塞杆带动第二驱动组件5向孔口的方向运动，从而将压裂岩石块直接从岩体脱落，完成落岩。
63.进一步地，如图6和图7所示，本发明还提供了一种硬岩非爆破开挖方法，其包括：
64.步骤一、将隧道开挖掌子面100的中心位置划定中心区域101，沿中心区域101的周边从内向外依次标定多个分裂点位103，并沿隧道的横截面的轮廓均匀间隔标定一圈靠近轮廓线102的辅助点位104，若是在超挖(轮廓)控制较为严格的隧道工程中，还需要在隧道的横截面的轮廓线102上均匀间隔标定一圈周边点位105；
65.步骤二、在中心区域101开挖空腔，并清除掉落的岩碴；
66.步骤三、采用硬岩非爆破开挖装置按设定的开挖顺序对分裂点位103、辅助点位104以及周边点位105逐一进行开挖，并清除掉落的岩碴；
67.其中，开挖顺序包括：先沿着空腔的周边从内向外依次逐一对分裂点位103进行开挖，所有的分裂点位103开挖完成后再对辅助点位104依次逐一进行开挖，最后对周边点位105依次逐一开挖；
68.步骤四、重复步骤步骤一至步骤三，直到隧道开挖完成。
69.步骤三中采用硬岩非爆破开挖装置按设定的开挖顺序对分裂点位103和辅助点位104进行开挖具体包括：
70.钻杆7受外力作用带动钻头1在分裂点位103、辅助点位104或周边点位105中的其中一个点位进行钻孔作业，钻头1钻进的过程中，劈裂机构10跟随钻杆7一起进入开凿的孔内；
71.接着，钻孔完毕后，第一驱动组件2驱动楔块轴向插入多个弹性臂中，多个弹性臂的自由端沿钻杆7的径向膨胀扩张至外侧面与孔壁接触；
72.然后，第一驱动组件2继续驱动楔块轴向插入多个弹性臂中；多个弹性臂的自由端沿钻杆7的径向膨胀扩张挤压孔壁的同时，第二驱动组件5驱动多个弹性臂沿钻杆7的轴向向孔口的方向运动，以使压裂后的岩石朝着隧道开挖掌子面100外侧发生拉剪破坏，开始落岩，其中，弹性臂轴向运动的速度小于楔块轴向运动的速度，且弹性臂轴向运动的距离小于楔块轴向运动距离，以保证楔块和弹性臂相互靠拢且整体向孔口的方向轴向运动；或者，多个弹性臂的自由端沿钻杆7的径向膨胀扩张挤压孔壁，直至岩块被压裂，岩块压裂后，第二驱动组件5驱动多个弹性臂沿钻杆7的轴向向孔口的方向运动且第一驱动组件2继续驱动楔块轴向运动，楔块和弹性臂的运动速度和距离相等；从而，使压裂后的岩石朝着隧道开挖掌子面100外侧发生拉剪破坏，开始落岩；
73.最后，落岩完成后，第一驱动组件2驱动楔块抽出，多个弹性臂在弹力作用下恢复至收缩状态，第二驱动组件5驱动多个弹性臂运动至初始位置。
74.第一驱动组件2和第二驱动组件5均与膨胀组件连接，第一驱动组件2驱动膨胀组件沿钻杆7的径向膨胀或收缩，膨胀组件膨胀时，对孔壁产生径向的作用力；膨胀后的膨胀组件卡在孔中，第二驱动组件5驱动膨胀组件沿钻杆7的轴向运动，对孔壁产生朝向孔口的
轴向拉力。先后产生径向力和轴向力，径向力产生膨胀效果，轴向力产生拉拔效果，由于岩石的抗拉抗剪应力远小于其抗压应力，因此在径向和轴向两个力的作用下，岩石朝着掌子面100外侧发生拉剪破坏，落岩区域106的岩石随着膨胀组件的运动而直接从岩体脱落，完成落岩。硬岩非爆破开挖装置开挖的整个过程将钻孔、破岩、落岩动作集中一起，钻孔后无需撤除钻杆7，直接进行挤压破岩，节省了设备转换时间，提高了开挖效率。
75.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”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。由此，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。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
76.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是两个元件内部的连通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发明中的具体含义。
77.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”，可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”，可以是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”，可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。
78.在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
79.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。

技术特征：
1.一种硬岩非爆破开挖装置，其特征在于，所述硬岩非爆破开挖装置包括钻头(1)、钻杆(7)以及劈裂机构(10)，所述钻头(1)设置于钻杆(7)的第一端；所述劈裂机构(10)包括第一驱动组件(2)、第二驱动组件(5)以及膨胀组件，所述第一驱动组件(2)、所述第二驱动组件(5)以及所述膨胀组件均转动套设于所述钻杆(7)上，所述第一驱动组件(2)和所述第二驱动组件(5)均与所述膨胀组件连接，所述第一驱动组件(2)能够驱动所述膨胀组件沿所述钻杆(7)的径向膨胀或收缩，所述第二驱动组件(5)能够驱动所述膨胀组件沿所述钻杆(7)的轴向运动；当所述膨胀组件处于膨胀状态时，所述钻杆(7)的中轴线到所述膨胀组件的外侧面的最大垂直距离大于所述钻头(1)的直径；当所述膨胀组件处于收缩状态时，所述钻杆(7)的中轴线到所述膨胀组件的外侧面的最大垂直距离小于或等于所述钻头(1)的直径。2.如权利要求1所述的硬岩非爆破开挖装置，其特征在于，所述膨胀组件包括活动件(3)和膨胀件(4)；所述活动件(3)和所述膨胀件(4)均套设于所述钻杆(7)上，所述活动件(3)和所述膨胀件(4)与所述钻杆(7)之间均设置有间隙；所述活动件(3)部分套设于所述膨胀件(4)中，所述活动件(3)与所述第一驱动组件(2)连接，所述第一驱动组件(2)能够驱动所述活动件(3)沿所述钻杆(7)的轴向插入所述膨胀件(4)中，以使所述膨胀件(4)发生径向膨胀；所述膨胀件(4)与所述第二驱动组件(5)连接，所述第二驱动组件(5)能够驱动所述膨胀件(4)沿所述钻杆(7)的轴向运动。3.如权利要求2所述的硬岩非爆破开挖装置，其特征在于，所述膨胀件(4)包括多个弹性臂，所述弹性臂的内侧面呈第一斜面(43)；所述活动件(3)部分位于多个弹性臂之间，所述活动件(3)位于多个所述弹性臂之间的部分的外侧面设置有多个第二斜面(32)，所述活动件(3)上的多个第二斜面(32)与多个所述弹性臂上的第一斜面(43)一一对应相互平行。4.如权利要求3所述的硬岩非爆破开挖装置，其特征在于，所述活动件(3)包括同轴连接的第一端头(31)和楔块，所述第一驱动组件(2)与所述第一端头(31)连接，多个第二斜面(32)均设置于所述楔块上；沿所述第一端头(31)和所述楔块的中轴线开设有第一通孔(33)，所述钻杆(7)套设于所述第一通孔(33)中。5.如权利要求3所述的硬岩非爆破开挖装置，其特征在于，所述膨胀件(4)还包括第二端头(41)，多个所述弹性臂均与所述第二端头(41)连接，且多个所述弹性臂沿所述第二端头(41)的长度方向延伸；所述第二端头(41)上开设有第二通孔(42)，所述钻杆(7)套设于所述第二通孔(42)中，所述第二端头(41)与所述第二驱动组件(5)连接。6.如权利要求3所述的硬岩非爆破开挖装置，其特征在于，所述弹性臂的外侧面设置有耐磨层(44)。7.如权利要求1-6任意一项所述的硬岩非爆破开挖装置，其特征在于，所述第一驱动组件(2)和所述第二驱动组件(5)均为液压缸，所述第一驱动组件(2)和所述第二驱动组件(5)
沿中轴线开设有第三通孔，所述钻杆(7)套设于所述第三通孔中，所述膨胀组件位于所述第一驱动组件(2)和所述第二驱动组件(5)之间；所述第一驱动组件(2)的缸体与所述钻杆(7)通过轴承转动连接，所述第一驱动组件(2)的活塞杆与所述膨胀组件连接；所述第二驱动组件(5)的活塞杆与所述钻杆(7)通过轴承转动连接，所述第二驱动组件(5)的缸体与所述膨胀组件连接。8.如权利要求1-6任意一项所述的硬岩非爆破开挖装置，其特征在于，所述第一驱动组件(2)和所述第二驱动组件(5)均为液压缸，所述第一驱动组件(2)和所述第二驱动组件(5)沿中轴线开设有第三通孔，所述钻杆(7)套设于所述第三通孔中，所述第一驱动组件(2)和所述第二驱动组件(5)均位于所述钻杆(7)的第二端；所述第一驱动组件(2)的缸体与所述钻杆(7)通过轴承转动连接，所述第一驱动组件(2)的活塞杆与所述膨胀组件连接；所述第二驱动组件(5)固定套设于所述第一驱动组件(2)的活塞杆上，所述第二驱动组件(5)的活塞杆与所述膨胀组件连接。9.一种硬岩非爆破开挖方法，其特征在于，所述硬岩非爆破开挖方法包括：s1、将隧道开挖掌子面(100)的中心位置划定中心区域(101)，沿所述中心区域(101)的周边从内向外依次标定多个分裂点位(103)，并沿隧道的横截面的轮廓均匀间隔标定一圈靠近隧道的横截面的轮廓的辅助点位(104)；s2、在所述中心区域(101)开挖空腔，并清除掉落的岩碴；s3、采用硬岩非爆破开挖装置按设定的开挖顺序对所述分裂点位(103)和所述辅助点位(104)进行开挖，并清除掉落的岩碴；其中，开挖顺序包括：先沿着所述空腔的周边从内向外依次对所述分裂点位(103)进行开挖，所有的所述分裂点位(103)开挖完成后再对所述辅助点位(104)依次进行开挖；s4、重复步骤s1至s3，直到隧道开挖完成。10.如权利要求9所述的硬岩非爆破开挖方法，其特征在于，步骤s3中所述的采用硬岩非爆破开挖装置按设定的开挖顺序对所述分裂点位(103)和所述辅助点位(104)进行开挖包括：s31、钻杆(7)受外力作用带动钻头(1)在所述分裂点位(103)或所述辅助点位(104)中的其中一个点位进行钻孔作业，劈裂机构(10)跟随所述钻杆(7)一起进入开凿的孔内；s32、钻孔完毕后，第一驱动组件(2)驱动膨胀组件沿所述钻杆(7)的径向膨胀至与孔壁接触；s33、所述第一驱动组件(2)继续驱动所述膨胀组件沿所述钻杆(7)的径向膨胀，第二驱动组件(5)驱动所述膨胀组件沿所述钻杆(7)的轴向向孔口的方向运动，以使岩石朝着隧道开挖掌子面(100)外侧发生拉剪破坏，开始破岩和落岩；s34、落岩完成后，所述第一驱动组件(2)驱动所述膨胀组件恢复至收缩状态，所述第二驱动组件(5)驱动所述膨胀组件恢复至初始位置。

技术总结
本发明涉及一种硬岩非爆破开挖装置以及方法，其包括钻头、钻杆及劈裂机构。劈裂机构包括第一驱动组件、第二驱动组件以及膨胀组件，第一驱动组件、第二驱动组件以及膨胀组件均转动套设于钻杆上，第一驱动组件和第二驱动组件均与膨胀组件连接，第一驱动组件能够驱动膨胀组件沿钻杆的径向膨胀或收缩，第二驱动组件能够驱动膨胀组件沿钻杆的轴向运动。当膨胀组件处于膨胀状态时，钻杆的中轴线到膨胀组件的外侧面的最大垂直距离大于钻头的直径；当膨胀组件处于收缩状态时，钻杆的中轴线到膨胀组件的外侧面的最大垂直距离小于或等于钻头的直径。整个过程将钻孔、破岩、落岩动作集中一起，钻孔后直接进行破岩，节省了设备转换时间，提高了开挖效率。开挖效率。开挖效率。


技术研发人员：葛振斌 周文 张亚军 张海涛 方永东 霍震杨 何志新
受保护的技术使用者：中国铁建重工集团股份有限公司
技术研发日：2023.04.30
技术公布日：2023/8/1