CN102410027A - 新型双模式tbm及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于盾构及TBM施工领域的新型双模式TBM及其控制方法。本设备可实现两种掘进模式，开挖面不能自稳时为EPB盾构模式软岩掘进，开挖面自稳性良好时为TBM模式硬岩掘进，两种模式转化相对简单。本发明解决了传统土压平衡盾构遭遇复杂岩土地层使用受限及TBM在软土地层中不适应等缺点，兼顾了硬岩、软土两种掘进模式、结合管片拼装与洞壁支护两种隧洞支撑技术的优点，集硬岩掘进机技术与软土盾构技术于一体的新型混合式TBM，既具有硬岩快速掘进功能，又具有开挖面平衡功能，使盾构技术与TBM技术相互渗透、相互融合，拓展了设备的地质适应范围，使单台隧道掘进设备具有更广泛的地质适应性，能有效降低施工风险，且操作简单，成本低廉。

Description

新型双模式TBM及其控制方法

技术领域

本发明属于盾构及TBM工程技术领域，具体为一种新型双模式TBM(混合式TBM)及其控制方法。

背景技术

EPB盾构(土压平衡掘进机)及TBM(全断面硬岩掘进机)是利用回转刀具开挖，同时破碎洞内围岩及掘进，形成全断面隧道的一种新型、先进的隧道施工机械，被广泛应用于铁路、水利、电力、核电、交通等领域，对工程施工具有快速、优质、安全、经济、环保等诸多突出优点，是隧道建设中首选施工方案。目前，国外相关盾构及TBM技术已经基本成熟，国内整套技术国产化能力正在稳步提升。随着国家十一五、十二五期间铁路、地铁、水利、核电等诸多大型项目建设，国内盾构及TBM行业引领国内制造业制造技术水平将向产业更深层次延伸。

硬岩TBM在良好地层中掘进效率占居优势，但设备总长过长，占用场地大，TBM掘进与车站施工、后续施工存在一定干扰，工筹难度加大，造价昂贵、耗资严重。TBM通用缺点为遇到不良地质或软岩、硬岩交替地层，施工风险及难度急剧增大。双护盾TBM主机较长，在围岩急剧收敛或者小曲线掘进过程中主机被卡风险急剧增大。EPB盾构则在软土中掘进具有无可比拟的优势，成套技术成熟、造价低廉，对其他各项施工干扰小。针对部分线路地质中既有硬岩也有软岩工程地质特殊工况，导致TBM在软岩中不能顺利掘进而常规EPB盾构又不能应用于硬岩情况。

因此，急需一种既能在较软地层或围岩较差地层中掘进又兼具有硬岩掘进机性能的隧道施工装备，使一台设备具有更广泛的地质适应性，同时对配套施工干扰小，降低工程风险，是隧道掘进机设计及施工中的一大难题，也是制约隧道掘进机使用范围的重要原因。

发明内容

为了克服上述现有技术中的不足，本发明提供了一种可同时满足软岩及硬岩地层掘进的双模式TBM及其控制方法。本发明可实现两种掘进模式，开挖面不能自稳时为EPB盾构模式软岩掘进，开挖面自稳性良好时为TBM模式硬岩掘进；设备具有较强地质适应性，同时整机结构相对简单，模式转换方便，对配套施工干扰小、控制方便，设备造价低廉、经济实用。

本发明的的目的是这样实现的：

新型双模式TBM，其特征在于：包括刀盘1、以及与刀盘1连接的若干筒节的盾体系统、以及位于盾体系统内的主驱动4、保压人仓5、推进油缸7，位于螺旋输送机12、管片拼装机10、反力系统及超前钻机17；

所述的盾构体系统包括与刀盘1连接的前盾2，与前盾2连接的中盾6，与中盾6连接的尾盾8；前盾2的左上、右上方位布置有稳定器3，左下、右下部位布置有摆动缸18；刀盘1连接有位于盾体系统内的主驱动4，主驱动4连接有位于中盾6内的推进油缸7，中盾6的左下、右下方位同时布置有摆动缸18；中盾6与尾盾8间设置有多组铰接油缸16；

所述的反力系统包括挡环9、钢支撑13、撑靴环11、导向环15，挡环9、钢支撑13、撑靴环11为一可随时拆卸组装的连接结构；撑靴环11为可拆解环形钢结构，钢支撑位置22与撑靴环11筋板对应布置在撑靴环11的左上、右上、左下、右下四个区域对称布置有撑靴缸20；每个撑靴缸20与靴板23间均为球角柔性连接；撑靴环11下部分布有耐磨条21，撑靴环11的环片间通过连接法兰19连接；挡环9与中盾6周围对称点位推进油缸7撑靴间设置有撑靴环拖拉装置；导向环15为设置在尾盾8内侧的可拆卸导向环；管片14通过位于尾盾8内的管片拼装机10在盾构壳体23外进行拼装。

所述的前盾6周围预留有超前注浆口，位于尾部盾8管片拼装机10部位布置有超前钻机17。

所述的新型双模式TBM的控制方法为：

1)、EPB掘进模式：

软土地质模式掘进时，在刀盘掌子面建立压力以平衡水土压力，防止掌子面坍塌，涌水，减小沿线地表沉降；同时利用刀盘1推进，管片拼装机10拼装管片14循环向前掘进，由预先铺设的管片14为掘进提供反力，伴随管片14背衬的同步注浆加固，推进油缸7循环换步向前推进，最终形成由环形管片衬砌的隧道；

2)、TBM掘进模式：

当掘进地层为良好硬质岩层时，刀盘掌子面稳定，切换掘进模式为TBM模式，临时组装挡环9、钢支撑13、撑靴环11、导向环15；在撑靴环11的左上、右上、左下、右下四个区域对称布置有撑靴缸20，每个区域撑靴缸20与其他区域油缸可单独控制，亦可协调控制；每个撑靴缸20与靴板23间均为球角柔性连接，工作时使靴板24能自适应洞壁；四组撑靴缸20伸出使靴板23撑紧岩壁，为撑靴环11获得足够的摩擦力作为主机推进反力；挡环9、钢支撑13、撑靴环11连接为一整体结构，利用撑靴环11自重平衡钢支撑13及挡环9的重力，并使推进油缸7在曲线段转向推进时挡环9减少与尾盾8上附带的导向环15的压力，减少尾盾抗力，利于尾盾8曲线转向；挡环9与中盾周围对称点位推进油缸7撑靴间设置有撑靴环拖拉装置；此拖拉装置可在多组推进油缸7同时推进时为掘进提供推力，而在一个推进行程结束换步时带动挡环9、钢支撑13、撑靴环11向前行走；

TBM模式掘进循环过程：

3)TBM模式掘进循环过程为撑靴环11上的撑靴缸20伸出，使靴板24撑紧岩壁，为推进提供反力，并由推进油缸7为主机掘进提供推力向前掘进，掘进一个行程后，撑靴环11的撑靴缸20收回，而后推进油缸7收回，其中四个对称点位的油缸带动挡环9、钢支撑13、撑靴环11一起向前行走一个行程；当撑靴环11的撑靴缸20再次伸出靴板24撑紧岩壁后，整个掘进进入下一个循环，如此循环不断向前掘进；在整个TBM掘进过程中管片拼装机10可停止工作，利用围岩自稳性配合后期支护加固隧道；

4)EPB模式——TBM模式转换：

当掘进地层遭遇软土——硬岩地质变化过程时，需将掘进模式由EPB模式转换为TBM模式。在EPB模式推进至图4状态，此时推进油缸7推进主机至一个管片宽度行程，然后收回推进油缸7，停机拆除第一管片环25、第二管片环26、第三管片环27，剩下第四管片环28为后续工作留出空间，临时组装挡环9、钢支撑13、撑靴环11、导向环15，进行系统控制调试；至此EPB——TBM模式转换结束，随后按照TBM模式进行掘进，隧道洞壁支护加固可后期展开，两种模式掘进交接部位洞内过渡修复伴随支护进行；

5)、TBM模式——EPB模式转换：

当掘进地层遭遇硬岩——软土地质变化过程时，需将掘进模式由TBM模式转换为EPB模式；拆除挡环9、钢支撑13、导向环15，待撑靴环11撑紧岩壁后，紧邻撑靴环11拼装管片环；此时可由撑靴环11提供推进反力，由管片14作为过渡支撑，伴随初步注浆逐渐建立注浆压力，完成逐环管片衬砌；当掘进至已铺设的管片14能够提供足够的支反力后，拆除撑靴环11，之后整个掘进完全按照EPB模式正常掘进。

积极有益效果：本发明克服了传统土压平衡盾构遭遇复杂岩土地层使用受限及TBM在软土地层中不能使用等缺点，兼顾了硬岩、软土两种掘进模式、管片拼装与洞壁支护两种隧洞支撑技术的优点，集硬岩掘进机技术与软土盾构技术于一体的新型混合式TBM，既具有硬岩快速掘进功能，又具有开挖面平衡功能，使盾构技术与TBM相互渗透、相互融合，拓展了设备的地质适应范围，使单台隧道掘进设备具有更广泛的地质适应性。对设备穿越复杂地层施工具有模式快速转换功能，对配套施工干扰小，能有效减少施工风险，有同时设备相对操作简单，造价低廉，控制方便，经济实用。

附图说明：

图1是本发明双模式TBM设备主机结构示意图；

图2时本发明主机稳定器及摆动缸布置结构示意图；

图3是本发明撑靴环结构示意图；

图4是本发明掘进模式由EPB模式转换为TBM模式前状态示意图；

图5是本发明掘进模式由EPB模式转换为TBM模式后状态示意图；

图6为本发明掘进模式由TBM模式转换为EPB模式状态示意图；

图中为：刀盘1、前盾2、稳定器3、主驱动4、人仓5、中盾6、推进油缸7、尾盾8、挡环9、管片拼装机10、撑靴环11、螺旋输送机12、钢支撑13、管片14、导向环15、铰接油缸16、超前钻机17、摆动缸18、连接法兰19、撑靴缸20、耐磨条21、钢支撑位置22、壳体23、靴板24、管片环一25、管片环二26、管片环三27、第四管片环28。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

如图1、所示，新型双模式TBM，其特征在于：包括刀盘1、以及与刀盘1连接的若干筒节的盾体系统、以及位于盾体系统内的主驱动4、保压人仓5、推进油缸7，位于螺旋输送机12、管片拼装机10、反力系统及超前钻机17；

如图1、所述的盾构体系统包括与刀盘1连接的前盾2，与前盾2连接的中盾6，与中盾6连接的尾盾8；前盾2的左上、右上方位布置有稳定器3，稳定器3具有在硬岩地质条件下换刀时防振功能及防扭功能；左下、右下部位布置有摆动缸18；刀盘1连接有位于盾体系统内的主驱动4，主驱动4连接有位于中盾6内的推进油缸7，如图2所示，中盾6的左下、右下方位同时布置有摆动缸18，跟前盾摆动缸18一起具有在硬岩地质条件下协助调向功能；

如图1所示，中盾6与尾盾8间设置有多组铰接油缸16；主机中盾6与尾盾8间为被动铰接，推进油缸撑靴与挡环9间为柔性支撑能满足最小掘进转弯半径为300米曲线；

如图3所示，所述的反力系统包括挡环9、钢支撑13、撑靴环11、导向环15，挡环9、钢支撑13、撑靴环11为一可随时拆卸组装的连接结构；撑靴环11为可拆解环形钢结构，钢支撑位置22与撑靴环11筋板对应布置；在撑靴环11的左上、右上、左下、右下四个区域对称布置有撑靴缸20；每个区域撑靴缸20与其他区域油缸可单独控制，亦可协调控制。每个撑靴缸20与靴板23间均为球角柔性连接；工作时使靴板23能自适应洞壁。四组撑靴缸20伸出使靴板24撑紧岩壁，为撑靴环11获得足够的摩擦力作为主机推进反力。利用撑靴环11自重平衡钢支撑13及挡环9的重力，并使推进油缸7在曲线段转向推进时挡环减少与尾盾8上附带的导向环15的压力，减少尾盾8抗力，利于尾盾8曲线转向；撑靴环11下部分布有耐磨条21，撑靴环11的环片间通过连接法兰19连接；挡环9与中盾6周围对称点位推进油缸7撑靴间设置有撑靴环拖拉装置，此拖拉装置可在多组推进油缸7同时推进时为掘进提供推力，而在一个推进行程结束换步时带动挡环9、钢支撑13、撑靴环11向前行走；导向环15为设置在尾盾8内侧的可拆卸导向环；管片14通过位于尾盾8内的管片拼装机10在盾构壳体23外进行拼装。

所述的前盾6周围预留有超前注浆口，在硬岩地层中遇到破碎围岩时，可在管片拼装机10部位设置超前钻机10，进行超前地质注浆加固作业；位于尾部盾8管片拼装机10部位布置有超前钻机17。

所述的新型双模式TBM的控制方法为：

1)、EPB掘进模式：

软土地质模式掘进时，在刀盘掌子面建立压力以平衡水土压力，防止掌子面坍塌，涌水，减小沿线地表沉降；同时利用刀盘1推进，管片拼装机10拼装管片14循环向前掘进，由预先铺设的管片14为掘进提供反力，伴随管片14背衬的同步注浆加固，推进油缸7循环换步向前推进，最终形成由环形管片衬砌的隧道；

2)、TBM掘进模式：

当掘进地层为良好硬质岩层时，刀盘掌子面稳定，切换掘进模式为TBM模式，临时组装挡环9、钢支撑13、撑靴环11、导向环15；在撑靴环11的左上、右上、左下、右下四个区域对称布置有撑靴缸20，每个区域撑靴缸20与其他区域油缸可单独控制，亦可协调控制；每个撑靴缸20与靴板23间均为球角柔性连接，工作时使靴板24能自适应洞壁；四组撑靴缸20伸出使靴板23撑紧岩壁，为撑靴环11获得足够的摩擦力作为主机推进反力；挡环9、钢支撑13、撑靴环11连接为一整体结构，利用撑靴环11自重平衡钢支撑13及挡环9的重力，并使推进油缸7在曲线段转向推进时挡环9减少与尾盾8上附带的导向环15的压力，减少尾盾抗力，利于尾盾8曲线转向；挡环9与中盾周围对称点位推进油缸7撑靴间设置有撑靴环拖拉装置；此拖拉装置可在多组推进油缸7同时推进时为掘进提供推力，而在一个推进行程结束换步时带动挡环9、钢支撑13、撑靴环11向前行走；

TBM模式掘进循环过程：

3)TBM模式掘进循环过程为撑靴环11上的撑靴缸20伸出，使靴板24撑紧岩壁，为推进提供反力，并由推进油缸7为主机掘进提供推力向前掘进，掘进一个行程后，撑靴环11的撑靴缸20收回，而后推进油缸7收回，其中四个对称点位的油缸带动挡环9、钢支撑13、撑靴环11一起向前行走一个行程；当撑靴环11的撑靴缸20再次伸出靴板24撑紧岩壁后，整个掘进进入下一个循环，如此循环不断向前掘进；在整个TBM掘进过程中管片拼装机10可停止工作，利用围岩自稳性配合后期支护加固隧道；

4)EPB模式——TBM模式转换：

当掘进地层遭遇软土——硬岩地质变化过程时，需将掘进模式由EPB模式转换为TBM模式。在EPB模式推进至图4状态，此时推进油缸7推进主机至一个管片宽度行程，然后收回推进油缸7，停机拆除第一管片环25、第二管片环26、第三管片环27，剩下第四管片环28为后续工作留出空间，临时组装挡环9、钢支撑13、撑靴环11、导向环15，进行系统控制调试；至此EPB——TBM模式转换结束，如图5所示；随后按照TBM模式进行掘进，隧道洞壁支护加固可后期展开，两种模式掘进交接部位洞内过渡修复伴随支护进行；

5)、TBM模式——EPB模式转换：

当掘进地层遭遇硬岩——软土地质变化过程时，需将掘进模式由TBM模式转换为EPB模式；当TBM掘进模式主机位于图6状态后，拆除挡环9、钢支撑13、导向环15，待撑靴环11撑紧岩壁后，紧邻撑靴环11拼装管片环；此时可由撑靴环11提供推进反力，由管片14作为过渡支撑，伴随初步注浆逐渐建立注浆压力，完成逐环管片衬砌；当掘进至已铺设的管片14能够提供足够的支反力后，拆除撑靴环11，之后整个掘进完全按照EPB模式正常掘进。

TBM及EPB两种模式掘进共有特征：掘进过程中，以前盾2、中盾6作为主驱动4及刀盘1的支撑，由推进油缸7为整机掘进提供推力，并由主驱动4带动刀盘1回转开挖掘进。主机由多组推进油缸7协调控制提供推进力向前推进，并通过多组铰接油缸16拖拉尾盾8向前掘进。经过改良的渣土通过刀盘1进入前盾2土仓，在通过螺旋输送机12输送至后配套拖车，然后由编组列车或者皮带机运出洞外。

本设备前盾2周围设置的稳定器3具有在换刀过程中刀盘转向时稳定盾体和防扭功能；前盾和尾盾外围的摆动缸在协助主机在TBM掘进模式摆动调向功能；需要时在管片拼装机部位布置超前钻机17，具有在TBM掘进模式穿越不稳定围岩地层时超前地质钻孔，超前注浆地质加固作用，有效降低工程风险。

本发明所述主机具有岩石切削和软土开挖的双重功能，在软土地层EPB掘进模式下能够保证开挖面稳定、平衡水压力、最大限度减小地表沉降。在硬岩TBM掘进模式下设备具有足够的推力顺利掘进。

本发明所述的刀盘为复合式TBM刀盘，此刀盘可同时适应于硬岩或者软岩，对复合地层具有较强地质适应性，通过调整刀盘转向可以有效调节硬岩掘进过程中盾体滚动；

本发明所述的主驱动4为加强型主驱动，满足硬岩掘进及脱困所需扭矩；

本发明所述螺旋输送机12为轴式或带式输送机，可适应经改良后软土及硬岩渣土输送；

本发明克服了传统土压平衡盾构遭遇复杂岩土地层使用受限及TBM在软土地层中不能使用等缺点，兼顾了硬岩、软土两种掘进模式、管片拼装与洞壁支护两种隧洞支撑技术的优点，集硬岩掘进机技术与软土盾构技术于一体的新型混合式TBM，既具有硬岩快速掘进功能，又具有开挖面平衡功能，使盾构技术与TBM相互渗透、相互融合，拓展了设备的地质适应范围，使单台隧道掘进设备具有更广泛的地质适应性。对设备穿越复杂地层施工具有模式快速转换功能，对配套施工干扰小，能有效减少施工风险，有同时设备相对操作简单，造价低廉，控制方便，经济实用。

以上实施例仅用于说明本发明的优选实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在所述领域普通技术人员所具备的知识范围内，本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替代和改进等，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围之内。

Claims (5)

1.新型双模式TBM，其特征在于：包括刀盘(1)、以及与刀盘(1)连接的若干筒节的盾体系统、以及位于盾体系统内的主驱动(4)、保压人仓(5)、推进油缸(7)，位于螺旋输送机(12)、管片拼装机(10)、反力系统及超前钻机(17)。

2.根据权利要求1所述的新型双模式TBM，其特征在于：所述的盾构体系统包括与刀盘(1)连接的前盾(2)，与前盾(2)连接的中盾(6)，与中盾(6)连接的尾盾(8)；前盾(2)的左上、右上方位布置有稳定器(3)，左下、右下部位布置有摆动缸(18)；刀盘(1)连接有位于盾体系统内的主驱动(4)，主驱动(4)连接有位于中盾(6)内的推进油缸(7)，中盾(6)的左下、右下方位同时布置有摆动缸(18)；中盾(6)与尾盾(8)间设置有多组铰接油缸(16)。

3.根据权利要求1所述的新型双模式TBM，其特征在于：所述的反力系统包括挡环(9)、钢支撑(13)、撑靴环(11)、导向环(15)；挡环(9)、钢支撑(13)、撑靴环(11)为一可随时拆卸组装的连接结构；撑靴环(11)为可拆解环形钢结构，钢支撑位置(22)与撑靴环(11)筋板对应布置，在撑靴环(11)的左上、右上、左下、右下四个区域对称布置有撑靴缸(20)；每个撑靴缸(20)与靴板(23)间均为球角柔性连接；撑靴环(11)下部分布有耐磨条(21)，撑靴环(11)的环片间通过连接法兰(19)连接；挡环(9)与中盾(6)周围对称点位推进油缸(7)撑靴间设置有撑靴环拖拉装置；导向环(15)为设置在尾盾(8)内侧的可拆卸导向环；管片(14)通过位于尾盾(8)内的管片拼装机(10)在盾构壳体(23)外进行拼装。

4.根据权利要求1所述的新型双模式TBM，其特征在于：所述的前盾(6)周围预留有超前注浆口，位于尾部盾(8)管片拼装机(10)部位布置有超前钻机(17)。

5.如权利要求1所述的新型双模式TBM的控制方法为：

1)、EPB掘进模式：

软土地质模式掘进时，在刀盘掌子面建立压力以平衡水土压力，防止掌子面坍塌，涌水，减小沿线地表沉降；同时利用刀盘1推进，管片拼装机10拼装管片14循环向前掘进，由预先铺设的管片14为掘进提供反力，伴随管片14背衬的同步注浆加固，推进油缸7循环换步向前推进，最终形成由环形管片衬砌的隧道；

2)、TBM掘进模式：

当掘进地层为良好硬质岩层时，刀盘掌子面稳定，切换掘进模式为TBM模式，临时组装挡环9、钢支撑13、撑靴环11、导向环15；在撑靴环11的左上、右上、左下、右下四个区域对称布置有撑靴缸20，每个区域撑靴缸20与其他区域油缸可单独控制，亦可协调控制；每个撑靴缸20与靴板23间均为球角柔性连接，工作时使靴板24能自适应洞壁；四组撑靴缸20伸出使靴板23撑紧岩壁，为撑靴环11获得足够的摩擦力作为主机推进反力；挡环9、钢支撑13、撑靴环11连接为一整体结构，利用撑靴环11自重平衡钢支撑13及挡环9的重力，并使推进油缸7在曲线段转向推进时挡环9减少与尾盾8上附带的导向环15的压力，减少尾盾抗力，利于尾盾8曲线转向；挡环9与中盾周围对称点位推进油缸7撑靴间设置有撑靴环拖拉装置；此拖拉装置可在多组推进油缸7同时推进时为掘进提供推力，而在一个推进行程结束换步时带动挡环9、钢支撑13、撑靴环11向前行走；

TBM模式掘进循环过程：

3)TBM模式掘进循环过程为撑靴环11上的撑靴缸20伸出，使靴板24撑紧岩壁，为推进提供反力，并由推进油缸7为主机掘进提供推力向前掘进，掘进一个行程后，撑靴环11的撑靴缸20收回，而后推进油缸7收回，其中四个对称点位的油缸带动挡环9、钢支撑13、撑靴环11一起向前行走一个行程；当撑靴环11的撑靴缸20再次伸出靴板24撑紧岩壁后，整个掘进进入下一个循环，如此循环不断向前掘进；在整个TBM掘进过程中管片拼装机10可停止工作，利用围岩自稳性配合后期支护加固隧道；

4)EPB模式——TBM模式转换：

当掘进地层遭遇软土——硬岩地质变化过程时，需将掘进模式由EPB模式转换为TBM模式。在EPB模式推进至图4状态，此时推进油缸7推进主机至一个管片宽度行程，然后收回推进油缸7，停机拆除第一管片环25、第二管片环26、第三管片环27，剩下第四管片环28为后续工作留出空间，临时组装挡环9、钢支撑13、撑靴环11、导向环15，进行系统控制调试；至此EPB——TBM模式转换结束，随后按照TBM模式进行掘进，隧道洞壁支护加固可后期展开，两种模式掘进交接部位洞内过渡修复伴随支护进行；

5)、TBM模式——EPB模式转换：

当掘进地层遭遇硬岩——软土地质变化过程时，需将掘进模式由TBM模式转换为EPB模式；拆除挡环9、钢支撑13、导向环15，待撑靴环11撑紧岩壁后，紧邻撑靴环11拼装管片环；此时可由撑靴环11提供推进反力，由管片14作为过渡支撑，伴随初步注浆逐渐建立注浆压力，完成逐环管片衬砌；当掘进至已铺设的管片14能够提供足够的支反力后，拆除撑靴环11，之后整个掘进完全按照EPB模式正常掘进。

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